5G 技術(shù)背景下的艦船通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)

鄧?yán)^昌

（中通服咨詢(xún)?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，艦船通信應(yīng)用受到重點(diǎn)關(guān)注。在5G 技術(shù)環(huán)境下，基于信息融合以及多方協(xié)同作戰(zhàn)管理標(biāo)準(zhǔn)，以更好地維系通信控制模式，利用分布式計(jì)算等技術(shù)方案滿(mǎn)足海上通信需求。

1 5G 技術(shù)背景下艦船通信網(wǎng)絡(luò)組成

目前，艦船通信網(wǎng)絡(luò)基于5G 技術(shù)建立的是多接入邊緣計(jì)算體系（Muti-access Edge Computing，MEC），配合分布式計(jì)算處理機(jī)制，可以有效維系低時(shí)延、高效率運(yùn)行效能，在提升響應(yīng)速率的基礎(chǔ)上，保證通信質(zhì)量符合預(yù)期[1]。MEC 應(yīng)用于物理平臺(tái)或者虛擬化平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)可控化數(shù)據(jù)服務(wù)，保證核心網(wǎng)之間可以搭建完整的信息傳輸通道，以更好地服務(wù)通信工作。主要組成如圖1 所示。

圖1 通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

智能終端組成單元是整體系統(tǒng)移動(dòng)終端的業(yè)務(wù)發(fā)起者，也是系統(tǒng)基礎(chǔ)用戶(hù)，承載相應(yīng)的任務(wù)結(jié)果。

5G 接入端基于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，應(yīng)用MEC 設(shè)備共建可控體系，確?；竞秃诵木W(wǎng)之間可以利用部署的相關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，這種處理模式可以極大程度減少基站數(shù)量，也能為回傳鏈路提供質(zhì)量保障，減少時(shí)延造成的影響，為高效性信息傳輸管理予以支持。

控制層單元利用控制器處理服務(wù)器和云服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)信息，搭建合理合規(guī)的信息傳輸應(yīng)用體系，在充分維持完整計(jì)算分析流程的同時(shí)，有效優(yōu)化鏈路的傳輸水平，為系統(tǒng)落實(shí)計(jì)算策略和應(yīng)用方案提供保障[2]。

公網(wǎng)端是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)體系的云平臺(tái)，可以清洗并分析傳輸信息，配合大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)可以深度評(píng)估相關(guān)數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)共享應(yīng)用體系。

總之，在搭建基礎(chǔ)系統(tǒng)的同時(shí)，確保相應(yīng)的組成部分可以發(fā)揮其實(shí)際作用，共建可控規(guī)范的應(yīng)用平臺(tái)，配合信息交互處理的連通管理，以實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用目標(biāo)。

2 5G 技術(shù)背景下艦船通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)優(yōu)化

為更好地提高艦船通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量，需要結(jié)合實(shí)際技術(shù)的應(yīng)用要求和規(guī)范，落實(shí)完整的優(yōu)化處理方案，并整合資源內(nèi)容，共同維系艦船的通信效能，實(shí)現(xiàn)綜合化管理的目標(biāo)。

2.1 時(shí)延控制優(yōu)化

依據(jù)5G 通信技術(shù)艦船網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的應(yīng)用要求，在多個(gè)MEC 設(shè)備分布式作業(yè)中，為更好地維護(hù)系統(tǒng)的控制水平，需要結(jié)合時(shí)延情況優(yōu)化具體內(nèi)容。設(shè)定系統(tǒng)中MEC 設(shè)備數(shù)量為a，每個(gè)設(shè)備表示為ai，每個(gè)設(shè)備的計(jì)算能力設(shè)為cai，信息傳輸過(guò)程中MEC 設(shè)備接收獲取的任務(wù)表示為T(mén)ai，總?cè)蝿?wù)和設(shè)備接收分任務(wù)的占比利用Tai=βTai進(jìn)行計(jì)算，β表示子任務(wù)在總?cè)蝿?wù)中的占比?；谛畔⒆R(shí)別的處理過(guò)程很好地完成特征信息和云端數(shù)據(jù)的匹配工作，提高整個(gè)艦船通信的信息傳輸效率，降低時(shí)延的同時(shí)保證傳輸質(zhì)量[3]。

