一种用于战术通信网络仿真的通信业务量模型*

罗颖光，邹自力，余 亮

（国防科技大学信息通信学院，武汉 430010）

0 引言

战术通信网络是战时实施战术级作战通信保障的重要支撑，实施快速有效的仿真已成为检验战术通信网络通信保障效能的重要手段。验证通信保障效能通常需要采集分析信息通断、传输时延、准确率［1］等数据，均需依托用户生成的端到端通信业务量，其应是随着仿真过程不断变化并带有一定规律的随机量。

传统的通信业务通常分为话音、传真、数据、图像及视频等5 种业务，在通信网络传输中应是基于IP 交换体制的数据包［2］，故本文将上述5 类业务归一为一种格式。目前，通信业务量生成方法大多是面向通信专业人员，或适用于网络拓扑结构设计，或与用户生成通信业务量过程不符。如文献［3］通过分析历史经验数据得出数据量的统计规律，进而预测用户业务总量，更多用于解决网络拓扑结构设计的问题；文献［4］综合运用运筹学和数理统计等数学方法，通过构建不同类型的业务量数学模型来进行业务量生成，运算复杂，计算量较大；文献［5］通过定量分析通信网中不同节点之间的关系，使用吸引系数法分析业务类型构建了业务量生成模型，其考虑了系统剩余容量的问题，与实际中用户生成通信业务量过程不符；文献［6］假定用户通信业务量随着指挥层级呈指数级增长，使用吸引系数法构建了业务量生成模型，但是业务量基准值依赖于外军数据且修正系数考虑了打击干扰和失败重传，导致模型与真实情况不符，模型难以有效应用；文献［7］基于FBM 模型生成业务量，但是模型较为复杂，生成过程不易控制，且一次实验生成的业务量不可改变，不适用于仿真中用户通信业务量的动态变化。

本文根据不同样式下的不同用户通信业务量统计分析，依据用户之间通信业务量大小，区分不同作战阶段，基于吸引系数法和泊松流模型提出了用于战术通信网络仿真的通信业务量建模方法，并建立了用户通信业务量生成模型。该模型不依赖于具体的通信网络拓扑结构和网络协议，不需要研究通信业务量变化细节，从总体上模拟出不同作战阶段和不同用户通信业务量，运算较快、复杂度较低，有效满足了仿真中用户业务量生成需求。

1 用户业务量表示

实际作战中，某指挥机构与其余指挥机构之间的通信无需考虑具体的网络组织，为端对端的双向通信，可用图［8］来表示，故每一个用户可抽象为图中的一个节点，指挥机构之间的通信联络可抽象为图中的边，通信业务量为边的权值，据此可构建业务量矩阵，如式（1）所示。

其中，Fn×n为某时刻用户业务流量矩阵，n 为用户数量，矩阵行表示业务发送用户，矩阵列表示业务到达用户，矩阵元素值fij表示某时刻从第i 个用户发送至第j 个用户的业务量。

2 建模条件

用户通信业务量生成依赖于以下建模条件：

1）指挥机构用户业务量模型须建立在指挥机构之间通信关系确定基础上，即在仿真前须确定本次仿真中指挥机构之间的通信关系，随着仿真的推进，指挥机构之间的通信关系会发生一定变化，但这种变化应在仿真前已确定。仿真中，核心是检验通信网系对通信业务量的承载能力，并不需要产生十分精确的通信业务量，故只需反映不同层级不同类别指挥机构的通信业务量趋势。

2）战术通信网络在仿真中其网络拓扑结构会发生一定变化，但是保障指挥机构入网的通信节点是固定的，不会随着网络拓扑结构的变化而变化，故指挥机构用户生成的通信业务量与网络拓扑结构无关。

