一種功率前饋控制的分布式GIS空間增益算法

劉大龍，許麗娟

(1.廣東工業(yè)大學(xué)華立學(xué)院 機(jī)電與信息工程學(xué)部，廣東 增城　511325；2.廣東財(cái)經(jīng)大學(xué)華商學(xué)院 信息工程系，廣東 增城　511300)

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一種功率前饋控制的分布式GIS空間增益算法

劉大龍1，許麗娟2

(1.廣東工業(yè)大學(xué)華立學(xué)院 機(jī)電與信息工程學(xué)部，廣東 增城511325；2.廣東財(cái)經(jīng)大學(xué)華商學(xué)院 信息工程系，廣東 增城511300)

摘要：傳統(tǒng)的GIS空間增益算法采用基于負(fù)載傳輸控制的鏈路差拍分離算法，當(dāng)控制系統(tǒng)呈現(xiàn)阻尼振蕩影響時(shí)，GIS系統(tǒng)的空間增益效果好。提出一種基于功率前饋控制的分布式GIS空間增益算法，構(gòu)建GIS系統(tǒng)的地理數(shù)據(jù)傳輸信道模型，設(shè)計(jì)分布式空間信號(hào)檢測(cè)算法，提高GIS的空間增益，構(gòu)建功率前饋控制模型，使用雙曲調(diào)頻和二次調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行GIS地理數(shù)據(jù)的回波定位，實(shí)現(xiàn)分布式GIS空間增益算法改進(jìn)。仿真實(shí)驗(yàn)表明，采用該算法進(jìn)行分布式GIS系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能在不同用戶數(shù)據(jù)吞吐量下提高GIS空間增益，提高GIS的數(shù)據(jù)處理和信息調(diào)度能力，展示了較好的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：地理信息系統(tǒng)；功率前饋控制；空間增益

地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System或Geo-Information System，GIS)是研究地理信息管理和信息資源調(diào)度的綜合系統(tǒng)，結(jié)合地理學(xué)與地圖學(xué)以及遙感和計(jì)算機(jī)科學(xué)，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在遙感探測(cè)、地圖繪制和建筑測(cè)繪等不同領(lǐng)域，研究GIS的構(gòu)建和設(shè)計(jì)方法，受到人們的廣泛重視。隨著電子技術(shù)和電子工業(yè)的發(fā)展，GIS向著集成和多功能方向發(fā)展，并與信號(hào)的檢測(cè)和估計(jì)等學(xué)科結(jié)合，在計(jì)算機(jī)硬、軟件系統(tǒng)支持下，實(shí)現(xiàn)地理信息的分析和處理，分布式地理信息系統(tǒng)的空間增益擴(kuò)展是提高地理信息系統(tǒng)的信息交互和信道配準(zhǔn)能力關(guān)鍵，通過空間增益算法設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)GIS和與地調(diào)SCADA系統(tǒng)集成，取得變電站出口開關(guān)變位信息和出口負(fù)荷信息和變電站出口保護(hù)動(dòng)作信息，研究GIS的分布式空間增益算法具有重要意義。

傳統(tǒng)方法中，分布式地理信息系統(tǒng)的空間增益算法主要采用動(dòng)態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)部署機(jī)制和周期性地轉(zhuǎn)換簇頭的體制，使用混合式信道分散方案，達(dá)成轉(zhuǎn)移分散式GIS空間的時(shí)變通信信道增益估計(jì)[1]；另外，有人提出采用通信信道盲均衡算法實(shí)現(xiàn)分布式GIS的時(shí)變通信信道估計(jì)和空間增益擴(kuò)展，通過定常模態(tài)形式實(shí)現(xiàn)了對(duì)相位信息的星座圖劃分，但算法計(jì)算復(fù)雜，可行性不好[2]。文獻(xiàn)[3]提出功率前饋的魯棒預(yù)測(cè)無差拍并網(wǎng)管制的GIS控制方法，使用電壓電流雙閉環(huán)管制，融合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，但該算法導(dǎo)致GIS負(fù)載均衡效果不好，影響地理信息系統(tǒng)的調(diào)度性能。文獻(xiàn)[4]采用基于負(fù)載傳輸控制的鏈路差拍分離算法，當(dāng)控制系統(tǒng)呈現(xiàn)阻尼振蕩影響時(shí)，GIS的空間增益效果好。針對(duì)上述問題，本文提出一種基于功率前饋控制的分布式GIS空間增益算法，首先構(gòu)建GIS的地理數(shù)據(jù)傳輸信道模型，構(gòu)建功率前饋控制模型，設(shè)計(jì)分布式空間信號(hào)檢測(cè)算法，提高GIS的空間增益，達(dá)成算法改進(jìn)，仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)行性能檢驗(yàn)，展示了本文算法在增加地理訊息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)調(diào)度與管制里的優(yōu)越性能。