另外，若是在最小且滿(mǎn)足任務(wù)分配的要求下落實(shí)具體工作，則要將子任務(wù)更好地分配在MEC 的各個(gè)設(shè)備中，當(dāng)βai=1 時(shí)，整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)通信最小時(shí)延為min{t(Φ)},Φ∈I。其中，I表示可行解的搜索空間，Φ表示艦船通信系統(tǒng)任務(wù)。

2.2 感知層系數(shù)優(yōu)化

結(jié)合艦船通信服務(wù)要求，在搭建硬件平臺(tái)的同時(shí)要充分融合5G 技術(shù)，保證軟件層面上數(shù)據(jù)交互的可行性符合預(yù)期，并對(duì)映射感知結(jié)構(gòu)層的系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化控制，更好地維系整體信息通信質(zhì)量水平[4]。

結(jié)合信息數(shù)據(jù)交互列陣特征可知，數(shù)據(jù)包發(fā)送過(guò)程必然會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息通道結(jié)構(gòu)層進(jìn)行信息調(diào)度，建構(gòu)新的信息數(shù)據(jù)運(yùn)行秩序。此時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸流程進(jìn)行分析，基于提高不同層級(jí)鏈路數(shù)據(jù)映射效率的要求，對(duì)冗余系數(shù)、鏈路信息排序初始化系數(shù)等進(jìn)行優(yōu)化，以保證5G 感知層的最大感知權(quán)值符合要求。

結(jié)合毫米波的傳輸特點(diǎn)，利用降維計(jì)算等手法，確?？煽貛捪峦ㄐ殴?jié)點(diǎn)的時(shí)間量對(duì)應(yīng)數(shù)值合理，降低波束傳輸?shù)膹?fù)雜度，提高傳輸效率的同時(shí)，也能有效將時(shí)延控制在科學(xué)范圍內(nèi)[5]。

與此同時(shí)，將感知層系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，按照實(shí)際應(yīng)用要求設(shè)置對(duì)應(yīng)的測(cè)試包，可以更好地維系整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行管理的連通效果。

配合連通性測(cè)試可知，感知層系數(shù)優(yōu)化后可以提高數(shù)據(jù)交互的穩(wěn)定性，維持良好的數(shù)據(jù)傳輸模式，并且信號(hào)點(diǎn)波段可控區(qū)域范圍也得以?xún)?yōu)化，保證5G通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)際應(yīng)用效果滿(mǎn)足預(yù)期，為艦船通信管理控制效能的升級(jí)打造更加科學(xué)穩(wěn)定的運(yùn)行環(huán)境，共同實(shí)現(xiàn)協(xié)同控制和數(shù)據(jù)交互管理的應(yīng)用目標(biāo)。

2.3 粒子群算法優(yōu)化

隨著智能化技術(shù)的全面發(fā)展，為更好地維系5G技術(shù)背景下艦船通信質(zhì)量水平，需要結(jié)合應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)在優(yōu)化算法處理的同時(shí)尋找最優(yōu)解。

首先，設(shè)定整個(gè)通信空間內(nèi)的粒子數(shù)量u，則每個(gè)位置對(duì)應(yīng)一個(gè)固定解，可以校驗(yàn)更新的方向以及距離，當(dāng)粒子處于自身位置和最優(yōu)解之間，按照精度進(jìn)行搜索并設(shè)定為Vmax，在粒子出現(xiàn)變化后，當(dāng)前位置和整個(gè)粒子群的最佳位置也會(huì)出現(xiàn)變化[6]。

