【摘要】? ? 船舶在海上航行的通信系統(tǒng)通常利用傳統(tǒng)信號(hào)傳輸算法， 在內(nèi)部通信信號(hào)傳輸過(guò)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(shí)常產(chǎn)生通信延遲的現(xiàn)象，必須對(duì)傳輸延遲的原因進(jìn)行深度分析，探究信號(hào)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(duì)傳感網(wǎng)絡(luò)整體消耗能量進(jìn)行有效計(jì)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(wú)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(wú)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(wú)線通信就是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的一種，眾多的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中存儲(chǔ)著海量數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)通信目標(biāo)就是通過(guò)傳輸采集到的數(shù)據(jù)實(shí)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(guò)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(hào)延遲，同時(shí)基站節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控不到位，放電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)就會(huì)耗盡能量，導(dǎo)致無(wú)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(wú)線通信信號(hào)傳輸延遲問(wèn)題。

針對(duì)該問(wèn)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)復(fù)雜環(huán)境下海上船舶通信過(guò)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(diǎn)能量的計(jì)算必須采用優(yōu)化的方式，網(wǎng)格的劃分要根據(jù)等級(jí)保證大小相等，對(duì)最大通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(hào)發(fā)送端與傳感節(jié)點(diǎn)的距離，進(jìn)行模型建立，模型包括匯聚節(jié)點(diǎn)移動(dòng)行程和均衡性無(wú)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(diǎn)能量的計(jì)算過(guò)程中，因?yàn)槭Ｓ嗟膫鞲衅鞴?jié)點(diǎn)能量，從低能量向最高通信節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)變，所以本研究必須計(jì)算出有關(guān)能量的等級(jí)。其規(guī)劃的門(mén)限就是路徑節(jié)點(diǎn)距離，利用網(wǎng)格的形式等量劃分能量等級(jí)，并進(jìn)行網(wǎng)格中心集的設(shè)計(jì)，以一個(gè)數(shù)據(jù)周期為限制，停留位指示符號(hào)采用最大的通信節(jié)點(diǎn)，停留狀態(tài)根據(jù)停留點(diǎn)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(shí)間內(nèi)傳輸節(jié)點(diǎn)處的初始能量與剩余能量之差。以一個(gè)半徑進(jìn)行加權(quán)處理每一個(gè)簇頭間距，這個(gè)半徑的范圍就是無(wú)線通信網(wǎng)簇頭節(jié)點(diǎn)的區(qū)域，從而得出發(fā)送信號(hào)和節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系。輸出信號(hào)的獲得要通過(guò)模型來(lái)實(shí)現(xiàn)，這個(gè)模型就是能量消耗輸入反饋均衡模型，其信號(hào)就是簇頭覆蓋半徑，綜合考慮輸出信號(hào)的特征，按照無(wú)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(guò)程延遲的原理

本文介紹的實(shí)施海上船舶航行通信信號(hào)延遲的有效消除的原理是一個(gè)環(huán)環(huán)相扣的過(guò)程，首先要對(duì)節(jié)點(diǎn)的能量等級(jí)進(jìn)行計(jì)算，然后讓Sink節(jié)點(diǎn)停留位置的狀態(tài)有效呈現(xiàn)，進(jìn)行信號(hào)傳輸中傳感節(jié)點(diǎn)能量消耗的確定，真正知道信息發(fā)送距離和傳感節(jié)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)海上船舶通信過(guò)程延遲的有效消除。具體消除原理從以下幾個(gè)步驟體現(xiàn)。

（一）節(jié)點(diǎn)能量等級(jí)計(jì)算

設(shè)定，目前傳感器節(jié)點(diǎn)中剩余能量用Fswed表示，F(xiàn)yuwed代表初始的傳感節(jié)點(diǎn)能量，而σsfg表示代表剩余的傳感節(jié)點(diǎn)能量，那么通過(guò)公式（1）進(jìn)行無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)能量等級(jí)的計(jì)算：

