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基于遗传算法的野战通信网频率指配方法研究

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2010年l2月 舰船电子对抗 SHIPB()ARD ELECTRONIC C0UNTERMEASURE r1)ec.2Oi0 Vo1.33 NO.6 第33卷第6期 基于遗传算法的野战通信网频率指配方法研究 霍景河 ,易晓蓉 ,古 丛 (1J装甲兵¨1=程学院,北京100072;2.总参通信训练基地,宣化075100) 摘要:随着信息化、数字化建设的迅速展开,越来越多的用频设备将投入到战场上,要想有效发挥用频设备的战 斗力,必须通过有效手段统一规划战场频率资源,做到合理、有序用频。引入智能优化算法一一遗传算法应 于野 战通信网频率指配中,并根据野战通信网用频特点对算法进行改进,最后对算法进行仿真,取得了很好的结果。 关键词:遗传算法;频率指配;野战通信网 中图分类号:TN917.111 文献标识码:A 文章编号:CN32—1413(2010)06—0049—05 Research into Frequency Assignment Method of Field Operation Communication Network Based on Genetic Algorithm H UO J ing-he ,YI Xiao—rong ,GU Cong (1.Academy of Armored Force Engineering,Beijing 100072,China 2.Communication Training Base of General Staff,Xuanhua 075100,China) Abstract:With the rapid development of informationization and digitization construction of army, more and more equipments using frequency will be put into the battlefield.To exert the combat ef— fectiveness of equipments using frequency effectively,it is necessary to plan the frequency resources in battlefield by available means in order tO use frequency rationally and orderly.This paper intro— duces an intelligent optimization algorithm~genetic algorithm.applies the algorithm into the fre— quency assignment of the field operation communication network,and improves the algorithm ac— cording to the frequency usage characteristics of field operation communication network,lastly sire— ulates the algorithm and acquires a good result. Key words:genetic algorithm;frequency assignment;field operation communication network 0 引 言 信息化作战的突出特点是在有限地域内存在大 量用频设备,这必将造成信息设备用频冲突、频率资 源紧张、电磁环境恶化等问题,导致无法达到通信联 络迅速、准确、保密、不间断的要求。 解决上述问题的有效途径是确保信息设备合 1 野战通信网频率指配问题及建模 野战通信网广泛实施机动,通信节点转移频繁, 通信联络主要在运动中实施。无论采用TDM组网 或是分组无线组网,同一时刻每个子网络只有一个 发射台站在发射,其余台站均处于接收状态。野战 通信网频率指配传统的方法是采用人工分段划分 理、有序用频,要想做到这一点必须通过科学、有效 的频率指配手段来实现。根据野战通信网用频情 况,结合野战通信网机动性强、作战实施持续时间短 法、交叉划分法、编组划分法分配频率,费时费力,难 以适应信息时代高技术战争的要求和日趋复杂的战 场电磁环境。目前主要采用科学的算法进行频率指 配,本文引入一种在移动蜂窝网频率分配中广泛应 用的优化算法——遗传算法。 等特点,本文将就野战通信网的频率指配问题做有 意义的探讨。 收稿日期:2009—11—30 50 舰船电子对抗 第33卷 频率指配过程中需要进行电磁兼容性分析,在 实际运算过程中,可以用约束条件来模拟干扰分析, 2 基于遗传算法的野战通信网频率指配 2.1 基于遗传算法的频率指配方法设计 (1)适应度函数的设计 将设备之间的干扰转化为频率指配约束条件,通过 设置约束条件来避免干扰的产生。