葉蕭然，董慧敏

(河南理工大學(xué)鶴壁工程技術(shù)學(xué)院，河南 鶴壁 458030)

0 引 言

海上移動(dòng)通信包括衛(wèi)星通信、GPRS通信和短波通信等，其中，短波移動(dòng)通信是指通信頻率段在300 MHz以內(nèi)的近距離通信，短波通信往往發(fā)生在船舶之間、船舶與海岸之間，在這種近距離場(chǎng)景中，對(duì)通信質(zhì)量有較高的要求。隨著船聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，船舶移動(dòng)通信的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)迅速增加。一方面，數(shù)據(jù)量的飆升對(duì)于帶寬分配、通信資源的需求更高；另一方面，不同的船舶通信業(yè)務(wù)對(duì)于通信的傳輸速率、誤比特率也有不同的要求，這對(duì)船舶近距離短波通信系統(tǒng)提出了更高的挑戰(zhàn)。

本文針對(duì)海上短波通信的功率衰減等問(wèn)題，結(jié)合遺傳算法優(yōu)化海上短波通信的鏈路設(shè)計(jì)和功率控制，提高短波通信帶寬的利用率。通過(guò)建立系統(tǒng)模型，仿真測(cè)試驗(yàn)證了基于遺傳算法的短波通信功率控制技術(shù)的有效性。

1 海上移動(dòng)短波通信技術(shù)的發(fā)展和研究現(xiàn)狀

1.1 海上短波通信預(yù)約帶寬分配技術(shù)研究

針對(duì)海上船舶移動(dòng)短波通信的帶寬資源分配問(wèn)題，介紹預(yù)約帶寬分配技術(shù)。

預(yù)約帶寬分配是針對(duì)數(shù)據(jù)在短期迅速增加的場(chǎng)景，這種帶寬分配策略主要有帶寬申請(qǐng)、分配、執(zhí)行等多個(gè)階段。

短波通信的預(yù)約帶寬分配管理模型如圖1所示。

圖1 短波通信的預(yù)約帶寬分配管理模型Fig.1 Reservation bandwidth allocation management model for shortwave communication

短波通信的預(yù)約帶寬管理流程如下：

1）在海上船舶短波通信建立的初期，船舶信號(hào)發(fā)射端將通信請(qǐng)求發(fā)送至資源管理器，通信請(qǐng)求包含數(shù)據(jù)傳輸?shù)念?lèi)型、船舶移動(dòng)通信所需要的帶寬、時(shí)間要求等，通信請(qǐng)求的建立過(guò)程所需時(shí)間低于10 ms。

2）短波通信系統(tǒng)的資源管理器在接收到來(lái)自船舶終端的通信請(qǐng)求后進(jìn)行判斷，判斷的依據(jù)是資源管理器的控制算法。當(dāng)通信系統(tǒng)經(jīng)過(guò)判斷后允許船舶終端的通信請(qǐng)求，那么短波通信會(huì)進(jìn)入預(yù)約帶寬分配階段；如果通信系統(tǒng)沒(méi)有接受船舶請(qǐng)求，則系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)讀取下一條請(qǐng)求數(shù)據(jù)并進(jìn)行判斷[1]。

3）預(yù)約帶寬分配階段

在該階段，船舶會(huì)根據(jù)自身的通信需求，將需要傳遞的數(shù)據(jù)，比如業(yè)務(wù)的類(lèi)型、數(shù)據(jù)所占緩沖區(qū)的內(nèi)存、帶寬需求等發(fā)送給通信系統(tǒng)的資源管理器。資源管理器統(tǒng)籌兼顧不同船舶終端的通信需求，利用內(nèi)部的資源分配模塊對(duì)不同的需求進(jìn)行分析和判斷，結(jié)合分配算法為船舶短波通信分配帶寬。

4）船舶通信終端接收到來(lái)自資源管理器的帶寬分配信息，根據(jù)分配的帶寬發(fā)送和接收短波通信數(shù)據(jù)。

2 海上短波通信系統(tǒng)的信號(hào)功率衰減研究

海上短波移動(dòng)通信的信號(hào)載體為電磁波，電磁波在傳輸過(guò)程中不可避免會(huì)發(fā)生信號(hào)衰減。因此，通過(guò)鏈路設(shè)計(jì)和功率控制技術(shù)降低短波通信信號(hào)的衰減很有必要。

定義海上短波通信天線的信號(hào)發(fā)送功率為P0，信號(hào)的方向系數(shù)為D，建立距短波天線r0處的短波能量模型為：

短波能量密度S1為：

其中：Et，Ht分別為短波通信過(guò)程的電場(chǎng)和磁場(chǎng)強(qiáng)度，距短波天線r0處的短波能量模型Sr0為：

其有效值表示為：

圖2為海上移動(dòng)短波通信的信號(hào)衰減特性曲線。

圖2 海上移動(dòng)短波通信的信號(hào)衰減特性曲線Fig.2 Signal attenuation characteristic curve of maritime mobile shortwave communication

3 基于遺傳算法的功率與速率聯(lián)合控制技術(shù)

3.1 遺傳算法

遺傳算法是一種智能仿生算法，其基本環(huán)節(jié)如下：

1）初始種群編碼

初始種群編碼是將遺傳算法的輸入信號(hào)進(jìn)行編碼[2]，成為系統(tǒng)可識(shí)別的數(shù)據(jù)類(lèi)型，常用的種群編碼方式包括二進(jìn)制編碼、浮點(diǎn)編碼等。

