基于复杂环境下海上船舶通信延迟的优化方法

【摘要】    船舶在海上航行的通信系统通常利用传统信号传输算法， 在内部通信信号传输过程中，基于地理和气候环境的复杂性等诸多因素影响，时常产生通信延迟的现象，必须对传输延迟的原因进行深度分析，探究信号传输能量耗尽的相关数据。传统的通信延迟消除模式不能对传感网络整体消耗能量进行有效计算，并且达不到消除延迟应有的精度。因此，本文提出将近端寻优粒子作为技术支撑的无线传感网络通信传输延迟优化的方式。

【关键词】    复杂环境    海上船舶    通信延迟    优化方法

引言：

随着信息技术的飞速发展，无线通信技术在船舶通信系统广泛应用，已经成为船舶通信系统的核心技术依托。从本质上讲，无线通信就是无线传感网络技术的一种，众多的网络节点中存储着海量数据，实时通信目标就是通过传输采集到的数据实现的，为船舶航行提供全方位的信息技术。但是在具体的技术应用过程中， 基于海洋环境的复杂性，容易受到气候等各种因素的干扰产生信号延迟，同时基站节点实时监控不到位，放电时间过长就会耗尽能量，导致无线通信难以持续进行，因此目前重要的研究课题就是怎样解决无线通信信号传输延迟问题。

针对该问题，本文提出消除通信延迟的新方案，分析特殊的气候、复杂的环境影响因素，实现对通信传输延迟的消除和优化。

一、复杂环境下海上船舶通信延迟数据分析

针对复杂环境下海上船舶通信过程中延迟消除的措施研究，首先要进行有效的数据分析。单跳路网络节点能量的计算必须采用优化的方式，网格的划分要根据等级保证大小相等，对最大通信网络节点的停留位置进行确定，汇聚的网络为单跳网络，然后进行网络覆盖范围在停留状态下的分析，求出信号发送端与传感节点的距离，进行模型建立，模型包括汇聚节点移动行程和均衡性无线网络周期模型，然后结合目前最前沿的算法选择最佳的通信延迟消除策略。在初始的传感器节点能量的计算过程中，因为剩余的传感器节点能量，从低能量向最高通信节点转变，所以本研究必须计算出有关能量的等级。其规划的门限就是路径节点距离，利用网格的形式等量划分能量等级，并进行网格中心集的设计，以一个数据周期为限制，停留位指示符号采用最大的通信节点，停留状态根据停留点数量确定。

传输到目标距离所需的能量消耗，等同于单位时间内传输节点处的初始能量与剩余能量之差。以一个半径进行加权处理每一个簇头间距，这个半径的范围就是无线通信网簇头节点的区域，从而得出发送信号和节点之间的关系。输出信号的获得要通过模型来实现，这个模型就是能量消耗输入反馈均衡模型，其信号就是簇头覆盖半径，综合考虑输出信号的特征，按照无线网络通信的速率和传输距离的内在联系，确定通信延迟解除的措施[1]。

二、消除传感网络通信过程延迟的原理

本文介绍的实施海上船舶航行通信信号延迟的有效消除的原理是一个环环相扣的过程，首先要对节点的能量等级进行计算，然后让Sink节点停留位置的状态有效呈现，进行信号传输中传感节点能量消耗的确定，真正知道信息发送距离和传感节点间的关联性，制定行之有效的网络通信延迟的措施，实现海上船舶通信过程延迟的有效消除。具体消除原理从以下几个步骤体现。

（一）节点能量等级计算

设定，目前传感器节点中剩余能量用Fswed表示，Fyuwed代表初始的传感节点能量，而σsfg表示代表剩余的传感节点能量，那么通过公式（1）进行无线传感节点能量等级的计算：

式（1）中，低能量的传感节点构成Sink节点的概率为rsg。

（二）节点停留位置的状态描述

设定，路由节点选取的阈值用εfrt 表示，全部网格中心集合用ωgty表示，xdg表示代表Sink节点停留位置状态指示符号，?wer表示Sink节点上需要停留位置的数量，那么Sink节点停留位置的状态可以通过公式（2）得出：

