能量受限約束下的艦船通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)動態(tài)協(xié)同部署

吳 強(qiáng)

(贛南師范大學(xué)科技學(xué)院，江西 贛州 341000)

0 引 言

將艦船通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署到合理位置[1]，可以實時探測外界環(huán)境，采集到較大范圍內(nèi)的信息。艦船通信網(wǎng)絡(luò)[2-3]具有低成本以及低能耗的優(yōu)點(diǎn)，極大地改善了航海過程中信息不通暢的問題?？紤]到節(jié)點(diǎn)部署方案是影響艦船通信能力的關(guān)鍵，相關(guān)學(xué)者對艦船通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署展開了研究。

孫環(huán)等[4]首先通過k-means 算法添加冗余節(jié)點(diǎn)，其次選用FA 移動冗余節(jié)點(diǎn)，降低信息傳輸能耗，最后在FA 的幫助下更新冗余節(jié)點(diǎn)并移動該節(jié)點(diǎn)，實現(xiàn)艦船通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)動態(tài)協(xié)同部署。楊力等[5]首先通過迭代以及網(wǎng)絡(luò)分簇得出艦船通信內(nèi)最有效的節(jié)點(diǎn)，并通過衛(wèi)星和地面節(jié)點(diǎn)生成節(jié)點(diǎn)部署邊緣服務(wù)，在降低信息時延的基礎(chǔ)上完成節(jié)點(diǎn)部署，實現(xiàn)艦船通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)動態(tài)協(xié)同部署。但以上2 種方法受節(jié)點(diǎn)能耗動態(tài)協(xié)同的影響，存在通信傳輸能耗大等問題。為了優(yōu)化艦船通信網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量，提出能量受限約束下的艦船通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)動態(tài)協(xié)同部署方法。

1 艦船通信節(jié)點(diǎn)動態(tài)特性分析

艦船通信網(wǎng)絡(luò)在傳輸信息過程中會占用大量能耗，為了節(jié)約通信能耗，需要對能量進(jìn)行約束。通信傳感器在傳輸信息的過程中共有N種傳送功率 σ，則通信數(shù)據(jù)包成功傳送的概率計算公式為：

式中：E代表信息成功傳送概率， γ (k)代表二進(jìn)制函數(shù)的數(shù)據(jù)包丟失過程，i代表傳送功率 σ 的 個數(shù)， θ代表通信網(wǎng)絡(luò)信道參數(shù)。 σ(k)為k時艦船通信網(wǎng)絡(luò)傳感器的信息傳輸功率。

假 設(shè) 功率 σi在k時 間 內(nèi)使用 的 時 間總 長 為 αi(k)，其計算公式為：

式中， δ代表克羅內(nèi)克函數(shù)。

在能量受限條件下，艦船通信網(wǎng)絡(luò)各個功率分配周期中信息傳輸所需的平均能耗計算公式為：

式中： βi為功率 σi在每個周期的占空比；t為艦船通信網(wǎng)絡(luò)采樣時間。假設(shè)艦船通信網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的動態(tài)x(k+1)表達(dá)式為：

式中：x(k)為 通信系統(tǒng)的實時狀態(tài)；u(k)為通信系統(tǒng)的控制反饋器；A和B均為控制系數(shù)。

若通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)成功傳輸信息，數(shù)據(jù)控制器會使用目前的數(shù)據(jù)對信號進(jìn)行控制，否則會使用最近一次的數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，那么根據(jù)信息控制器的真實接收量x(k)，得出艦船通信節(jié)點(diǎn)的閉環(huán)特性為：

式中，Ki為信息控制器增益。

2 艦船通信節(jié)點(diǎn)動態(tài)協(xié)同部署

2.1 節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格密度

艦船通信網(wǎng)絡(luò)在信息傳輸過程中均是依靠傳感器進(jìn)行傳輸，因此傳感器節(jié)點(diǎn)的部署尤為重要[12]，為了進(jìn)一步加強(qiáng)部署能力，可提前計算出節(jié)點(diǎn)部署網(wǎng)格密度[13]。