将各种干扰产生 的约束条件归纳为一系列等式或不等式来建立数学 模型,在一定的下求解数学模型,搜索最优的频 在基于遗传算法的频率指配运算中,搜索目标 是求违反干扰约束条件最少的频率组合,即目标值 小的个体的适应度就大。根据频率指配数学模型的 分析知道,违约总数就是一种最简单的代价函数 率指配方案。 如果, 和-厂 分别代表发射机i和J的频率,可 以用下列形式的约束条件来描述野战通信网对频率 的要求: (1)同频约束条件 若发射机i,J之间的距离小于D ,,则: / ≠/ (1) 式中:Dcc,为不产生同干扰的最小间隔距离。 (2)邻频约束条件 I 一厂,I> ×B (2) 式中: 为信道问隔数;B为信道间隔频率值。 (3)互调成分约束条件 当2个或多个信号作用于非线性电路时,会产 生互调成分,无论远区还是近区发射机应当避免使 用互调关系的频率,其约束条件是: 2fi—fJ=/- ,三阶I型互调 (3) 或: , +/ 一 ≠_厂r,三阶Ⅱ型互调 (4) (4)同址约束条件 有些情况下,在某一小范围内可能集中了几个 通信网的通信设备或者在同一辆指挥车内配备了多 部通信设备,这些节点上的通信设备工作频率必须 满足同址约束条件,而同址约束条件同样是由同频、 邻频、互调等约束组成。 频率指配问题可以归纳为在以上条件的约束 下,寻找使得总的干扰代价最小的频率指配方案。 则频率指配问题可以归结为如下数学模型: minE(f)。 总干扰代价函数E(厂)是为整个频率方案中违 反同频干扰、邻频干扰及互调干扰约束等条件的情 况求和。违约总数是一种最简单的代价函数E(,’) 的构造形式,实际工程中可以根据具体要求给各种 违约数加权,比如对互调违约给予较大的权重,在所 得频率方案中就会尽量减少互调干扰的发生。 E(_厂)的构造形式,假设有M个可用频率信道,所有 可选方案用FM表示,则f为其中一个频率指配方 案。那么可以设计适应度函数F(厂)如下: F(J )一 ,,E FM (5) 从干扰和约束条件的分析中知道在野战通信网 中主要考虑同频干扰、邻频干扰和互调干扰,并根据 战场用频实际情况在频率指配中给约束条件选择权 重,代价函数E(1厂)可以表示如下: E(,)一a∑c,+卢∑A +y∑ (6) 式中:a,口,y分别为同频干扰、邻频干扰和互调干 扰的权重系数;C ,A,,M分别为频率方案中违反 同频干扰、邻频干扰和互调干扰约束数。 如果频率方案采用信道序号形式,则表达式 如下: C :::』l , 0,d d 一0≠0 ( E[-1,N], E( ,N])(7) ( E[1,N3, E N])(8) M一{‘ 【1o,d,“ ( , , , ∈[1,N],£≠J, ≠72), . ≠  (9) 式中:d ,d 和d…分别为频率方案中任意2个信 道的频率差值;N为需指配的信道总数;z为邻频信 道最小间隔。 (2)编码方案 对于频率指配问题,若网络节点需要指配的频 点数量为N,则每个个体基因长度为N。个体编码 采用无符号整数,个体中每个基因对应可用频段范 围内的一个信道序号,即个体采用可用频段内信道 序号进行编码。如果某频率指配中有2 320个信道 可用,个体中基因长度为32,那么个体就是由l到 2 320中的32个整数组成。这样用信道序号对个体 编码,表示直观,易理解。 第6期 霍景河等:基于遗传算法的野战通信网频率指配方法研究 51 (3)种群初始化过程设计 束条件较多,若不进行回退,则算法在产生无效个体 后将不断地执行变异操作,直至产生有效个体为止, 从而使算法的执行速度受到影响。 算法终止的判断标准:经过若干代后,适应度一 种群初始化设计中,种群的个体采用rand()函 数在可用频道中随机抽取。对不同约束条件设置不 同的变量,如频率范围、频率间隔、是否使用禁用频 率等对应计数器变量。在每次产生个体后,若各计 数器值都为0,则个体有效;否则无效,并通过循环 控制语句重新生成个体并做判断。这样随机产生了 直都没有变化,则跳出循环输出对应的个体值。 这样,就产生了对环境适应能力较强的后代。 从问题求解角度来讲,就是选择出和最优解较接近 初始解(第0代)。问题的最优解将通过这些初始解 进化而求出。 (4)选择操作设计 选择操作设计时采用适应度比例选择,即轮盘 赌选择,此方法可使适应度较低但含有优良基因的 个体也有被选中的机会。在该方法中,每个个体的 选择概率(被选中的概率)与其适应度成正比。假设 种群规模数为N,种群中第 (i一1,2,…,N)个个 体的适应度为 ,则第 个个体的选择概率P 为: P 一1 ,i一1,2,…,N (10) ∑ 』=1 适应度比例选择的算法具体设计实现是:在[O, 1]区间产生一个随机数r,对P 从零开始进行累 加,当满足条件∑P,<r≤∑P,时,则停止累加,并 J一1 J一1 选择第i个个体作为选择操作的结果。 (5)交叉操作设计 野战通信网频率指配算法中,交叉操作采用单 点交叉,主要是为了减少交叉操作对高适应度个体 的破坏。指配中含有较多约束条件,频繁的交叉操 作将产生大量无效个体;交叉操作的设计中还采用 了交叉点存储的方法。