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摘要：針對無線通信條件下數據鏈網絡性能測試和評估難題，設計了數據鏈網絡性能評估方法。首先，采集數據鏈的記錄數據；然后，通過對戰術數據系統（TDS）數據的消息協議解析，按照數據鏈消息標準格式化TDS數據，提取時間、消息類型、數據鏈平臺和收發消息四維變量；最后，結合集合映射理論，分析通信網絡連通性，生成了連通性評估報告和戰術消息時序圖。基于數據鏈網絡實際業務數據，分析測試樣本經過傳輸造成的丟包、誤碼和時延抖動等影響，驗證了多源融合方法的可行性和有效性。

關鍵詞：數據鏈；多源融合；集合映射；戰術數據系統；戰術消息時序；網絡性能評估

0引言

數據鏈系統提升了武器平臺戰場態勢的感知能力和生存能力。評估數據鏈網絡的傳輸性能，具有重要的應用價值。以飛機平臺為例，國內外針對飛機的數據記錄非常重視，美國的Teledyne公司研制了能夠記錄整個飛行過程數據信息的飛行數據再現軟件（TDRS）[1]；英國和俄羅斯等國家均采用飛行數據多信息管理記錄技術記錄戰術數據系統（TDS）數據，具備數據的高速實時傳輸能力；GeorgeEM等測試了實際裝備的時延參數，分析了時間延遲對數據鏈網絡性能的影響[2]；針對飛行數據設計并實現了數據分析回放系統，利用飛行真實數據再現了飛行航跡，用于驗證飛行航線的正確性；參考文獻[4]等分析處理戰術數據系統（TDS）記錄的數據，得到了航線和方位角等信息。同時，針對艦艇數據鏈，采用基于作戰任務和多智能體等方法進行效能評估[5-6]，并開展數據鏈的優選方法研究[7]。從國內外研究進展來看，主要集中在音視頻和航電信息等數據記錄，針對數據鏈戰術數據鏈系統（TDS）的數據進行研究比較少，針對真實數據進行戰術數據鏈網絡性能分析研究還處于起步階段，需要在準確性和時效性等方面進行深入研究。數據鏈系統的網絡性能可以通過分析和處理戰術數據系統（TDS）記錄的數據[8]，實現在體系環境下數據鏈網絡的性能測試評估[9]。多源數據融合技術應用于知識圖譜構建和社會關系研究方面。例如基于層次過濾思想的知識融合模型進行多源異構數據的融合[10]、基于貝葉斯個性化排序評論評分社交模型和可擴展的貝葉斯個性化排序評論評分社交模型[10]等。針對數據鏈網絡性能的測試評估，一般情況采用接收端對接收到的報文序列和發送端標準的測試樣本進行比對的方法。這種方法在測試評估數據鏈網絡單一系統的性能時簡便有效。但是在數據鏈網絡實際應用場景下，數據鏈網絡的信源是實際裝備和系統，無法獲得發送端的報文序列測試樣本，上述數據鏈網絡性能測試評估方法不再有效。同時，實際信道下數據鏈網絡存在誤碼情況，加上報文長度和傳輸速率均會變化而導致的傳輸時延抖動顯著等情況，大規模組網條件下數據鏈網絡性能測試變得較為困難。利用戰術數據系統的記錄數據，分析和評估數據鏈網絡的傳輸性能，基于多個飛機平臺的數據組合分析，得出飛機平臺之間的通信網絡連通性，即數據鏈網絡通信連通性，分析出飛機與飛機、飛機與塔臺之間的通信網絡連通性，為飛行員飛行航跡考評提供參考；分析并生成戰術消息時序圖，為飛機通信故障檢修提供參考信息；同時，檢驗飛行員在飛行過程中的數據鏈操作正確性。

1數據鏈網絡數據采集與分析流程

1.1數據采集部署

數據鏈系統的數據采集功能的部署如圖1所示，在移動平臺的指控系統上對指控系統和數據鏈設備之間接口的數據進行采集，在岸基側傳輸設備和指揮所信息系統之間接口的數據進行采集。不同的數據采集點需要統一參考時間，目前各平臺的時統誤差很小，時統誤差對于傳輸時延的影響可以忽略。數據鏈網絡的網絡性能指標主要包括：報文成功率、誤報率、丟報率、誤比特率和傳輸時延等指標，其中誤比特率是指接收端接收錯誤比特總數與發送端發送總比特數的比值。