首先在艦船通信網(wǎng)絡(luò)可通信范圍中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編隊組網(wǎng)，假設(shè)在可通信范圍中，水平通信節(jié)點(diǎn)數(shù)量為KV，垂直地面的方向傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量為KH，假設(shè)艦船通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為Kl，則Kl需要符合的要求為：

進(jìn)而得出水平位置上通信傳感器的密度最小值計算公式為：

式中， ρV-min代表傳感器節(jié)點(diǎn)水平位置的最小密度。

垂直方向上節(jié)點(diǎn)密度的最小值 ρH-min計算公式為：

式中：hmax和hmin分別為傳感器設(shè)置位置的高度最大值和最小值。

由此得出節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格密度部署所需的約束條件，其表達(dá)式為：

2.2 節(jié)點(diǎn)動態(tài)協(xié)同部署

通過分析信道傳輸模型以及能量約束條件下，得出艦船通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)格密度分布，在此基礎(chǔ)上對艦船通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)動態(tài)進(jìn)行協(xié)同部署，從而加強(qiáng)部署效率，盡可能他降低因系統(tǒng)負(fù)載較大導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)崩潰的情況，使用K-均值聚類以及粒子群2 種算法得出每個節(jié)點(diǎn)的最佳部署位置。

粒子群算法需要首先得出原始粒子的速度以及位置等，即通過艦船通信網(wǎng)絡(luò)的基本參數(shù)得出網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的原始粒子，計算原始粒子的適應(yīng)度值，任意選取m個準(zhǔn)備聚類的目標(biāo)視為原始聚類中心，并在最小近距離以及最佳適應(yīng)度原則的基礎(chǔ)上，將所有聚類目標(biāo)進(jìn)行劃分，以此生成M個聚類。

使用距離匯聚節(jié)點(diǎn)劃分出節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，對每個區(qū)域賦予不同的簇，其中最接近節(jié)點(diǎn)的區(qū)域定義為第一等級，根據(jù)最大概率得出全部節(jié)點(diǎn)的簇頭，進(jìn)而求解出聚類中心，其表達(dá)式為：

式中：ci代表更新后的聚類中心；Ni代 表第i個聚類區(qū)域；X代表聚類區(qū)域的數(shù)量。

對粒子初始化處理，并對聚類中心進(jìn)行計算，得出各個節(jié)點(diǎn)的極值，并評價聚類中心是否符合能量受限約束條件，若符合則完成聚類。否則需要重新構(gòu)建網(wǎng)格規(guī)劃，并進(jìn)行新一輪的聚類，在對節(jié)點(diǎn)位置進(jìn)行迭代尋優(yōu)途中，粒子位置更新結(jié)果xti+1的計算公式為：

式中：xti代表粒子目前的位置，vti+1代表爐子更新后的速度向量。粒子速度的更新公式為：

式中：vti+1代表速度更新后的結(jié)果； ω代表粒子慣性權(quán)重；vti代表粒子目前的速度；c1和c2均代表學(xué)習(xí)因子；r1和r2均代表任意數(shù)；pbestit代表粒子的最優(yōu)解；gbestit代表在種群中粒子的最優(yōu)解。

但經(jīng)實踐發(fā)現(xiàn)，以上更新出的節(jié)點(diǎn)不能為最佳位置，因此需要在上述位置和速度的基礎(chǔ)上進(jìn)一步更新，即在粒子群算法得出粒子最優(yōu)解的基礎(chǔ)上，將艦船通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的全部區(qū)域進(jìn)行劃分，分為N個區(qū)域，假設(shè)節(jié)點(diǎn)的總數(shù)量為Nn·R， 則在區(qū)域R中簇頭節(jié)點(diǎn)在能量約束條件下的能耗ER·elu的計算公式為：

式中：Efuse代表粒子簇頭數(shù)量；Eelec代表非簇頭數(shù)量； εamp代 表被使用簇頭數(shù)量；d代表常數(shù)項。則此時的粒子速度公式被更新為：

根據(jù)以上公式即可得出每個節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)位置，從而完成節(jié)點(diǎn)部署。

