基于感知控制的船舶通信建链方法与流程

本发明涉及船舶无线通信网络，具体为基于感知控制的船舶通信建链方法。

背景技术：

1、传统的船舶通信组网方法通常基于静态的网络规划或预设的固定链路协议。这些技术将通信区域视为稳定不变的环境，主要依据地理位置或即时信号强度进行决策。现有方案缺乏对通信行为时序特征的量化分析，无法有效捕捉和响应海上无线信道固有的时变特性。这导致在通信行为分布密集或变化剧烈的动态海域中，网络构建的适应性和预判性不足。

2、现有技术在网络节点角色分配与路径选择上，多依赖于节点的物理位置、剩余能量或简单的通信历史记录。常规方法未能对节点的感知行为特征与建链行为特征进行分别提取与关联分析，节点权重的计算模型较为单一。这种处理方式无法精确评估节点在复杂环境中的综合效能，难以支撑构建兼具高连通性和强环境适应性的分层网络架构。

3、本发明需解决如何动态评估海域通信环境的时变特性以指导初始组网区域选择，以及如何依据节点的多维行为特征进行精准权重计算与层级划分，从而实现通信资源与动态环境及节点状态的智能匹配。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供基于感知控制的船舶通信建链方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供基于感知控制的船舶通信建链方法，所述方法包括：

3、根据船舶历史无线载波通信记录，提取不同通信区域对应的通信行为数据集，所述通信行为数据集包含多个通信行为数据，每个通信行为数据对应一次通信事件；

4、分析每个通信区域内通信行为数据随时间分布的密集程度和变化剧烈程度，得到每个通信区域的通信环境动态性指数；

5、根据所述通信环境动态性指数筛选出待构建通信链路的候选通信区域；

6、针对每个候选通信区域，利用所述候选通信区域内所有船舶的通信行为数据，分别构建反映船舶感知行为特征的感知特征向量和反映船舶建链行为特征的建链特征向量；

7、基于每个船舶的感知特征向量，计算所述船舶在候选通信区域内的感知贡献度；

8、基于每个船舶的建链特征向量和所述感知贡献度，计算所述船舶在候选通信区域内的通信节点权重；

9、依据所有船舶的通信节点权重进行排序与层级划分，生成候选通信区域内的分层通信网络架构；

10、根据所述分层通信网络架构中不同层级的特性，为处于不同层级的船舶分配合适的无线载波通信模式，形成最终的船舶通信建链方案。

11、优选的，所述通信行为数据至少包括：每次通信事件的起止时间、通信持续时间、通信发起船舶标识、通信目标船舶标识、通信过程中使用的信道标识、通信发起前的载波感知时长、通信建立时的信号强度值、以及本次通信是否为重新建立连接的标识。

