基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)通信能力評(píng)估

　　0 引言

　　Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，又稱多跳移動(dòng)無(wú)線通信網(wǎng)，是一種由移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成的且相互之間能夠進(jìn)行通信而無(wú)基站支持的多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。它具有動(dòng)態(tài)變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，無(wú)中心和自組織的特點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)可任意移動(dòng)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都兼?zhèn)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/路由器">路由器和主機(jī)2種功能，在網(wǎng)絡(luò)中搜尋、維護(hù)到另一節(jié)點(diǎn)的路由?？蓮V泛應(yīng)用于那些不能或者不必架設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施的場(chǎng)合，如戰(zhàn)場(chǎng)、緊急救援現(xiàn)場(chǎng)、交互式的會(huì)議以及其他可以共享信息的商業(yè)場(chǎng)合等。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)在軍事上的應(yīng)用主要體現(xiàn)在保障部隊(duì)在戰(zhàn)術(shù)上的指揮通信暢通。因此對(duì)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)通信能力的評(píng)估就顯得非常重要。本文利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)幾種典型分簇算法構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的通信能力進(jìn)行評(píng)估，為算法的改進(jìn)及指揮員的指揮決策提供一定的參考依據(jù)。

　　1 效能評(píng)估指標(biāo)體系的構(gòu)建

　　通信能力指標(biāo)主要用于衡量通信網(wǎng)絡(luò)在給定時(shí)間內(nèi)完成通信業(yè)務(wù)的能力。這些指標(biāo)不但與網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有關(guān)，而且還和網(wǎng)絡(luò)的具體性能包括業(yè)務(wù)種類、業(yè)務(wù)大小、業(yè)務(wù)流向以及具體網(wǎng)絡(luò)設(shè)備性能和通信協(xié)議等許多因素有關(guān)。本文借鑒了普通網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)性能指標(biāo)，同時(shí)基于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)本身的一些特點(diǎn)，構(gòu)建了Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)性能指標(biāo)(如圖1所示)。

　?、夙憫?yīng)時(shí)間：網(wǎng)絡(luò)服務(wù)請(qǐng)求和響應(yīng)該請(qǐng)求之間的時(shí)間。反映了網(wǎng)絡(luò)根據(jù)傳輸優(yōu)先級(jí)別及時(shí)交付信息的能力，是網(wǎng)絡(luò)信息交付的實(shí)時(shí)性或準(zhǔn)實(shí)時(shí)性的標(biāo)志。網(wǎng)絡(luò)對(duì)不同業(yè)務(wù)的響應(yīng)能力可以很好地反映網(wǎng)絡(luò)性能，指揮人員通常希望能更迅速、更精確地得到某一個(gè)感興趣的指定區(qū)域的行動(dòng)響應(yīng)。

　　②延遲：包括路由尋找期間的緩存時(shí)延、接口排隊(duì)時(shí)延、MAC層重傳時(shí)延、空中傳播時(shí)延及轉(zhuǎn)換時(shí)間等所有可能的時(shí)延。

　?、弁掏铝浚?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)節(jié)點(diǎn)之間成功傳輸?shù)臒o(wú)差錯(cuò)的數(shù)據(jù)量。它體現(xiàn)了Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的通信能力，是網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)統(tǒng)計(jì)特征?？梢詮墓?jié)點(diǎn)吞吐量、網(wǎng)絡(luò)總吞吐量和業(yè)務(wù)(會(huì)話)吞吐量等方面進(jìn)行比較分析。

　?、芊纸M交付率：為目的節(jié)點(diǎn)正確接收到數(shù)據(jù)分組的數(shù)量與源節(jié)點(diǎn)原始發(fā)送的數(shù)據(jù)分組數(shù)量之比。

　?、莺魮p率：連接請(qǐng)求失敗的數(shù)量占總請(qǐng)求數(shù)量的比例。

　　⑥資源利用率：它反映了網(wǎng)絡(luò)資源的利用程度?？煞譃樾诺览寐屎凸?jié)點(diǎn)利用率。信道利用率為負(fù)載與帶寬的比值。

　　2 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型評(píng)估的實(shí)現(xiàn)

