基于复杂网络聚类的编队指配频率需求预处理方法研究

基于复杂网络聚类的编队指配频率需求预处理方法研究

1频率指配研究在现代战争中，电子战能对战局产生了重大影响。大多数高精度武器都需要使用高频谱。随着电子战的升级，战场上的电磁环境极其复杂，敌我双方在电子显微镜下资源竞争变得更加激烈。如果我们不能很好地调整使用计划光谱资源，就会造成许多武器无法正常工作，尤其是在海军作战中。为保障舰艇编队各类电子设备和武器系统在复杂电磁环境下的作战能力,必须合理地分配使用频谱资源,而频率指配的优劣是决定编队频谱资源使用效能的重要部分,包括战前的编队用频计划的制定与战时的频谱协调,目前针对频率指配算法的研究较多,但是主要集中在对通信网络和用频装备数小于30的小规模场景,针对编队作战场景的频率指配研究较少,主要是由于编队作战时,用频装备多、电磁干扰剧烈,在敌我对抗剧烈时很难保证编队各用频装备的频谱使用,目前海军进行频率指配时主要依赖经验数据和公式为基础的计算机软件,在用频计划制定方面的研究大多数都是对电磁频谱管理的一般性论述,主要集中在频率指配等相关算法的理论研究,文献提出一种采用粒子群算法对认知无线电频谱进行分配的方法,而文献介绍多维频谱空间下的动态频谱管理研究,文献阐述了美军的频谱管理体系的频谱的规划、用频、频谱等方面的管理及相关工具。本文通过对现有海军信息作战频率指配进行调研,针对目前编队频率指配效能低、手段匮乏的现状,提出了一种编队环境下的用频需求分析方法,分析编队作战环境下的装备用频需求,为编队频率指配提供预处理,提高编队频率指配的效率。2基于频谱资源的使用计划建模舰船是信息高度密集型的海军装备平台,舰上具备数量繁多的各类电子传感器,而编队在进行作战任务时,由于经常涉及到多舰的多部电子装备同时使用,往往造成编队高度饱和的电子装备间互相干扰。因此编队作战环境下,为快速制定作战用频计划,就必须降低频率指配的复杂度,本文通过对编队各用频装备的用频需求进行建模分析,以达到降低编队频率指配复杂度的目的。根据编队作战任务所需用频装备的频谱工作参数确定的用频装备对频谱资源的需求。以可用频谱资源为约束,以用频需求为依据,通过频率指配生成的编队用频装备对频谱资源的使用计划。在现代高科技军事作战中,频谱管理对战争胜负起到决定性作用,频率指配的效率是决定频谱管理效率的关键因素。目前针对频率指配算法的研究较多,而缺少指标评价用频计划性能的优劣,因此开展用频计划制定以及性能评价方法的研究。3用频需求设计编队用频装备有其特殊性,大多数装备的使用频率调整范围都比较有限,如需较大幅度调整用频,需要返厂重新装配,重新进行电磁兼容分析等工作,因而对编队各用频装备指配频率时必须基于装备的用频需求,而决定装备的用频需求有两个因素:第一个因素是用频装备工作的规格参数,决定了用频装备可调整频率范围、工作带宽、射频功率等信息;第二个因素就是作战任务,执行不同类型作战任务时,用频装备的工作模式有可能不同,其用频需求也不同,执行相同类型作战任务,如果所需的工作效能不同,装备的用频需求也不同。因此,用频需求是装备为完成作战任务对频谱资源的需求,包含用频装备的主频(为统一考虑,本文中用频装备的工作主频需求是连续的频段)、带宽、功率。为了对编队各装备的用频需求进行分析,本文设计了编队用频需求的统一模版,将编队不同类型的装备的用频需求进行统一。单个用频装备为完成某一任务提交的用频需求为一个具备多数据属性的元素,编队用频需求则是元素集合,每个用频需求元素包含装备的基本参数及各项频谱使用要求,本文采用标准数据项模板{Mn,Eid,Es,Pid,Ps,Fs,Fe,Pn,Pmin,Bn,As,Ae,Ts,Te}描述用频计划,如图1所示。