基于层次分析法的短波地空网链路优选算法*

刘 硕 ，刘芸江 ，李 曼 ，白 翔

（1.空军工程大学信息与导航学院，西安 710077；2.西安航空学院，西安 710000；3.中国电子科技集团公司第三十研究所，成都 610041）

0 引言

短波天波通信以电离层为中继，具有抗毁能力强、成本低廉、顽存性好等诸多优点，是远程通信的有效方式，也是军事领域中不可或缺的通信手段［1］。但是电离层作为一种时变传输媒介［2］，伴随着地理位置、太阳活动强弱以及季节变化等都会影响电离层的传播特性，继而使得短波通信的传输质量时好时坏，为了使地空之间短波通信质量保持在较好且稳定的水平，就必须经常对通信链路作出调整以适应短波信道的变化。那么如何确定链路质量评价标准以及设计链路优选算法成为提升短波通信质量的关键问题。文献［3］结合ITS软件的长期预测模型，依据信噪比预测值的分布，给出了加权算法下航线信道质量的排序，进行最佳通信链路的选取；文献［4］利用VOACAP预报软件分别对不同发送台和接收台站间的链路质量进行分析比较，以接收端场强中值为信道性能指标从中选择出一条最好的通信链路，保证通信质量。然而，由于短波链路复杂多变的特性，上述建链方法［3-4］均以单一指标作为评价标准，略显片面，短波建链必须综合考虑影响链路质量的多种因素进行优选判决。

短波地空网的链路优选是一个多目标、多准则的决策问题，这正好符合层次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）［5］多目标决策的设计思想：把复杂问题分解成不同的组成因素，又将这些因素按支配关系分组形成阶梯层次结构，通过两两比较的方式确定层次中各因素的相对权重。然后进行综合判断，确定各方案组合权重的总排序。文献［6］针对蜂窝异构网络的特点，综合考虑网络状态及用户业务特征，提出了基于AHP的网络切换判决算法；文献［7］将AHP融入到短波源动态路由协议中，分析链路质量、路径长度、节点负载和生存时间等多种因素，进行最佳路径的选择。

针对短波地空网信道的特点，本文提出了一种基于层次分析法的链路优选算法。算法综合考虑影响短波链路质量的多种因素，进行链路质量判决，为地空通信双方选择一条当前性能最优的通信链路。

1 采用AHP进行短波地空链路优选

1.1 短波地空网建链分析

短波地空通信，顾名思义指的是通过地面短波站点与飞机建立短波链路，以实现地面指挥中心与飞机之间的通信。新型的短波地空网网络架构如图1所示，地面用户和短波固定站通过有线网络连接，作为栅格化网络中的一点接入地空通信系统，只要是地面栅格网中的用户就可以通过任意短波站点对所属的空中节点实施指挥引导，改变了传统的“点对点”地空通信概念，形成了多点对多点（面对面）的通信模式［8］。

以地面用户U1和空中节点A1之间的通信流程为例，当U1主动和A1进行通信时，面临着U1-H1-A1、U1-H2-A1和 U1-H3-A1三条链路可供选择，U1会通过链路优选算法进行链路质量排序，优选出最佳的通信链路，与其对应的短波固定站和A1建立短波连接；当A1主动和U1进行通信时，短波固定站H1、H2、H3均将收到A1发送的数据，并按照数据包中的地址信息通过有线网络转发给U1，U1同样进行链路质量排序，接收质量最好的链路发来的数据。

1.2 AHP链路优选算法

利用层次分析法对指挥中心和飞机之间的所有链路进行质量判决，并选择组合权重最大的链路作为最优路径，具体方法如下。

1.2.1 建立层次结构模型

基于AHP的链路优选层次结构模型如图2所示，最高层为目标层G：选择最优通信链路；中间层为准则层S：评价指标，即影响链路质量的主要因素，一般可以选取的指标有［9］：信噪比（SNR）、接收端场强中值（DBU）、链路可靠度（REL）、时延（DELAY），依次记为；最底层为方案层L：M个待选的地空短波通信链路，依次记为。

1.2.2 构造成对比较矩阵

根据表1中的1～9比较尺度［5］和成对比较法构造成对比较矩阵，比较准则层n个参数对目标层的影响。采用的方法是：每次取2个因素Xi和Xj比较其对目标因素的影响，并用aij表示，全部的比较结果用成对比较矩阵表示，

表1 1～9比较尺度

即

1.2.3 计算各参数权重

在确定了参数的重要性之后，按照如下步骤计算参数的权值。

1）对A按列规范化。

3）进行归一化处理，即得权重系数Wi

1.2.4 一致性检验

1）当成对比较矩阵A为一致阵A时有

所以，可以取其平均值作为检验成对比较矩阵的准则，一致性指标为

一般情况下，若C.I.≤0.10，就认为成对比较矩阵具有一致性。据此而计算的特征向量可用作权向量。否则对成对比较矩阵A重新进行成对比较，构造新的成对比较矩阵A。

1.2.5 计算组合权重

在多属性决策问题中计算组合权向量时，简单加权法（Simple Additive Weight，SAW）不失为最常用的方法，其计算过程为先将各属性归一化处理，再计算各待选方案L的加权和C[L]，最后再根据C[L]的大小对各待选方案进行排序，其值越大（或越小），表示该方案越好。

