基于復雜環境下海上船舶通信延遲的優化方法

【摘要】? ? 船舶在海上航行的通信系統通常利用傳統信號傳輸算法， 在內部通信信號傳輸過程中，基于地理和氣候環境的復雜性等諸多因素影響，時常產生通信延遲的現象，必須對傳輸延遲的原因進行深度分析，探究信號傳輸能量耗盡的相關數據。傳統的通信延遲消除模式不能對傳感網絡整體消耗能量進行有效計算，并且達不到消除延遲應有的精度。因此，本文提出將近端尋優粒子作為技術支撐的無線傳感網絡通信傳輸延遲優化的方式。

【關鍵詞】? ? 復雜環境? ? 海上船舶? ? 通信延遲? ? 優化方法

引言：

隨著信息技術的飛速發展，無線通信技術在船舶通信系統廣泛應用，已經成為船舶通信系統的核心技術依托。從本質上講，無線通信就是無線傳感網絡技術的一種，眾多的網絡節點中存儲著海量數據，實時通信目標就是通過傳輸采集到的數據實現的，為船舶航行提供全方位的信息技術。但是在具體的技術應用過程中， 基于海洋環境的復雜性，容易受到氣候等各種因素的干擾產生信號延遲，同時基站節點實時監控不到位，放電時間過長就會耗盡能量，導致無線通信難以持續進行，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、復雜的環境影響因素，實現對通信傳輸延遲的消除和優化。

一、復雜環境下海上船舶通信延遲數據分析

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

傳輸到目標距離所需的能量消耗，等同于單位時間內傳輸節點處的初始能量與剩余能量之差。以一個半徑進行加權處理每一個簇頭間距，這個半徑的范圍就是無線通信網簇頭節點的區域，從而得出發送信號和節點之間的關系。輸出信號的獲得要通過模型來實現，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，按照無線網絡通信的速率和傳輸距離的內在聯系，確定通信延遲解除的措施[1]。

二、消除傳感網絡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環相扣的過程，首先要對節點的能量等級進行計算，然后讓Sink節點停留位置的狀態有效呈現，進行信號傳輸中傳感節點能量消耗的確定，真正知道信息發送距離和傳感節點間的關聯性，制定行之有效的網絡通信延遲的措施，實現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。

（一）節點能量等級計算

設定，目前傳感器節點中剩余能量用Fswed表示，Fyuwed代表初始的傳感節點能量，而σsfg表示代表剩余的傳感節點能量，那么通過公式（1）進行無線傳感節點能量等級的計算：

式（1）中，低能量的傳感節點構成Sink節點的概率為rsg。

（二）節點停留位置的狀態描述

設定，路由節點選取的閾值用εfrt 表示，全部網格中心集合用ωgty表示，xdg表示代表Sink節點停留位置狀態指示符號，?wer表示Sink節點上需要停留位置的數量，那么Sink節點停留位置的狀態可以通過公式（2）得出：

公式中，一個數據在Sink節點上的收集周期則視為Rswf 。

（三）消耗能量計算

設定，Sink節點移動橫穿所有覆蓋區域的最短路徑用 fdhk表示，Sink節點在其保持位置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，初始化的傳感節點能量為εdfr，發射目標距離單位信號能耗為pjki。

（四）距離之間的關系確定

設定，簇頭節點的覆蓋半徑用d（sj）表示，任意簇頭節點用ηsf表示，在無線傳感器網絡中設置簇頭節點間的距離權重用esfg表示，那么，信息發送距離關聯傳感節點的表現可以通過式（4）獲得：

（五）制定通信過程延遲消除策略

設定，簇頭覆蓋區域直徑用αgyu 表示，信號傳輸消耗的整體總能量用lsdf表示，正常信號在傳感網通信信道接收端用ahdf 表示，通信信道在傳感器網絡負載開銷用εftg 表示，通過判決反饋在傳感器網絡的通信信道中對輸出信號進行均衡用Mswfr表示，那么，可以通過公式（5）制定網絡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果

設定，無線傳感網絡通信速率與通信距離的內在聯用由swef表示[2]，那么，通公式（6）就可以消除通信過程延遲的現象：

三、復雜環境下海上船舶通信延遲優化消除方法

（一）獲得比值的關聯性

1.求出輪數變化狀態

設定，備選節點數量用bgh表示，曾經輪換過的作為常規節點的節點集合用Wfrg表示，傳感網絡體系結構用μde表示，數據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，輪數變化在傳感器數據收集中的狀態就可以通過公式（7）得出：

