能量受限約束下的艦船通信網絡節點動態協同部署

吳 強

(贛南師范大學科技學院，江西 贛州 341000)

0 引 言

將艦船通信網絡節點部署到合理位置[1]，可以實時探測外界環境，采集到較大范圍內的信息。艦船通信網絡[2-3]具有低成本以及低能耗的優點，極大地改善了航海過程中信息不通暢的問題。考慮到節點部署方案是影響艦船通信能力的關鍵，相關學者對艦船通信網絡節點部署展開了研究。

孫環等[4]首先通過k-means 算法添加冗余節點，其次選用FA 移動冗余節點，降低信息傳輸能耗，最后在FA 的幫助下更新冗余節點并移動該節點，實現艦船通信網絡節點動態協同部署。楊力等[5]首先通過迭代以及網絡分簇得出艦船通信內最有效的節點，并通過衛星和地面節點生成節點部署邊緣服務，在降低信息時延的基礎上完成節點部署，實現艦船通信網絡節點動態協同部署。但以上2 種方法受節點能耗動態協同的影響，存在通信傳輸能耗大等問題。為了優化艦船通信網絡通信質量，提出能量受限約束下的艦船通信網絡節點動態協同部署方法。

1 艦船通信節點動態特性分析

艦船通信網絡在傳輸信息過程中會占用大量能耗，為了節約通信能耗，需要對能量進行約束。通信傳感器在傳輸信息的過程中共有N種傳送功率 σ，則通信數據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)代表二進制函數的數據包丟失過程，i代表傳送功率 σ 的 個數， θ代表通信網絡信道參數。 σ(k)為k時艦船通信網絡傳感器的信息傳輸功率。

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

式中， δ代表克羅內克函數。

在能量受限條件下，艦船通信網絡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為艦船通信網絡采樣時間。假設艦船通信網絡控制系統的動態x(k+1)表達式為：

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

若通信網絡節點成功傳輸信息，數據控制器會使用目前的數據對信號進行控制，否則會使用最近一次的數據進行控制，那么根據信息控制器的真實接收量x(k)，得出艦船通信節點的閉環特性為：

式中，Ki為信息控制器增益。

2 艦船通信節點動態協同部署

2.1 節點網格密度

艦船通信網絡在信息傳輸過程中均是依靠傳感器進行傳輸，因此傳感器節點的部署尤為重要[12]，為了進一步加強部署能力，可提前計算出節點部署網格密度[13]。

首先在艦船通信網絡可通信范圍中的節點進行編隊組網，假設在可通信范圍中，水平通信節點數量為KV，垂直地面的方向傳感器節點數量為KH，假設艦船通信網絡的節點總數為Kl，則Kl需要符合的要求為：

進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代表傳感器節點水平位置的最小密度。

垂直方向上節點密度的最小值 ρH-min計算公式為：

式中：hmax和hmin分別為傳感器設置位置的高度最大值和最小值。

由此得出節點網格密度部署所需的約束條件，其表達式為：

2.2 節點動態協同部署

通過分析信道傳輸模型以及能量約束條件下，得出艦船通信網絡節點的網格密度分布，在此基礎上對艦船通信網絡節點動態進行協同部署，從而加強部署效率，盡可能他降低因系統負載較大導致節點出現崩潰的情況，使用K-均值聚類以及粒子群2 種算法得出每個節點的最佳部署位置。

粒子群算法需要首先得出原始粒子的速度以及位置等，即通過艦船通信網絡的基本參數得出網絡節點對應的原始粒子，計算原始粒子的適應度值，任意選取m個準備聚類的目標視為原始聚類中心，并在最小近距離以及最佳適應度原則的基礎上，將所有聚類目標進行劃分，以此生成M個聚類。

使用距離匯聚節點劃分出節點網絡區域，對每個區域賦予不同的簇，其中最接近節點的區域定義為第一等級，根據最大概率得出全部節點的簇頭，進而求解出聚類中心，其表達式為：

式中：ci代表更新后的聚類中心；Ni代 表第i個聚類區域；X代表聚類區域的數量。

對粒子初始化處理，并對聚類中心進行計算，得出各個節點的極值，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。否則需要重新構建網格規劃，并進行新一輪的聚類，在對節點位置進行迭代尋優途中，粒子位置更新結果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果； ω代表粒子慣性權重；vti代表粒子目前的速度；c1和c2均代表學習因子；r1和r2均代表任意數；pbestit代表粒子的最優解；gbestit代表在種群中粒子的最優解。

但經實踐發現，以上更新出的節點不能為最佳位置，因此需要在上述位置和速度的基礎上進一步更新，即在粒子群算法得出粒子最優解的基礎上，將艦船通信網絡節點的全部區域進行劃分，分為N個區域，假設節點的總數量為Nn·R， 則在區域R中簇頭節點在能量約束條件下的能耗ER·elu的計算公式為：

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

根據以上公式即可得出每個節點的最優位置，從而完成節點部署。

3 實驗結果與分析

為了驗證能量受限約束下艦船通信網絡節點動態協同部署方法的整體有效性，針對本文方法進行一系列相關測試，并與無線傳感器網絡節點重部署方法和網絡智能節點部署方法進行比較。

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域艦船通信網絡節點中隨機選取10 個不同的節點，將其設置為編號1~編號10，傳感器節點進行部署并觀察部署后網絡性能的表現，即觀察在每個傳感節點下3 種方法對數據傳輸所需要的能耗情況，實驗結果如圖1所示。

圖1 3 種方法的通信傳輸的能耗Fig. 1 Energy consumption of communication transmission of three methods

根據實驗情況可知，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點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絡中所需的能耗較小，也可嚴格受到能量約束。

這是因為本文方法在對通信網絡節點進行部署的過程中，計算出了信息傳輸過程中所需的能耗，并詳細分析出節點動態協同特性，得出節點穩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

通信網絡中信息吞吐量是十分重要的兩個指標，在相同負載的條件下，吞吐量越高說明網絡通信和傳輸的數據越多，節點部署的好壞直接關系到數據傳輸量，通信網絡吞吐量會隨著時間的增多而上升，在上述實驗環境下，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 種方法的結果進行對比后發現，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點部署能力最強。

3.3 網絡生命周期變化

根據經驗可知，節點在不同的部署情況下其生命周期不同，通信網絡節點數目增多信息傳輸能力越強，能耗也就越多，網絡生命周期會呈下降趨勢，將網絡生命周期視為部署能力的指標，在不同節點數下判斷3 種方法網絡生命周期整體情況，生命周期下降趨勢越緩慢，則說明部署能力越強，實驗結果如表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定，且下降趨勢最慢，由此進一步證明方法的部署能力強。

4 結 語

通信網絡是艦船接收信息必不可少的手段，節點部署直接關系到信息接收，為此提出能量受限約束下的艦船通信網絡節點動態協同部署方法。該方法首先構建信息傳送模型以及分析能量模型，分析節點網絡密度，最后完成艦船通信網絡節點動態協同部署，解決了通信傳輸能耗大、信息吞吐量低以及網絡生命周期短的問題，保證信息傳輸穩定性的同時降低信息的傳輸能耗。