0 引　言

舰船网络通信接口作为数据传输的关键环节，其功耗不仅直接影响到舰船的整体能源利用效率，还关系到舰船的持续作战能力和维护成本，成为影响舰船能源管理和作战效能的关键因素。通过对舰船网络通信接口的数据传输功耗进行准确预测，为舰船能源管理系统提供科学依据，优化能源分配策略，降低舰船通信网络的整体能耗，提高能源利用效率^[1-2]。

朱智宇等^[3]设计了低功耗数据恢复电路，通过压控振荡器和压控振荡器缓冲电路协同调谐方式，减小时钟缓冲电路功耗。但是该电路并未考虑热噪声、闪烁噪声等噪声的解决问题，影响数据恢复电路的信噪比和性能稳定性。Hussein等^[4]研究了分布式节能数据缩减方法，通过数据预测识别数据冗余和可预测部分，从而减少不必要的数据传输。通过在网络多个节点上实施预测和压缩技术，更有效地管理能源使用，提高网络能效。数据压缩和预测过程可以在本地设备上完成，提升数据安全性。但是数据压缩和解压需要一定时间，会增加数据传输延迟。使用有损压缩技术时，需要权衡压缩效率和数据质量之间的关系。避免过高的压缩率导致数据质量显著下降，影响数据决策效果。张立国等^[5]人针对解调芯片设计了高速通信接口，采用AXI4总线接口代替传统的UART接口，提高数据传输效率。高速通信接口设计使得CPU与HART调制解调芯片之间的数据交互更加迅速，有助于提升整个工业自动化系统的响应速度和性能。但是高速通信接口设计涉及到与传统通信接口的兼容性问题。如果新设计的接口无法与现有设备完全兼容，将导致额外的适配工作或升级成本。王桂发等^[6]将双电平脉冲宽度调制技术应用于通信中，通过精细控制脉冲的宽度编码信息，保持较高数据传输速率的同时，利用LED的输入输出特性曲线的线性区域，提高传输效率。但是可见光通信的传输距离受光波长的限制，仅适用于短距离通信场景，无法应用于长距离或需要穿越障碍物的通信需求，为此本文构建一种适用于舰船网络通信接口的数据传输功耗预测模型，综合考虑网络接口的数据传输特点以及外部环境等因素，提升数据传输功耗预测精度。

1 通信接口数据传输功耗预测模型 1.1 舰船网络通信接口数据传输模型

采用万兆光纤以太网进行舰船网络通信接口的数据传输。舰船网络通信接口数据传输模型的总体结构如图1所示。数据传输模型的传输层、网络层、数据链路层以及物理层，利用光纤UDP、IP协议栈进行网络通信接口的数据传输。利用物理层接入物理信号，物理层负责舰船网络通信数据的高速串化与解串。利用数据链路层连接介质无关接口，对链路数据检错处理。利用逻辑模块实现IP、ARP通信协议的解析功能。利用逻辑模块进行UDP协议解析，利用解析结果。舰船网络通信接口位于数据传输模型的数据链路层，作为光导纤维媒介，实现舰船网络的数据传输。

1.2 考虑温度变量的接口功耗模型

通信设备中的电子元件对温度非常敏感。温度的变化会直接影响通信接口等电子元件的性能，导致通信信号的误差率增大，特别是在高速传输的舰船网络通信设备中，温度的微小变化都可能引起信号的失真和传输性能的下降。温度还会影响舰船网络通信接口的功耗和能效。当舰船网络通信接口温度过高时，功耗会增加，从而影响舰船网络的运行稳定性和寿命。由动态功耗、空闲功耗以及泄露功耗，组成了数据传输的总功耗，其表达式如下：

$ {P_j} = {P_1} + {P_2} + {P_3} 。$

(1)

式中：P₁与P₂分别为通信接口的动态功耗以及空闲功耗，其中P₂为固定常数；P₃为通信接口的泄露功耗。

舰船网络通信接口数据传输的动态功耗，与舰船网络通信的传输任务相关，其表达式如下：

$ {P_1} = a{U_1}。$

(2)

式中，$ a $与U₁分别表示拟合系数以及舰船网络通信接口的利用率。

舰船网络通信接口数据传输的泄露功耗，由舰船网络通信接口硬件的泄露电流产生，与接口内部的载流子运动相关，由舰船网络通信接口温度决定。利用与舰船网络通信接口温度$ T $相关的指数形式，表示泄露功耗的表达式如下：

$ {P_3} = {b_0}\exp \left( { - \frac{{{b_1}}}{T}} \right)。$

(3)

式中，b₀与b₁均为利用舰船网络通信接口测量数据相关的拟合系数。

将式（2）、式（3）代入式（1）中，即可获取最终的考虑舰船网络通信接口的温度变量的数据传输功耗。

1.3 基于指数平均的数据传输功耗预测模型

基于舰船网络通信接口数据传输的总功耗组成，利用指数平均预测算法，构建数据传输功耗预测模型。指数平均预测算法预测舰船网络通信接口数据传输功耗的表达式如下：

$ {T_p}\left( {n + 1} \right) = wT\left( n \right) + \left( {1 - w} \right){T_p}\left( n \right)。$

