基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)聚類(lèi)的編隊(duì)指配頻率需求預(yù)處理方法研究

基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)聚類(lèi)的編隊(duì)指配頻率需求預(yù)處理方法研究

1頻率指配研究在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，電子戰(zhàn)能對(duì)戰(zhàn)局產(chǎn)生了重大影響。大多數(shù)高精度武器都需要使用高頻譜。隨著電子戰(zhàn)的升級(jí)，戰(zhàn)場(chǎng)上的電磁環(huán)境極其復(fù)雜，敵我雙方在電子顯微鏡下資源競(jìng)爭(zhēng)變得更加激烈。如果我們不能很好地調(diào)整使用計(jì)劃光譜資源，就會(huì)造成許多武器無(wú)法正常工作，尤其是在海軍作戰(zhàn)中。為保障艦艇編隊(duì)各類(lèi)電子設(shè)備和武器系統(tǒng)在復(fù)雜電磁環(huán)境下的作戰(zhàn)能力,必須合理地分配使用頻譜資源,而頻率指配的優(yōu)劣是決定編隊(duì)頻譜資源使用效能的重要部分,包括戰(zhàn)前的編隊(duì)用頻計(jì)劃的制定與戰(zhàn)時(shí)的頻譜協(xié)調(diào),目前針對(duì)頻率指配算法的研究較多,但是主要集中在對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)和用頻裝備數(shù)小于30的小規(guī)模場(chǎng)景,針對(duì)編隊(duì)作戰(zhàn)場(chǎng)景的頻率指配研究較少,主要是由于編隊(duì)作戰(zhàn)時(shí),用頻裝備多、電磁干擾劇烈,在敵我對(duì)抗劇烈時(shí)很難保證編隊(duì)各用頻裝備的頻譜使用,目前海軍進(jìn)行頻率指配時(shí)主要依賴(lài)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和公式為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)軟件,在用頻計(jì)劃制定方面的研究大多數(shù)都是對(duì)電磁頻譜管理的一般性論述,主要集中在頻率指配等相關(guān)算法的理論研究,文獻(xiàn)提出一種采用粒子群算法對(duì)認(rèn)知無(wú)線電頻譜進(jìn)行分配的方法,而文獻(xiàn)介紹多維頻譜空間下的動(dòng)態(tài)頻譜管理研究,文獻(xiàn)闡述了美軍的頻譜管理體系的頻譜的規(guī)劃、用頻、頻譜等方面的管理及相關(guān)工具。本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)有海軍信息作戰(zhàn)頻率指配進(jìn)行調(diào)研,針對(duì)目前編隊(duì)頻率指配效能低、手段匱乏的現(xiàn)狀,提出了一種編隊(duì)環(huán)境下的用頻需求分析方法,分析編隊(duì)作戰(zhàn)環(huán)境下的裝備用頻需求,為編隊(duì)頻率指配提供預(yù)處理,提高編隊(duì)頻率指配的效率。2基于頻譜資源的使用計(jì)劃建模艦船是信息高度密集型的海軍裝備平臺(tái),艦上具備數(shù)量繁多的各類(lèi)電子傳感器,而編隊(duì)在進(jìn)行作戰(zhàn)任務(wù)時(shí),由于經(jīng)常涉及到多艦的多部電子裝備同時(shí)使用,往往造成編隊(duì)高度飽和的電子裝備間互相干擾。因此編隊(duì)作戰(zhàn)環(huán)境下,為快速制定作戰(zhàn)用頻計(jì)劃,就必須降低頻率指配的復(fù)雜度,本文通過(guò)對(duì)編隊(duì)各用頻裝備的用頻需求進(jìn)行建模分析,以達(dá)到降低編隊(duì)頻率指配復(fù)雜度的目的。根據(jù)編隊(duì)作戰(zhàn)任務(wù)所需用頻裝備的頻譜工作參數(shù)確定的用頻裝備對(duì)頻譜資源的需求。以可用頻譜資源為約束,以用頻需求為依據(jù),通過(guò)頻率指配生成的編隊(duì)用頻裝備對(duì)頻譜資源的使用計(jì)劃。在現(xiàn)代高科技軍事作戰(zhàn)中,頻譜管理對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)勝負(fù)起到?jīng)Q定性作用,頻率指配的效率是決定頻譜管理效率的關(guān)鍵因素。目前針對(duì)頻率指配算法的研究較多,而缺少指標(biāo)評(píng)價(jià)用頻計(jì)劃性能的優(yōu)劣,因此開(kāi)展用頻計(jì)劃制定以及性能評(píng)價(jià)方法的研究。3用頻需求設(shè)計(jì)編隊(duì)用頻裝備有其特殊性,大多數(shù)裝備的使用頻率調(diào)整范圍都比較有限,如需較大幅度調(diào)整用頻,需要返廠重新裝配,重新進(jìn)行電磁兼容分析等工作,因而對(duì)編隊(duì)各用頻裝備指配頻率時(shí)必須基于裝備的用頻需求,而決定裝備的用頻需求有兩個(gè)因素:第一個(gè)因素是用頻裝備工作的規(guī)格參數(shù),決定了用頻裝備可調(diào)整頻率范圍、工作帶寬、射頻功率等信息;第二個(gè)因素就是作戰(zhàn)任務(wù),執(zhí)行不同類(lèi)型作戰(zhàn)任務(wù)時(shí),用頻裝備的工作模式有可能不同,其用頻需求也不同,執(zhí)行相同類(lèi)型作戰(zhàn)任務(wù),如果所需的工作效能不同,裝備的用頻需求也不同。