基于復(fù)雜環(huán)境下海上船舶通信延遲的優(yōu)化方法

【摘要】? ? 船舶在海上航行的通信系統(tǒng)通常利用傳統(tǒng)信號傳輸算法， 在內(nèi)部通信信號傳輸過程中，基于地理和氣候環(huán)境的復(fù)雜性等諸多因素影響，時常產(chǎn)生通信延遲的現(xiàn)象，必須對傳輸延遲的原因進(jìn)行深度分析，探究信號傳輸能量耗盡的相關(guān)數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的通信延遲消除模式不能對傳感網(wǎng)絡(luò)整體消耗能量進(jìn)行有效計算，并且達(dá)不到消除延遲應(yīng)有的精度。因此，本文提出將近端尋優(yōu)粒子作為技術(shù)支撐的無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信傳輸延遲優(yōu)化的方式。

【關(guān)鍵詞】? ? 復(fù)雜環(huán)境? ? 海上船舶? ? 通信延遲? ? 優(yōu)化方法

引言：

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，無線通信技術(shù)在船舶通信系統(tǒng)廣泛應(yīng)用，已經(jīng)成為船舶通信系統(tǒng)的核心技術(shù)依托。從本質(zhì)上講，無線通信就是無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的一種，眾多的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中存儲著海量數(shù)據(jù)，實時通信目標(biāo)就是通過傳輸采集到的數(shù)據(jù)實現(xiàn)的，為船舶航行提供全方位的信息技術(shù)。但是在具體的技術(shù)應(yīng)用過程中， 基于海洋環(huán)境的復(fù)雜性，容易受到氣候等各種因素的干擾產(chǎn)生信號延遲，同時基站節(jié)點實時監(jiān)控不到位，放電時間過長就會耗盡能量，導(dǎo)致無線通信難以持續(xù)進(jìn)行，因此目前重要的研究課題就是怎樣解決無線通信信號傳輸延遲問題。

針對該問題，本文提出消除通信延遲的新方案，分析特殊的氣候、復(fù)雜的環(huán)境影響因素，實現(xiàn)對通信傳輸延遲的消除和優(yōu)化。

一、復(fù)雜環(huán)境下海上船舶通信延遲數(shù)據(jù)分析

針對復(fù)雜環(huán)境下海上船舶通信過程中延遲消除的措施研究，首先要進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)分析。單跳路網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能量的計算必須采用優(yōu)化的方式，網(wǎng)格的劃分要根據(jù)等級保證大小相等，對最大通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的停留位置進(jìn)行確定，匯聚的網(wǎng)絡(luò)為單跳網(wǎng)絡(luò)，然后進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍在停留狀態(tài)下的分析，求出信號發(fā)送端與傳感節(jié)點的距離，進(jìn)行模型建立，模型包括匯聚節(jié)點移動行程和均衡性無線網(wǎng)絡(luò)周期模型，然后結(jié)合目前最前沿的算法選擇最佳的通信延遲消除策略。在初始的傳感器節(jié)點能量的計算過程中，因為剩余的傳感器節(jié)點能量，從低能量向最高通信節(jié)點轉(zhuǎn)變，所以本研究必須計算出有關(guān)能量的等級。其規(guī)劃的門限就是路徑節(jié)點距離，利用網(wǎng)格的形式等量劃分能量等級，并進(jìn)行網(wǎng)格中心集的設(shè)計，以一個數(shù)據(jù)周期為限制，停留位指示符號采用最大的通信節(jié)點，停留狀態(tài)根據(jù)停留點數(shù)量確定。

傳輸?shù)侥繕?biāo)距離所需的能量消耗，等同于單位時間內(nèi)傳輸節(jié)點處的初始能量與剩余能量之差。以一個半徑進(jìn)行加權(quán)處理每一個簇頭間距，這個半徑的范圍就是無線通信網(wǎng)簇頭節(jié)點的區(qū)域，從而得出發(fā)送信號和節(jié)點之間的關(guān)系。輸出信號的獲得要通過模型來實現(xiàn)，這個模型就是能量消耗輸入反饋均衡模型，其信號就是簇頭覆蓋半徑，綜合考慮輸出信號的特征，按照無線網(wǎng)絡(luò)通信的速率和傳輸距離的內(nèi)在聯(lián)系，確定通信延遲解除的措施[1]。

