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    多站點(diǎn)氣象報(bào)文信息共享傳輸優(yōu)化模型研究

    2023-10-19 10:36:37陳輝李玉葉劉鑫宇
    關(guān)鍵詞:優(yōu)化模型信息共享

    陳輝 李玉葉 劉鑫宇

    摘 要:為在獲取大范圍區(qū)域的實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù),提高各主副觀測(cè)站之間報(bào)文傳輸衛(wèi)星通訊效率,在設(shè)備性能、傳輸模式和穩(wěn)定性需求等差異化場(chǎng)景下,設(shè)計(jì)了統(tǒng)一的、效率最大化的信息發(fā)送方案,在盡可能短時(shí)間內(nèi)以盡可能可靠的方式實(shí)現(xiàn)多站點(diǎn)之間的信息同步,為各種基于報(bào)文編發(fā)、數(shù)據(jù)處理和信息交換開發(fā)的監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)提供理論借鑒。

    關(guān)鍵詞:報(bào)文傳輸;信息共享;優(yōu)化模型;衛(wèi)星通訊

    中圖分類號(hào):O29? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A? 文章編號(hào):1673-260X(2023)09-0022-05

    隨著以衛(wèi)星通訊為代表的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,社會(huì)各界對(duì)突發(fā)氣象災(zāi)難情況下的搜索救援能力提出了更高的要求[1-3]。在地面通信系統(tǒng)癱瘓的情形下的緊急救援任務(wù)中,為了準(zhǔn)確、完整地獲得所在區(qū)域的氣象觀測(cè)信息,通常在多個(gè)區(qū)域分別設(shè)置觀測(cè)主站和副站,各觀測(cè)站之間使用衛(wèi)星通訊,以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行氣象報(bào)文傳輸。設(shè)計(jì)高效、穩(wěn)定的傳輸方案,在盡可能短的時(shí)間內(nèi)使站點(diǎn)以盡可能可靠的方式進(jìn)行信息同步,是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)氣象監(jiān)測(cè)以保障救援任務(wù)的順利完成的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[4-8]。在不斷優(yōu)化氣象報(bào)文傳輸模型和站點(diǎn)信息轉(zhuǎn)發(fā)算法的基礎(chǔ)上,各種報(bào)文編發(fā)、數(shù)據(jù)處理和信息交換等監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)得到了非常廣泛的開發(fā)利用[9-11]。

    1 傳輸方案的需求分析

    在多支氣象分隊(duì)負(fù)責(zé)多個(gè)區(qū)域開展地面氣象觀測(cè)保障任務(wù)情況下,每個(gè)區(qū)域設(shè)立1個(gè)觀測(cè)主站和2個(gè)觀測(cè)副站。主站部署1套車載型衛(wèi)星通信設(shè)備,可以不受周邊電磁環(huán)境干擾,發(fā)送和接收消息的成功率均可達(dá)到100%。副站點(diǎn)各部署1套便攜型衛(wèi)星通信設(shè)備,發(fā)送和接收消息的成功率均為80%。所有站點(diǎn)間的通信只能以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式進(jìn)行,收發(fā)通道相互獨(dú)立,在發(fā)送消息時(shí)可同時(shí)接收任意多條消息。衛(wèi)星通信設(shè)備發(fā)送兩條消息的時(shí)間間隔不能小于1分鐘,各氣象觀測(cè)站點(diǎn)每次需要發(fā)送一條固定容量為100字符的消息。各站點(diǎn)需要發(fā)送并分享的氣象報(bào)文信息,通常會(huì)小于衛(wèi)星通信設(shè)備單次可以發(fā)送的容量,同一條氣象報(bào)文可分割成上下兩個(gè)半段分別傳輸[12]。

    在以上實(shí)際背景下,如何設(shè)計(jì)不同站點(diǎn)間的通用信息傳輸模型,高率、可靠地實(shí)現(xiàn)氣象報(bào)文信息共享是問(wèn)題的關(guān)鍵所在。

    2 主站間信息共享的傳輸模型

    2.1 主站傳輸?shù)某跏紶顟B(tài)