因此,用頻需求是裝備為完成作戰(zhàn)任務(wù)對(duì)頻譜資源的需求,包含用頻裝備的主頻(為統(tǒng)一考慮,本文中用頻裝備的工作主頻需求是連續(xù)的頻段)、帶寬、功率。為了對(duì)編隊(duì)各裝備的用頻需求進(jìn)行分析,本文設(shè)計(jì)了編隊(duì)用頻需求的統(tǒng)一模版,將編隊(duì)不同類(lèi)型的裝備的用頻需求進(jìn)行統(tǒng)一。單個(gè)用頻裝備為完成某一任務(wù)提交的用頻需求為一個(gè)具備多數(shù)據(jù)屬性的元素,編隊(duì)用頻需求則是元素集合,每個(gè)用頻需求元素包含裝備的基本參數(shù)及各項(xiàng)頻譜使用要求,本文采用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)項(xiàng)模板{Mn,Eid,Es,Pid,Ps,Fs,Fe,Pn,Pmin,Bn,As,Ae,Ts,Te}描述用頻計(jì)劃,如圖1所示。用頻需求元素的數(shù)據(jù)項(xiàng)包括裝備任務(wù)號(hào)Mn(Mission_Num)、裝備編號(hào)Eid(Equip_ID)、所屬艦編號(hào)Gid(Galley_ID)、艦上裝備位置編號(hào)Es(Equip_Site)、所屬艦位置Gs(Galley_Site)、工作主頻起始Fs(Frequency_start)、工作主頻結(jié)束Fe(Frequency_end)、工作帶寬需求B(Bandwidth)、最小工作功率Pmin(Power_min)、最大工作功率Pmax(Power_max)、射頻起始方向As(Angel_start)、射頻結(jié)束方向Ae(Angel_end)、工作開(kāi)始時(shí)間Ts(Time_start)、工作結(jié)束時(shí)間Te(Time_end)。其中Eid、Es、Gid、Gs為用頻裝備位置屬性,用以描述裝備工作位置,為簡(jiǎn)化分析,制定用頻計(jì)劃時(shí)認(rèn)為各艦保持陣型,即用頻裝備間的相對(duì)位置保持不變,Eid、Es、Gid、Gs為固定屬性,而在戰(zhàn)時(shí)協(xié)調(diào)過(guò)程中,通過(guò)指控系統(tǒng)讀取位置數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜協(xié)調(diào)。Fs、Fe、B、Pmax為裝備對(duì)頻譜資源的需求,Pmin、As、Ae、Ts、Te為用頻需求的備選屬性,進(jìn)行頻率指配時(shí),一般在功率、空間、時(shí)間上是冗余考慮的,但是當(dāng)編隊(duì)環(huán)境頻譜資源有限,無(wú)法滿足用頻需求時(shí),就需要考慮各裝備在功率、空間、時(shí)間上的需求,計(jì)算能否協(xié)調(diào)工作。4資源與算法之間的沖突由于編隊(duì)用頻裝備數(shù)量多,而各裝備的用頻需求都集中在有限的可用頻譜資源上、有限的作戰(zhàn)空間內(nèi),所以眾多用頻需求之間的沖突不可避免。因而為了分析編隊(duì)用頻需求之間的關(guān)系,提高編隊(duì)頻率指配的效率,本文采用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)建模的方法對(duì)編隊(duì)大量的用頻需求之間的相互影響關(guān)系進(jìn)行分析。4.1復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的特性由于網(wǎng)絡(luò)能夠準(zhǔn)確描述客觀事物間的關(guān)系,因而引起各領(lǐng)域研究者的廣泛興趣,網(wǎng)絡(luò)被廣泛應(yīng)用于社會(huì)關(guān)系網(wǎng)分析、互聯(lián)網(wǎng)分析、電網(wǎng)分析、軍事作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)分析等領(lǐng)域中,并取得了大量研究成果。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)也逐漸成為一門(mén)跨數(shù)學(xué)、社會(huì)科學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、生物學(xué)、物理學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)以及復(fù)雜性科學(xué)等眾多領(lǐng)域的新興交叉學(xué)科。