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

（二）節(jié)點(diǎn)停留位置的狀態(tài)描述

設(shè)定，路由節(jié)點(diǎn)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(diǎn)停留位置狀態(tài)指示符號(hào)，?wer表示Sink節(jié)點(diǎn)上需要停留位置的數(shù)量，那么Sink節(jié)點(diǎn)停留位置的狀態(tài)可以通過(guò)公式（2）得出：

公式中，一個(gè)數(shù)據(jù)在Sink節(jié)點(diǎn)上的收集周期則視為Rswf 。

（三）消耗能量計(jì)算

設(shè)定，Sink節(jié)點(diǎn)移動(dòng)橫穿所有覆蓋區(qū)域的最短路徑用 fdhk表示，Sink節(jié)點(diǎn)在其保持位置μ上停留的時(shí)間長(zhǎng)度用t（cojj）表示 ，那么，信號(hào)傳輸中傳感節(jié)點(diǎn)的能量消耗可以通過(guò)公式（3）獲得：

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

（四）距離之間的關(guān)系確定

設(shè)定，簇頭節(jié)點(diǎn)的覆蓋半徑用d（sj）表示，任意簇頭節(jié)點(diǎn)用ηsf表示，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置簇頭節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的表現(xiàn)可以通過(guò)式（4）獲得：

（五）制定通信過(guò)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(hào)傳輸消耗的整體總能量用lsdf表示，正常信號(hào)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(kāi)銷(xiāo)用εftg 表示，通過(guò)判決反饋在傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信信道中對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行均衡用Mswfr表示，那么，可以通過(guò)公式（5）制定網(wǎng)絡(luò)通信延遲過(guò)程消除的策略：

上公式中，代表其輸出信號(hào)的特征為desgk，信號(hào)載波頻率為ssfg。

（六）通信過(guò)程延遲消除結(jié)果

設(shè)定，無(wú)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(guò)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(diǎn)數(shù)量用bgh表示，曾經(jīng)輪換過(guò)的作為常規(guī)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)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(zhǎng)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(guò)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(wú)線路由協(xié)議用swgf 表示，在節(jié)點(diǎn)傳送和接收過(guò)程中能耗的區(qū)別閾值用Rsfr表示，約束簇頭節(jié)點(diǎn)選擇條件用iysedg表示，那么，可以通過(guò)式（8）完成節(jié)點(diǎn)最優(yōu)概率值的設(shè)計(jì)：

上面公式中，終端用戶的管理節(jié)點(diǎn)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(diǎn)相關(guān)類(lèi)型的多少用μsdg表示，形成簇頭節(jié)點(diǎn)隨機(jī)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(diǎn)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(guò)式（9）求得在對(duì)單位比特?cái)?shù)據(jù)傳輸中消耗的能量：

4.節(jié)點(diǎn)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(guò)式（10）獲得節(jié)點(diǎn)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(guò)以上介紹不難看出，在消除海上船舶通信信號(hào)延遲現(xiàn)象的過(guò)程中，在進(jìn)行數(shù)據(jù)收集的時(shí)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(diǎn)，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(diǎn)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(guò)程延遲優(yōu)化消除措施，通過(guò)本文的依據(jù)是上述闡述得到的節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)總能量比值的關(guān)聯(lián)性EDswed，對(duì)非最優(yōu)節(jié)點(diǎn)距離因素進(jìn)行精細(xì)而有效地計(jì)算，進(jìn)一步了解在傳輸中節(jié)點(diǎn)的能量改變狀態(tài)，求出傳感器節(jié)點(diǎn)具備的獨(dú)一無(wú)二的標(biāo)記，從而獲取節(jié)點(diǎn)間有效通信的鏈路集，確定節(jié)點(diǎn)傳輸需要的有價(jià)值移動(dòng)路徑，實(shí)現(xiàn)通信路徑的最佳，最終實(shí)現(xiàn)海上船舶通信過(guò)程延遲消除的優(yōu)化[3]。具體步驟如下。