1GIS預(yù)備知識(shí)與信道模型設(shè)計(jì)

1.1GIS通信系統(tǒng)模型

首先構(gòu)建一個(gè)地理信息系統(tǒng)GIS通信的網(wǎng)絡(luò)模型，假設(shè)用三元組(V，D，p)表示一個(gè)地理信息系統(tǒng)GIS通信網(wǎng)絡(luò)，其中V={v1，v2，…，vn-1，vn}代表n個(gè)地理訊息系統(tǒng)GIS通信結(jié)點(diǎn)，且這些結(jié)點(diǎn)隨機(jī)的在同一個(gè)平面上，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基站中，節(jié)點(diǎn)賦閑狀況的接口配備信道，該怎樣選取，須要一個(gè)測(cè)量的規(guī)則[5-6]，可用無向圖G(V，E)來表示存在信道競爭，其中V={vi|i=1，2，…，n}表示GIS網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)基站集合，假如簇頭ni和Sink以多跳形式GIS通信，簇頭ni的候選里節(jié)點(diǎn)集合是：

candidate={ni|d(ni,nj)

(1)

(2)

參數(shù)設(shè)定為q=2，b0=0，b1=1，b-1=-1且c1=1/2，c-1=-1/2，在空間增益擴(kuò)展中，如果Π狀態(tài)機(jī)最終轉(zhuǎn)到Accept狀態(tài)，則Π必然在τj(τj>τi)時(shí)刻收到消息：

(3)

(4)

(5)

(6)

式中E(·)——期望值算子。

由此得到地理信息系統(tǒng)GIS通信系統(tǒng)中的信道模型表示為：

(7)

通過上述描述，得到了地理信息GIS通信系統(tǒng)模型，為進(jìn)行GIS系統(tǒng)的功率前饋控制和空間增益擴(kuò)展提供模型基礎(chǔ)。

1.2分布式GIS空間信號(hào)檢測(cè)算法設(shè)計(jì)

在上述信道模型設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，為了提高地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸能力，需要對(duì)GIS的地理空間信息進(jìn)行檢測(cè)設(shè)計(jì)，檢測(cè)算法的設(shè)計(jì)采用功率前饋控制方法，通信數(shù)據(jù)進(jìn)程在收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生不同特性的混響場，而信道模型中的傳遞信號(hào)分為窄帶信號(hào)和寬帶信號(hào)，對(duì)于窄帶信號(hào)，在信號(hào)功率較大情況下產(chǎn)生信道偏移，偏移量為：

例如：在教學(xué)人教版數(shù)學(xué)三年級(jí)上冊(cè)《筆算乘法（不進(jìn)位）》這課時(shí)，為了讓學(xué)生明白，兩位數(shù)乘一位數(shù)，用豎式計(jì)算，對(duì)照豎式說一說積的每一位數(shù)上的意義，借助直觀操作 進(jìn)一步明確算理，從而構(gòu)建筆算模型，可以引導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手操作，體驗(yàn)如下環(huán)節(jié)：

(8)

由此達(dá)成對(duì)象測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)包含屬性離散處置，且保障了各組練習(xí)測(cè)驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)集辨別具備確定性，GIS通信信號(hào)的頻譜在s域和z域上的雙線性關(guān)系描述為：

(9)

式中ri——衰落信號(hào)開始時(shí)刻碼相位；λ——鏈路層的最短衰落途徑；θi——信號(hào)的陣元相位；m——鏈路層的維數(shù)。

綜上分析，得到分布式GIS空間信號(hào)檢測(cè)算法步驟為：

(1)構(gòu)造GIS空間通信圖G(V，r)，(r≤δ·rmax，δ∈(0，1)，rmax=(P(N0β)-1)1/α)，輸入信道分配樹T和最大獨(dú)立集。

