基于遺傳算法的通信電平頻率指配方法

基于遺傳算法的通信電平頻率指配方法

信息作戰(zhàn)的顯著特點是，在有限的區(qū)域內(nèi)有大量使用頻率設(shè)備，這將不可避免地導(dǎo)致信息設(shè)備中頻率沖突、頻率資源緊張、磁體環(huán)境惡化以及通信條件差等問題，從而無法滿足快速、準(zhǔn)確、保密和停止通信的要求。目前,我軍通信電臺的頻率使用在訓(xùn)練、演習(xí)、保障過程中,依然采用傳統(tǒng)的頻率指配方法,如人工分段劃分法、編組劃分法、交叉劃分法等,這些方法雖然能在一定程度上解決戰(zhàn)場電臺用頻時的電磁兼容問題,但面對當(dāng)前信息化水平越來越高的戰(zhàn)場實際,這些傳統(tǒng)方法在實時性、高效性和穩(wěn)定性上都很難滿足需要,難以適應(yīng)信息時代高技術(shù)戰(zhàn)爭的要求和日趨復(fù)雜的戰(zhàn)場電磁環(huán)境。為解決上述問題,確保通信設(shè)備合理、有序用頻,必須通過科學(xué)、有效的頻率指配手段來對戰(zhàn)場通信裝備頻率進(jìn)行規(guī)劃。本文根據(jù)我軍通信電臺的用頻情況,結(jié)合通信電臺的工作特點,采用一種應(yīng)用較為廣泛的優(yōu)化算法——遺傳算法對我軍通信電臺在執(zhí)行演習(xí)、訓(xùn)練等任務(wù)時進(jìn)行頻率指配。1立法的頻率指配法本文所要解決的頻率分配問題是對我軍戰(zhàn)場上的所有通信電臺根據(jù)其實際參數(shù)進(jìn)行分類,分出短波和超短波電臺,假設(shè)短波或超短波波段共有N個通信電臺,每個電臺都有各自的一段可用頻段。頻率指配所要解決的問題是如何在每個電臺的可用頻段內(nèi),依據(jù)電磁兼容原則選取可用頻點分配給各個電臺使用。具體表示如下:設(shè)短波或超短波波段有N個電臺,第i(i=1,2,…,N)個電臺的可用頻段為(fiLLi,fiHΗi),fiLLi為起始頻點,fiHΗi為終止頻點。設(shè)電臺在頻段內(nèi)的頻率間隔為Δf。則第i個電臺在其可用頻段內(nèi)可選擇的頻點是(fiLLi,fiLLi+Δf,fiLLi+2Δf,…,fiHΗi)。這樣如果在各自頻段內(nèi)為每個電臺隨機地分配了工作頻率之后就可以得到一個所有電臺的頻率組合:(f1,f2,…,fi,…,fN),其中fi∈{fiLLi,fiLLi+Δf,fiLLi+2Δf,...,fiHΗi},表示分配給電臺i的工作頻率。頻率指配的目的就是找到這樣的一系列頻率組合,使電臺按照所分配的頻率工作時相互之間是否能兼容工作。因此,對電臺同時工作時電磁兼容性進(jìn)行分析,通過設(shè)置約束條件來避免干擾的發(fā)生,對違反約束條件的約束數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計,建立數(shù)學(xué)模型如下:(1)正交同頻干擾afi,fj的計算A(fi,fj)={1fi=fj且di,j<D0其余(i,j∈[1,N])A(fi,fj)={1fi=fj且di,j<D0其余(i,j∈[1,Ν])其中,D為兩電臺間不產(chǎn)生同頻干擾的最小間隔距離,di,j為兩電臺工作時實際物理距離,N為需指配的信道總數(shù)。(2)鄰頻信道最小間隔H(fi,fj)={1|fi?fj|≤l0|fi?fj|>l(i,j∈[1,N])Η(fi,fj)={1|fi-fj|≤l0|fi-fj|>l(i,j∈[1,Ν])其中,l鄰頻信道最小間隔。