0 引　言

海上环境复杂多变，船舶分布广泛且移动性强，加之船载设备种类繁多、数据传输量大，这些都给船用网络的稳定运行带来巨大压力。其中，网络拥塞是指网络中的传输流量超过网络的接收能力，导致网络传输速率下降、延迟增加和数据丢失等问题^[1]；这些问题不仅会影响船舶的通信效率，还可能对船舶的安全运行构成威胁。因此，需针对网络拥塞现象进行有效处理，以此避免通信过程中数据丢失，保证船舶通信的实时性^[2]。

国内外诸多相关学者对此展开研究。陈世河等^[3]深入研究深度学习算法，并用于网络拥塞控制中，保证网络在通信过程中满足通信的动态变化，避免网络发生拥塞；但深度强化学习需要大量的计算资源和时间来进行训练，计算成本高，降低网络的实时性。通信容量分配作为网络运行管理的一种有效措施，唐婧壹等^[4]将其用于网络管理中，然而当用户行为存在不可预测性以及信道质量的波动等，算法可能无法迅速调整通信容量的分配，导致网络拥塞调整性能下降。能量效率是用于衡量系统或设备对能量资源的利用效率的指标，因此，李信等^[5]在考虑能量效率的情况下，以实现网络通信能量效率最大化为核心目标，进行网络功率分配，以此提升网络的传输效率；但是通信设备的差异会导致算法在应用过程中的性能下降，功率分配效果不理想。

5G通信技术传输速率高、满足数个网络设备之间连接的需求，并且能够有效解决网络的传输效率；同时该技术具备内容分发网络，能够缓解网络拥塞，提升用户访问互联网的服务质量，提出了5G通信技术的船用网络防拥塞机制。

1 船用网络防拥塞机制 1.1 船用网络数据传输场景

船用网络需要覆盖船舶的各个区域，包括驾驶室、机舱、货舱、船员生活区等，以此确保船舶内部各个系统之间的信息交流和共享，确保船舶运营效率和安全。但是由于海上环境较为恶劣，同时并且网络设备的类别较多，应用需求较多，包括实时监控系统、导航系统、通信系统、娱乐系统等，它们都需要通过船用网络进行数据传输和共享，因此，会导致网络发生拥塞现象。船用网络数据传输场景如图1所示。

可知，监控系统、导航系统、通信系统、娱乐系统等多个发送端同时进行数据传输或者共享时，这些数据如果同时传送至总控中心时，即为发送至同一个接收端。如果各个发送端在进行数据传输时的平均发包速率用$ v $表示，交换机的每秒传输的数据包数量用$ N $表示，通信链路的缓冲区大小用$ B $表示，缓冲区中的缓冲数据队列长度用$ L $表示，则船用网络在当前通信时间$ t $下，$ L $的计算公式为：

$ L = Mvt - Nt。$

(1)

式中，$ M $为发送端数量。

船用网络在进行数据传输时，如果$ L $的结果和$ B $接近或者一致，则引发数据报丢失；并且$ M $的值增加后会导致$ L $也随之增加，此时则会导致网络发生拥塞。

1.2 基于5G通信技术的防拥塞机制 1.2.1 基于5G的船用网络设计和规划

基于5G通信技术对船用网络进行设计和规划时，以其网络切片技术为核心，实现带宽的动态分配，该分配的核心目的是依据传输流量需求完成带宽的实时调整。结合船用网络的场景情况，其传输流量需求即为缓冲数据队列长度$ L $，因为，缓冲数据队列长度$ L $是随着发送端数量的增加而增加的，因此，传输需求即为在满足多个传送段传输需求的前提下，最大程度降低缓冲数据队列长度$ L $。如果给定的网络切片用$ S $表示，其流量需求用f(L)表示，则带宽的计算公式为：

$ B\left( S \right) = \xi \times f\left( L \right) 。$

(2)

式中，$ \xi $为流量需求和带宽之间的关系系数。

为保证船用网络支持边缘计算和多接入边缘计算，网络规划时的物理布局以及资源位置选择尤为重要，因此，充分考虑多传送端的传送需求，将计算资源部署在接近传送端的位置，以此保证传送端在数据传输时的效率，降低传输时延。如果资源分配策略用$ C $表示，其公式为：

$ C = \frac{R}{d} 。$

(3)

式中：$ R $为计算任务量；$ d $为发送端和接收端的距离。

资源分配策略$ C $的计算结果即为船用网络5G规划依据，依据该策略确定船用网络中的服务区节点集合、交换机集合以及链路集合的部署情况，以此保证船用网络通信效果。船用网络规划结果如图2所示。基于5G的船用网络设计和规划后，该网络能够充分考虑网络传输流量、链路可用性以及服务器节点的可用水平，同时以实现时延最小化、网络负载均衡为核心，保证最佳的流量负载均衡，避免缓冲队列过长导致网络拥塞。

1.2.2 基于节点-链路控制的防拥塞传输

采用5G通信技术进行船用网络规划后，可将其通过有向图$ G = \left( {K \cup J,Z} \right) $表示，其中$ K $表示船用网络中服务器节点集合，$ J $表示交换机集合，$ Z $表示传输时网络链路集合。则交换机、链路以及节点的带宽分别为$ B\left( S \right) $、$ B\left( e \right) $、$ B\left( o \right) $，且任意数据流传输时占用的带宽用$ B\left( x \right) $表示。在5G通信技术下，每个网络切片均对应一条服务功能链，该服务链均可直接连接底层网络，以此满足多发送端的的业务需求。通过该网络进行通信时，除了考虑链路流量需求外，还需结合网络节点的处理性能，通过网络中的两条服务功能链满足发送端的发送需求。