若有m个待选链路，n个评价指标，则归一化处理后得到矩阵D=（rij）mn。假设xij为待选方案i的评价指标j的评估值，若准则为信噪比（越大越好）时

最后可以得到各链路的组合权向量：

其中，DT是D的转置矩阵。

2 离线静态联合仿真与分析

为了验证所提算法的合理性和有效性，考虑到实验室设备以及环境有限，实现实时通信验证比较困难。本文采用离线静态联合的思想［10］：特定条件下利用ITS软件预测出某时刻信道的指标参数，并应用AHP链路优选算法选择出当前最优的建链路径，放入OPNET软件模拟的短波地空网网络仿真场景中进行仿真及验证。

2.1OPNET网络侧仿真

短波地空网链路优选仿真场景设置如下：假设2015年12月5日（太阳黑子数为75，由ITU官网公布）上午9点开始，有一批次飞机共5架，编号依次为0～4，从A点出发，沿计划的航线（白线所示）执行巡航任务，飞行持续到下午2点结束，共5个小时。飞机飞行过程中，基于TDMA协议使用定频7 000 kHz进行通信，由短波站0、1和2共同提供通信保障，其地理坐标分别为（N6，W11）、（N5，E6）、（S1，E10）。据此场景，运用OPNET软件的三层建模机制模拟短波地空网链路优选场景，其上述网络模型如下页图3所示，网络模型中分布有一个指挥中心（command_center）、3 个短波站（HF_station_0/1/2）和5架飞机（air_craft_0/1/2/3/4），地面固定站之间采用总线模式的有线链路连接，飞机和地面之间采用无线链路连接。节点模型和进程模型的具体建模过程参考文献［11-12］。

对特定条件的定义：规定在巡航任务中，地空双方根据AHP链路优选算法，每隔一个小时进行一次信道优选判决，也就是飞机飞行到图3中A、B、C、D、E 5个位置点时，对可选择的短波链路进行质量排序，选择性地使用最佳的短波站进行数据通信。

2.2 ITS信道侧仿真

ITS软件是基于实测数据的专用短波信道模拟软件，对求出适当的电离层参数、发射角度、所需的天线场型及系统的性能都有相当的预测功能，可借助不同的输入参数而得到所要的输出数据［13］。在ICEPAC子软件模块中，用户可通过设置收发站点的坐标信息、时间信息、太阳黑子数、预选频率、收发天线以及仿真方法等参数，以分布图或文本的方式输出指定条件下信道的性能数据。以飞机飞到A点（N5，W9）为例，指挥中心当前有3条链路可以选择，分别用链路 A0、A1、A2表示，终端用户通过设置ICEPAC模块的相关参数，快速分析所有短波站与机群之间的通信链路质量，即A0、A1、A2的信道性能参数，其链路A0的仿真参数配置如图4所示。

选择Run/Circuit方式运行程序，得到的仿真结果如图5所示，从中得到指定条件下SNR、DBU、REL、DELAY等各项信道性能参数的预测值。同样在其他参数设置相同的情况下，更改接收站点的地理位置坐标，即Receiver参数的数值，便可以得到链路A1、A2的相关信道指标预测值。

2.3 AHP信道优选判决

针对短波地空网中数据传输对信道的要求，信道的选择主要依据1.2.1节中所述准则层的4项因素，且信噪比影响最大，接收端场强中值与链路可靠度次之，时延影响最小。联立表1和式（1），得到准则层各因素成对比较矩阵：

表2 飞机位置A点链路选择数据

由表2中各信道的组合权重大小可知，当飞机飞行到A点位置时，链路A0的组合权重最大，意味着其信道质量较链路A1和A2性能优越，此刻指挥中心与飞机之间通过短波站0建立通信链路是最优的选择。同理，经计算各时段优选短波站编号如表3所示。

表3 优选短波站编号

2.4 仿真结果分析

2.4.1 合理性验证

在短波地空网中，最佳通信链路的建立，不一定使用的是本地的短波站点，所以笼统来讲短波站只是起到了对空数据接收和对地数据发送的“中转”作用，当数据包从源节点发出时，不仅含有目的地址，而且含有短波站地址，指定的短波站才会将数据包发射到无线/有线信道，其他短波站点收到后销毁数据包。从接收到的数据包中获取通信时所选短波站点地址信息，得到地空双方通信时优选的短波站地址信息，如图6所示。

从图6中可以看出，指挥中心在0～2、2～3、3～4和 4～5时间段内（分别对应 09：00-11：00、11：00-12：00、12：00-13：00、13：00-14：00），分别使用短波站0、短波站1、短波站2和短波站1与空中飞机进行数据的交互，这与表3优选短波站编号一致，验证了该算法在短波地空网网络架构中应用的合理性。

2.4.2 有效性验证

网络性能的提升就是有效性最有力的证明，分析使用AHP链路优选算法前后，网络的数据包接收率、端到端时延和网络吞吐量等性能的变化。

从图7中可以看出，同样的网络环境下使用AHP链路优选算法，在图7（a）数据包接收率方面，TDMA协议提高了12%；在图7（b）端到端时延方面，TDMA协议增加了0.5 s，但仍在可以接受的范围内；在图7（c）网络吞吐量方面，TDMA协议提高了100 b/s。这是因为AHP链路优选算法能够综合考虑影响链路质量的主要因素，对最优链路的选择具有较高的准确度，相比之下的随机选择建链具有许多不确定性。接收率和吞吐量的提高验证了该算法在短波地空网应用的有效性。

3 结论

本文在分析新型短波地空网建链问题的基础上，提出了基于层次分析法的短波地空网链路优选算法，综合考虑多种影响信道性能的因素，把链路优选问题建模为多属性层次决策问题，设计了相应的AHP链路优选算法。采用离线静态联合的思想，利用OPNET和ITS建立短波地空网链路优选场景，

验证了该算法的合理性和有效性。同时，如何实现实时联合仿真验证算法的性能是下一步研究的重点。

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