(2)任選一個(gè)結(jié)點(diǎn)v，構(gòu)造一棵根在結(jié)點(diǎn)的BFS樹，將分配結(jié)點(diǎn)與連接結(jié)點(diǎn)融合為一個(gè)結(jié)點(diǎn)配備子集，并一起實(shí)行信道配備，提高信道的均衡特點(diǎn)。

2分布式GIS空間增益算法改進(jìn)實(shí)現(xiàn)

在系統(tǒng)信道模型構(gòu)建和空間信號(hào)檢測(cè)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行分布式地理信息系統(tǒng)的空間增益算法改進(jìn)，綜上分析得知，GIS空間增益擴(kuò)展是提高地理信息系統(tǒng)的信息交互和信道配準(zhǔn)能力關(guān)鍵，傳統(tǒng)的GIS空間增益算法采用基于負(fù)載傳輸控制的鏈路差拍分離算法，當(dāng)控制系統(tǒng)呈現(xiàn)阻尼振蕩影響時(shí)，GIS系統(tǒng)的空間增益效果好。本文提出一種基于功率前饋控制的分布式GIS空間增益算法，考慮GIS功率前饋直流側(cè)能量，利用離散傅里葉變換計(jì)算GIS空間增益平均值為：

(10)

式中Ep——輸出功率輸出平均值；rp(k)——GIS地理信息系統(tǒng)的有功損耗；yp(k)——GIS信道擴(kuò)展頻率。

含噪的通信信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)濾波，構(gòu)建濾波器，濾波器系統(tǒng)函數(shù)為：

(11)

前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)給的輸入向量為r1，r2，…，rn。網(wǎng)絡(luò)輸入層為個(gè)神經(jīng)元結(jié)構(gòu)，通過功率前饋控制實(shí)現(xiàn)GIS直流輸出控制，此時(shí)神經(jīng)元輸入為：

(12)

進(jìn)一步構(gòu)建直擴(kuò)GIS數(shù)據(jù)合并系統(tǒng)，直擴(kuò)系統(tǒng)的全名是直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)，GIS具備較好的抗多徑影響水平，尤其是對(duì)剩余信號(hào)的碼間影響具備一定的抗干擾性，假如nj在這一輪GIS通信里用于簇內(nèi)通信、數(shù)據(jù)融合，融合后的數(shù)據(jù)輸送給Sink的能量是：

Computition(nj)=(Eelec+EDF)lδ+ETx(l，dj)

(13)

(14)

(15)

得到GIS空間中所有簇首節(jié)點(diǎn)的最佳發(fā)射功率策略，由此得到基于協(xié)議信道鄰居構(gòu)建的通信功率為：

(16)

通過濾波器進(jìn)行干擾抑制，得到的空間譜瞬時(shí)值，通過傅里葉變換求得功率譜密度函數(shù)，采用功率前饋控制，實(shí)現(xiàn)了分布式GIS空間增益算法改進(jìn)。

3系統(tǒng)性能測(cè)試仿真實(shí)驗(yàn)

為了測(cè)試本文算法在實(shí)現(xiàn)分布式GIS空間增益中的性能，驗(yàn)證本文算法在提高地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信方面的優(yōu)越性，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。仿真實(shí)驗(yàn)的硬件環(huán)境為：Intel(R) 2.3 GHz CPU，2 GB內(nèi)存，32位Windows 7系統(tǒng)的PC機(jī)。仿真測(cè)驗(yàn)里，采用的分層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣M成建立地理訊息GIS通訊信道模型，使用單個(gè)sink節(jié)點(diǎn)與10個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)，簇首節(jié)點(diǎn)隨時(shí)分配，依據(jù)數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)，隨時(shí)分散在地理訊息收集節(jié)點(diǎn)涵蓋范圍，假如是500 m×500 m 的正方形范圍，節(jié)點(diǎn)輸送半徑與影響半徑都是25 m，GIS仿真系統(tǒng)發(fā)射陣元在分散原始間距是30m，使用100個(gè)接收陣元構(gòu)成的垂直線列陣分散于繁雜通訊里，BPSK調(diào)制載波選擇頻率為10KHz的正弦信號(hào)，信息序列碼元寬度取4 ms；p(t)為頻帶為2～10 KHz、時(shí)寬為4 ms的線性調(diào)頻信號(hào)，接收與發(fā)射換能器均位于分布式地理空間，收發(fā)端距離為3.7 km。在信噪比SNR分別在0 dB，10 dB，20 dB，20 dB下進(jìn)行GIS空間增益設(shè)計(jì)。在窄帶干擾條件下，采用本文算法，構(gòu)建GIS的功率前饋控制模型，得到GIS功率譜密度函數(shù)如圖1所示系統(tǒng)。