1.2數據鏈采集與分析流程

數據鏈采集與分析流程的示意圖2所示，包括數據采集、數據導出與導入管理、數據回放顯示和數據組合分析等功能。基于特定消息的多源融合數據組合分析方式是通過對TDS數據的消息協議解析，按照數據鏈消息標準格式化TDS數據；利用四維變量方法，即時間、消息類型、數據鏈平臺和收發消息，分析通信網絡連通性，生成了連通性評估報告；利用多源TDS數據的進行組合分析，根據不同數據鏈之間的收發消息時間，分析戰術消息的時序關系，繪制出戰術消息時序圖。（1）數據采集數據采集部位是機載戰術數據系統（TDS）和塔臺的數據鏈顯控設備，各型數據鏈記錄的文件位置和數據格式有所不同，需要專業人員進行數據采集。（2）數據導出與導入管理數據導出管理是指專業人員使用相應數據管理設備，如通用戰術數據導入設備或者筆記本電腦等設備，連接飛機的機載戰術數據系統（TDS）和塔臺的數據鏈顯控設備，下載相應文件夾下的數據記錄文件，按照相應的數據鏈消息標準進行特定的消息轉換和關聯。數據導入管理是指專業人員使用數據管理設備，將數據管理設備內的數據，按照相應的數據鏈消息標準進行特定的消息轉換，把轉換得到的標準數據鏈消息導入到數據庫或者特定文件夾，由數據庫服務器對消息進行維護和管理。（3）數據回放顯示數據回放顯示是指使用回放和分析系統，針對數據庫管理或者特定文件的數據進行數據解析，以態勢圖和數據列表形式回放數據鏈戰術信息，并且能夠顯示數據鏈態勢和戰術命令等信息，還原數據鏈工作的過程。（4）數據組合分析數據組合分析是指使用回放和分析系統，針對數據庫管理或者特定文件的數據進行數據解析，采用多源數據鏈組合分析方法，分析通信網絡連通狀態和戰術消息時序關系，以圖形或者表格形式顯示分析結果。

2數據鏈網絡多源數據分析方法設計

2.1數據鏈網絡連通性機理分析

數據鏈網絡的各平臺節點之間的通信網絡連通性，可以通過各平臺之間收發的精確定位與識別消息（PPLI）來判斷[12]。通過本平臺發送的數據鏈消息或利用其它平臺接收的數據鏈消息觀察本平臺工作情況，進行數據組合分析，得到數據鏈通信網絡連通情況。通過多個TDS數據進行加載，對比不同時刻的消息內容，得到戰術消息時序圖。結合時間、平臺、收發消息和消息類型四維變量關系，在四維變量中確定一個變量分析另外三個之間的變化關系，利用四維變量分析特定時刻，得到不同平臺之間的通信網絡連通關系。（1）特定消息下（即固定消息類型）分析平臺間的連通性如圖3所示，圖中，以時間作為橫坐標，平臺作為縱坐標，T表示數據發送，R表示數據接收。圖中的行表示特定消息特定平臺在不同時刻收發消息的情況，其中T表示發送，R表示接收，如果在某個時刻沒有收發狀態，則表示此時刻通信沒有連通；圖中的列表示在某一個時刻所有平臺之間收發某個特定消息的情況，通過固定列能看到在特定消息特定時刻各個平臺之間的連通性情況、（2）利用四維變量方法分析特定時刻，不同平臺間通信網絡連通關系如表1所示，用來描述數據鏈網絡在特定時刻下平臺之間通信網絡連通的效果。表中的行表示該平臺與所有平臺之間通信的連通性關系圖，m表示飛機與塔臺的總數量；每個平臺與本身不存在連通性關系，因為平臺不對自身進行發送消息。假設iA平臺和jA平臺都是所有平臺中的任意一個平臺，i和j均表示正整數，并且i?j，則平臺之間的連通性不一定對稱，iA平臺與jA平臺之間連通性不一定相同，即iA平臺能收到jA平臺發送的消息，但是jA平臺不一定能夠收到iA平臺發送的消息。例如表中所示的A1平臺和A2平臺的連通關系，A1平臺發送到A2平臺接收則連通，A2平臺發送到A1平臺接收則斷開，兩個平臺間是單向可通。