　　2.1 基本設(shè)想

　　本文利用典型的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的通信能力進(jìn)行評(píng)估。在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)通信能力評(píng)估中，所需獲取的數(shù)據(jù)是效能評(píng)估指標(biāo)體系中一些底層的數(shù)據(jù)。評(píng)價(jià)方法的基本思想是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性映射與聯(lián)想推理能力，通過(guò)反復(fù)學(xué)習(xí)，得到網(wǎng)絡(luò)通信能力與客觀參數(shù)的隱性關(guān)系式，達(dá)到形成評(píng)價(jià)方法的目的。而在原始數(shù)據(jù)和輸出結(jié)果中間，會(huì)有許多復(fù)雜的過(guò)程，諸如網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)能力、處理能力等等。

　　典型的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一般分為3層，即輸入層、中間層(隱含層)和輸出層。對(duì)通信能力的評(píng)估中，輸入層的物理意義很明顯，就是與Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)通信能力相關(guān)的一些原始數(shù)據(jù)，每一個(gè)底層指標(biāo)代表一個(gè)神經(jīng)元，這樣神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層共有7個(gè)節(jié)點(diǎn)(神經(jīng)元)，即響應(yīng)時(shí)間C1、延遲C2、呼損率C3、分組交付率C4、吞吐量C5、信道利用率C6及節(jié)點(diǎn)利用率C7。

　　中間層(或隱含層)使BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有了識(shí)別非線性模式的能力，是輸入模式的內(nèi)部表示。根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的原理，中間層單元的個(gè)數(shù)應(yīng)該是輸人層單元個(gè)數(shù)的5～6倍，根據(jù)這條原則，本文將中間單元個(gè)數(shù)定為40。

　　輸出層是對(duì)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)通信能力描述，輸出節(jié)點(diǎn)數(shù)為N1～N4，共4個(gè)，分別對(duì)應(yīng)于優(yōu)、良、中、差4個(gè)效能評(píng)估等級(jí)。評(píng)語(yǔ)集的確定是根據(jù)專家的意見而構(gòu)建的(如表1所示)。

 　　神經(jīng)元輸入與輸出之間轉(zhuǎn)移函數(shù)選取Sigmoid函數(shù)，即：

　　式中，outi是第i個(gè)神經(jīng)元的輸出，neti是第i個(gè)神經(jīng)元的輸入，a為權(quán)值。

　　通過(guò)上面的分析可構(gòu)建一個(gè)7×40×4網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示。

　　2.2 樣本的錄用和訓(xùn)練

　　(1) 選取訓(xùn)練樣本

　　利用BP算法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，樣本的選取很重要，它直接關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)通信能力的可信度問題。為了使評(píng)估的結(jié)果符合實(shí)際，以真正反映網(wǎng)絡(luò)的通信能力。因此本文以Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有裝備的性能指標(biāo)數(shù)據(jù)為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入值，并通過(guò)專家打分的方法，給出相應(yīng)評(píng)定值，將其作為輸出值。

　　(2) 歸一化訓(xùn)練樣本

　　在BP網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練之前，首先應(yīng)對(duì)原始樣本做歸一化處理，本文采用線性變換的方法將原始訓(xùn)練樣本轉(zhuǎn)換為可行的訓(xùn)練樣本(各指標(biāo)在[0，1]間取值)，分2種情況：

　　當(dāng)指標(biāo)值越大作戰(zhàn)效能越好時(shí)(如分組交付率)，按式(2)進(jìn)行歸一化。

　　Y=(X-min)／(max-min)。 (2)

　　當(dāng)指標(biāo)值越小作戰(zhàn)效能越好時(shí)(如響應(yīng)時(shí)間)，按式(3)進(jìn)行歸一化。

　　Y=(max-X)／(max-min)。 (3)

　　式中，X是原始訓(xùn)練樣本值，max(或min)是對(duì)同一指標(biāo)而言目前反輻射導(dǎo)彈武器系統(tǒng)可能出現(xiàn)的最大值(或最小值)。

　　若7個(gè)指標(biāo)值(C1～C7)歸一化后的取值都在[0.8，1]上，則網(wǎng)絡(luò)的通信能力為優(yōu)；若取值都在[0.6，0.8]上，則網(wǎng)絡(luò)的通信能力為良；若取值都為[0.4，0.6]，則網(wǎng)絡(luò)的通信能力為中等；若在0.4以下，則網(wǎng)絡(luò)的通信能力為差。