为更有效地实现船用网络防拥塞，在规划后的网络中基于节点-链路控制进行其防拥塞处理。考虑节点在移动过程中，会对不同的交换机作为中继节点而进行区域的频繁覆盖，发送端在数据传输时以多径传输为主，一旦交换机发生能量受限，则会导致多个传输节点发生通信异常以及数据重传现象。因此，为更好避免船用网络发生拥塞，考虑节点随机失效的特点以及对通信和数据传输造成影响后链路的抖动情况，计算网络中当前存在的干扰噪声$ G\left( {{\varepsilon _k}} \right) $，其计算公式为：

$ G\left( {{\varepsilon _k}} \right) = \frac{1}{{\sqrt 2 {\text{π}} }}\exp \left( { - \frac{{\varepsilon _k^2}}{{2{\text{π}} }}} \right)B\left( e \right)。$

(4)

式中，$ {\varepsilon _k} $表示网络中的信道噪声频率。

采用差分的方式进行处理后得出其差分结果$ {\Delta _i} $：

$ {\Delta _i} = \frac{{{\rm d}\big[ {G\left( {{\varepsilon _k}} \right)} \big]}}{{{\rm d}{\varepsilon _k}}} 。$

(5)

当触发缓冲数据队列长度$ L $后，计算其传输次数，并保证其满足泊松分布，将该传输次数作为中继链路的控制度。如果$ L $的传输次数用$ q $表示，其计算公式为：

$ q = \frac{{{\mathrm{d}}\eta \left( \Delta \right)}}{{{\mathrm{d}}t}} > 0 。$

(6)

式中：$ \eta $表示标准正太分布；$ \Delta $表示信噪比设定阈值。

将$ q $作为链路控制度$ F\left( {{q_k}} \right) $进行链路通信控制，其计算公式为：

$ F\left( {{q_k}} \right) = \frac{{\Delta _i^k}}{{i!}}{e^{ - {\Delta _i}}} 。$

(7)

式中：$ ! $表示阶乘运算；$ {e^{ - {\Delta _i}}} $表示导数。

如果节点触发式(7)后，则表示该节点能量受限，发生通信拥塞，此时对船用网络中各个节点的功率$ {P_n} $进行计算，并获取其均值$ \bar P $，其计算公式为：

$ \bar P = \frac{1}{n}\sum\limits_{i = 1}^n {{P_n}}。$

(8)

式中：$ n $表示节点数量。

依据式（8）获取$ \bar P $后，对网络中的交换机节点进行遍历，将其功率低于$ \bar P $的交换机中继节点删除，与其连接的链路即为中断状态。如果第$ i $个中继节点处于中断状态，则与交换机处于链接状态的其他节点需进行数据的重新传输。依据$ \bar P $的计算结果对节点进行判定，同时可结合该结果设定节点临界功率值，当节点的功率超过临界值后则进入休眠状态并进行能量补充，再依据资源分配策略$ C $进行资源分配，以此有效降低船用网络的拥塞现象，提升网络通信效率和可靠性。

2 性能测试与分析

以某船务公司船舶网络为例展开研究，该网络体系整体包含船上网络和岸上网络，其中岸上网络为公司总控中心。该船务公司初始网络中，船用网络使用的为4G无线网络、岸上网络为有线网络，通过文中的5G技术对网络结构进行优化后，通过部署兼容天线、5G路由器以及万兆工业交换机，并且增加多个无线路由节点，可利用5G通信技术的低时延优化网络结构，规划后测试船舶网络组成结构如图3所示。

为验证本文机制对应拥塞的处理效果，网络中存在不同程度负载时，通过该机制进行防拥塞处理后，获取网络中各个节点的拥塞程度，该结果采用网络拥塞窗口大小描述，测试结果如表1所示。可知，网络节点负载程度不断增加，通过文中机制进行防拥塞处理后，拥塞窗口大小明显降低，最大值仅为151.6 kB，明显低于原始网络的拥塞窗口大小，有效避免网络发生拥塞，保证通信效率。

为进一步验证文中机制对于防拥塞的应用效果，本文采用网络碰撞概率作为评价指标，该指标是用于描述网络传输中，多个信号或数据包在同一时间或同一信道上发生冲突或相互干扰的概率，能够反映网络的拥塞情况，利用文中机制进行网络的防拥塞处理后，通过上述公式获取在不同发送终端数量下，进行不同大小数据包传输时，网络碰撞概率测试结果，期望标准低于0.2，测试结果如图4所示。分析可知，通过文中的5G通信技术进行船用网络的防拥塞处理后，网络在不同发送中断数量下，进行不同大小数据包传输时，网络碰撞概率的测试结果整体呈现缓慢上升趋势，即使在进行500 MB大小的数据传输时，网络碰撞概率值均在0.15以下，依旧满足期望应用标准。

3 结　语

船用网络的通信效果对于船舶航行安全、航线控制等具备重要作用，一旦网络中发生拥塞，会导致航行数据、控制指令以及岸上控制中心和船上执行中心之间的交互受阻。因此，本文研究5G通信技术的船用防拥塞机制，对该机制的应用效果进行相关分析后得出，该机制应用后可有效降低通信时的拥塞窗口大小，降低多个发送端在传输时的网络碰撞概率，保证网络通信安全和效率。