公式中，一个数据在Sink节点上的收集周期则视为Rswf 。

（三）消耗能量计算

设定，Sink节点移动横穿所有覆盖区域的最短路径用 fdhk表示，Sink节点在其保持位置μ上停留的时间长度用t（cojj）表示 ，那么，信号传输中传感节点的能量消耗可以通过公式（3）获得：

上公式中，初始化的傳感节点能量为εdfr，发射目标距离单位信号能耗为pjki。

（四）距离之间的关系确定

设定，簇头节点的覆盖半径用d（sj）表示，任意簇头节点用ηsf表示，在无线传感器网络中设置簇头节点间的距离权重用esfg表示，那么，信息发送距离关联传感节点的表现可以通过式（4）获得：

（五）制定通信过程延迟消除策略

设定，簇头覆盖区域直径用αgyu 表示，信号传输消耗的整体总能量用lsdf表示，正常信号在传感网通信信道接收端用ahdf 表示，通信信道在传感器网络负载开销用εftg 表示，通过判决反馈在传感器网络的通信信道中对输出信号进行均衡用Mswfr表示，那么，可以通过公式（5）制定网络通信延迟过程消除的策略：

上公式中，代表其输出信号的特征为desgk，信号载波频率为ssfg。

（六）通信过程延迟消除结果

设定，无线传感网络通信速率与通信距离的内在联用由swef表示[2]，那么，通公式（6）就可以消除通信过程延迟的现象：

三、复杂环境下海上船舶通信延迟优化消除方法

（一）获得比值的关联性

1.求出轮数变化状态

设定，备选节点数量用bgh表示，曾经轮换过的作为常规节点的节点集合用Wfrg表示，传感网络体系结构用μde表示，数据被传感器接收的长度用Ssef表示，每单位比特传输与接收的能量用Eefrt表示，那么，轮数变化在传感器数据收集中的状态就可以通过公式（7）得出：

2.簇头的最优概率值

设定，通信中消耗能量的概率用由sqwt 表示，无线路由协议用swgf 表示，在节点传送和接收过程中能耗的区别阈值用Rsfr表示，约束簇头节点选择条件用iysedg表示，那么，可以通过式（8）完成节点最优概率值的设计：

上面公式中，终端用户的管理节点数量为eegkp。

3.比特的数据能量消耗确定

设定，簇头节点相关类型的多少用μsdg表示，形成簇头节点随机性用ζqwer表示，网络能量平衡阈值用d ph表示，乘性因子用swgtj表示，全部节点平均能量的最大值用fswe表示，最小值用frty表示，那么，就可以通过式（9）求得在对单位比特数据传输中消耗的能量：

4.节点能量与网络总能量比值的关联性

设定，微粒群优化的约束用cfhj 表示，数据融合的能量用ηhyt表示，那么，就可以通过式（10）获得节点能量与网络总能量相关联的比值：

上面公式中，粒子群优化的迭代次数为def。

通过以上介绍不难看出，在消除海上船舶通信信号延迟现象的过程中，在进行数据收集的时候轮数变化情况要根据微粒群优化模式求，将簇头的最优概率值设定为有效的节点，在此基础上进行单位比特传输数据所消耗的能量，掌握网络总能量与节点能量之间的关系，成为优化延迟消除的技术支撑。

（二）消除网络通信延迟的优化通信路径分析

本文介绍和分析的海上船舶通信过程延迟优化消除措施，通过本文的依据是上述阐述得到的节点与网络总能量比值的关联性EDswed，对非最优节点距离因素进行精细而有效地计算，进一步了解在传输中节点的能量改变状态，求出传感器节点具备的独一无二的标记，从而获取节点间有效通信的链路集，确定节点传输需要的有价值移动路径，实现通信路径的最佳，最终实现海上船舶通信过程延迟消除的优化[3]。具体步骤如下。

1.设定，节点通讯能量损耗用CEdef表示，电池惩罚值用Rswe 表示，能量参数不同环境下获得用ser 表示，以文中阐述的求得的网络整体能量与节点能量比值的关联性 EDswed作为依托，那么，非最优节点距离因素就可以通式（11）算出：

2.设定，网络测量周期的运行状态用ddghj表示，一切可以运行的传感器节点在网络中的数量用kQser表示，i的抑制因子依托的不同节点用h lper 表示，那么，节点在运行状态下的能量变化就可以利用式（12）获取：