二、消除傳感網(wǎng)絡(luò)通信過程延遲的原理

本文介紹的實施海上船舶航行通信信號延遲的有效消除的原理是一個環(huán)環(huán)相扣的過程，首先要對節(jié)點的能量等級進(jìn)行計算，然后讓Sink節(jié)點停留位置的狀態(tài)有效呈現(xiàn)，進(jìn)行信號傳輸中傳感節(jié)點能量消耗的確定，真正知道信息發(fā)送距離和傳感節(jié)點間的關(guān)聯(lián)性，制定行之有效的網(wǎng)絡(luò)通信延遲的措施，實現(xiàn)海上船舶通信過程延遲的有效消除。具體消除原理從以下幾個步驟體現(xiàn)。

（一）節(jié)點能量等級計算

設(shè)定，目前傳感器節(jié)點中剩余能量用Fswed表示，F(xiàn)yuwed代表初始的傳感節(jié)點能量，而σsfg表示代表剩余的傳感節(jié)點能量，那么通過公式（1）進(jìn)行無線傳感節(jié)點能量等級的計算：

式（1）中，低能量的傳感節(jié)點構(gòu)成Sink節(jié)點的概率為rsg。

（二）節(jié)點停留位置的狀態(tài)描述

設(shè)定，路由節(jié)點選取的閾值用εfrt 表示，全部網(wǎng)格中心集合用ωgty表示，xdg表示代表Sink節(jié)點停留位置狀態(tài)指示符號，?wer表示Sink節(jié)點上需要停留位置的數(shù)量，那么Sink節(jié)點停留位置的狀態(tài)可以通過公式（2）得出：

公式中，一個數(shù)據(jù)在Sink節(jié)點上的收集周期則視為Rswf 。

（三）消耗能量計算

設(shè)定，Sink節(jié)點移動橫穿所有覆蓋區(qū)域的最短路徑用 fdhk表示，Sink節(jié)點在其保持位置μ上停留的時間長度用t（cojj）表示 ，那么，信號傳輸中傳感節(jié)點的能量消耗可以通過公式（3）獲得：

上公式中，初始化的傳感節(jié)點能量為εdfr，發(fā)射目標(biāo)距離單位信號能耗為pjki。

（四）距離之間的關(guān)系確定

設(shè)定，簇頭節(jié)點的覆蓋半徑用d（sj）表示，任意簇頭節(jié)點用ηsf表示，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置簇頭節(jié)點間的距離權(quán)重用esfg表示，那么，信息發(fā)送距離關(guān)聯(lián)傳感節(jié)點的表現(xiàn)可以通過式（4）獲得：

（五）制定通信過程延遲消除策略

設(shè)定，簇頭覆蓋區(qū)域直徑用αgyu 表示，信號傳輸消耗的整體總能量用lsdf表示，正常信號在傳感網(wǎng)通信信道接收端用ahdf 表示，通信信道在傳感器網(wǎng)絡(luò)負(fù)載開銷用εftg 表示，通過判決反饋在傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信信道中對輸出信號進(jìn)行均衡用Mswfr表示，那么，可以通過公式（5）制定網(wǎng)絡(luò)通信延遲過程消除的策略：

上公式中，代表其輸出信號的特征為desgk，信號載波頻率為ssfg。

（六）通信過程延遲消除結(jié)果

設(shè)定，無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信速率與通信距離的內(nèi)在聯(lián)用由swef表示[2]，那么，通公式（6）就可以消除通信過程延遲的現(xiàn)象：

三、復(fù)雜環(huán)境下海上船舶通信延遲優(yōu)化消除方法

（一）獲得比值的關(guān)聯(lián)性

1.求出輪數(shù)變化狀態(tài)

設(shè)定，備選節(jié)點數(shù)量用bgh表示，曾經(jīng)輪換過的作為常規(guī)節(jié)點的節(jié)點集合用Wfrg表示，傳感網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)用μde表示，數(shù)據(jù)被傳感器接收的長度用Ssef表示，每單位比特傳輸與接收的能量用Eefrt表示，那么，輪數(shù)變化在傳感器數(shù)據(jù)收集中的狀態(tài)就可以通過公式（7）得出：