    根據(jù)前文描述,記50個(gè)字符為基本單位信息輸送量,則每條氣象報(bào)文信息量為2個(gè)基本單位,每個(gè)觀測(cè)站每次發(fā)送信息的最大荷載量為3個(gè)單位。忽略各站點(diǎn)之間的外部環(huán)境差別,可以將N個(gè)主站之間的順次關(guān)系表示,如圖1所示,所有的主站按逆時(shí)針順序依次排列在一個(gè)圓環(huán)上,s1和sN首尾相連,所有站點(diǎn)之間形成輪換對(duì)稱的結(jié)構(gòu)形式。各觀測(cè)站計(jì)時(shí)開始瞬間即在第1個(gè)輪次的信息發(fā)送時(shí),可供發(fā)送的信息只是自身已觀測(cè)的2個(gè)單位的氣象報(bào)文,將他們按逆時(shí)針順序,首位順次發(fā)送,這樣就構(gòu)成了各主站間的第1輪信息傳輸,每個(gè)站點(diǎn)發(fā)送的信息量為2個(gè)單位。

    第1輪信息傳送后,各站點(diǎn)擁有了4個(gè)單位的信息,包含自身氣象報(bào)文及其按逆時(shí)針順序前一個(gè)站點(diǎn)的報(bào)文信息,此時(shí)各站點(diǎn)獲得的氣象信息可以使用如表1表示,每一個(gè)站點(diǎn)獲得的信息分成N行,某行非空表示獲得了對(duì)應(yīng)表格內(nèi)容的主站氣象報(bào)文,每一行對(duì)應(yīng)的報(bào)文信息是分為前后兩部分表示的。此時(shí),每一個(gè)站點(diǎn)對(duì)應(yīng)的N行表格中,第1行是第1輪信息傳輸?shù)膬?nèi)容,第2行為自身觀測(cè)的氣象報(bào)文(可以視為第0輪內(nèi)容)。各站點(diǎn)自己的輪換對(duì)稱性,在表1中體現(xiàn)為獲得信息表達(dá)的統(tǒng)一性。

    這里需要注意的是,對(duì)于站點(diǎn)序號(hào)k的增加(減少)1個(gè),相當(dāng)各站點(diǎn)根據(jù)圖1中的位置按逆時(shí)針順序(順時(shí)針順序)取下一個(gè)站點(diǎn)。表格中符合[…]表示

    2.2 主站信息傳輸?shù)囊话隳P?/p>

    為最大限度地提升信息傳輸效率,使得信息傳輸?shù)目傒啍?shù)L最小,即使得實(shí)現(xiàn)共享信息要求所使用的時(shí)間K最小,應(yīng)該從第2輪開始,每個(gè)站點(diǎn)按傳輸?shù)淖畲蠛奢d發(fā)送信息,即每個(gè)站點(diǎn)發(fā)出3個(gè)單位的信息到目標(biāo)站點(diǎn)。第1輪傳輸完成后,各站點(diǎn)已有的4個(gè)單位信息中,相鄰兩個(gè)站點(diǎn)之間有2個(gè)單位是重合的,因此相鄰站點(diǎn)之間無(wú)法實(shí)現(xiàn)3個(gè)單位信息的傳輸目標(biāo)。選擇站點(diǎn)s[k-1]中的3個(gè)單位信息[k-1]1,[k-1](2),[k-2](1),作為第2輪信息傳輸,發(fā)送給按逆時(shí)針順序間隔相隔一個(gè)站點(diǎn)的主站s[k+1]。在第2輪信息傳輸完成后,站點(diǎn)s[k-1]獲得新增信息中[k-3](1),[k-3](2)和第1輪已有但還未發(fā)送的信息[k-2](2)一同作為第3輪信息,仍然由站點(diǎn)s[k-1]發(fā)送給站點(diǎn)s[k+1]。根據(jù)k的一般性和各站點(diǎn)的輪換對(duì)稱性,第3輪信息傳輸完成后,各站點(diǎn)獲得的信息如下表2中陰影部分所示。

    這樣,每一輪中由站點(diǎn)s[k-1]按自己獲取新增信息的先后順序,依次選取3個(gè)信息,作為新一輪的信息發(fā)送給站點(diǎn)s[k+1],直到所有的N行表格填滿,這樣就構(gòu)成了主站氣象報(bào)文信息共享的一般傳輸模型。根據(jù)以上討論,針對(duì)sk站點(diǎn),完整的傳輸方案如表3所示。