1.設(shè)定，節(jié)點(diǎn)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(diǎn)能量比值的關(guān)聯(lián)性 EDswed作為依托，那么，非最優(yōu)節(jié)點(diǎn)距離因素就可以通式（11）算出：

2.設(shè)定，網(wǎng)絡(luò)測(cè)量周期的運(yùn)行狀態(tài)用ddghj表示，一切可以運(yùn)行的傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)用h lper 表示，那么，節(jié)點(diǎn)在運(yùn)行狀態(tài)下的能量變化就可以利用式（12）獲取：

上公式中，錨節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)擁有的獨(dú)特標(biāo)記就可通過(guò)式（13）得出：

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

4.設(shè)定，節(jié)點(diǎn)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(guò)式（14）就可以最終完成海上船舶通信過(guò)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(wèn)題，為了更全面地印證其性能，本文進(jìn)行了研究實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)平臺(tái)的搭建是基于Windows環(huán)境下，進(jìn)行海上船舶航行中無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)通信過(guò)程延遲優(yōu)化消除的仿真實(shí)驗(yàn)。在100×100平方米的區(qū)域空間里分布99個(gè)無(wú)線傳感器的節(jié)點(diǎn)，同時(shí)在通信區(qū)域內(nèi)布置160個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，本次的實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1 所述。

（一）評(píng)價(jià)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(wèn)題，為了更全面地印證其性能，利用客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)和主觀評(píng)價(jià)指標(biāo)測(cè)試網(wǎng)絡(luò)通信規(guī)程延遲優(yōu)化消除的可靠性，主觀評(píng)價(jià)指標(biāo)利用延遲率對(duì)該實(shí)驗(yàn)的優(yōu)越性和整體化的定義，為了讓該試驗(yàn)更全面結(jié)合更公正，本文的分析和對(duì)比的方式利用了信息熵方法，針對(duì)海上船舶網(wǎng)絡(luò)通信過(guò)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(guò)程中的節(jié)點(diǎn)死亡率作為客觀評(píng)價(jià)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(wèn)題，為了更全面地印證其性能，進(jìn)行相關(guān)延遲率的測(cè)試，仿真測(cè)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(guò)程延遲消除方式的合理優(yōu)化，可以對(duì)工作中節(jié)點(diǎn)能量的變化實(shí)施計(jì)算，清晰描述了傳感器節(jié)點(diǎn)獨(dú)一無(wú)二的標(biāo)識(shí)，起到促進(jìn)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)通信延遲消除的實(shí)現(xiàn)。

（三）通信過(guò)程延遲優(yōu)化消除不同方式的質(zhì)量對(duì)比

針對(duì)海上船舶網(wǎng)絡(luò)通信過(guò)程延遲優(yōu)化消除的性能的實(shí)驗(yàn)，本文采用了信息熵方法和近端尋優(yōu)粒子方法，本實(shí)驗(yàn)對(duì)比了采取不同方式下通信延遲優(yōu)化消能耗和節(jié)點(diǎn)死亡率，通過(guò)對(duì)仿真試驗(yàn)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(shí)施無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)通信過(guò)程延遲優(yōu)化消除，最明顯的優(yōu)勢(shì)就是能夠準(zhǔn)確計(jì)算出全部傳感器節(jié)點(diǎn)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(guò)程延遲優(yōu)化消除的質(zhì)量。本實(shí)驗(yàn)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(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的通信效率，真正解決了長(zhǎng)期得不到解決的海上船舶網(wǎng)絡(luò)通信過(guò)程延遲的問(wèn)題。

五、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，船舶通信延遲對(duì)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(wèn)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(huì)受到各種因素的干擾。因此，有針對(duì)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(shí)借助更多的能量節(jié)點(diǎn)作為簇頭節(jié)，切實(shí)節(jié)點(diǎn)簇頭的約束條件進(jìn)行有效利用，真正提升了無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)運(yùn)行路程的價(jià)值，從而實(shí)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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