短波3G通信頻率優(yōu)化遺傳算法研究

于 鵬，楊云升

(中國洛陽電子裝備試驗中心，河南 濟源 459000)

短波3G通信頻率優(yōu)化遺傳算法研究

于 鵬，楊云升

(中國洛陽電子裝備試驗中心，河南 濟源 459000)

基于美軍標MIL-STD-188-14lB的第三代短波通信系統(tǒng)進一步提高了通聯(lián)效率，目前在世界各國得到了廣泛的應用，但短波3G獨特的建鏈協(xié)議也同時要求其能夠?qū)ο到y(tǒng)進行合理的用頻管理，通過分析短波3G協(xié)議特點和用頻特點，設計了基于遺傳算法的短波3G通信用頻優(yōu)化方法，對算法中的適應度函數(shù)設計進行詳細闡述，并基于該算法進行了具有一定駐留組的短波通信系統(tǒng)用頻優(yōu)化設計，仿真過程收斂，進一步驗證了該方法的可行性。

短波3G；遺傳算法；頻率管理；互調(diào)干擾

0 引言

短波通信中，干擾情況比較復雜，主要包括自然干擾、電臺互擾和有意干擾[1]，而其中電臺互擾會嚴重影響通信鏈路的建立，尤其在3G短波通信中，合理進行短波通信用頻規(guī)劃是需要重點考慮和解決的問題。系統(tǒng)頻率分配優(yōu)化問題也日益得到重視，文獻[2-4]采用序列設計等方法討論了電臺以及移動通信中的頻率設計問題，文獻[5-6]采用遺傳算法進行了頻率分配問題的討論，本文結(jié)合短波3G通信系統(tǒng)用頻特點，利用遺傳算法進行短波3G用頻優(yōu)化設計。

1 短波3G通信用頻特點

1.1 短波3G通信建鏈

在美軍第三代短波通信協(xié)議基礎上，短波通信系統(tǒng)在技術上逐漸實現(xiàn)了“網(wǎng)絡、綜合”特征，在功能上滿足“綜合業(yè)務傳輸”目標，尤其短波3G自動建鏈技術的優(yōu)化，進一步提高了短波通信網(wǎng)建鏈效率[7-10]。

1.1.1 同步掃描建鏈技術

2G-ALE是一個異步系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)部沒有進行頻率控制，收發(fā)雙方不知道對方的工作頻率，每部電臺需要不停地循環(huán)掃描所有信道，而呼叫臺站需要在固定信道進行呼叫等待(最大等待時間為一個呼叫周期)，鏈路建立消耗了大量時間。3G-ALE采用了同步工作模式，所有的掃描站能接收來自于網(wǎng)絡層的頻率控制命令，網(wǎng)絡中臺站在同一時間監(jiān)聽同一個呼叫信道，呼叫臺站在當前呼叫頻率上呼叫被呼臺站，極大地提高了呼叫效率[8]。

1.1.2 劃分駐留組

第三代短波自動鏈路建立系統(tǒng)中引入駐留組的概念，這種技術將網(wǎng)絡中的所有電臺劃分成多個組。同一時間、同一駐留組內(nèi)的電臺工作在同一信道上，而不同的組工作在不同的信道上，大大地縮短了呼叫時間，減少了呼叫碰撞概率[7]。

1.1.3 信道分離技術

第三代短波自動鏈路建立系統(tǒng)將呼叫信道和數(shù)據(jù)流信道(業(yè)務信道)分離，并保持業(yè)務信道與呼叫信道相鄰，以使它們在傳輸特性上相近[9]。信道分離的好處是不需要反復進行信道質(zhì)量評估。系統(tǒng)正常工作時，呼叫信道保持相對空閑，而業(yè)務信道卻在進行大規(guī)模的信息傳送，這樣就可以保證信息傳送的高效率和鏈路建立的快速性。當然，信道分離同時也帶來了一定的系統(tǒng)開銷，這主要表現(xiàn)在一方面要額外確定業(yè)務信道的傳輸特性，另一方面使用業(yè)務信道進行數(shù)據(jù)傳輸時仍然要進行監(jiān)聽。

