多远融合数据链网络性能评估方法浅析

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摘要：针对无线通信条件下数据链网络性能测试和评估难题，设计了数据链网络性能评估方法。首先，采集数据链的记录数据；然后，通过对战术数据系统（TDS）数据的消息协议解析，按照数据链消息标准格式化TDS数据，提取时间、消息类型、数据链平台和收发消息四维变量；最后，结合集合映射理论，分析通信网络连通性，生成了连通性评估报告和战术消息时序图。基于数据链网络实际业务数据，分析测试样本经过传输造成的丢包、误码和时延抖动等影响，验证了多源融合方法的可行性和有效性。

关键词：数据链；多源融合；集合映射；战术数据系统；战术消息时序；网络性能评估

0引言

数据链系统提升了武器平台战场态势的感知能力和生存能力。评估数据链网络的传输性能，具有重要的应用价值。以飞机平台为例，国内外针对飞机的数据记录非常重视，美国的Teledyne公司研制了能够记录整个飞行过程数据信息的飞行数据再现软件（TDRS）[1]；英国和俄罗斯等国家均采用飞行数据多信息管理记录技术记录战术数据系统（TDS）数据，具备数据的高速实时传输能力；GeorgeEM等测试了实际装备的时延参数，分析了时间延迟对数据链网络性能的影响[2]；针对飞行数据设计并实现了数据分析回放系统，利用飞行真实数据再现了飞行航迹，用于验证飞行航线的正确性；参考文献[4]等分析处理战术数据系统（TDS）记录的数据，得到了航线和方位角等信息。同时，针对舰艇数据链，采用基于作战任务和多智能体等方法进行效能评估[5-6]，并开展数据链的优选方法研究[7]。从国内外研究进展来看，主要集中在音视频和航电信息等数据记录，针对数据链战术数据链系统（TDS）的数据进行研究比较少，针对真实数据进行战术数据链网络性能分析研究还处于起步阶段，需要在准确性和时效性等方面进行深入研究。数据链系统的网络性能可以通过分析和处理战术数据系统（TDS）记录的数据[8]，实现在体系环境下数据链网络的性能测试评估[9]。多源数据融合技术应用于知识图谱构建和社会关系研究方面。例如基于层次过滤思想的知识融合模型进行多源异构数据的融合[10]、基于贝叶斯个性化排序评论评分社交模型和可扩展的贝叶斯个性化排序评论评分社交模型[10]等。针对数据链网络性能的测试评估，一般情况采用接收端对接收到的报文序列和发送端标准的测试样本进行比对的方法。这种方法在测试评估数据链网络单一系统的性能时简便有效。但是在数据链网络实际应用场景下，数据链网络的信源是实际装备和系统，无法获得发送端的报文序列测试样本，上述数据链网络性能测试评估方法不再有效。同时，实际信道下数据链网络存在误码情况，加上报文长度和传输速率均会变化而导致的传输时延抖动显著等情况，大规模组网条件下数据链网络性能测试变得较为困难。利用战术数据系统的记录数据，分析和评估数据链网络的传输性能，基于多个飞机平台的数据组合分析，得出飞机平台之间的通信网络连通性，即数据链网络通信连通性，分析出飞机与飞机、飞机与塔台之间的通信网络连通性，为飞行员飞行航迹考评提供参考；分析并生成战术消息时序图，为飞机通信故障检修提供参考信息；同时，检验飞行员在飞行过程中的数据链操作正确性。

1数据链网络数据采集与分析流程

1.1数据采集部署

数据链系统的数据采集功能的部署如图1所示，在移动平台的指控系统上对指控系统和数据链设备之间接口的数据进行采集，在岸基侧传输设备和指挥所信息系统之间接口的数据进行采集。不同的数据采集点需要统一参考时间，目前各平台的时统误差很小，时统误差对于传输时延的影响可以忽略。数据链网络的网络性能指标主要包括：报文成功率、误报率、丢报率、误比特率和传输时延等指标，其中误比特率是指接收端接收错误比特总数与发送端发送总比特数的比值。