2）適應(yīng)度計(jì)算

適應(yīng)度函數(shù)的作用是進(jìn)行種群個(gè)體粒子的判斷，在形成的初始化種群中，符合適應(yīng)度函數(shù)的個(gè)體將被保留下來(lái)，組建成新的種群；不符合適應(yīng)度函數(shù)的個(gè)體會(huì)被篩選掉。

適應(yīng)度函數(shù)模型可表示為：

其中：fi(i=1,2,3,..,N)為初始種群中個(gè)體的適應(yīng)度值；y(i)為第i個(gè)種群個(gè)體；c1,c2為學(xué)習(xí)因子；ωt為慣性權(quán)重值[4]；N為初始種群個(gè)體總數(shù)。

3）遺傳、交叉和變異

遺傳算法的遺傳、交叉和變異[3]是指從原始種群生成新種群的過(guò)程，可用函數(shù)描述如下：

遺傳算法的基本原理如圖3所示。

圖3 遺傳算法的基本原理Fig.3 Basic schematic diagram of the genetic algorithm

與其他智能算法相比，遺傳算法具有以下特點(diǎn)：

1）全局優(yōu)化能力

與普通的PID等算法不同，遺傳算法具有多點(diǎn)搜索功能，利用多種群和適應(yīng)度函數(shù)的篩選功能，遺傳算法能夠?qū)φ麄€(gè)搜索空間進(jìn)行有效的檢索，防止陷入局部最優(yōu)的盲區(qū)。

2）應(yīng)用范圍廣

與傳統(tǒng)算法相比，遺傳算法只需要在原來(lái)的評(píng)估機(jī)制上增加適應(yīng)度函數(shù)評(píng)估和種群迭代的算法，這一特性使得遺傳算法具有非常廣泛的應(yīng)用范圍，在多種系統(tǒng)控制場(chǎng)景中均能使用。

3）可擴(kuò)展性

遺傳算法具有良好的擴(kuò)展性，可從結(jié)構(gòu)上與PID控制算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法進(jìn)行結(jié)合和嵌套，提高控制系統(tǒng)的性能。

3.2 基于遺傳算法的短波通信系統(tǒng)鏈路設(shè)計(jì)和功率控制技術(shù)

針對(duì)海上短波通信系統(tǒng)的鏈路和功率控制優(yōu)化進(jìn)行研究，結(jié)合遺傳算法設(shè)計(jì)一套優(yōu)化控制邏輯，在控制過(guò)程中，定義數(shù)據(jù)幀和中斷率2個(gè)指標(biāo)作為通信系統(tǒng)性能的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

1）數(shù)據(jù)幀

海上移動(dòng)短波通信中，可以根據(jù)數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)別進(jìn)行數(shù)據(jù)幀傳輸，數(shù)據(jù)幀形式如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級(jí)別翻轉(zhuǎn)示意圖Fig.4 Schematic diagram of priority inversion of data frames

2）中斷率

海上移動(dòng)通信噪聲干擾工況較多，因此，短波通信系統(tǒng)要求具有最小的通信中斷率，即

式中：M為通信鏈路的個(gè)數(shù)；為第i次通信定義的閾值函數(shù)，表示為：

3）發(fā)射功率

發(fā)射功率一方面影響短波通信系統(tǒng)的整體能耗，另一方面會(huì)影響系統(tǒng)的信號(hào)強(qiáng)度，基于遺傳算法的短波通信優(yōu)化中，最小發(fā)射功率指標(biāo)為：

圖5為基于遺傳算法的短波通信系統(tǒng)功率優(yōu)化流程圖。

圖5 基于遺傳算法的短波通信系統(tǒng)功率優(yōu)化流程圖Fig.5 Power optimization flowchart of shortwave communication system based on genetic algorithm

3.3 基于遺傳算法的船舶短波通信功率控制仿真

針對(duì)本文提出的短波通信系統(tǒng)功率優(yōu)化控制算法，在Matlab平臺(tái)中進(jìn)行算法的仿真，部分初始條件如下：

1）遺傳算法的種群個(gè)數(shù)限制為100，交叉變異的概率為0.85；

2）學(xué)習(xí)因子為c1,c2分別取值0.45和0.46，慣性權(quán)重值ωt取0.8；

3）短波通信系統(tǒng)的最大發(fā)射功率43 dBm[4]，通信系統(tǒng)的帶寬5 MHz；

4）短波通信發(fā)射天線的增益9 dBi，信號(hào)接收天線的增益8 dBi。

圖6為仿真得到的短波通信信號(hào)中斷率優(yōu)化前后對(duì)比曲線，A為優(yōu)化前的曲線，B為優(yōu)化后的曲線，對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后短波信號(hào)中斷率明顯降低，優(yōu)化效果非常明顯。

圖6 短波通信信號(hào)中斷率優(yōu)化前后對(duì)比曲線Fig.6 Comparison curve before and after optimization of shortwave communication signal interrupt rate

4 結(jié) 語(yǔ)

海上短波通信是船舶進(jìn)行移動(dòng)數(shù)據(jù)收發(fā)的重要來(lái)源，本文結(jié)合遺傳算法，針對(duì)海上短波通信的特性進(jìn)行鏈路設(shè)計(jì)和功率控制的優(yōu)化。Matlab仿真結(jié)果表明，本文基于遺傳算法的短波通信控制技術(shù)具有較好的效果，能有效降低信號(hào)的中斷率。