用频需求元素的数据项包括装备任务号Mn(Mission_Num)、装备编号Eid(Equip_ID)、所属舰编号Gid(Galley_ID)、舰上装备位置编号Es(Equip_Site)、所属舰位置Gs(Galley_Site)、工作主频起始Fs(Frequency_start)、工作主频结束Fe(Frequency_end)、工作带宽需求B(Bandwidth)、最小工作功率Pmin(Power_min)、最大工作功率Pmax(Power_max)、射频起始方向As(Angel_start)、射频结束方向Ae(Angel_end)、工作开始时间Ts(Time_start)、工作结束时间Te(Time_end)。其中Eid、Es、Gid、Gs为用频装备位置属性,用以描述装备工作位置,为简化分析,制定用频计划时认为各舰保持阵型,即用频装备间的相对位置保持不变,Eid、Es、Gid、Gs为固定属性,而在战时协调过程中,通过指控系统读取位置数据进行频谱协调。Fs、Fe、B、Pmax为装备对频谱资源的需求,Pmin、As、Ae、Ts、Te为用频需求的备选属性,进行频率指配时,一般在功率、空间、时间上是冗余考虑的,但是当编队环境频谱资源有限,无法满足用频需求时,就需要考虑各装备在功率、空间、时间上的需求,计算能否协调工作。4资源与算法之间的冲突由于编队用频装备数量多,而各装备的用频需求都集中在有限的可用频谱资源上、有限的作战空间内,所以众多用频需求之间的冲突不可避免。因而为了分析编队用频需求之间的关系,提高编队频率指配的效率,本文采用复杂网络建模的方法对编队大量的用频需求之间的相互影响关系进行分析。4.1复杂网络的特性由于网络能够准确描述客观事物间的关系,因而引起各领域研究者的广泛兴趣,网络被广泛应用于社会关系网分析、互联网分析、电网分析、军事作战网络分析等领域中,并取得了大量研究成果。复杂网络也逐渐成为一门跨数学、社会科学、经济学、生物学、物理学、计算机科学以及复杂性科学等众多领域的新兴交叉学科。网络可以看成是有节点集和边集组成的图,按边的性质可以将网络分为有向网络和无向网络,无向网络中同一对节点间所对应的边是同一条,没有方向性,而有向网络中同一对节点所对应的边是两条方向相反的边;按边是否具有权值可将网络分为加权网络和无权网络,加权网络中的边被赋予了一定的权值,而无权网络中的边权值均为1。复杂系统中大量个体之间的相互影响关系则可以通过复杂网络建立模型,分析复杂系统相应的复杂网络中的各个个体、簇、网络间的规律与统计特性。编队各用频装备之间的相互冲突关系可以认为是一个复杂系统,通过复杂网络模型建模,可以有效分析编队用频需求的特性。4.2用频需求分析编队环境下用频需求数量多,假设每艘舰需要使用搭载的40个用频装备,编队以10艘军舰估算,其用频需求的数量可能达到400个,有的装备所提交的用频需求频段完全不同,而有的装备所提交的用频需求有可能有重叠频段,甚至完全相同,因此编队各装备用频需求相互之间存在冲突关系,本文采用复杂网络建模的方法分析编队用频需求之间的冲突关系。首先编队的各个用频装备不是同时工作,结合编队作战任务特性,本文对编队作战三个阶段进行分析,分别为:巡航阶段、防空反导阶段和对海打击阶段。这三个阶段包含了海军编队作战的日常行为、防御行为与进攻行为,具备较好的代表性,直接关系编队执行作战任务的效能。各阶段的作战任务如表1所示。本文对编队用频需求进行仿真时,各阶段各任务的用频需求数量如表2所示。由于电子战工作功率大,干扰频段宽,编队实施电子战的舰船所搭载的用频装备都会受到其干扰,因此在分析编队用频需求时,不考虑电子战。