1.2 短波3G頻率規(guī)劃

短波通信主要包含2種電波傳播形式：地波傳播和天波傳播。地波傳播主要受地表傳播環(huán)境影響，信道穩(wěn)定、傳播損耗較大、通信距離有限；天波傳播主要靠電離層反射，與地波相比，存在傳播損耗小、通信距離遠和信道變化較大等特點。

在進行短波3G頻率規(guī)劃時，要考慮電波傳播模式、最佳通信頻段以及網(wǎng)內(nèi)信道沖突等問題。

1.2.1 工作頻段劃分

工作頻段劃分主要考慮以下幾個方面的問題：

① 短波通信電波傳播模式

由于電離層的變化，短波天波傳播存在最低可用頻率與最高可用頻率，最佳工作頻段應該在該范圍內(nèi)進行選擇；短波地波傳播不存在最低和最高工作頻率問題，傳播損耗與工作頻率、通信距離及天線高度等有關，應綜合考慮確定工作頻段問題。

② 不同工作組

3G短波系統(tǒng)將通信網(wǎng)劃分成多個駐留組，不同駐留組工作于不同的信道組，因而，設計時可以考慮為不同駐留組分配不同的工作頻段，減少網(wǎng)內(nèi)信道碰撞。另外，在頻率資源有限的情況下，可以考慮為具有一定空間隔離度的地波傳播駐留組分配相近工作頻段。

1.2.2 可用信道確定

短波信道干擾復雜，因而在進行短波用頻設計時需要考慮當?shù)囟滩ūO(jiān)測數(shù)據(jù)庫，統(tǒng)計分析當前可用信道。

1.2.3 信道優(yōu)化設計

信道優(yōu)化設計主要考慮以下幾個方面問題：

① 短波3G呼叫信道和業(yè)務信道關系；

② 信道隔離度問題；

③ 不同駐留組信道沖突問題；

④ 信道之間的互擾自擾問題。

本文采用遺傳算法重點解決短波3G用頻的信道優(yōu)化問題。

2 利用遺傳算法進行短波3G通信頻率優(yōu)化

2.1 遺傳算法

遺傳算法是建立在自然選擇和自然遺傳學機理基礎上的迭代自適應概率性搜索算法。算法模擬自然選擇和自然遺傳過程中的繁殖、交換、變異過程，最終搜索到較優(yōu)個體。具有不需要求剃度、能得到全局最優(yōu)解、算法簡單及可并行處理等特點[11]。

遺傳算法應用的2個關鍵問題是進行樣本參數(shù)編碼和樣本性能評價(即計算適配度)，主要步驟有參數(shù)編碼、種群初始化、計算樣本適配度、選擇、交叉及變異等[12-13]。

2.2 算法實現(xiàn)

利用遺傳算法進行短波3G信道優(yōu)化需要確定的幾個主要步驟。

2.2.1 參數(shù)編碼

進行參數(shù)編碼首先需要確定該通信系統(tǒng)具有幾個駐留組，由駐留組確定尋優(yōu)參數(shù)的個數(shù)，結(jié)合系統(tǒng)頻段范圍，進行參數(shù)編碼[10]。

樣本編碼結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 短波3G通信系統(tǒng)遺傳算法頻率編碼結(jié)構(gòu)

樣本碼中每一參數(shù)碼的長度通過對下式中mi求最小值得到：

(1)

式中,Ftop/Fbutton為駐留組頻率范圍；w為信道帶寬；m為該駐留組參數(shù)編碼長度。

2.2.2 樣本適配度

短波3G信道優(yōu)化遺傳算法的一個樣本包含了一組頻率值，這組頻率結(jié)果是否滿足短波3G系統(tǒng)頻率非配最優(yōu)化的要求，需要合理設計算法的適配度函數(shù)。在短波3G頻率優(yōu)化遺傳算法中，計算適配度有2種方法：