網(wǎng)絡(luò)可以看成是有節(jié)點(diǎn)集和邊集組成的圖,按邊的性質(zhì)可以將網(wǎng)絡(luò)分為有向網(wǎng)絡(luò)和無(wú)向網(wǎng)絡(luò),無(wú)向網(wǎng)絡(luò)中同一對(duì)節(jié)點(diǎn)間所對(duì)應(yīng)的邊是同一條,沒(méi)有方向性,而有向網(wǎng)絡(luò)中同一對(duì)節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的邊是兩條方向相反的邊;按邊是否具有權(quán)值可將網(wǎng)絡(luò)分為加權(quán)網(wǎng)絡(luò)和無(wú)權(quán)網(wǎng)絡(luò),加權(quán)網(wǎng)絡(luò)中的邊被賦予了一定的權(quán)值,而無(wú)權(quán)網(wǎng)絡(luò)中的邊權(quán)值均為1。復(fù)雜系統(tǒng)中大量個(gè)體之間的相互影響關(guān)系則可以通過(guò)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)建立模型,分析復(fù)雜系統(tǒng)相應(yīng)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)個(gè)體、簇、網(wǎng)絡(luò)間的規(guī)律與統(tǒng)計(jì)特性。編隊(duì)各用頻裝備之間的相互沖突關(guān)系可以認(rèn)為是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng),通過(guò)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型建模,可以有效分析編隊(duì)用頻需求的特性。4.2用頻需求分析編隊(duì)環(huán)境下用頻需求數(shù)量多,假設(shè)每艘艦需要使用搭載的40個(gè)用頻裝備,編隊(duì)以10艘軍艦估算,其用頻需求的數(shù)量可能達(dá)到400個(gè),有的裝備所提交的用頻需求頻段完全不同,而有的裝備所提交的用頻需求有可能有重疊頻段,甚至完全相同,因此編隊(duì)各裝備用頻需求相互之間存在沖突關(guān)系,本文采用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)建模的方法分析編隊(duì)用頻需求之間的沖突關(guān)系。首先編隊(duì)的各個(gè)用頻裝備不是同時(shí)工作,結(jié)合編隊(duì)作戰(zhàn)任務(wù)特性,本文對(duì)編隊(duì)作戰(zhàn)三個(gè)階段進(jìn)行分析,分別為:巡航階段、防空反導(dǎo)階段和對(duì)海打擊階段。這三個(gè)階段包含了海軍編隊(duì)作戰(zhàn)的日常行為、防御行為與進(jìn)攻行為,具備較好的代表性,直接關(guān)系編隊(duì)執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)的效能。各階段的作戰(zhàn)任務(wù)如表1所示。本文對(duì)編隊(duì)用頻需求進(jìn)行仿真時(shí),各階段各任務(wù)的用頻需求數(shù)量如表2所示。由于電子戰(zhàn)工作功率大,干擾頻段寬,編隊(duì)實(shí)施電子戰(zhàn)的艦船所搭載的用頻裝備都會(huì)受到其干擾,因此在分析編隊(duì)用頻需求時(shí),不考慮電子戰(zhàn)。如表2所示,編隊(duì)作戰(zhàn)各階段用頻需求數(shù)量在80左右,用頻需求的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)建模過(guò)程就是確定當(dāng)前階段各裝備節(jié)點(diǎn)的用頻需求之間關(guān)系的過(guò)程,本文采用無(wú)權(quán)無(wú)向網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)編隊(duì)作戰(zhàn)環(huán)境用頻需求進(jìn)行分析,每個(gè)用頻需求對(duì)應(yīng)于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)之間的連接邊通過(guò)用頻需求相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷:1需求節(jié)點(diǎn)之間不存在連接邊如果Fs1-Fe2>(Bn1+Bn2)/2,則兩用頻需求節(jié)點(diǎn)之間不存在連接邊;如果Fs1-Fe2≤(Bn1+Bn2)/2,則兩用頻需求節(jié)點(diǎn)之間存在連接邊。2需求節(jié)點(diǎn)之間不存在連接邊如果Fs2-Fe1>(Bn1+Bn2)/2,則兩用頻需求節(jié)點(diǎn)之間不存在連接邊;如果Fs2-Fe1≤(Bn1+Bn2)/2,則兩用頻需求節(jié)點(diǎn)之間存在連接邊。3頻率指配時(shí)節(jié)點(diǎn)之間存在連接邊兩用頻需求節(jié)點(diǎn)之間無(wú)連接邊表示兩用頻裝備的用頻需求完全無(wú)沖突,進(jìn)行頻率指配時(shí)不需考慮它們之間的電磁干擾;兩用頻需求節(jié)點(diǎn)之間存在連接邊表示兩用頻裝備的用頻需求有重疊部分,進(jìn)行頻率指配時(shí),必須統(tǒng)一考慮,不然無(wú)法保證分配的頻譜相互之間無(wú)干擾。