    2.3 主站信息傳輸?shù)男史治?/p>

    可以通過(guò)計(jì)算完成主站氣象報(bào)文信息共享需要的傳輸量,對(duì)照表3中的傳輸模型,估算出需要傳輸信息的最小輪數(shù)。

    每個(gè)主站sk需要獲得其他所有N-1個(gè)主站的氣象報(bào)文信息,這些信息的傳輸總量為

    所有站點(diǎn)的第1輪傳輸?shù)男畔⒘繛?N,其余每輪傳輸?shù)男畔⒖偭靠梢赃_(dá)到3N,這樣需要的總的信息傳輸輪數(shù)L至少為

    其中,[·]為向上取整函數(shù)。完成所有站點(diǎn)信息共享需要的時(shí)間為K=L-1,即

    在最后一輪傳輸中,站點(diǎn)每次發(fā)送信息的傳輸量有可能小于3。表3中,sk信息獲取模板去掉前兩行,剩下的信息量為2N-4,這部分傳輸量可能不是3的整數(shù)倍。具體來(lái)說(shuō),最后一輪中,每個(gè)站點(diǎn)實(shí)際的信息傳輸量M0為

    當(dāng)N=9時(shí),由上述(2)和(3)式可得完成主站之間氣象報(bào)文共享的最小時(shí)間K為

    總的信息傳輸輪數(shù)為L(zhǎng)=5+1=6。

    根據(jù)表3信息共享一般傳輸模型,對(duì)所有站點(diǎn) 計(jì)算生成信息獲取模板,然后按照對(duì)應(yīng)的傳輸輪次及發(fā)送站點(diǎn),可以計(jì)算出所有的站點(diǎn)在每個(gè)輪次中發(fā)送信息的具體記錄。

    3 主站和副站間的傳輸模型

    為更準(zhǔn)確、更全面地獲得搜索區(qū)域的氣象信息,需要將副站的觀測(cè)信息進(jìn)行傳輸和共享。問(wèn)題的關(guān)鍵在于副站觀測(cè)信息通過(guò)便攜型衛(wèi)星通信設(shè)備發(fā)送的可靠性。通常需要約定以不低于一定的概率保證每個(gè)分隊(duì)至少有一個(gè)副站的氣象報(bào)文能夠?qū)崿F(xiàn)共享。每個(gè)副站在發(fā)送、接收信息時(shí)成功的概率都是0.8,如果通過(guò)副站中轉(zhuǎn)另一個(gè)副站的信息,如“副站1(發(fā)送)?隰副站2(接受)?隰副站2(發(fā)送)?隰主站1(接受)”,成功的概率為0.83=0.512,需要重復(fù)執(zhí)行相同的過(guò)程4次才能保證將“副站1”的信息以僅大于0.94的概率送達(dá),耗費(fèi)傳輸次數(shù)過(guò)多。因此,在后面的分析中,不再考慮由副站中轉(zhuǎn)傳輸副站報(bào)文信息,所有的副站報(bào)文信息傳輸只有兩種方式:一是由副站直接發(fā)送給主站,二是使用主站轉(zhuǎn)發(fā)某些副站的報(bào)文。

    可靠性和效率是矛盾的兩個(gè)方面,一個(gè)分站的副站多次重復(fù)發(fā)送氣象報(bào)文可以提高信息共享的可靠性,這樣不可避免地降低了信息傳輸效率。問(wèn)題的核心在于約定的副站的氣象報(bào)文實(shí)現(xiàn)共享的最低概率。

    3.1 副站二次重復(fù)發(fā)送傳輸方案

    如圖2所示,將某個(gè)主站的兩個(gè)副站報(bào)文同時(shí)發(fā)送給目標(biāo)主站,使用主站將自己在之前輪數(shù)已經(jīng)獲取的副站報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)給其他主站。因?yàn)橹髡局g轉(zhuǎn)發(fā)信息的成功率為1,任何分隊(duì)的至少一個(gè)副站的報(bào)文,在任何主站上被獲取的概率,都保持為兩個(gè)副站報(bào)文至少有一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)至某主站的概率,即0.96。每組副站在每輪發(fā)送后,目標(biāo)主站成功獲得副站報(bào)文數(shù)量的期望是0.8×2=1.6。

    由公式(2)和(3),主站數(shù)為N時(shí),主站之間完成信息共享需要的輪數(shù)L0

    各主站獲取副站報(bào)文的傳輸總量IFm為2N個(gè)副站報(bào)文發(fā)送到N個(gè)主站,每個(gè)報(bào)文為兩個(gè)基本單位(注意這里按4.1中的傳輸基本單位統(tǒng)計(jì)),即

    可以用來(lái)發(fā)送副站信息的傳輸量有:

    (1)在所有的L輪傳輸中,N組副站向目標(biāo)主站發(fā)送報(bào)文:

    (2)從L0+1~L輪傳輸中,N個(gè)主站處于空閑狀態(tài),可以發(fā)送副站報(bào)文:

    這里注意,主站每次可以發(fā)送的副站信息量為3個(gè)基本單位,每個(gè)由主站發(fā)送的副站報(bào)文等效于 個(gè)副站向主站發(fā)送報(bào)文。

    (3)根據(jù)公式(4),主站在分析主站報(bào)文的最后一輪,第L0輪信息傳輸中,主站有可能出現(xiàn)傳輸荷載冗余。在這種情況下,可以一并傳輸副站報(bào)文信息,傳輸量為

    (9)

    根據(jù)傳輸需求和發(fā)送能力之間的平衡,由公式(6)-(9),在時(shí)間K內(nèi)可以完成主站信息和副站信息共享?xiàng)l件下,總站數(shù)N的最大值為以下優(yōu)化模型的解:

    3.2 副站二次重復(fù)發(fā)送方案的效率分析

    根據(jù)上述分析,在傳輸時(shí)間限制在K分鐘時(shí),副站二次重復(fù)發(fā)送方案最多可實(shí)現(xiàn)分站數(shù)量為

    的所有主副站之間的氣象報(bào)文信息共享。此時(shí),每個(gè)分隊(duì)至少共享一個(gè)副站的氣象報(bào)文的概率不低于0.96。具體來(lái)說(shuō),當(dāng)傳輸時(shí)間限制在7分鐘時(shí),信息發(fā)送的總輪數(shù)為L(zhǎng)=8,此方案最多可以實(shí)現(xiàn)Nmax=10個(gè)分站之間的主副站信息共享,主站之間完成信息共享需要的輪數(shù)L0=7。在第L0輪傳輸時(shí),主站發(fā)送主站報(bào)文信息的傳輸量為1,空閑了2個(gè)單位的傳輸荷載。副站報(bào)文信息的傳輸可以分為三部分:

    (1)1~8輪次的信息傳輸中,各副站可以依次向8個(gè)主站發(fā)送氣象報(bào)文,如圖3所示。圖中只給出了sk的副站發(fā)送報(bào)文的示意,不同顏色線型的箭頭表示在不同的輪次內(nèi)發(fā)送給不同的主站。這樣,1~8輪次中,每個(gè)主站都會(huì)每次以0.96的概率直接收到8個(gè)副站的氣象報(bào)文。

    (2)在主站分享主站報(bào)文信息的第7輪次傳輸中,每個(gè)主站點(diǎn)發(fā)送的信息量只是1,空缺2個(gè)單位的信息傳輸荷載,恰好可以將1~6輪次已經(jīng)收到的特定副站氣象報(bào)文發(fā)送到目標(biāo)主站。

    (3)截至目前,各主站點(diǎn)已經(jīng)可以收到8+1=9個(gè)副站氣象報(bào)文,還差1個(gè)氣象報(bào)文??梢允褂迷诘?輪次已經(jīng)處于空閑狀態(tài)的各個(gè)主站,從自己已經(jīng)獲得的副站氣象報(bào)文中找到需要發(fā)送的內(nèi)容,傳輸給目標(biāo)主站。

    以上各環(huán)節(jié)發(fā)送的副站報(bào)文配合緊密,避免重復(fù)傳輸和遺漏。各站點(diǎn)之間的輪換呈現(xiàn)完整的對(duì)稱性,具體的實(shí)現(xiàn)過(guò)程適合使用計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成。所有主站中能成功接收每支分隊(duì)至少一個(gè)副站的氣象報(bào)文的平均個(gè)數(shù)是10×0.9610=6.6483,任一主站平均能成功接收副站的氣象報(bào)文個(gè)數(shù)是8×1.6+0.96×2=14.72。

    3.3 副站三次重復(fù)發(fā)送傳輸方案

    為進(jìn)一步提升信息傳輸?shù)目煽啃?,設(shè)計(jì)副站三次重復(fù)發(fā)送傳輸方案,以確保每個(gè)主站收到每個(gè)分隊(duì)至少一個(gè)副站信息的概率達(dá)到1-(1-0.8)3=0.992。主站sk的兩個(gè)副站ak,bk在連續(xù)三輪信息發(fā)送中,向主站s[k+t]發(fā)送了副站ak的報(bào)文兩次,發(fā)送了副站bk的報(bào)文一次,使得主站s[k+t]以0.992的概率收到副站ak或副站bk的報(bào)文至少一次,將獲得的可能多余兩個(gè)的報(bào)文指定其中某個(gè),統(tǒng)稱kab進(jìn)行主站轉(zhuǎn)發(fā)。同理,主站sk的兩個(gè)副站ak,bk在三輪信息發(fā)送中,向主站s[k+t+1]發(fā)送了副站ak的報(bào)文一次,發(fā)送了副站bk的報(bào)文兩次,使得主站s[k+t+1]以0.992的概率收到副站ak或副站bk的報(bào)文至少一次,獲得的報(bào)文kab,如圖4所示。