该方法将已进行过交叉操作 的交叉点存储起来,在产生有效个体前的每次交叉 操作中,若交叉点已产生过,则不执行交叉操作,故 可避免对已知的无效交叉点进行重复的交叉操作, 从而提高遗传算法的执行速度。 (6)变异操作设计 变异操作设计中采用基本位变异,可以减少变 异操作对高适应度个体的破坏。由于频率指配中含 有较多约束条件,如果频繁的变异操作将产生大量 无效个体。变异设计中,对约束条件的处理采用了 与种群初始化过程中类似的方法。同时在设计中采 用了回退的方法,在个体进行可能的变异操作前对 个体进行备份,当变异操作产生无效个体时算法进 行回退,个体恢复为变异操作前的个体。因变异率 P 一般都很小,在0.001~0.01之间,且规划中约 的中间解。 2.2 算法改进 遗传算法应用于野战通信网频率指配能够按预 期的要求在全局范围内找到最优解,取得较好的优 化效果。但对于大规模频点指配,遗传算法的运算 速度慢,效果不好,在指配过程中有时会出现早收敛 现象。针对遗传算法在野战通信网频率指配应用中 出现的问题,下面对其进行改进。 (1)贪婪算法的引入 在种群初始化过程中引入贪婪算法,使得局部 较优秀个体作为第0代群体。在遗传算法中由于初 始种群选择对全局搜索效率具有一定影响,因此引 入贪婪算法有目的地引导初始种群产生,改进遗传 算法中随机产生种群的方法。贪婪算法是一种解决 最优化问题的近似方法,采用逐步构造最优解的方 法,即在每个阶段,都做出一个看上去最优的决策 (在一定的标准下)。做出贪婪决策的依据称为贪婪 准则,也称贪婪因子。在种群初始化过程中希望所 选种群都具有较高的适应度,因此将适应度作为贪 婪因子,在种群初始化搜索过程中要求下一步得到 的个体适应度高于上一步的,这样由引导产生的种 群适应度明显高于随机产生的种群。尽管将贪婪算 法应用于种群初始化过程,但它并未影响整个算法 的全局收敛性。 (2)适应度函数的线性变化 为了避免搜索过程中出现早收敛现象,对适应 度函数进行线性尺度变换。对适应度函数进行尺度 变换的目的是减小种群中个体适应度值的较大差 异。针对这种情况设计新的选择压力表达式,即适 应度线性尺度变化。 线性尺度变换公式为: f 一af+b (11) 式中: 为原适应度;f 为变换后的适应度;n和b为 系数。 对于适应度尺度,要求变换后的适应度平均值 仍然与原适应度平均值保持相等。 52 (3)分割分步法 舰船电子对抗 第33卷 位为15,有6o个频道需要指配,则这6o个频率将 被分割为4组,每组含有频率数为15。然后按分组 针对较大数量的频率指配问题运算效果不佳的 情况,采用分割分步的方法提高运算效率,使得每次 进行指配的频率数均较小,从而提高程序的执行速 度。分割分步法的思想为:先确定1个分割单位,如 以15或20个频率为1个分割单位,若进行规划的 O 0 瑚 O O O 0 0 0 ㈣∞ 顺序分别对这4组执行频率指配运算。 3 算法仿真 (1)假设为某团定频网指配频率,网中需指配 频率数大于分割单位,则以分割单位对这些频率进 行分割,然后对分割后的不同组按分割顺序分别根 据步骤执行不同情况下的频率指配。如,设分割单 的频点数为14,需要指配主备用频率方案,可用频 率范围内有2 320个信道,信道间隔为25 kHz。用 Matlab 7.0仿真频率指配算法如图1所示。 {塑 刨 一 毯 !}受 !j粤 5(】1O0】50 200250300 3 5()400450 5O0 10 50 lO0 l50 200 250 300 350 400 450 500 运算代数 (a)改进前 运算代数 (b)改进前 图1算法改进前后仿真图 为了便于说明频率方案的电磁兼容性,仿真图 的纵坐标表示频率方案的违约总数,横坐标表示运 信道,信道间隔为25 kHz。 对于较大数量的频点指配采用分割分步法,以 32个频点为一个分割单位,256个频点分为8个分 割组,对应的2 320个信道也分为8个段,针对每个 算的代数。改进前后对比可以看到改进后,每一代 中个体适应度差异减小,运行到500代时可以看出 改进后的运算效率更高。 (2)为某战术跳频网指配频点,该网采用256 个频点完成跳频组网,可用频率范围内有2 320个 段采用基于改进遗传算法的频率指配方法,采用改 进后的方法具体指配方案如表1所示。 表1 某野战跳频网频率指配方案 分割频段 1~29O 291~580 指配信道号 257,266,268.28,5,279,14,83,167,186,54,215,116,2,231,45, 耗时(s) 14 违约数 34 201,66,174,152,124,7,286,249,128,273,23,276,3O,51,120,282 359,497,516,457,552,559,346,313,307,293,575,395,571,356,495,545, 12 577,569,567,296,335,484,298,540.343,305,526,461,413,318,422,399 633,867,614,641,?42,846,690,806,?60,813,663,779,858,851,?46,583, 