12、优选的，所述得到每个通信区域的通信环境动态性指数的步骤包括：

13、针对一个通信区域，将所述通信区域内的通信行为数据按时间顺序排列；

14、在预设的时间粒度下，统计每个时间单元内发生的通信事件数量，形成通信事件数量序列；

15、计算所述通信事件数量序列的方差，作为反映变化剧烈程度的波动量；

16、识别所述通信事件数量序列中的连续时段，在连续时段内通信事件数量持续高于区域历史均值，统计所有连续时段的累计时长占比，作为反映密集程度的持续活跃度；

17、将所述波动量与所述持续活跃度进行加权融合，所得结果经归一化处理后，输出为所述通信区域的通信环境动态性指数。

18、优选的，所述筛选出待构建通信链路的候选通信区域的步骤包括：

19、将通信环境动态性指数与预设的动态性阈值进行比较；

20、将通信环境动态性指数高于所述动态性阈值的通信区域标记为高动态区域；

21、计算每个高动态区域的波动量在其通信环境动态性指数构成中的贡献比例，得到波动贡献度；

22、选取波动贡献度最高的若干个高动态区域，作为待构建通信链路的候选通信区域。

23、优选的，所述感知特征向量的构建步骤包括：

24、针对一艘船舶，从其在候选通信区域内的通信行为数据中，提取所述船舶作为通信发起方的所有记录；

25、对于每次作为通信发起方的记录，计算从载波感知开始到成功建立通信连接所经历的总时长，记为单次感知建链时长；

26、统计所述船舶在预设统计周期内，所述单次感知建链时长低于预设阈值的成功建链次数占总成功建链次数的比例，作为感知敏捷度；

27、计算所述船舶所有作为通信发起方的记录中，通信建立时的信号强度值的平均值，作为平均感知质量；

28、由所述感知敏捷度和所述平均感知质量构成所述船舶的感知特征向量。

29、优选的，所述计算所述船舶在候选通信区域内的感知贡献度的步骤包括：

30、获取候选通信区域内所有船舶的感知特征向量；

31、计算所述船舶的感知特征向量与区域内所有其他船舶的感知特征向量之间的平均余弦相似度；

32、将所述船舶的感知敏捷度与所述平均余弦相似度相乘，得到所述船舶的感知行为一致性因子；

33、将所述船舶的平均感知质量与所述感知行为一致性因子进行融合计算，输出为所述船舶在候选通信区域内的感知贡献度。

34、优选的，所述建链特征向量的构建步骤包括：

35、针对一艘船舶，从其在候选通信区域内的通信行为数据中，提取所述船舶参与的所有通信记录，无论其作为发起方或目标方；

36、统计所述船舶在预设统计周期内成功维持的通信连接总时长，以及所述船舶尝试发起通信连接的总次数，计算成功维持的通信连接总时长与尝试发起通信连接的总次数的比值，作为建链维持效率；

37、统计所述船舶的通信行为数据中，标识为重新建立连接的记录数量占所述船舶总通信记录数量的比例，作为链路重连倾向；

38、由所述建链维持效率和所述链路重连倾向构成所述船舶的建链特征向量。

39、优选的，所述计算所述船舶在候选通信区域内的通信节点权重的步骤包括：

40、获取所述船舶的建链特征向量与感知贡献度；

41、计算所述建链维持效率与所述感知贡献度的乘积，得到初步权重因子；

42、采用预设的补偿函数对所述链路重连倾向进行处理，得到稳定性补偿系数；

43、将所述初步权重因子与所述稳定性补偿系数相乘，输出为所述船舶在候选通信区域内的通信节点权重。

44、优选的，所述生成候选通信区域内的分层通信网络架构的步骤包括：

45、将候选通信区域内所有船舶按照其通信节点权重从高到低进行排序；

46、选取排序靠前且通信节点权重大于预设权重阈值的船舶，构成核心节点集合；

47、将剩余船舶中，与核心节点集合中任一船舶存在历史成功通信记录的船舶，构成稳定节点集合；

48、将所有既不属于核心节点集合也不属于稳定节点集合的船舶，构成边缘节点集合；

49、所述核心节点集合、稳定节点集合与边缘节点集合共同构成该候选通信区域的分层通信网络架构。

50、优选的，所述为处于不同层级的船舶分配合适的无线载波通信模式的步骤包括：

51、为属于核心节点集合的船舶分配协调式通信模式，在该模式下，船舶负责监听公共信道并协调稳定节点集合与边缘节点集合内船舶的通信请求；

52、为属于稳定节点集合的船舶分配辅助式通信模式，在该模式下，船舶在发起通信前需监听由核心节点集合船舶广播的信道状态信息；

53、为属于边缘节点集合的船舶分配自由竞争式通信模式，在该模式下，船舶采用基于载波感知的随机接入机制进行通信。

54、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

55、通过分析通信行为数据随时间分布的密集程度和变化剧烈程度，计算通信环境动态性指数，实现了对海域通信条件的量化评估。这种方法将通信区域的特性从静态的物理划分转变为动态的行为分析，使得网络构建的初始阶段就能精准响应真实环境的时变性。依据该指数筛选候选通信区域，能够主动避开通信环境过于不稳定或稀疏的区域，将组网资源优先集中于具有良好通信潜力的海域，为后续构建稳定的网络架构奠定了重要基础，提升了组网过程的智能化和前瞻性。

56、分别构建反映船舶感知行为特征的感知特征向量和反映建链行为特征的建链特征向量，并据此计算节点的感知贡献度和通信节点权重，实现了对网络节点的多维能力评估与综合赋权。这种机制创新地将节点的“感知”能力与“中继”能力解耦后再进行加权融合，使得节点权重的计算不仅考虑了其作为中继节点的连通性能，更强调了其作为感知节点对网络环境感知能力的贡献。依据此权重进行层级划分并生成分层通信网络架构，使得构建的网络不仅具有良好的连通性，更具备更强的环境感知能力和整体稳健性，优化了网络资源分配，提升了网络在恶劣海况下的生存能力和服务连续性。