(3)算法的總目標(biāo)函數(shù)M(fi,fj)={12fi?fj=fk或fi+fj?fk=ft02fi?fj≠fk且fi+fj?fk≠ft(i,j,k,t∈[1,N])Μ(fi,fj)={12fi-fj=fk或fi+fj-fk=ft02fi-fj≠fk且fi+fj-fk≠ft(i,j,k,t∈[1,Ν])綜合上述三個干擾約束條件,可以得到目標(biāo)函數(shù),即總的干擾數(shù)目的表達(dá)式:E(f)=∑i=1N∑j=1N[αA(fi,fj)+βH(fi,fj)+γM(fi,fj)]E(f)=∑i=1Ν∑j=1Ν[αA(fi,fj)+βΗ(fi,fj)+γΜ(fi,fj)]其中,α、β、γ為權(quán)重系數(shù)。2算法的實現(xiàn)和改進(jìn)2.1適應(yīng)度函數(shù)前面已經(jīng)設(shè)計了系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)E(f),由于適應(yīng)度函數(shù)的設(shè)計要求是使干擾數(shù)大的個體獲得較小的概率遺傳到下一代中,而干擾數(shù)較小的個體以較大概率遺傳到下一代中去,為了使干擾較小的個體獲得更大的適應(yīng)度,應(yīng)將適應(yīng)度函數(shù)F(E)與目標(biāo)函數(shù)E(f)定為反比例關(guān)系。由于個體的干擾數(shù)會出現(xiàn)0的情況,因此還要設(shè)定一個適應(yīng)度常數(shù)C。適應(yīng)度函數(shù)與目標(biāo)函數(shù)的關(guān)系可以用下式表示:F(E)=1E(f)+CF(E)=1E(f)+C其中C為適應(yīng)度常數(shù),在文獻(xiàn)中經(jīng)過驗證,C的最佳取值為3.2。2.2個體編碼串遺傳算法中通常有符號編碼和二進(jìn)制編碼兩種方式。在本算法實現(xiàn)中,采用符號編碼方式。即對電臺的可用頻點進(jìn)行編號,每個電臺分得的頻點就用該編號表示,這樣每組電臺都分得一個頻點編號之后,就得到了一個個體編碼串。如第i個電臺的可用頻段為(fiLLi,fiHΗi),頻率間隔為Δf,總共可劃分出n+1個可用頻點,則所有可用頻點為(fiLLi,fiLLi+Δf,fiLLi+2Δf,…,fiLLi+n*Δf),進(jìn)行編碼后可以表示為(0,1,2,...,n)。2.3數(shù)據(jù)的初始化產(chǎn)生初始種群的方法通常有兩種,一種是完全隨機的方法產(chǎn)生,它適合于對問題的解無任何先驗知識的情況。一種是某些先驗知識可轉(zhuǎn)變?yōu)楸仨殱M足的一組要求,然后在滿足這些要求的解中再隨機地選取樣本,這樣選擇初始化種群可使遺傳算法更快地到達(dá)最優(yōu)解。本文采用加入某些先驗知識的初始化方法,具體過程為:首先按照每個電臺的可用頻段及頻點之間的頻率間隔,計算出各個電臺的可用頻點數(shù),對電臺的各自可用頻點進(jìn)行編號;然后依次向各電臺隨機分配該電臺可用頻點編號范圍內(nèi)的頻點編號,直到所有電臺分配完畢。2.4有條件干擾實驗群體的初始化完畢之后,就要對個體的適應(yīng)度進(jìn)行評估。評估的依據(jù)就是適應(yīng)度函數(shù)F(E)。