1.2数据链采集与分析流程

数据链采集与分析流程的示意图2所示，包括数据采集、数据导出与导入管理、数据回放显示和数据组合分析等功能。基于特定消息的多源融合数据组合分析方式是通过对TDS数据的消息协议解析，按照数据链消息标准格式化TDS数据；利用四维变量方法，即时间、消息类型、数据链平台和收发消息，分析通信网络连通性，生成了连通性评估报告；利用多源TDS数据的进行组合分析，根据不同数据链之间的收发消息时间，分析战术消息的时序关系，绘制出战术消息时序图。（1）数据采集数据采集部位是机载战术数据系统（TDS）和塔台的数据链显控设备，各型数据链记录的文件位置和数据格式有所不同，需要专业人员进行数据采集。（2）数据导出与导入管理数据导出管理是指专业人员使用相应数据管理设备，如通用战术数据导入设备或者笔记本电脑等设备，连接飞机的机载战术数据系统（TDS）和塔台的数据链显控设备，下载相应文件夹下的数据记录文件，按照相应的数据链消息标准进行特定的消息转换和关联。数据导入管理是指专业人员使用数据管理设备，将数据管理设备内的数据，按照相应的数据链消息标准进行特定的消息转换，把转换得到的标准数据链消息导入到数据库或者特定文件夹，由数据库服务器对消息进行维护和管理。（3）数据回放显示数据回放显示是指使用回放和分析系统，针对数据库管理或者特定文件的数据进行数据解析，以态势图和数据列表形式回放数据链战术信息，并且能够显示数据链态势和战术命令等信息，还原数据链工作的过程。（4）数据组合分析数据组合分析是指使用回放和分析系统，针对数据库管理或者特定文件的数据进行数据解析，采用多源数据链组合分析方法，分析通信网络连通状态和战术消息时序关系，以图形或者表格形式显示分析结果。

2数据链网络多源数据分析方法设计

2.1数据链网络连通性机理分析

数据链网络的各平台节点之间的通信网络连通性，可以通过各平台之间收发的精确定位与识别消息（PPLI）来判断[12]。通过本平台发送的数据链消息或利用其它平台接收的数据链消息观察本平台工作情况，进行数据组合分析，得到数据链通信网络连通情况。通过多个TDS数据进行加载，对比不同时刻的消息内容，得到战术消息时序图。结合时间、平台、收发消息和消息类型四维变量关系，在四维变量中确定一个变量分析另外三个之间的变化关系，利用四维变量分析特定时刻，得到不同平台之间的通信网络连通关系。（1）特定消息下（即固定消息类型）分析平台间的连通性如图3所示，图中，以时间作为横坐标，平台作为纵坐标，T表示数据发送，R表示数据接收。图中的行表示特定消息特定平台在不同时刻收发消息的情况，其中T表示发送，R表示接收，如果在某个时刻没有收发状态，则表示此时刻通信没有连通；图中的列表示在某一个时刻所有平台之间收发某个特定消息的情况，通过固定列能看到在特定消息特定时刻各个平台之间的连通性情况、（2）利用四维变量方法分析特定时刻，不同平台间通信网络连通关系如表1所示，用来描述数据链网络在特定时刻下平台之间通信网络连通的效果。表中的行表示该平台与所有平台之间通信的连通性关系图，m表示飞机与塔台的总数量；每个平台与本身不存在连通性关系，因为平台不对自身进行发送消息。假设iA平台和jA平台都是所有平台中的任意一个平台，i和j均表示正整数，并且ij，则平台之间的连通性不一定对称，iA平台与jA平台之间连通性不一定相同，即iA平台能收到jA平台发送的消息，但是jA平台不一定能够收到iA平台发送的消息。例如表中所示的A1平台和A2平台的连通关系，A1平台发送到A2平台接收则连通，A2平台发送到A1平台接收则断开，两个平台间是单向可通。