通過(guò)對(duì)各類(lèi)電臺(tái)、雷達(dá)等用頻裝備的模型分析,發(fā)現(xiàn)大部分裝備主頻都集中于有限頻段,如短波電臺(tái)通信主頻集中于HF頻段,而防空雷達(dá)的工作頻段集中于UHF頻段等,因此本文采用聚類(lèi)算法對(duì)用品需求形成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行聚類(lèi)分析。5使用頻率需求的集群5.1基于gn的聚類(lèi)分析編隊(duì)大量用頻需求所建立的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)存在明顯的網(wǎng)內(nèi)分簇現(xiàn)象,本文采用GN聚類(lèi)算法對(duì)用頻需求進(jìn)行聚類(lèi)分析。GN聚類(lèi)算法是通過(guò)不斷地從網(wǎng)絡(luò)中一處介數(shù)最大的邊達(dá)到將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)劃分成各個(gè)社團(tuán)的目的,通過(guò)計(jì)算Newman等人提出的衡量網(wǎng)絡(luò)模塊性劃分的標(biāo)準(zhǔn)Q值來(lái)確定GN算法聚類(lèi)的結(jié)束條件,以控制聚類(lèi)劃分的結(jié)果。選取15個(gè)電臺(tái)為例,分析各電臺(tái)用頻需求之間的沖突關(guān)系,模擬用頻需求的聚類(lèi),如圖2(a),各電臺(tái)用頻需求之間沖突較復(fù)雜,采用GN聚類(lèi)分析方法將網(wǎng)絡(luò)分為四簇:、、、,如圖2(b)所示。將各電臺(tái)用頻需求之間的沖突關(guān)系表循序排列如圖2(a),按簇排序如圖2(b)。通過(guò)聚類(lèi)前后的用頻需求關(guān)系表可知,同簇的用頻需求之間互相沖突的可能性遠(yuǎn)大于異簇用頻需求,在聚類(lèi)程度較好的情況下,頻率指配只需要分別對(duì)每簇用頻需求進(jìn)行頻率指配,然后分析每個(gè)用頻需求簇的頻率指配結(jié)果即可得到全局頻率指配結(jié)果,可以有效地降低頻率指配的復(fù)雜度。5.2頻率指配結(jié)果分析本文通過(guò)對(duì)4.2節(jié)設(shè)想的編隊(duì)作戰(zhàn)各階段的用頻需求進(jìn)行聚類(lèi)分析,對(duì)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)聚類(lèi)分析方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證。本文通過(guò)一致性C判斷來(lái)驗(yàn)證復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)聚類(lèi)分析方法對(duì)頻率指配的結(jié)果的影響,通過(guò)與常規(guī)頻率指配算法求得的頻率指配結(jié)果進(jìn)行偏差比較得到,C等于每個(gè)用頻需求分配的頻率的偏差百分比的幾何平均。仿真軟件采用Matlab2010b,仿真實(shí)驗(yàn)采用完全圖進(jìn)行頻率指配。從場(chǎng)景中選擇30個(gè)用頻需求進(jìn)行頻率指配,仿真結(jié)果如圖3所示。通過(guò)圖3可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)用頻需求聚類(lèi)的簇大于8時(shí),通過(guò)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析再頻率指配的最終結(jié)果與直接進(jìn)行頻率指配的最終結(jié)果一致;當(dāng)用頻需求聚類(lèi)的簇小于8時(shí),通過(guò)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析再頻率指配的最終結(jié)果與直接進(jìn)行頻率指配的最終結(jié)果有偏差;而在用頻需求簇的大小為1時(shí),通過(guò)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析再頻率指配方法就退化為直接頻率指配方法。通過(guò)圖4可知,隨著用頻需求簇的增大,頻率指配耗時(shí)逐漸增加,而頻率指配結(jié)果分析的時(shí)間逐漸減少,頻率指配總時(shí)間=頻率指配耗時(shí)+結(jié)果分析耗時(shí),通過(guò)對(duì)頻率指配總時(shí)間的分析,可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)用頻需求簇的大小在2～11時(shí),頻率指配總耗時(shí)有顯著降低。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知,用頻需求的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)聚類(lèi)分析可以有效降低頻率指配復(fù)雜度,對(duì)完全圖算法聚類(lèi)簇的大小以8～11為最佳。6面向網(wǎng)絡(luò)聚類(lèi)分析的新型頻譜聚類(lèi)分析本文在對(duì)編隊(duì)作戰(zhàn)各階段分析的基礎(chǔ)上,研究了編隊(duì)用