3 實驗結(jié)果與分析

為了驗證能量受限約束下艦船通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)動態(tài)協(xié)同部署方法的整體有效性，針對本文方法進(jìn)行一系列相關(guān)測試，并與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)重部署方法和網(wǎng)絡(luò)智能節(jié)點(diǎn)部署方法進(jìn)行比較。

3.1 通信傳輸能耗情況

為了驗證本文方法的性能，分別對某個正方形區(qū)域艦船通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中隨機(jī)選取10 個不同的節(jié)點(diǎn)，將其設(shè)置為編號1~編號10，傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行部署并觀察部署后網(wǎng)絡(luò)性能的表現(xiàn)，即觀察在每個傳感節(jié)點(diǎn)下3 種方法對數(shù)據(jù)傳輸所需要的能耗情況，實驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 3 種方法的通信傳輸?shù)哪芎腇ig. 1 Energy consumption of communication transmission of three methods

根據(jù)實驗情況可知，其余2 種方法所需的能耗仍較大，仍會因為能耗過大出現(xiàn)傳輸擁堵以及傳輸成功率較小等問題，而本文方法的能耗針對每個節(jié)點(diǎn)其波動范圍均較小且能耗也是3 種方法中最小的，可以證明本文方法在通信網(wǎng)絡(luò)中所需的能耗較小，也可嚴(yán)格受到能量約束。

這是因為本文方法在對通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行部署的過程中，計算出了信息傳輸過程中所需的能耗，并詳細(xì)分析出節(jié)點(diǎn)動態(tài)協(xié)同特性，得出節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定傳輸過程中可以使用的最小能耗，從而保證部署性能的同時降低能耗。

3.2 信息吞吐量

通信網(wǎng)絡(luò)中信息吞吐量是十分重要的兩個指標(biāo)，在相同負(fù)載的條件下，吞吐量越高說明網(wǎng)絡(luò)通信和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)越多，節(jié)點(diǎn)部署的好壞直接關(guān)系到數(shù)據(jù)傳輸量，通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量會隨著時間的增多而上升，在上述實驗環(huán)境下，計算出3 種方法的吞吐量情況，實驗如圖2 所示。

圖2 三種方法的信息吞吐量Fig. 2 Information throughput of three methods

將3 種方法的結(jié)果進(jìn)行對比后發(fā)現(xiàn)，本文方法的吞吐量在每組實驗中均是最高的，從而說明本文方法的節(jié)點(diǎn)部署能力最強(qiáng)。

3.3 網(wǎng)絡(luò)生命周期變化

根據(jù)經(jīng)驗可知，節(jié)點(diǎn)在不同的部署情況下其生命周期不同，通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目增多信息傳輸能力越強(qiáng)，能耗也就越多，網(wǎng)絡(luò)生命周期會呈下降趨勢，將網(wǎng)絡(luò)生命周期視為部署能力的指標(biāo)，在不同節(jié)點(diǎn)數(shù)下判斷3 種方法網(wǎng)絡(luò)生命周期整體情況，生命周期下降趨勢越緩慢，則說明部署能力越強(qiáng)，實驗結(jié)果如表1所示。

表1 3 種方法的生命周期變化情況Tab. 1 Life cycle changes of three methods

可知，本文方法的生命周期波動最穩(wěn)定，且下降趨勢最慢，由此進(jìn)一步證明方法的部署能力強(qiáng)。

4 結(jié) 語

通信網(wǎng)絡(luò)是艦船接收信息必不可少的手段，節(jié)點(diǎn)部署直接關(guān)系到信息接收，為此提出能量受限約束下的艦船通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)動態(tài)協(xié)同部署方法。該方法首先構(gòu)建信息傳送模型以及分析能量模型，分析節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)密度，最后完成艦船通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)動態(tài)協(xié)同部署，解決了通信傳輸能耗大、信息吞吐量低以及網(wǎng)絡(luò)生命周期短的問題，保證信息傳輸穩(wěn)定性的同時降低信息的傳輸能耗。