2.簇頭的最優概率值

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

上面公式中，終端用戶的管理節點數量為eegkp。

3.比特的數據能量消耗確定

設定，簇頭節點相關類型的多少用μsdg表示，形成簇頭節點隨機性用ζqwer表示，網絡能量平衡閾值用d ph表示，乘性因子用swgtj表示，全部節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據傳輸中消耗的能量：

4.節點能量與網絡總能量比值的關聯性

設定，微粒群優化的約束用cfhj 表示，數據融合的能量用ηhyt表示，那么，就可以通過式（10）獲得節點能量與網絡總能量相關聯的比值：

上面公式中，粒子群優化的迭代次數為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象的過程中，在進行數據收集的時候輪數變化情況要根據微粒群優化模式求，將簇頭的最優概率值設定為有效的節點，在此基礎上進行單位比特傳輸數據所消耗的能量，掌握網絡總能量與節點能量之間的關系，成為優化延遲消除的技術支撐。

（二）消除網絡通信延遲的優化通信路徑分析

本文介紹和分析的海上船舶通信過程延遲優化消除措施，通過本文的依據是上述闡述得到的節點與網絡總能量比值的關聯性EDswed，對非最優節點距離因素進行精細而有效地計算，進一步了解在傳輸中節點的能量改變狀態，求出傳感器節點具備的獨一無二的標記，從而獲取節點間有效通信的鏈路集，確定節點傳輸需要的有價值移動路徑，實現通信路徑的最佳，最終實現海上船舶通信過程延遲消除的優化[3]。具體步驟如下。

1.設定，節點通訊能量損耗用CEdef表示，電池懲罰值用Rswe 表示，能量參數不同環境下獲得用ser 表示，以文中闡述的求得的網絡整體能量與節點能量比值的關聯性 EDswed作為依托，那么，非最優節點距離因素就可以通式（11）算出：

2.設定，網絡測量周期的運行狀態用ddghj表示，一切可以運行的傳感器節點在網絡中的數量用kQser表示，i的抑制因子依托的不同節點用h lper 表示，那么，節點在運行狀態下的能量變化就可以利用式（12）獲取：

上公式中，錨節點每跳的平均距離為edfg。

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

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

4.設定，節點間通信鏈路集用k dg 表示，數據的轉換傳輸權重用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化目標：

四、復雜環境海上船舶通信延遲優化消除方法仿真證明

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

（一）評價指標的設定

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

（二）近端尋優粒子方法的延遲率

在海上船舶航行中，利用近端尋優粒子方法消除通信延遲的問題，為了更全面地印證其性能，進行相關延遲率的測試，仿真測試的結果和數據表明 采取近端尋優粒子方法進行通信過程延遲消除方式的合理優化，可以對工作中節點能量的變化實施計算，清晰描述了傳感器節點獨一無二的標識，起到促進無線傳感網絡通信延遲消除的實現。

（三）通信過程延遲優化消除不同方式的質量對比

針對海上船舶網絡通信過程延遲優化消除的性能的實驗，本文采用了信息熵方法和近端尋優粒子方法，本實驗對比了采取不同方式下通信延遲優化消能耗和節點死亡率，通過對仿真試驗的結果數據的分析可以看出，比起信息熵的應用方式，利用近端尋優粒子方法實施無線傳感網絡通信過程延遲優化消除，最明顯的優勢就是能夠準確計算出全部傳感器節點的能耗數據，促進了數據傳輸效率的顯著提升，確保了海上船舶網絡通信過程延遲優化消除的質量。本實驗的仿真結果顯示，近端尋優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用無線傳感網絡的通信效率，真正解決了長期得不到解決的海上船舶網絡通信過程延遲的問題。

五、結束語

綜上所述，船舶通信延遲對船舶的通信系統造成不良的影響，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、復雜的環境下，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重要的。基于目前狀況下海上船舶網絡通信延遲消除困難的現象，本文提出的消除通信延遲的有效措施是近端尋優粒子的方式，同時借助更多的能量節點作為簇頭節，切實節點簇頭的約束條件進行有效利用，真正提升了無線傳感器節點運行路程的價值，從而實現通信路徑最佳，達到了船舶航行通信傳輸延遲的消除和優化。

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

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[2]彭磊，臧國珍，高媛媛，等.LMS 自適應干擾消除在基于人工干擾的物理層安全通信系統中的應用研究 [J].計算機科學，2019，46（6）：168–173.

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