3）实际作战中，同一指挥机构在不同作战阶段发送的通信业务量强度不同，故在仿真中模拟生成的指挥机构用户业务量要能够反映不同作战阶段的通信业务量变化。基于此分析，构建的通信业务量模型可分为基础模型和系数模型，其中基础模型应当依据指挥机构类别和层级相对固定，其可通过通信业务量均值来反映，系数模型主要体现不同作战阶段通信业务量的变化。此外，仿真通常需要统计分析多次采集的时延和准确率等相关指标数据，故每一次生成的通信业务量应有一定的变化。

4）不同作战样式不同作战阶段同类型指挥机构产生的通信业务量不同，但是通过采集分析不同作战样式下作战演习通信业务量数据，可获取同类型指挥机构产生的业务量强度均值。

3 模型构建

3.1 基础模型

通常指挥机构生成通信业务量的过程可用3种模型表示：泊松流、简单后效流和重复呼叫流模型［3］。其中，泊松流假设用户之间相互独立，发起通信业务时相互之间无影响，且不考虑网络当前剩余容量和失败重传；而简单后效流需考虑传输时刻网络的剩余容量；重复呼叫流需考虑通信业务的传输失败与重传。真实战场空间中，指挥机构之间发起通信业务只与实际作战需求相关，与网络当前的剩余容量无关，当发起通信业务失败后，由指挥机构自身决定是否需要发起新的通信业务；其次数据业务、传真业务、图像业务某次传输失败后可以进行重传［9］，但这应当由网络协议进行控制，且传输失败的时延计入该次通信业务的完成时延。考虑到仿真系统需要采集指挥机构每次产生通信业务的时延、准确率等数据，所以传输失败后进行重传的通信业务不能作为新产生的通信业务。

基于上述分析，并根据泊松流、简单后效流和重复呼叫流模型的适用范围，本文采用泊松过程［10］构建指挥机构通信业务量生成模型：

其中，λ 为平均发送率，即通信业务量强度；k 为单位之间内发起通信业务的次数；Pk（λt）表示t 时间内产生业务量为λt的概率。

考虑到话音业务与视频业务传输控制协议相同，传真业务、数据业务和图像业务传输控制协议相同，且话音业务和视频业务一次传输失败后直接返回信息传输失败，传真业务、数据业务和图像业务一次传输失败后可以重传，所以可将话音业务、视频业务统称为实时性业务，将传真业务、数据业务和图像业务统称为非实时性业务。为了便于实现仿真中网络协议对通信业务的传输控制，所以有必要对模拟生成的通信业务进行分类。

假设经过统计，某指挥机构在一次作战中产生的实时性通信业务的业务量为n1，产生的非实时性通信业务的业务量为n2，则二者的比例关系可以表示为：

在对模拟生成的业务量进行分类时，可随机产生1 个［0，1］之间的随机数θ，若θ≤p1，则此次产生的为实时性通信业务，否则此次产生的为非实时性通信业务。采用此方法，就可以明确模拟生成通信业务的具体类别。

根据用户业务量矩阵［11］的表示，则有：

基于此，用户业务量矩阵可以表示为：

由于采集λij需要记录用户发送的每一次数据，难度较大，且该数据不具有代表性。但是，对于同一作战样式来讲，同一用户发送的通信业务量强度λi具有一定规律，可通过经验数据的统计分析得到。在此基础上，可采取吸引系数法的思想将λi进行分配。吸引系数通常用于描述通信业务的流向［12］，本文中用于描述指挥机构之间通信业务的密切程度。

通常参战力量可分为本级指挥机构和直属分队，其中各级指挥机构与下级指挥机构和直属分队构成指挥与被指挥关系，本级指挥机构之间根据需要也可相互之间建立联络，传输相关信息；除此之外，本级指挥机构根据需要还可与友邻部队产生通信联络。它们之间的通信关系如图1 所示。