2.2多源融合的數學原理分析

數據鏈網絡集合映射示意圖如圖4所示。發送端報文經過篩選后僅保留所有發往接收端的報文，記為集合12{,,}nS?sss，其中，n為S中報文個數。接收端報文經過篩選后僅保留來源于該發送端的接收報文，記為集合??12=r,r,rmR，m為R中報文個數。網絡傳輸的集合記為T，12{,,}mT?ttt，n為T中傳輸報文的個數。若發送端報文(S）經過網絡（T）傳輸到接收端（R），記為T(S)?R，其中()iijts?r。為了方便描述，約定如下計算符號：（1）()iZt表示網絡it歸一化傳輸能力0()1iZt，其中()=0iZt表示報文丟失，()=1iZt表示報文完全正確。（2）Tm(p)為報文發送或接收時間，p為發送報文或者接收報文。（3）W(p)為報文的重量，即所有為1的比特的個數。（4）B(p)為報文的比特數。（5）運算符⊕為模2加運算，ijs?s為is和js模2加，如果is和js位長不等時，長度短的報文按長度較長的報文對應位取反來補齊。（6）(,)ijDss為報文is和js的歸一化距離，為兩個報文對應比特上不同的比特數和兩個報文比特總數較大者的比值，即(,)()/()ijijijDss?Ws?sBs?s。對于映射集合T，應滿足以下規則：（1）接收端的報文只能來源于一個發送端，需要對接收端報文按照網絡規劃和子網識別號進行篩選，因而接收端每個接收到的報文應能找到唯一的發送端報文與之匹配。即任意pr?R，有且僅有一個i，1in，滿足()iipts?r。（2）報文重發是由指控系統或用戶代理執行的一次發送，接收端最多只能接收到一次，因而，每個發送端報文在接收端最多有一個報文與之匹配。即任意is?S，有且僅有一個p，1pm，滿足()iipts?r。（3）與發送端報文匹配的接收端報文順序不會逆轉。即若,,ijss?Si?j，且存在,ijtt?T，p和q，滿足()iipts?r，()jjqts?r，1pm，1qm，則p?q。（4）匹配的收發報文時間差不超過(maxeTd?T)，其中，maxTd為系統理論最大傳輸時延，應考慮最大的無線數據傳輸時間，無線電波傳播時間、相關設備處理時延、岸基有線網絡的最大傳輸時延。Te為發送端和接收端數據采集設備的時間誤差最大估計值，在考察的時間段內，接收端和發送端的時間誤差可認為保持不變。即若任意is?S，it?T，()iipts?r，則()()pimaxeTmr?TmsTd?T。（5）匹配的收發報文時間差應不小于mineTd?T。其中minTd為系統理論最小傳輸時延，應考慮最大的無線數據傳輸時間，無線電波傳播時間、相關設備處理時延、岸基有線網絡的最小傳輸時延。如果任意is?S，it?T，()iipts?r，則任意emaxT?Td時間段內，發送端任意兩個發送報文is，sis?（不妨設i?j）的歸一化距離(,)ijDss，其最小值記為minD。因在實際的系統中，指控系統發出的戰術數據含有時間信息，并經過了密碼機的數據置亂之后，minD可看作不為0。minD值通過對發送端報文逐個遍歷，計算該報文和后續emaxT?Td時間段內所有報文的兩兩歸一化距離，選取最小值記為該報文的歸一化距離，完成遍歷后選取所有報文的歸一化距離的最小值，即為minD。在按時間確定接收報文可能的范圍時，下限為上一次被匹配的報文序號，上限序號p滿足max()()piTmr?TmsTe?Td。并且滿足1max()()piTmrTmsTeTd。匹配的接收報文和發送報文歸一化碼距按minD2,minD和minD?2分別三組估計映射集合iTè%@，最后根據各自標量的目標函數值確定最佳的映射集合估計。目標函數值()iQT(的計算方法如下：3311()e()/(())(()/(())iijijjjQTTMaxeTdTMaxdT（3）

