1.基于时空同步注意力机制的高动态战术网络链路预测方法,其特征在于,针对目标通信网络,执行如下步骤S1‑步骤S6,构建通信链路连通预测模型,执行如下步骤S7,完成未来时间步任意节点之间的通信链路连通状态的预测:步骤S1:获取目标通信网络的运行日志,提取其中各节点的特征向量,包括节点特征和通信链路特征,并基于预设的路径损耗阈值,生成作为通信链路连通性判据的通信链路状态二值标签;
步骤S2:设置由若干个时间步构成的历史观测窗口,提取连续若干个时间步的网络拓扑图,构建具有时序依赖关系的历史时空图序列;
步骤S3:针对所提取的节点特征和通信链路特征,进行标准化处理,针对历史时空图序列,进行正弦时间位置编码;将标准化处理后的节点特征与正弦时间位置编码融合;
步骤S4:提取历史观测窗口中各时间步的网络拓扑图,将节点映射为全局空间边;在相邻时间步的同一节点之间,构建双向时间边;基于全局空间边与双向时间边,形成时空统一的超级图;
步骤S5:将超级图输入图神经网络编码器,计算节点间的注意力权重,从图神经网络编码器的输出矩阵中,截取最后一个时间步所有节点的特征向量;
步骤S6:将超级图中任意两个待预测连通性的节点的特征向量拼接后,输入多层感知机解码器,获得节点间的通信链路连通概率;
步骤S7:对通信链路连通预测模型进行训练和测试,获得训练好的通信链路连通预测模型,应用通信链路连通预测模型,完成未来时间步任意节点之间的通信链路连通状态的预测。
2.根据权利要求1所述的基于时空同步注意力机制的高动态战术网络链路预测方法,其特征在于,步骤S1的具体步骤如下:步骤S1.1:提取目标通信网络的节点特征和通信链路特征,包括各节点的二维机动速度,作为节点特征;还包括节点间物理距离Distance、电磁波传播延迟PropDelay、以及路径损耗Pathloss,作为通信链路特征;
步骤S1.2:预设路径损耗阈值,若两节点间的路径损耗Pathloss低于预设的路径损耗阈值,则判定在当前时间步两节点间的通信链路连通,通信链路状态二值标签 ;否则,判定在当前时间步两节点间的通信链路断开,通信链路状态二值标签 ;其中,表示在时间步t节点i和节点j间的通信链路状态二值标签。
3.根据权利要求2所述的基于时空同步注意力机制的高动态战术网络链路预测方法,其特征在于,步骤S2的具体步骤如下:步骤S2.1:在时间步t,将目标通信网络表示为网络拓扑图 ,其中,为节点集合; 表示节点,N为节点数量; 表示节点特征矩阵,F表示节点特征的维度,对应节点的二维机动速度;节点特征矩阵的各行表示各节点在时间步t的二维机动速度:;
;
其中, 表示节点i在时间步t的二维机动速度, ,N为节点数量; 、分别表示节点i在时间步t沿x、y方向的机动速度;
为邻接矩阵,其中各元素定义如下:
;
其中, 表示在时间步t节点i和节点j的邻接矩阵, 表示在时间步t节点i和节点j的路径损耗,表示预设的路径损耗阈值;
步骤S2.2:设置历史观测窗口长度为T,将连续T个时间步的网络拓扑图构建为历史时空图序列 :;
其中,T为历史观测窗口长度, 分别表示时间步 ,,…,的网络拓扑图。
4.根据权利要求3所述的基于时空同步注意力机制的高动态战术网络链路预测方法,其特征在于,步骤S3的具体步骤如下:步骤S3.1:基于节点特征与通信链路特征所构成的特征向量,针对其中第k维特征 ,进行零均值标准化,标准化公式如下:;
其中, 为第k维特征 在全量训练集上的均值, 为第k维特征 的标准差; 为标准化后的第k维特征;
步骤S3.2:针对历史时空图序列,动态生成维度为 的正弦时间位置编码;编码公式如下:;
;
其中,k为编码维度的索引,k=0,1,..., ; 和 分别表示正弦时间位置编码在第2k维和第2k+1维上的分量;
步骤S3.3:将正弦时间位置编码通过广播机制,与各时间步内节点的二维机动速度进行矩阵级联;矩阵级联后,节点特征的维度扩展为18维。
5.根据权利要求4所述的基于时空同步注意力机制的高动态战术网络链路预测方法,其特征在于,步骤S4的具体步骤如下:步骤S4.1:提取历史观测窗口中各时间步的网络拓扑图,将时间步t的节点映射为全局空间边,映射公式为:;
其中, 表示时间步t的节点i, 为时间步t的节点i映射的全局空间边,N为节点数量;
步骤S4.2:在相邻时间步的同一节点之间,强制构建前向与后向的双向时间边,同时,初始化一个服从标准正态分布的3维可学习张量,作为双向时间边的边特征;
步骤S4.3:将全局空间边与双向时间边进行拓扑关联拼接,形成时空统一的超级图;其中, 表示超级图的节点集合,包含所有时间步的节点实例, 表示超级图的边集合,由全局空间边与双向时间边共同组成。
6.根据权利要求5所述的基于时空同步注意力机制的高动态战术网络链路预测方法,其特征在于,步骤S5的具体步骤如下:步骤S5.1:将超级图输入图神经网络编码器;对于节点i及其时空邻居节点j,, 表示节点i的时空邻居节点合集,基于单头注意力的节点的特征向量更新公式为:;
其中, 和 分别为节点i和节点j在当前层的输入特征向量, 为节点i经注意力聚合后更新的特征向量, 和 为可学习的权重矩阵; 为节点i和节点j之间的注意力权重;
注意力权重 的计算如下:
;
其中, 、 、 、 、 均为可学习的权重矩阵, 为键向量的维度; 为节点i和节点j之间的链路特征向量; 表示softmax函数处理;
步骤S5.2:从图神经网络编码器的输出矩阵中,截取高维隐藏层输出的最后一个时间步所有节点的特征向量。
7.根据权利要求6所述的基于时空同步注意力机制的高动态战术网络链路预测方法,其特征在于,步骤S6的具体步骤如下:步骤S6.1:将任意两个待预测连通性的节点u和节点v的特征向量拼接后,输入至多层感知机解码器:;
其中, 表示多层感知机解码器操作; 和 分别为节点u和节点v的最终隐藏层特征向量;表示向量拼接; 为拼接后的特征向量经多层感知机解码器处理得到的中间输出向量;
步骤S6.2:多层感知机解码器包含三层线性映射,以及ReLU激活与Dropout正则化,最终通过Sigmoid激活函数 将输出转化为(0,1)区间的链路连通概率 :;
其中, 表示以自然常数e为底的指数函数。
8.根据权利要求7所述的基于时空同步注意力机制的高动态战术网络链路预测方法,其特征在于,步骤S7的具体步骤如下:步骤S7.1:在训练阶段,构建真实标签与预测的链路连通概率之间的损失函数 如下式:;
其中,M为当前批次的通信链路样本总数, 为第k条通信链路的真实的通信链路状态二值标签, 为第k条通信链路的预测的链路连通概率;
采用Adam优化器反向更新参数,结合验证集早停机制,进行预设次数的迭代;
步骤S7.2:在测试阶段,将预测的链路连通概率 通过预设阈值进行判决,得到最终的链路状态预测结果如下:;
其中, 表示第k条通信链路的链路状态预测结果;
对所有节点进行预测,得到时间步t+1的完整网络拓扑预测矩阵 ,中每个元素 表示节点 与 之间的链路状态预测结果,N为节点数量。