上公式中，锚节点每跳的平均距离为edfg。

3.设定，跳数值与每跳距离值之间的乘积用hwedf表示，Edgf代表通信在节点间的链路集，sdweft代表传感器pg和pj间的联系渠道， 那么，传感器节点拥有的独特标记就可通过式（13）得出：

上公式中，簇头在无线传感器中类型用Hder表示，节点死亡权值用bfh表示，节点覆盖度分布特征为hthj。

4.设定，节点间通信链路集用k dg 表示，数据的转换传输权重用g ryj表示，最佳的通信路径约束条件可以用hwe表示，那么，通过式（14）就可以最终完成海上船舶通信过程延迟消除的优化目标：

四、复杂环境海上船舶通信延迟优化消除方法仿真证明

在海上船舶航行中，利用近端寻优粒子方法消除通信延迟的问题，为了更全面地印证其性能，本文进行了研究实验。试验平台的搭建是基于Windows环境下，进行海上船舶航行中无线传感网络通信过程延迟优化消除的仿真实验。在100×100平方米的区域空间里分布99个无线传感器的节点，同时在通信区域内布置160个无线传感器节点，本次的实验参数如表1 所述。

（一）评价指标的设定

在海上船舶航行中，利用近端寻优粒子方法消除通信延迟的问题，为了更全面地印证其性能，利用客观评价指标和主观评价指标测试网络通信规程延迟优化消除的可靠性，主观评价指标利用延迟率对该实验的优越性和整体化的定义，为了让该试验更全面结合更公正，本文的分析和对比的方式利用了信息熵方法，针对海上船舶网络通信过程延迟优化消除的质量的定义，可以把通信中的能耗和通信过程中的节点死亡率作为客观评价指标。

（二）近端寻优粒子方法的延迟率

在海上船舶航行中，利用近端寻优粒子方法消除通信延迟的问题，为了更全面地印证其性能，进行相关延迟率的测试，仿真测试的结果和数据表明 采取近端寻优粒子方法进行通信过程延迟消除方式的合理优化，可以对工作中节点能量的变化实施计算，清晰描述了传感器节点独一无二的标识，起到促进无线传感网络通信延迟消除的实现。

（三）通信过程延迟优化消除不同方式的质量对比

针对海上船舶网络通信过程延迟优化消除的性能的实验，本文采用了信息熵方法和近端寻优粒子方法，本实验对比了采取不同方式下通信延迟优化消能耗和节点死亡率，通过对仿真试验的结果数据的分析可以看出，比起信息熵的應用方式，利用近端寻优粒子方法实施无线传感网络通信过程延迟优化消除，最明显的优势就是能够准确计算出全部传感器节点的能耗数据，促进了数据传输效率的显著提升，确保了海上船舶网络通信过程延迟优化消除的质量。本实验的仿真结果显示，近端寻优粒子方法消除通信延迟的消除，具备较高的精度，明显提高了海上船舶应用无线传感网络的通信效率，真正解决了长期得不到解决的海上船舶网络通信过程延迟的问题。

五、结束语

综上所述，船舶通信延迟对船舶的通信系统造成不良的影响，成为目前亟待解决的问题。通信传输延迟的主要因素是特殊、复杂的环境下，船舶会受到各种因素的干扰。因此，有针对性地制定消除通信延迟的有效方式是至关重要的。基于目前状况下海上船舶网络通信延迟消除困难的现象，本文提出的消除通信延迟的有效措施是近端寻优粒子的方式，同时借助更多的能量节点作为簇头节，切实节点簇头的约束条件进行有效利用，真正提升了无线传感器节点运行路程的价值，从而实现通信路径最佳，达到了船舶航行通信传输延迟的消除和优化。

作者单位：兰斌    中海油信息科技有限公司深圳分公司

参  考  文  献

[1]顾一清.智能船舶技术体系研究及其对航运生态的影响[J].船舶工程，2020，42（3）：42–45.

[2]彭磊，臧国珍，高媛媛，等.LMS 自适应干扰消除在基于人工干扰的物理层安全通信系统中的应用研究 [J].计算机科学，2019，46（6）：168–173.

[3]张新彩.无线传感网络通信过程中有效带宽估计方法改进[J].科学技术与工程，2017，17（ 24）： 87-91.