(4)

式中：T_p(n)与T_p(n+1)分别为第n次以及第n+1次空闲时间的通信接口功耗预测值；T(n)与$ w $分别为空闲时间的通信接口功耗实际值和权重系数。

指数平均预测算法假设舰船网络通信接口的空闲时间局部相关。舰船网络通信接口空闲时间起伏较大时，通信接口数据传输的功耗预测结果，容易存在较大的偏差。引入微分调节因子$ \xi $，优化指数平均预测算法，以适应舰船网络通信接口的空闲时间突变状况。优化后指数平均预测算为：

$ {T_p}\left( {n + 1} \right) = \xi \left( {wT\left( n \right) + \left( {1 - w} \right){T_p}\left( n \right)} \right)。$

(5)

利用舰船网络通信接口数据传输的实际应用环境，设置通信接口电压比值上限与比值下限。利用与T_p(n)和T(n)相关的函数，设置权重系数$ w $。利用权重系数衡量通信接口功耗预测真实值与预测值的偏离程度，其表达式如下：

$ w = \frac{{\left| {T\left( n \right) - {T_p}\left( n \right)} \right|}}{{\max \left( {T\left( n \right),{T_p}\left( n \right)} \right)}}。$

(6)

利用所获取的权重系数，提升舰船网络通信接口数据传输功耗预测的自适应性。利用以上过程，实现舰船网络通信接口功耗的可靠预测。指数平均预测算法能够自动识别舰船网络通信接口数据传输模式的变化并加以调整，适用于预测舰船网络通信接口数据传输功耗。所构建模型对于不同时间的通信接口数据传输功耗，给予非等权处理，更符合舰船网络通信的实际情况，更有效地反映通信接口数据传输的变化趋势。

2 模型性能测试与分析

为了验证所构建模型对舰船网络通信接口数据传输功耗预测有效性，选取某舰船通信网络作为研究对象，测试所构建模型的功耗预测有效性。该舰船选取KRJ-017NL RJ45网络通信接口，作为该舰船网络的通信接口。

舰船网络通信运行固定数据传输任务时，呈现波动状态。此时通信接口功耗稳定在固定数值，存在不同幅度的短时波动。舰船网络波动状态时，通信接口数据传输的信号如图2所示。通信网络以阶跃状态运行时，表示通信网络出现任务增减或负载迁移情况。此时通信接口的数据传输功耗呈现大幅度的阶跃变化。上升沿的运行电路图如图3所示。分析图2与图3的舰船网络通信接口数据传输的信号图，波动状态时与阶跃状态时，通信接口数据传输的信号波形发生了明显的变化。实验结果说明该舰船通信网络，能够实现不同数据传输状态的可靠通信。

统计舰船网络通信接口，在不同温度时的波特率，统计结果如图4所示。可以看出，温度变化时，舰船网络通信接口数据传输的波特率存在明显的变化，表明温度变化能够影响舰船网络通信接口数据传输功耗。本文模型能够有效预测不同温度变化时，舰船网络通信接口数据的功耗情况，充分考虑了温度变化对通信接口数据传输功耗的影响，提升了功耗预测的自适应性，使功耗预测结果的与实际结果更加相符。

设定舰船网络通信接口的波特率为1.2 Mbit/s，调节舰船网络通信接口的电阻值大小。统计采用本文模型预测静态时以及数据传输2种不同情况时，通信接口数据传输的功耗，预测结果如表1所示。可以看出，本文模型能够有效预测舰船网络通信接口的数据传输功耗。本文模型在舰船通信网络接口为静态以及数据传输状态下，均能够有效预测数据传输功耗。实验结果验证本文模型适用于舰船网络通信的功耗管理等应用中，具有较高的可靠性。

统计采用本文模型预测舰船网络通信接口数据传输功耗，与实际数据传输功耗的均方误差。统计结果如图5所示。可以看出，采用本文模型预测舰船网络通信接口数据传输功耗，其均方误差均低于0.04。本文模型能够将数据传输功耗预测的均方误差，保持在较低范围内，验证本文模型具有较高的可靠性，能够适应舰船网络执行不同类型的数据传输通信任务时，接口数据传输的功耗变化。

3 结　语

通过舰船网络通信接口数据传输功耗预测，舰船指挥官和工程师，可以更加精确地评估网络通信接口的功耗需求，从而制定合理的能源管理计划。所构建模型在预测精度上达到了预期目标，能够准确地反映不同数据传输条件下舰船网络通信接口的功耗特性，为舰船能源管理和作战效能提升提供有力支持。随着新的接口标准和协议不断涌现，如何将这些新技术纳入模型中，进行功耗预测和优化，是未来的重要研究方向。