2.2多源融合的数学原理分析

数据链网络集合映射示意图如图4所示。发送端报文经过筛选后仅保留所有发往接收端的报文，记为集合12{,,}nSsss，其中，n为S中报文个数。接收端报文经过筛选后仅保留来源于该发送端的接收报文，记为集合12=r,r,rmR，m为R中报文个数。网络传输的集合记为T，12{,,}mTttt，n为T中传输报文的个数。若发送端报文(S）经过网络（T）传输到接收端（R），记为T(S)R，其中()iijtsr。为了方便描述，约定如下计算符号：（1）()iZt表示网络it归一化传输能力0()1iZt，其中()=0iZt表示报文丢失，()=1iZt表示报文完全正确。（2）Tm(p)为报文发送或接收时间，p为发送报文或者接收报文。（3）W(p)为报文的重量，即所有为1的比特的个数。（4）B(p)为报文的比特数。（5）运算符⊕为模2加运算，ijss为is和js模2加，如果is和js位长不等时，长度短的报文按长度较长的报文对应位取反来补齐。（6）(,)ijDss为报文is和js的归一化距离，为两个报文对应比特上不同的比特数和两个报文比特总数较大者的比值，即(,)()/()ijijijDssWssBss。对于映射集合T，应满足以下规则：（1）接收端的报文只能来源于一个发送端，需要对接收端报文按照网络规划和子网识别号进行筛选，因而接收端每个接收到的报文应能找到唯一的发送端报文与之匹配。即任意prR，有且仅有一个i，1in，满足()iiptsr。（2）报文重发是由指控系统或用户代理执行的一次发送，接收端最多只能接收到一次，因而，每个发送端报文在接收端最多有一个报文与之匹配。即任意isS，有且仅有一个p，1pm，满足()iiptsr。（3）与发送端报文匹配的接收端报文顺序不会逆转。即若,,ijssSij，且存在,ijttT，p和q，满足()iiptsr，()jjqtsr，1pm，1qm，则pq。（4）匹配的收发报文时间差不超过(maxeTdT)，其中，maxTd为系统理论最大传输时延，应考虑最大的无线数据传输时间，无线电波传播时间、相关设备处理时延、岸基有线网络的最大传输时延。Te为发送端和接收端数据采集设备的时间误差最大估计值，在考察的时间段内，接收端和发送端的时间误差可认为保持不变。即若任意isS，itT，()iiptsr，则()()pimaxeTmrTmsTdT。（5）匹配的收发报文时间差应不小于mineTdT。其中minTd为系统理论最小传输时延，应考虑最大的无线数据传输时间，无线电波传播时间、相关设备处理时延、岸基有线网络的最小传输时延。如果任意isS，itT，()iiptsr，则任意emaxTTd时间段内，发送端任意两个发送报文is，sis（不妨设ij）的归一化距离(,)ijDss，其最小值记为minD。因在实际的系统中，指控系统发出的战术数据含有时间信息，并经过了密码机的数据置乱之后，minD可看作不为0。minD值通过对发送端报文逐个遍历，计算该报文和后续emaxTTd时间段内所有报文的两两归一化距离，选取最小值记为该报文的归一化距离，完成遍历后选取所有报文的归一化距离的最小值，即为minD。在按时间确定接收报文可能的范围时，下限为上一次被匹配的报文序号，上限序号p满足max()()piTmrTmsTeTd。并且满足1max()()piTmrTmsTeTd。匹配的接收报文和发送报文归一化码距按minD2,minD和minD2分别三组估计映射集合iTè%@，最后根据各自标量的目标函数值确定最佳的映射集合估计。目标函数值()iQT(的计算方法如下：3311()e()/(())(()/(())iijijjjQTTMaxeTdTMaxdT（3）