    在這種方案下,每個(gè)主站平均可以接收每組副站報(bào)文的個(gè)數(shù)服從的分布如表4所示,每個(gè)主站平均可以接收到每組副站報(bào)文的個(gè)數(shù)期望為1.76。

    類似前文分析,主站數(shù)為N時(shí),各主站獲取副站報(bào)文的傳輸總量IFm為3N個(gè)副站報(bào)文發(fā)送到N個(gè)主站,每個(gè)報(bào)文為兩個(gè)基本單位(注意這里按2.1中約定的傳輸基本單位統(tǒng)計(jì)),即

    可以用來(lái)發(fā)送副站信息的傳輸量有:

    (1)在L輪傳輸中,N組副站向目標(biāo)主站發(fā)送報(bào)文:

    (2)從L0+1~L輪傳輸中,N個(gè)主站處于空閑狀態(tài),可以發(fā)送副站報(bào)文:

    這里注意,主站每次可以發(fā)送的副站信息量為3個(gè)基本單位。

    (3)根據(jù)公式(4),主站在分享主站報(bào)文的最后一輪,第L0輪信息傳輸中,主站有可能出現(xiàn)傳輸荷載冗余。在這種情況下,可以一并傳輸副站報(bào)文信息,傳輸量為

    根據(jù)傳輸需求和發(fā)送能力之間的平衡,由公式(11)-(14),在時(shí)間K內(nèi)可以完成主站信息和副站信息共享?xiàng)l件下,總站數(shù)N的最大值為以下優(yōu)化模型的解:

    3.4 副站三次重復(fù)發(fā)送傳輸方案的效率分析

    在傳輸時(shí)間限制在K分鐘時(shí),副站二次重復(fù)發(fā)送方案最多可實(shí)現(xiàn)分站數(shù)量為

    的所有主副站之間的氣象報(bào)文信息共享。此時(shí),每個(gè)分隊(duì)至少共享一個(gè)副站的氣象報(bào)文的概率不低于0.992。具體來(lái)說(shuō),當(dāng)傳輸時(shí)間限制在8分鐘時(shí),信息發(fā)送的總輪數(shù)為L(zhǎng)=9,此方案最多可以實(shí)現(xiàn)Nmax=10個(gè)分站之間的主副站信息共享,主站之間完成信息共享需要的輪數(shù)L0=7。

    根據(jù)3.3節(jié)分析,各個(gè)主站的至少一個(gè)副站報(bào)文的概率都為0.992,每組副站的3輪重復(fù)發(fā)射中每個(gè)主站平均可以接收到每組副站報(bào)文的個(gè)數(shù)期望為1.76。這樣,所有主站中能成功接收每支分隊(duì)至少一個(gè)副站的氣象報(bào)文的平均個(gè)數(shù)是10×0.99210=9.2282,任一主站平均能成功接收副站的氣象報(bào)文個(gè)數(shù)是6×1.76+0.992×4=14.528,對(duì)比3.2中二次重復(fù)發(fā)送方案的效率分析,信息發(fā)送的可靠性得到有效提升。

    4 結(jié)論

    通過(guò)分析各站點(diǎn)信息傳輸?shù)囊?guī)律性和對(duì)稱性,新穎地設(shè)計(jì)了輔助數(shù)表,用于表達(dá)信息傳輸方案和跟蹤動(dòng)態(tài)變化過(guò)程,便于編寫通用的算法程序來(lái)統(tǒng)一計(jì)算信息傳輸方案。最大化地使用站點(diǎn)信息傳輸能力,定量地給出了傳輸所用時(shí)間K和站點(diǎn)數(shù)N之間的關(guān)系,有效實(shí)現(xiàn)主副站報(bào)文信息共享傳輸,保障了計(jì)算結(jié)果的有效性和準(zhǔn)確性。使用的模型和方案計(jì)算過(guò)程可以應(yīng)用在氣象環(huán)境觀測(cè)、大范圍實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警、戰(zhàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)鏈搭建等領(lǐng)域。

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