2.3多源融合分析方法的設計

多源融合數據組合分析主要判斷作戰平臺之間通信網絡連通性，從多個角度分析某一個平臺通信的連通性，分析戰術消息時序。以三架飛機平臺為例，采用基于特定消息的多源數據鏈組合分析方法，分析飛機之間的通信網絡連通性，如圖5所示。分析方法如下：第一，通過分析A1平臺接收A2平臺發送的PPLI消息，可以分析出A2到A1之間的通信網絡連通性；第二，通過分析A2平臺接收A1平臺發送的PPLI消息，可以分析出A1到A2之間的通信網絡連通性。通過這種分析即可得出A1平臺和A2平臺之間的通信網絡連通性；第三，同樣方法，通過A1平臺與A3之間發送接收PPLI消息判斷A1與A3平臺之間的通信網絡連通性；同理可以分析出A3平臺和A1平臺通信網絡連通性。（1）從連接的數據庫中采集本次飛行任務相關的飛機平臺和塔臺的TDS數據，對同一時間的數據進行對比，如果飛機與飛機、飛機與塔臺之間的消息類型相同，則進入第（2）步，否則，丟棄消息并結束。（2）根據飛機平臺的精確定位與識別消息（PPLI）的發送間隔為3秒，設置組合分析的時間窗口為PPLI的倍數，可選3秒、6秒或9秒等，來對比不同時間窗口內的消息內容。如果平臺間數據的時間差小于等于設置的時間窗，則進入第（3）步，否則，丟棄消息并結束。根據時間窗設置判斷數據鏈的通信網絡連通性，當一個數據鏈平臺發送消息后，消息經過無線信道傳輸到另一個平臺，在傳輸過程中會有一個時延。戰術消息時序示意圖如圖6所示。圖中斜線表示發送平臺發送消息，經過一段時間延遲，到達接收平臺，如果這個延遲時間小于設置的時間窗的值，則認為兩個平臺的網絡是可通的，進入第（3）步，否則認為兩個平臺的網絡是斷的，不能進行正常通信，丟棄消息并結束。（3）根據戰術數據系統的格式化消息類型，并根據用戶指令設置需過濾的消息類型，對該類型消息進行過濾，如果存在符合條件的消息，則進入第（4）步，否則，顯示連通性報告，并結束。（4）根據需要顯示的消息類型，結合接收和發送的時間順序，在態勢圖使用線條和顏色等方式顯示相應消息類型的時序分析圖。

3數據鏈網絡性能評估驗證

3.1網絡效能評估試驗

針對A平臺與B平臺之間數據鏈的傳輸性能測試實驗，采集兩者的數據，并且記錄通信過程中的業務，經過處理之后記錄數據結構。設計并編制計算機程序，根據基于集合映射的數據鏈網絡性能評估方法進行處理，輸出EXCEL格式文件，即可得到所需的各項性能指標。每條報文的接收情況按表格的格式進行輸出，輸出的樣本數據如表2所示。本次試驗的報文統計結果如表3所示，在此基礎上，結合態勢目標和自由文電等業務的綜合測試，分析數據鏈網絡的傳輸性能評估結果。根據實驗的統計驗證和數據對比，驗證了集合映射的數據鏈網絡性能評估方法的正確性，滿足了實際應用的要求。

3.2戰術消息時序分析

通過多源融合數據組合分析計算出戰術消息時序，平臺包括A1、A2、A3、A4、A5…Am，包括5個以上平臺的結果，多源融合數據組合分析后的戰術消息時序圖如圖7所示。圖中縱向的虛線以及方塊表示某一平臺的消息時序，橫向表示某一時刻不同平臺之間的通信網絡連通關系。A1平臺中虛線方框表示發消息：S0.1表示A1平臺發送S0.1PPLI消息，A2平臺實線方框表示接收到消息：S0.1表示平臺A2收到S0.1PPLI消息，其余A3、A4、A5…Am收到S0.1PPLI消息。

4結論

基于多源融合數據分析方法，可評估數據鏈網絡通信連通性，分析戰術消息時序關系，得到塔臺與飛機、飛機與飛機之間數據鏈通信網絡連通性和戰術消息時序圖中的時序關系。解決體系環境下數據鏈網絡性能測試評估困難的問題，驗證了基于特定消息的多源組合分析方法的可行性和有效性。下一步繼續針對算法的運算速度進行優化。

作者:劉宏波 肖思帥 盧洽然 孟進 單位:海軍工程大學  艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室