基于云理论的平流层通信系统效能评估*

门昱冰 郑剑云 张 权

（1.海军大连舰艇学院信息系统系 大连 116018）（2.中国人民解放军93159部队 大连 116036）

当前，低空无人机通信和卫星通信是空中通信的两种主要手段。无人机通信在为用户提供无线覆盖时具有灵活性和机动性的特点，但是单个无人机在空中的飞行时间有限不能进行长期通信，而且当通信覆盖范围较大时，则需要大量无人机群进行通信保障，此时将会面临机群的协同、飞行控制和资源管理等一系列问题。卫星通信虽然有较大的覆盖范围，但是它也有部分缺点，比如：时延较大、链路损耗较大、动态拓扑较高、造价较高。

平流层通信将无线中继或空中基站搭建在平流层中，通常情况下使用飞艇、无人机或气球等方式作为空中平台［1］。同时，平流层通信平台能够克服地面基站限制，达到在海洋、原始森林、沙漠、高山等地高速接入互联网。它的出现极大地丰富了现有的通信方式，使得通信手段更加多样，在未来保障军事通信和建立应急通信等方面都具有广阔的发展前景。

平流层通信在军事作战领域中的效能评估主要是对信息传输能力、信息安全能力和作战保障能力的评估。效能评估过程中可能会出现随机性和模糊性的因素，因此本文使用基于云理论的评估方法，用云重心评价法对其进行效能评估，避免平流层通信系统效能评估时的偶然性和不确定性。

在建立平流层通信效能评估指标体系时需要考虑平流层通信特点［2］，在实际评估过程中评估指标要尽可能的简明［3］，以便更好地对目标评估系统进行评估。研究平流层通信在军事作战领域中的效能评估，可以将效能评估指标分为两大类，分别为通信能力和保障能力。建立平流层通信效能的评估指标体系，并分析平流层通信系统的各个要素。

熵值法是一种根据指标离散程度确定权重的评估方法。熵值越大，那么它所对应的某项指标的随机性和不确定性就会越大，那么该指标的稳定度就会越差，对总体性能的影响程度就越大，相应地就应该增加该项指标在总体评价中的权重［4］。反之，熵值越小，那么它所对应的某项指标的随机性和不确定性就会越小，那么该指标的稳定度就会越号，对总体性能的影响程度就越小，对应的指标权重越小。熵值法是根据客观实际计算指标的权重，增加了评估的科学性和合理性。接下来，将详细说明熵值法的计算步骤。

图1 平流层通信效能指标评估体系

然后，计算每一项指标的熵值。

接下来，计算信息熵的冗余度。

最后，计算每一项指标的权重。

熵值法以评估目标的客观实际出发，没有任何主观信息，利用指标取值的差值和离散程度确定指标的权重，是一种客观的确定权重的方法。

4.1 云理论的基本概念

云模型的三个数字特征为期望Ex、熵En和超熵 He［5～9］，它表示了整体特征的不确定性。云的期望是所有样本中最具有代表意义的样本点，而根据“3En规则”，在［Ex-3En，Ex+3En］范围内几乎包括了所有的有贡献的样本点。如果只看云的期望与熵，那么它就只是一个普通的正态函数，但是加入了超熵这个概念，它就可以使某个样本的熵也具有随机性了，这样就可以将随机性和模糊性结合在一起表示了。图2表示了云的期望Ex、熵En和超熵He三个数字特征。

图2 云的三个数字特征

4.2 云重心评价法

云重心的表达式为T=a×b，其中a表示云重心的位置，b表示云重心的高度，一般b取常值0.371。a在数值上等于期望的值，会随着期望值的变化而变化。在判断云的重要程度时，如果a的值相同，那么可以比较b的值大小。

云重心评价法的具体计算步骤如下。

首先，在指标体系中提出n组数据样本形成决策矩阵，可以得到求出各指标的云模型的表示方法。其中：

云模型也可以用来表达定性指标，其中：

其次，q个云模型可以刻画q个性能指标，可以用q维向量来表示q维综合云，即T=(T1,T2,…,Tq)，其中：

用云模型实现由11个评语所组成的评语集：V=(V1,V2,…,V11)，具体数值如图3所示。

图3 评语集云发生器

以平流层通信效能评估指标体系中的通信能力为例，对其信息传输能力、业务引接能力和快速反应能力3个下级指标进行评估。随机选取每个指标的3组数据，如表1所示。

表1 平流层通信效能评估指标评价表

根据云模型评价集中的定义，将上述定性指标转换为定量指标，生成决策矩阵A。

根据熵值法得到上述指标的权重值：

通过计算评价表对应的定性值，得到各个指标云模型参数的期望值和熵，如表2所示。

表2 平流层通信效能指标云模型参数

根据表1和表2提供的数据和云重心计算公式，可得综合云重心T和理想状态下的标准云重心T0，根据式（11）将多维加权云重心值进行归一化处理得到T0G，最终得到加权偏离度θ。

计算出加权偏离度θ=0.3897，相似度为1-θ=0.6103，对应上文中定义的评价集结果介于“好”和“较好”之间，更趋近于“好”。根据上述结果可以得出，平流层通信效能评估指标体系中的通信能力评估结果为“好”。

本文提出了基于云理论的平流层通信效能的评估指标体系模型和评估方法，并通过实例分析对其通信能力部分进行验证。采用熵值法计算评估指标参数的权重，更加客观，采用云重心评价法将系统定性概念与定量数值进行转化，最终得出了评估结果。结合具体实例对平流层通信效能中的通信能力进行分析，最终判断其通信能力的效能评估结果为“好”，证明了用云重心评价法进行效能评估的科学性和直观性，为其在未来的应用提供理论支撑。