其次，求解粒子的適應(yīng)度數(shù)值，評(píng)估粒子的具體位置，并利用多次搜索的方式獲取最優(yōu)解，按照進(jìn)行計(jì)算。其中，H表示搜索空間內(nèi)S的可行域，S-H表示非可行域，X(Φ,I)表示非可行域可迭代I次后的數(shù)值[7]。

最后，在整個(gè)粒子優(yōu)化體系中，迭代達(dá)到最大次數(shù)后，粒子群優(yōu)化算法可以獲取最佳位置的參數(shù)信息，從而獲取最低時(shí)延，滿(mǎn)足艦船通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化信息交互質(zhì)量的基本要求。

3 5G 技術(shù)背景下艦船通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)仿真結(jié)果

在提出一系列優(yōu)化策略后，基于驗(yàn)證分析的基本要求，將粒子群優(yōu)化算法應(yīng)用在5G 通信網(wǎng)絡(luò)中，配合使用MATLAB 平臺(tái)進(jìn)行仿真分析，進(jìn)一步了解收斂性以及不同優(yōu)化算法的應(yīng)用效果，從而維系艦船通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的控制效能[8]。

3.1 不同架構(gòu)時(shí)延性能仿真

常見(jiàn)的系統(tǒng)組成包括MEC 設(shè)備架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)、云架構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)等，本文選取的系統(tǒng)是結(jié)合實(shí)際請(qǐng)求量靈活增設(shè)MEC 設(shè)備，采取多臺(tái)MEC 設(shè)備并行處理，共建完整的設(shè)備運(yùn)行管理模式，確保時(shí)延性變化情況在可控范圍內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)響應(yīng)時(shí)延如圖2 所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)響應(yīng)時(shí)延

由圖2 可知，運(yùn)用MEC 設(shè)備可以降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)體系運(yùn)行過(guò)程的時(shí)延，按照并行計(jì)算的方法完成測(cè)定后，當(dāng)用戶(hù)數(shù)量達(dá)到10 個(gè)以?xún)?nèi)，對(duì)應(yīng)的差距有限，而當(dāng)用戶(hù)數(shù)量增多，其差距也越來(lái)越明顯。當(dāng)用戶(hù)請(qǐng)求數(shù)為25 時(shí)，多臺(tái)MEC 設(shè)備的通信網(wǎng)絡(luò)將時(shí)延控制在0.5 s 以?xún)?nèi)，而基于云端的通信系統(tǒng)時(shí)延超出了2.0 s[9]。

綜上所述，多臺(tái)MEC 設(shè)備下的網(wǎng)絡(luò)體系可以更好地維系節(jié)點(diǎn)之間信息的傳輸效果，形成更小的響應(yīng)延時(shí)。

3.2 不同算法仿真

本文系統(tǒng)中應(yīng)用的是粒子群優(yōu)化算法（Particle Swarm Optimization，PSO）算法，將其與煙火算法（Fireworks Algorithm，F(xiàn)WA）和基于牛頓內(nèi)點(diǎn)法的任務(wù)分配算法予以比較，如圖3 所示。

圖3 算法比較示意

由圖3 可知，用戶(hù)請(qǐng)求數(shù)量較小時(shí)，3 者的差距微乎其微，而在用戶(hù)數(shù)量增加后，PSO 算法可以更好地提高全局搜索效能，維系良好的資源分配效果[10]。

4 結(jié) 論

基于5G 通信技術(shù)的艦船網(wǎng)絡(luò)體系具有重要的研究?jī)r(jià)值，結(jié)合5G技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用要求落實(shí)具體工作，采取優(yōu)化時(shí)延控制、優(yōu)化粒子群算法以及優(yōu)化感知層系數(shù)等方式，可以最大限度上保證艦船網(wǎng)絡(luò)通信的質(zhì)量水平，滿(mǎn)足綜合應(yīng)用的需求，這也為5G 技術(shù)背景下艦船通信可持續(xù)健康發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。