2.3多源融合分析方法的设计

多源融合数据组合分析主要判断作战平台之间通信网络连通性，从多个角度分析某一个平台通信的连通性，分析战术消息时序。以三架飞机平台为例，采用基于特定消息的多源数据链组合分析方法，分析飞机之间的通信网络连通性，如图5所示。分析方法如下：第一，通过分析A1平台接收A2平台发送的PPLI消息，可以分析出A2到A1之间的通信网络连通性；第二，通过分析A2平台接收A1平台发送的PPLI消息，可以分析出A1到A2之间的通信网络连通性。通过这种分析即可得出A1平台和A2平台之间的通信网络连通性；第三，同样方法，通过A1平台与A3之间发送接收PPLI消息判断A1与A3平台之间的通信网络连通性；同理可以分析出A3平台和A1平台通信网络连通性。（1）从连接的数据库中采集本次飞行任务相关的飞机平台和塔台的TDS数据，对同一时间的数据进行对比，如果飞机与飞机、飞机与塔台之间的消息类型相同，则进入第（2）步，否则，丢弃消息并结束。（2）根据飞机平台的精确定位与识别消息（PPLI）的发送间隔为3秒，设置组合分析的时间窗口为PPLI的倍数，可选3秒、6秒或9秒等，来对比不同时间窗口内的消息内容。如果平台间数据的时间差小于等于设置的时间窗，则进入第（3）步，否则，丢弃消息并结束。根据时间窗设置判断数据链的通信网络连通性，当一个数据链平台发送消息后，消息经过无线信道传输到另一个平台，在传输过程中会有一个时延。战术消息时序示意图如图6所示。图中斜线表示发送平台发送消息，经过一段时间延迟，到达接收平台，如果这个延迟时间小于设置的时间窗的值，则认为两个平台的网络是可通的，进入第（3）步，否则认为两个平台的网络是断的，不能进行正常通信，丢弃消息并结束。（3）根据战术数据系统的格式化消息类型，并根据用户指令设置需过滤的消息类型，对该类型消息进行过滤，如果存在符合条件的消息，则进入第（4）步，否则，显示连通性报告，并结束。（4）根据需要显示的消息类型，结合接收和发送的时间顺序，在态势图使用线条和颜色等方式显示相应消息类型的时序分析图。

3数据链网络性能评估验证

3.1网络效能评估试验

针对A平台与B平台之间数据链的传输性能测试实验，采集两者的数据，并且记录通信过程中的业务，经过处理之后记录数据结构。设计并编制计算机程序，根据基于集合映射的数据链网络性能评估方法进行处理，输出EXCEL格式文件，即可得到所需的各项性能指标。每条报文的接收情况按表格的格式进行输出，输出的样本数据如表2所示。本次试验的报文统计结果如表3所示，在此基础上，结合态势目标和自由文电等业务的综合测试，分析数据链网络的传输性能评估结果。根据实验的统计验证和数据对比，验证了集合映射的数据链网络性能评估方法的正确性，满足了实际应用的要求。

3.2战术消息时序分析

通过多源融合数据组合分析计算出战术消息时序，平台包括A1、A2、A3、A4、A5…Am，包括5个以上平台的结果，多源融合数据组合分析后的战术消息时序图如图7所示。图中纵向的虚线以及方块表示某一平台的消息时序，横向表示某一时刻不同平台之间的通信网络连通关系。A1平台中虚线方框表示发消息：S0.1表示A1平台发送S0.1PPLI消息，A2平台实线方框表示接收到消息：S0.1表示平台A2收到S0.1PPLI消息，其余A3、A4、A5…Am收到S0.1PPLI消息。

4结论

基于多源融合数据分析方法，可评估数据链网络通信连通性，分析战术消息时序关系，得到塔台与飞机、飞机与飞机之间数据链通信网络连通性和战术消息时序图中的时序关系。解决体系环境下数据链网络性能测试评估困难的问题，验证了基于特定消息的多源组合分析方法的可行性和有效性。下一步继续针对算法的运算速度进行优化。

作者:刘宏波 肖思帅 卢洽然 孟进 单位:海军工程大学  舰船综合电力技术国防科技重点实验室