2.簇頭的最優(yōu)概率值

設(shè)定，通信中消耗能量的概率用由sqwt 表示，無線路由協(xié)議用swgf 表示，在節(jié)點傳送和接收過程中能耗的區(qū)別閾值用Rsfr表示，約束簇頭節(jié)點選擇條件用iysedg表示，那么，可以通過式（8）完成節(jié)點最優(yōu)概率值的設(shè)計：

上面公式中，終端用戶的管理節(jié)點數(shù)量為eegkp。

3.比特的數(shù)據(jù)能量消耗確定

設(shè)定，簇頭節(jié)點相關(guān)類型的多少用μsdg表示，形成簇頭節(jié)點隨機性用ζqwer表示，網(wǎng)絡(luò)能量平衡閾值用d ph表示，乘性因子用swgtj表示，全部節(jié)點平均能量的最大值用fswe表示，最小值用frty表示，那么，就可以通過式（9）求得在對單位比特數(shù)據(jù)傳輸中消耗的能量：

4.節(jié)點能量與網(wǎng)絡(luò)總能量比值的關(guān)聯(lián)性

設(shè)定，微粒群優(yōu)化的約束用cfhj 表示，數(shù)據(jù)融合的能量用ηhyt表示，那么，就可以通過式（10）獲得節(jié)點能量與網(wǎng)絡(luò)總能量相關(guān)聯(lián)的比值：

上面公式中，粒子群優(yōu)化的迭代次數(shù)為def。

通過以上介紹不難看出，在消除海上船舶通信信號延遲現(xiàn)象的過程中，在進(jìn)行數(shù)據(jù)收集的時候輪數(shù)變化情況要根據(jù)微粒群優(yōu)化模式求，將簇頭的最優(yōu)概率值設(shè)定為有效的節(jié)點，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行單位比特傳輸數(shù)據(jù)所消耗的能量，掌握網(wǎng)絡(luò)總能量與節(jié)點能量之間的關(guān)系，成為優(yōu)化延遲消除的技術(shù)支撐。

（二）消除網(wǎng)絡(luò)通信延遲的優(yōu)化通信路徑分析

本文介紹和分析的海上船舶通信過程延遲優(yōu)化消除措施，通過本文的依據(jù)是上述闡述得到的節(jié)點與網(wǎng)絡(luò)總能量比值的關(guān)聯(lián)性EDswed，對非最優(yōu)節(jié)點距離因素進(jìn)行精細(xì)而有效地計算，進(jìn)一步了解在傳輸中節(jié)點的能量改變狀態(tài)，求出傳感器節(jié)點具備的獨一無二的標(biāo)記，從而獲取節(jié)點間有效通信的鏈路集，確定節(jié)點傳輸需要的有價值移動路徑，實現(xiàn)通信路徑的最佳，最終實現(xiàn)海上船舶通信過程延遲消除的優(yōu)化[3]。具體步驟如下。

1.設(shè)定，節(jié)點通訊能量損耗用CEdef表示，電池懲罰值用Rswe 表示，能量參數(shù)不同環(huán)境下獲得用ser 表示，以文中闡述的求得的網(wǎng)絡(luò)整體能量與節(jié)點能量比值的關(guān)聯(lián)性 EDswed作為依托，那么，非最優(yōu)節(jié)點距離因素就可以通式（11）算出：

2.設(shè)定，網(wǎng)絡(luò)測量周期的運行狀態(tài)用ddghj表示，一切可以運行的傳感器節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)量用kQser表示，i的抑制因子依托的不同節(jié)點用h lper 表示，那么，節(jié)點在運行狀態(tài)下的能量變化就可以利用式（12）獲?。?/p>

上公式中，錨節(jié)點每跳的平均距離為edfg。

3.設(shè)定，跳數(shù)值與每跳距離值之間的乘積用hwedf表示，Edgf代表通信在節(jié)點間的鏈路集，sdweft代表傳感器pg和pj間的聯(lián)系渠道， 那么，傳感器節(jié)點擁有的獨特標(biāo)記就可通過式（13）得出：

上公式中，簇頭在無線傳感器中類型用Hder表示，節(jié)點死亡權(quán)值用bfh表示，節(jié)點覆蓋度分布特征為hthj。

4.設(shè)定，節(jié)點間通信鏈路集用k dg 表示，數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換傳輸權(quán)重用g ryj表示，最佳的通信路徑約束條件可以用hwe表示，那么，通過式（14）就可以最終完成海上船舶通信過程延遲消除的優(yōu)化目標(biāo)：