圖1　GIS功率譜密度譜分析結(jié)果

根據(jù)上述GIS數(shù)據(jù)的功率譜特征為樣本，進(jìn)行分布式GIS空間增益仿真，為了對(duì)比算法性能，采用本文算法和傳統(tǒng)算法，以空間增益系數(shù)為測(cè)試指標(biāo)，在不同用戶數(shù)據(jù)吞吐量下的GIS空間增益仿真結(jié)果如圖2所示。從圖2可見，采用本文算法，能有效提高分布式GIS空間增益，實(shí)現(xiàn)GIS和與地調(diào)SCADA系統(tǒng)集成，取得變電站出口開關(guān)變位信息和出口負(fù)荷信息和變電站出口保護(hù)動(dòng)作信息，提高地理信息系統(tǒng)的信息交互和信道配準(zhǔn)能力。

圖2　分布式GIS空間增益仿真結(jié)果

4結(jié)語

分布式地理信息系統(tǒng)GIS的空間增益擴(kuò)展是提高地理信息系統(tǒng)的信息交互和信道配準(zhǔn)能力關(guān)鍵，傳統(tǒng)的GIS空間增益算法采用基于負(fù)載傳輸控制的鏈路差拍分離算法，當(dāng)控制系統(tǒng)呈現(xiàn)阻尼振蕩影響時(shí)，GIS的空間增益效果好。提出一種基于功率前饋控制的分布式GIS空間增益算法，首先構(gòu)建GIS的地理數(shù)據(jù)傳輸信道模型，構(gòu)建功率前饋控制模型，設(shè)計(jì)分布式空間信號(hào)檢測(cè)算法，提高GIS的空間增益，實(shí)現(xiàn)算法改進(jìn)，研究結(jié)果表明，采用本文算法能在不同用戶數(shù)據(jù)吞吐量下提高GIS空間增益，提高GIS的數(shù)據(jù)處理和信息調(diào)度能力，實(shí)現(xiàn)GIS和與地調(diào)SCADA系統(tǒng)集成，取得變電站出口開關(guān)變位信息和出口負(fù)荷信息和變電站出口保護(hù)動(dòng)作信息，展示了較好的應(yīng)用價(jià)值。

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(本文編輯：嚴(yán)加)

Distributed GIS Spatial Gain Algorithm for Power Feedforward Control

LIU Da-long1, XU Li-juan2

(1.Department of Mechanical and Electrical and Information Engineering,Huali College of Guangdong University of Technology, Zengcheng 511325, China;2. Department of Information Engineering, Huashang College of Guangdong University of Finance & Economics,Zengcheng 511300, China)

Abstract:GIS space gain algorithm is adopted in traditional load link transmission control algorithm based on difference of separation, when the control system presents the effect of damping oscillation, spatial gain good effect of GIS system. This paper proposes a distributed GIS space power gain algorithm based on feedforward control, geographic data to construct GIS system transmission channel model, make the design of distributed spatial signal detection algorithm, and improve the spatial gain of GIS, the construction of power model of feedforward control, echo GIS geolocation data using hyperbolic FM and two FM signal, improving the implementation of distributed GIS spatial gain algorithm. Simulation results show that applying this algorithm to the design of distributed GIS system can improve the GIS space gain in different user data throughput, and improve the data processing and information scheduling ability of GIS, showing a good application value.

Key words:geographic information system; power feedforward control; spatial gain

DOI：10.11973/dlyny201602009

基金項(xiàng)目：2012年質(zhì)量工程立項(xiàng)文件粵教高函[2012]204號(hào)

作者簡介：劉大龍(1976),碩士研究生，實(shí)驗(yàn)師，主要研究電工電子技術(shù)及自動(dòng)控制。

中圖分類號(hào)：TM763

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-1256(2016)02-0193-04

收稿日期：2016-02-16