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火力打击条件下adhoc网络节点毁伤程度评估【期刊】pdf

归档日期:07-11       文本归类:毁伤程度      文章编辑:爱尚语录

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  Vo1. 40.No.1 火 力与指挥控制 第 40卷 第 1期 FireControl&CommandCon~ol 2015年 1月 Jan,2015 文章编号:1002—0640(2015)01-0118—04 火力打击条件下Adhoc网络节点毁伤程度评估 姬瑞龙 ,何 俊 ,沈 楠 (合肥电子工程学院,合肥 230037) 摘 要:AdHoc网络在信息化战场的广泛应用 ,需要快速有效地评估火力打击对网络的毁伤程度。从 Adhoc网 络 自身属性出发,结合网络的内部测度和外部测度,给出了节点有效度、节点修复度以及节点连通度等指标计算模 型。构建了节点毁伤程度加权邻接矩阵,提出了一种基于复杂网络团簇结构划分的节点毁伤程度评估方法,根据权 值的相似程度对节点的毁伤程度进行归类 ,并给出了示例分析。最后将本算法与模糊聚类算法进行对比分析,结果 证明了方法的正确性。 关键词:Adhoc网络,火力打击,团簇划分,节点,毁伤评估 中图分类号:E837 文献标识码 :A DamageEffectivenessEvaluationofAdhocNetworkNodes underFirepower JIRui-long,HEJun,SHENNan (HefeiElectronicEngineeringInstitute,Hefei230037,China) Abstract:The wide application O±Ad hoc network in the information battlefield,itneedsto quicklyandeffectivelyevaluatethedamagedegreeofthenetwork.From the internaland external measurementofAd hoc network,thistextgivesindicatorcalculation modelsofthenode effective degree,noderepairdegreeand nodeconnectivitydergeefrom theselfattributeofAdhocnetwork nodes.Aweightedadjacencymatrixofnodesinjuredegreeisconstructed.Accordingtotheweightsof similarityforclassifiednodedegreeofdamage,akindofnodesinjuredegreemethodbasedon complicatednetworkcommunity structuredivisionisputofrward.Andananalyticalexampleisgiven. Finallycomparedwithfuzzyclusteringalgorithm,theresultsprovetobevalidity. Key words:Ad hocnetworks,fire fighting,community sturcture division,network nodes,damage effctivenessevaluati0n 络本身具有很强的抗毁性。目前,大部分文献只是从 0 引言 网络拓扑结构连通性的角度研究节点毁伤程度 , 但连通率或连通度是 “外部测度”,反映网络对攻击 Adhoc网络节点毁伤程度评估 ,就是通过某种 的承受能力,却未能直接从网络节点自身属性出发 算法,运用计算机程序或仿真来考察Adhoc网络在 刻画网络的抗毁伤程度。