四、復(fù)雜環(huán)境海上船舶通信延遲優(yōu)化消除方法仿真證明

在海上船舶航行中，利用近端尋優(yōu)粒子方法消除通信延遲的問題，為了更全面地印證其性能，本文進(jìn)行了研究實驗。試驗平臺的搭建是基于Windows環(huán)境下，進(jìn)行海上船舶航行中無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信過程延遲優(yōu)化消除的仿真實驗。在100×100平方米的區(qū)域空間里分布99個無線傳感器的節(jié)點，同時在通信區(qū)域內(nèi)布置160個無線傳感器節(jié)點，本次的實驗參數(shù)如表1 所述。

（一）評價指標(biāo)的設(shè)定

在海上船舶航行中，利用近端尋優(yōu)粒子方法消除通信延遲的問題，為了更全面地印證其性能，利用客觀評價指標(biāo)和主觀評價指標(biāo)測試網(wǎng)絡(luò)通信規(guī)程延遲優(yōu)化消除的可靠性，主觀評價指標(biāo)利用延遲率對該實驗的優(yōu)越性和整體化的定義，為了讓該試驗更全面結(jié)合更公正，本文的分析和對比的方式利用了信息熵方法，針對海上船舶網(wǎng)絡(luò)通信過程延遲優(yōu)化消除的質(zhì)量的定義，可以把通信中的能耗和通信過程中的節(jié)點死亡率作為客觀評價指標(biāo)。

（二）近端尋優(yōu)粒子方法的延遲率

在海上船舶航行中，利用近端尋優(yōu)粒子方法消除通信延遲的問題，為了更全面地印證其性能，進(jìn)行相關(guān)延遲率的測試，仿真測試的結(jié)果和數(shù)據(jù)表明 采取近端尋優(yōu)粒子方法進(jìn)行通信過程延遲消除方式的合理優(yōu)化，可以對工作中節(jié)點能量的變化實施計算，清晰描述了傳感器節(jié)點獨一無二的標(biāo)識，起到促進(jìn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信延遲消除的實現(xiàn)。

（三）通信過程延遲優(yōu)化消除不同方式的質(zhì)量對比

針對海上船舶網(wǎng)絡(luò)通信過程延遲優(yōu)化消除的性能的實驗，本文采用了信息熵方法和近端尋優(yōu)粒子方法，本實驗對比了采取不同方式下通信延遲優(yōu)化消能耗和節(jié)點死亡率，通過對仿真試驗的結(jié)果數(shù)據(jù)的分析可以看出，比起信息熵的應(yīng)用方式，利用近端尋優(yōu)粒子方法實施無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信過程延遲優(yōu)化消除，最明顯的優(yōu)勢就是能夠準(zhǔn)確計算出全部傳感器節(jié)點的能耗數(shù)據(jù)，促進(jìn)了數(shù)據(jù)傳輸效率的顯著提升，確保了海上船舶網(wǎng)絡(luò)通信過程延遲優(yōu)化消除的質(zhì)量。本實驗的仿真結(jié)果顯示，近端尋優(yōu)粒子方法消除通信延遲的消除，具備較高的精度，明顯提高了海上船舶應(yīng)用無線傳感網(wǎng)絡(luò)的通信效率，真正解決了長期得不到解決的海上船舶網(wǎng)絡(luò)通信過程延遲的問題。

五、結(jié)束語

綜上所述，船舶通信延遲對船舶的通信系統(tǒng)造成不良的影響，成為目前亟待解決的問題。通信傳輸延遲的主要因素是特殊、復(fù)雜的環(huán)境下，船舶會受到各種因素的干擾。因此，有針對性地制定消除通信延遲的有效方式是至關(guān)重要的?；谀壳盃顩r下海上船舶網(wǎng)絡(luò)通信延遲消除困難的現(xiàn)象，本文提出的消除通信延遲的有效措施是近端尋優(yōu)粒子的方式，同時借助更多的能量節(jié)點作為簇頭節(jié)，切實節(jié)點簇頭的約束條件進(jìn)行有效利用，真正提升了無線傳感器節(jié)點運行路程的價值，從而實現(xiàn)通信路徑最佳，達(dá)到了船舶航行通信傳輸延遲的消除和優(yōu)化。

作者單位：蘭斌? ? 中海油信息科技有限公司深圳分公司

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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