由適應(yīng)度函數(shù)與目標(biāo)函數(shù)的關(guān)系可知,對個體的評估主要依據(jù)個體對應(yīng)頻組的干擾數(shù)來定,當(dāng)搜索到干擾數(shù)為0的個體后,如解的存放區(qū)域還沒有個體,可以將其直接保存。如果解的存放區(qū)域已經(jīng)有解,就要判斷搜索到的解是否已經(jīng)存在。如果已經(jīng)存在就不保存繼續(xù)進(jìn)行評估,如果是新的解就按順序?qū)⑵浔４孢M(jìn)存放區(qū)域。2.5遺傳設(shè)計與改進(jìn)2.5.1傳統(tǒng)pk方法本文在進(jìn)行遺傳操作時采用改進(jìn)的輪盤賭法選擇個體,傳統(tǒng)的輪盤賭選擇法即適應(yīng)度比例選擇法,設(shè)第k個個體的選擇概率為pk,適應(yīng)度值為Fk,則選擇概率為pk=Fk∑k=1NFk。pk=Fk∑k=1ΝFk。傳統(tǒng)的選擇操作方法是對pk在(0,1)區(qū)間進(jìn)行區(qū)域劃分,然后選擇一個(0,1)區(qū)間的隨機數(shù)r,判斷r所在區(qū)間,按位置存儲該個體。本文引用群體平均適應(yīng)度值Fˉˉˉ?Fˉ?首先判斷Fk與FˉˉˉFˉ的大小。由于本文所求為目標(biāo)函數(shù)的最小值,即適應(yīng)度函數(shù)的最大值,在此只對Fk≥FˉˉˉFk≥Fˉ的個體進(jìn)行保留,然后計算其選擇概率pk,這樣將大大提高計算效率。改進(jìn)后選擇操作具體的工作流程圖如圖1所示:2.5.2自適應(yīng)交叉概率交叉操作是對種群中的兩個父代個體根據(jù)交叉概率pc進(jìn)行交叉操作,產(chǎn)生新的后代。因此交叉操作執(zhí)行前要設(shè)定交叉概率的大小,文獻(xiàn)中通過實驗驗證交叉概率最佳取值應(yīng)為0.91。但在進(jìn)化后期,隨著進(jìn)化次數(shù)的增加,解集群體逐漸靠近最優(yōu)解,此時如果再采用大的交叉率,則會產(chǎn)生許多發(fā)散分布在整個搜索空間的新個體,大的交叉率會破壞優(yōu)良個體所占比重,延緩收斂進(jìn)程。因此本文對交叉概率pc進(jìn)行了改進(jìn),采用隨進(jìn)化次數(shù)而改變的自適應(yīng)交叉概率,其公式為:pc=pc0?(pc0?pcmin)×dDpc=pc0-(pc0-pcmin)×dD其中,pc0為初始設(shè)置交叉率,pcmin為交叉概率最小取值,d為當(dāng)前進(jìn)化代數(shù),D為總的進(jìn)化代數(shù);通常pc0=0.95,pcmin=0.4。改進(jìn)后交叉操作具體的工作流程圖如圖2所示:2.5.3變異概率的選取變異本身是一種局部隨機搜索,可以提供初始種群中未含有的基因,或找回選擇過程中丟失的基因,為種群提供新的內(nèi)容,使遺傳算法保持種群的多樣性。變異概率的選取非常重要,若變異概率取值較大的話,雖然能產(chǎn)生較多的新個體,但也有可能破壞許多較好的模式,使得遺傳算法的性能近似于隨機搜索算法的性能;若變異概率取值太小的話,則變異操作產(chǎn)生新個體的能力和抑制早熟的能力就會較差。一般情況下交叉概率選取為0.01到0.1之間。本文采用文獻(xiàn)中經(jīng)過實驗驗證后最佳變異概率0.095。3施工頻率仿真本文以30臺1.5M～30MHz短波頻段內(nèi)炮兵通信電臺為研究對象,兩電臺頻率間隔為25KHz,對其工作頻率進(jìn)行頻率指配,通過數(shù)學(xué)建模,在MATLAB7.0下進(jìn)行仿真,結(jié)果如