图1 指挥机构之间通信关系图

经过统计分析作战演习数据，可以用户之间最大的业务量为基准值，其余用户之间的通信业务量与基准值比例作为通信业务量吸引系数，建立吸引系数表如下页表1 所示。

根据通信业务量流向，可以得出：

其中，aij为表1 中的元素值，i 表示行，j 表示列。

3.2 系数模型

不同作战阶段每个用户产生业务量的强度不同，为体现通信业务量产生的真实性和客观性，进行如下定义。

3.2.1 通信业务繁忙系数bv

用来表示某作战阶段内该用户发起通信业务的繁忙程度，若某作战阶段内用户发起通信业务量较大，则越大，反之bv越小，其中v 表示作战阶段。为便于后续计算，则可将各阶段用户产生通信业务量与其中最大值的比值作为通信业务繁忙系数，则有：

表1 指挥机构之间通信业务量吸引系数

3.2.2 用户业务量生成随机系数r

用来表示同一战术通信网不同次仿真中某用户产生通信业务的随机性。由于指挥机构的层级和类别一经固定，产生的通信业务量大小基本固定，为了体现不同次仿真中通信业务量的差别、降低仿真复杂度和提高仿真效率，可假定随机系数是服从均匀分布［13］的随机变量：

式（6）中，r 为均匀分布随机数，rmin为随机数的下限值，rmax为随机数的上限值，通常rmin≤1，rmax≥1。

3.3 模型合成及构建流程

将bv和式（6）代入式（5），可得某作战阶段指挥机构通信业务量强度生成模型：

其中，v 表示作战阶段。

模型构建流程如下：

1）依据需要仿真的网络组织方案，确定作战样式；

2）根据方案内容，确定参战的指挥机构层级和类别；

3）根据作战样式以及指挥机构层级类别，调取所有参战指挥机构发送通信业务量强度数据λi；

4）根据实时性业务和非实时性业务的比例关系，确定此次生成通信业务的类别；

5）根据确定的指挥机构层级和类别，构建指挥机构通信业务量吸引系数矩阵；

6）计算通信业务量吸引系数pi；

7）根据作战阶段划分，计算仿真各阶段的繁忙系数bv；

8）生成［rmin，rmax］之间的均匀分布随机数r；

9）模型合成，完成通信业务量模型构建。

流程图如图2 所示。

图2 模型构建流程

4 仿真验证

模型运用中，参数设定值有：指挥机构层级和类别，各指挥机构用户业务量基础模型数值以及作战阶段繁忙系数等。假定XX 作战样式下，仿真中设置有4 个指挥所、直属分队、友邻部队以及下级营，其通信业务量强度分别为1.2 M/s、0.3 M/s、0.6 M/s、0.1 M/s、0.2 M/s、0.08 M/s、1 M/s。通常情况下，作战过程可分为准备阶段、实施阶段和结束阶段［14］，本文中通信业务量最大的实施阶段繁忙系数为基准值1，准备阶段和结束阶段繁忙系数分别为0.6、0.4，分别运行3 次，按照表1 中第1 行至第8 行顺序生成的3 个作战阶段通信业务量强度分别如图3～图5所示。

图3 准备阶段指挥机构产生通信业务量强度（M/s）

图4 实施阶段指挥机构沉声通信业务量强度（M/s）

图5 结束阶段指挥机构产生通信业务量强度（M/s）

本文研究设计的指挥机构用户通信业务量模型，已经在“XX”软件系统中得到实际应用，效果较好，模型生成的通信业务量与样本数据之间的NMSE［15-16］小于-20。

5 结论

本文着眼战术通信网络仿真实际需求，针对当前通信业务量建模方法的局限性，提出了一种用于战术通信网络仿真的通信业务量建模方法，建立了较好满足战术通信网络仿真的通信业务量生成模型，并详细分析了该建模方法的计算流程，最后通过仿真验证了该模型的适用性。仿真结果表明，该模型能够有效地生成符合指挥机构类别层级变化趋势的通信业务量，为分析通信业务的通断、时延和准确率等通信保障效果提供了数据支撑。下一步可针对不同作战阶段内的通信业务量变化进行进一步改进。