如表2所示,编队作战各阶段用频需求数量在80左右,用频需求的复杂网络建模过程就是确定当前阶段各装备节点的用频需求之间关系的过程,本文采用无权无向网络模型对编队作战环境用频需求进行分析,每个用频需求对应于复杂网络的一个节点,节点之间的连接边通过用频需求相关数据进行判断:1需求节点之间不存在连接边如果Fs1-Fe2>(Bn1+Bn2)/2,则两用频需求节点之间不存在连接边;如果Fs1-Fe2≤(Bn1+Bn2)/2,则两用频需求节点之间存在连接边。2需求节点之间不存在连接边如果Fs2-Fe1>(Bn1+Bn2)/2,则两用频需求节点之间不存在连接边;如果Fs2-Fe1≤(Bn1+Bn2)/2,则两用频需求节点之间存在连接边。3频率指配时节点之间存在连接边两用频需求节点之间无连接边表示两用频装备的用频需求完全无冲突,进行频率指配时不需考虑它们之间的电磁干扰;两用频需求节点之间存在连接边表示两用频装备的用频需求有重叠部分,进行频率指配时,必须统一考虑,不然无法保证分配的频谱相互之间无干扰。通过对各类电台、雷达等用频装备的模型分析,发现大部分装备主频都集中于有限频段,如短波电台通信主频集中于HF频段,而防空雷达的工作频段集中于UHF频段等,因此本文采用聚类算法对用品需求形成的复杂网络进行聚类分析。5使用频率需求的集群5.1基于gn的聚类分析编队大量用频需求所建立的复杂网络存在明显的网内分簇现象,本文采用GN聚类算法对用频需求进行聚类分析。GN聚类算法是通过不断地从网络中一处介数最大的边达到将整个网络划分成各个社团的目的,通过计算Newman等人提出的衡量网络模块性划分的标准Q值来确定GN算法聚类的结束条件,以控制聚类划分的结果。选取15个电台为例,分析各电台用频需求之间的冲突关系,模拟用频需求的聚类,如图2(a),各电台用频需求之间冲突较复杂,采用GN聚类分析方法将网络分为四簇:、、、,如图2(b)所示。将各电台用频需求之间的冲突关系表循序排列如图2(a),按簇排序如图2(b)。通过聚类前后的用频需求关系表可知,同簇的用频需求之间互相冲突的可能性远大于异簇用频需求,在聚类程度较好的情况下,频率指配只需要分别对每簇用频需求进行频率指配,然后分析每个用频需求簇的频率指配结果即可得到全局频率指配结果,可以有效地降低频率指配的复杂度。5.2频率指配结果分析本文通过对4.2节设想的编队作战各阶段的用频需求进行聚类分析,对复杂网络聚类分析方法进行仿真验证。本文通过一致性C判断来验证复杂网络聚类分析方法对频率指配的结果的影响,通过与常规频率指配算法求得的频率指配结果进行偏差比较得到,C等于每个用频需求分配的频率的偏差百分比的几何平均。仿真软件采用Matlab2010b,仿真实验采用完全图进行频率指配。从场景中选择30个用频需求进行频率指配,仿真结果如图3所示。通过图3可以发现,当用频需求聚类的簇大于8时,通过复杂网络分析再频率指配的最终结果与直接进行频率指配的最终结果一致;当用频需求聚类的簇小于8时,通过复杂网络分析再频率指配的最终结果与直接进行频率指配的最终结果有偏差;而在用频需求簇的大小为1时,通过复杂网络分析再频率指配方法就退化为直接频率指配方法。通过图4可知,随着用频需求簇的增大,频率指配耗时逐渐增加,而频率指配结果分析的时间逐渐减少,频率指配总时间=频率指配耗时+结果分析耗时,通过对频率指配总时间的分析,可以发现,当用频需求簇的大小在2～11时,频率指配总耗时有显著降低。通过实验可知,用频需求的复杂网络聚类分析可以有效降低频率指配复杂度,对完全图算法聚类簇的大小以8～11为最佳。6面向网络聚类分析的新型频谱聚类分析本文在对编队作战各阶段分析的基础上,研究了编队用