已有研究证实,Adhoc网络 特定指标下节点的毁伤程度。Adhoe网络 (AdHoc 具有无标度性,其拓扑结构研究属于复杂网络的研 Networks)是一种无基础设施的多跳 自治系统…1,网 究范畴。复杂网络中往往存在着团簇结构[,并且通 络中的节点可随意移动并能以任意方式互通信 ,网 过团簇划分可以对加权网络节点有效聚类。本文结 络中的节点既具有主机功能,又具有路由器功能,网 收稿 日期 :2013—11-15 修回日期:2014—02—21 作者简介:姬瑞龙(1984一 ),男,山西大同人,硕士研究生。研究方向:作战效能分析与运筹决策。 · 118· 姬瑞龙,等:火力打击条件下Adhoc网络节点毁伤程度评估 (总第40—0119) 合了网络节点有效度、节点修复度和节点连通度的 点由Ⅳ条并联链路连接,节点间连通度的计算需要 加权邻接矩阵所表征的网络进行团簇划分 ,得出节 考虑链路并联的情况。因此,由Ⅳ条链路构成并联 点的毁伤程度层级。将毁伤评估后的等级划分与节 系统,其框图如图1所示。 点重要程度进行比对,便于战场指挥员作出下一步 火力打击方案 。 1 对Adhoc网络节点火力毁伤因素 量化分析 1.1 评估指标的选取 图 1 由Ⅳ条链路构成的并联系统 当前 ,对Adhoc网络的研究 ,一般从网络拓扑 设链路 厶由 条 Adhoe网络的边 厶。,厶,…, 层、网络设备层、网络路由层、网络运行层和网络管 构成,则 L正常工作的概率为xtr( ),它是 。, . 理层分层进行分析,指标较为单一,评估结果也较 ,… , Ⅲ 连通概率的乘积。当各链路毁伤相互独立 为片面。本文中,网络节点连通度、节点有效度和节 时,节点 i与节点 之间的连通度为: 点修复度以概率的形式出现在毁伤程度加权邻接 棚=l_兀[1一q-,(, (2) 矩阵中,评估结果综合了对网络节点毁伤的 “外部 测度”和 “内部测度”。假设: 对于并联链路以外的部分,只需要将这部分链 (1)火力打击是建立在已知节点重要程度的基 路的连通概率乘以并联部分连通概率即可。 础上,有针对性地进行攻击。 1.2.3 节点修复度 (2)任意两个相邻节点间的连通度可以通过分 表征节点在受到火力毁伤之后 自我修复能力。 析战场环境和计算得知,且状态相互独立。 节点修复度是一个概率性测度,其有效范围为01。 (3)忽略其他外在因素的影响,只考虑短时间 根据节点类型和打击强度,计算出节点的修复 内火力打击条件下 Adhoe网络节点的毁伤和失效。 度 : 2 Adhoc网络节点之间都存在一定的依赖关系, , =e ‘ (3) 从网络节点的业务性能、拓扑结构和防御性能 3个 式中:09为打击强度; 为修复参数,与节点类 方面,分别建立了节点有效度 、节点连通度 ) 型有关。 和节点修复度 3个评估因子。用节点连通度反映 1.3 毁伤程度加权邻接矩阵的构建 网络对攻击的承受能力 ,用节点的有效度和节点修 充分考虑节点毁伤的外部测度和内部测度,由 复度来表征节点属性信息。 以上 3个指标,构建综合 Adhoe网络节点的有效 1.2 指标计算模型 度、节点修复度和节点连通度的节点毁伤程度加权 战场 Adhoc网络一般采用分布分层结构 ,分 邻接矩阵: 为簇节点、簇头和网关节点。其中簇头和网关节点 1 2 l’2) ) 重要性较高 ,也是火力打击的重点,本文将簇头和 1 2-I1 (2,) A= 网关节点作为研究对象。 ● : 1.2.1 节点有效度 ,1曩 )I2R(,2) 1 用于表示 Adhoc网络节点业务性能的下降程 式中:A 为节点毁伤程度贡献值 ;为毁伤条 度 ,具有阈值性,火力打击后,节点能够完成的通信 件下节点 i的自身属性,计算式为:= 。 量在阈值 胁之下,有效度为0,能够完成的通信量 矩阵满足 自反性要求 ,Ar=A。 