33 581~870 588,707,622,608,586,592,830,792,789,597,703,848,599,673,843,869 911,1 034,1 014,874,1 086,1 152,1 155,1 125,1 i57,971,1 075,1 000,1 159, 871~1160 1 1l9,976,1 011,907,909,881,890,1 114,958,1 062,927,880,969,1 140, 1 149,921,1 003,944,902 1 382,1 326,1 345,1 440,1 206,1 446,1 370,1 182,1 430,1 217,1 444,1 437, 1 161~1 45O 1 448,1 259,1 168,1 215,1 442,1 166,1 378,1 193,1 272,1 178,1 239,1 163, 11 34 16 36 10 33 1 315.1 410,1 295,1 188,1 224,1 423。1 298,1 341 1 671,1 704,1 717,1 687,1 642,1 721,1 639,1 456,1 578,1 465,1 480,1 570, 1 451~1 740 1 457,1 595,1 567,1 467,1 511,1 475,1 653,1 515,1 699,1 669,1 724,1 454, 11 37 1 603,1 534,1 506,1 709,1 693,1 553.1 477,1 721 1 906,1 824,1 755,1 942,1 899,2 025,2 029,1 775,2 002,1 846,2 011,1 920, 1 741~2 030 1 862,1 746,1 753,1 820,1 750,1 961,1 836,1 778,2 019,2 009,2 0}7,1 805, 1 909,1 784,1 772,1 974,1 953,1 767.1 748,1 979 2 033,2 044,2 048,2 318,2 279,2 268,2 041,2 218。2 204,2 257。2 247,2 058, 2 O31~2 32O 2 276,2 289,2 310,2 192,2 176,2 232,2 274,2 053,2 076,2 127,2 189,2 305, 2 081,2 093,2 314,2 031,2 165,2 298,2 099,2 130 13 34 12 35 第6期 霍景河等:基于遗传算法的野战通信网频率指配方法研究 53 (上接第44页) 自检)、设备的状态(关机、就绪、发射、故障)、无源干 (b)遥控方案。当雷达侦察设备接收到TE一06 扰装弹/余弹情况。该项数据的传送时机: 后,遥控主站下达发射/停止命令。 (a)遥控受控站有请求时( FE一01),电子对抗系 (4)雷达侦察设备向遥控受控站传送天线指向 统自动应答。 数据的设定 (b)电子对抗系统改变工作状态后或设备关 按照目前已装备的电子对抗系统组织对抗,均 机、故障出现时,雷达侦察设备应自动向遥控受控站 需要有源干扰机天线的指向。因而雷达侦察设备汇 传送信息。 集有源干扰设备的天线指向数据后,按下述约定向 (c)有源干扰发射/停止,无源干扰发射后,均 遥控受控站传送: 自动向遥控受控站传送信息。 (a)电子对抗系统全部开机后,在收到遥控受 控站送来的要求回告系统工作状态指令(TE一01) 5 结束语 后,在传送电子对抗系统的工作状态回告(ET一01) 现代高技术战争对现代雷达和电子埘抗系统提 之后,接着送一次天线指向(ET一02)。 出了更加严酷的要求。随着现代技术的发展,导弹 (b)当雷达侦察设备接收到信号,无论在自动 与电子对抗系统的对抗效果问题日益严重。要解决 引导、人工告警引导、人工引导或遥控受控站送来目 这个问题,传统方法已经不能满足要求,靶船安装电 标指示时,雷达侦察设备分配给干扰手段后,接收到 子对抗系统成为必然。本文通过对国外靶船电子对 有源干扰设备送来的天线到位后的天线指向数据, 抗系统情况的分析,结合本人对电子对抗系统使用 自动传送1次(ET一02)天线指向数据。 的理解,探索性地提出了靶船电子对抗系统遥控设 (c)有源干扰设备在任何工作过程中(包括系 计的一些想法,为将来靶船电子对抗系统遥控技术 统处在“”状态),只要天线指向改变(在规定的 的实现提供借鉴。 内容差范围外,例如容差可以是天线的波束宽度), 就向雷达侦察设备传送天线指向数据,雷达侦察设 参考文献 备则自动向遥控受控站传送1次天线指向数据。 [1]赵国庆.雷达对抗原理[M].西安:西安电子科技大学 (5)电子对抗系统工作状态传送设定 出版社,1999. 电子对抗系统工作状态的数据,主要是有助于 [2]李朝青.单片机原理及接VI技术[M].北京:北京航空 了解电子对抗系统中系统的工作状态(、引导、 航天大学出版社,1999. 

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