在阈值之上时为节点被打击后能够完成通信量与 打击前能够完成通信量之比: 2 基于团簇结构的节点毁伤程度划分 n 一 』0LJ蛐 … 一 L【j/L 其他 ¨ 边权值不仅表明了节点之间联系的强弱,还表 式中:为节点被打击前能够完成话务量;,为 明了节点功能的相似性,权值分布特征包含了很多 结点被打击后能够完成话务量。 有待发现的网络结构信息_3]。因此,网络的团簇结 1.2.2 节点连通度 构检测不应仅仅局限于如何将 网络节点划分为若 当网络节点受到毁伤后,由于其传输能力的下 干个相似团簇结构,而对于加权网络 ,可以根据权 降,节点间的连通性也随之发生改变。如果一对节 值的相似程度进行归类,划分出网络节点相应的等 · 119· (总第40一o12o) 火 力与指挥控制 2015年 第 1期 级 。 取 si=+l;U一0时,取 Si=一1,得到尽量接近 一) 2.1 节点毁伤程度团簇结构划分模型 的模块度函数 Q。 基于Newman等人提出的模块度 Q函数[,通 该算法每次将原始网络分为权值差异明显的两 过优化Q值,可以得到网络节点较为正确的团簇划 个团簇,多次在原划分出的团簇上进行分裂,可得出 分。受此启发,结合节点毁伤程度邻接矩阵的边权 更多的加权团簇,直至模块度函数 不能继续优化 值信息,提出加权模块度函数,可以表示为: 为止。在给定综合了Adhoe网络节点的有效度、节 O= ∑ 一 16(g;,gJ) (4) 点修复度和节点连通度的邻接矩阵A的情况下,只 f, 需要两次分裂就可以将节点的毁伤程度划分为4个 式中:m为网络中边的条数 ; 为网络的邻接 等级。 元素,若A ≠0,则 日=1;为节点 i所属于的组,如 果节点 i和节点 属于同一个团簇,则6(,苗)=1,反 3 示例分析 之为 0。 以典型战场 Adhoe网络的簇头和网关节点组 ( , 是融合了边权重椭 成的主干网络作为示例网络,分别计算在火力打击 pw= , 2m 条件下节点有效度 、节点连通度和节点修复度 3个 度数的配置模型函数,用以表示两节点之间协调程 评估指标值。 度对模块度函数的贡献程度。 (1)假设通过网络侦察 、电子侦察和情报侦察 定义 (,b):,( ’为一个示性函数,当事 手段 ,获取了敌方Adhoc网络结构和战术配置,如 件II—I6Il≤ 成立时,(0,b)=l,反之等于0。 为 图2所示 : 衡量边权值之间相似性的阈值系数 ,依据需要划分 的等级进行确定,表征了差异程度。 2.2 模块度函数的求解方法及节点毁伤程度归类 由于每次划分是将节点划分为两组 ,则当节点 i属于组 1时,定义Si=+l;当属于组 2时,s一1。这 样,∑ =F/。则 (g,g (,,+1)。 图2 典型Adhoe网络结构酉置不意 图 可以将模块密度函数改写为: (2)假设已知我方火力打击配置地域 、打击样 式、打击重点,计算出对各节的打击强度∞; O=1∑ 一 】 +1): c (5) (3)假设在(2)的条件下,结合节点自身性能计 算出簇头及网关节点有效度和节点修复度如表 1 其中,了=(,,…,),B为模式矩阵,其 所示 : 表 1 Adhoe网络主干网节点性能值 元素c =[ 一 】。 、、、 :: 能 节点有效度 节点修复度 对于给定的 ,为使得p”取最大值 ,可以用特 !璺 征向量的方法求解。;可以写成是 的归一化特征 N 一】 0.5 0.8 NC一2 0.2 0.8 向量 的线性组合的形式:s= 。 i=1 NC一3 0.4 0.7 令 : ,-R+B,为 中与特征向量 对应 NC.4 0.4 0.6 NC-5 0.3 0.4 的特征值时,OW= ∑ , NC一6 0.4 0.4 当;平行于最大特征值 对应的特A仙I口J亘--一 NC-7 0.5 0.4 NC一8 0.4 0.5 时,Q取最大值。但;中元素Si只能取+l或一1,无 (4)在 (2)的条件下,计算出Adhoe网络的边连 法得到完全平行于u一的向量,只能当u~0时, 通概率,见下页表 2。 · 120· 姬瑞龙 ,等:火力打击条件下Adhoc网络节点毁伤程度评估 (总第40—0121) 姗 表2 Adhoe网络主干网的边连通概率 节点集{NC一3,NC一4);其次为节点集 {NC一2,NC一7}; 毁 伤程 度较 轻 的节 点为 {NC一1,NC一5,NC一8); fNC一6}毁伤程度最低。与预设火力打击 目标 :重点, (NC一1,NC一5) 打击{NC一2,NC一3,NC一4};次要打击fNC一1,NC一7, (NC一2,NC一6) NC一5);再次{NC一8);最次打击{NC一6)相比较有所出 (NC一3,NC一7) 入 ,需适时调整火力打击强度与兵力分配,以完成 ∞ 。 (NC_4,NC一8) 作战任务。 (NC一5,NC一6) O 0 O 0 0 O 0 O 0 4 结束语 3026∞(:5加培,l (NC一5,NC一8) 3 2 3 2 5 8 5 4 7 (NC一6,NC一7) 此算法同样适用于Adhoe网络大量节点的评 (NC一6,NC一8) : ∞ l l 估。通过与应用聚类分析方法I6]得到模糊聚类的划 (NC一7,NC一8) 分大致相同,但在时间复杂度上,该算法具有明显 依据式(2)计算得出节点间连通度: 优势。一个具有n个节点和 c个团簇的网络结构,该 足l、2)=0.3*0.2l1一(1-0.5)(1—0.8*0.4)(1— 算法的时间复杂性O(cnz/2),运用模糊聚类的方法 0.8*0.7*0.5)]=0.0453 由于需要通过多次矩阵运算构造模糊等价聚类,时 类似计算 出:R(1。3)=0.1172;R(1,4)=0.0326; 间复杂度为O(n)。在评估大型Adhoc网络的节点 R1,5)=0.3;R1,6)=0.2961;R1,7)=0.2211;R1,8)=O.2412; 毁伤程度中,本算法优势明显。通过示例分析,本算 足2,3)=0.0212;最2.4)=0.1054;R2,5)=0.1618;R(2,6)=0.2; 法划分合理有效 ,时间复杂度较低,成功地将样本 R(27)=0.1462;尺(28J=0.1432; (34)O.0502; (35)= 通信节点划分为具有明显层级的4个等级,探索出 , , , , 0.2118;足3,6)=O.1415;R3,7)=O.3;R3,8)=O.2461;R4,5)= 一 种新的Adhoc网络节点毁伤程度评估方法。 0.112 3;R(46)=0.1032;R(47)=0.143 1; (48)=0.2; 。 , . 5,6)=0.7552;足5,7)=0.7462;Re5.8)=0.9262;Re6,7)= 参考文献: 0.7546; 6 . 8)=0.7721;R7.8)=0.9101。 为了方便运算,将连通度扩大 1000倍后进行 [1]汤宁,尹浩,刘榕.军事Adhoe体系结构概念及构建方法 [J].火力与指挥控制,2008,33(6):60—63. 计算并取整 ,并不影响划分结果 ,求得节点毁伤程 [2]彭革新 ,谢胜利,张剑.战术AdHoe网络研究[¨_军事通 度加权邻接矩阵: 信技术,2002(9):34—40. [3]汪小帆,李翔 ,陈关荣.复杂网络理论及其应用 [M].北京 : 清华大学出版社 ,2006:162—193. [4]郑相全.无线 自组网技术实用教程[M].北京:清华大学出 A= 版社,2004. 15JNewmanMEJ.FindingCommunityStructureinNetworks。 Usingt}leEigenvectorsofMatrices [J].PhysicalReviewE, 2006,74(3):35—38. [6]于剑,程乾生.模糊聚类方法中的最佳聚类数的搜索范围 为了取得较好的划分效果,取 (=100作为初始 [J].中国科学E辑,2002,14(2):91—95. 阈值 ,样本节点被划分 4个等级 ,毁伤程度最高为 · 121·

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