① 絕對干擾強度計算方法。根據(jù)源信號實際強度，計算得到在不同頻率點產(chǎn)生的干擾信號強度。這種方法的優(yōu)點是能夠計算得到干擾信號的實際大小，具體分析通信的受干擾程度；缺點是需要知道所有源信號的大小以及接收機的非線性系數(shù)，但這些參數(shù)通常比較難得到。

② 相對干擾強度計算方法。根據(jù)干擾信號和通信信號的頻率，在同等條件下分析接收機可能收到的干擾程度。該方法的優(yōu)點是不需要了解源信號的大小以及通信接收機非線性系數(shù)等參數(shù)，缺點是沒有考慮通信受干擾的具體程度。

考慮到短波3G通信系統(tǒng)實際應用中電臺裝備比較多、通信功率可調(diào)等因素，在進行算法設計是采用相對干擾強度方法進行樣本適配度計算。

短波3G通信用頻優(yōu)化主要解決的是系統(tǒng)內(nèi)部用頻沖突以及干擾問題，重點考慮頻率之間的臨道干擾以及互調(diào)干擾，互調(diào)主要考慮2個頻率之間的f1±f2、2f1±f2、2f2±f1互調(diào)[14-16]。分析過程中樣本適配度用頻率組相對干擾和表示，適配度越小表示頻率之間的相互干擾越小。

2.2.3 遺傳算法過程

短波3G頻率優(yōu)化遺傳算法過程如圖2所示。

圖2 短波3G通信頻率優(yōu)化遺傳算法流程

每一次通過遺傳算法尋優(yōu)后，由最優(yōu)樣本得到一組或多組頻率送入頻率池，通過n次遺傳運算得到n組、每組m個頻率值，如圖2所示，圖中Fnm表示不同駐留組(m)在表示不同時刻(n)時的頻率值。

設計一組短波3G通信系統(tǒng)工作參數(shù)：工作頻段3.75～4.975 MHz，信道帶寬3 kHz，駐留組數(shù)18。采用上述方法進行頻率優(yōu)化訓練，訓練最大步數(shù)1 000、訓練目標10-8，訓練過程如圖3所示。

圖3 短波3G遺傳算法訓練過程

為了能夠全面地了解算法性能以及訓練過程，設計中設置了比較苛刻的頻帶限制、較高的訓練目標值，并且沒有對各駐留組進行工作頻段劃分，表1給出了其中4組訓練結(jié)果情況。

表1 短波頻率優(yōu)化結(jié)果

駐留組第1組/MHz第2組/MHz第3組/MHz第4組/MHz014.9714.864.8184.497024.8574.9594.8994.752034.2484.7494.3924.791044.7314.3744.7584.875054.2814.4524.6474.623064.984.8724.5694.428074.774.6864.0624.371084.414.7164.4914.254094.2964.3234.4014.401104.2724.7284.8514.83114.7884.8814.6353.969124.4584.2094.4674.776134.3174.8064.3594.56144.0623.994.1464.119154.0293.9274.4344.812164.7554.1283.9034.266174.6744.23.8584.281184.3354.1913.7984.029

結(jié)果沒有相互碰撞、相互之間具有一定的信道隔離度、互調(diào)干擾最優(yōu)，能夠滿足短波3G通信網(wǎng)用頻需要。

由訓練過程可知：

① 該遺傳算法設計能夠達到頻率尋優(yōu)的目的；② 適應度函數(shù)設計合理，算法能夠?qū)崿F(xiàn)快速尋優(yōu)。

2.2.4 樣本適配度函數(shù)設計

利用遺傳算法進行短波3G選頻優(yōu)化處理的關鍵是設計一種合理的樣本適配度計算方法，文中采用一種歸一化的相對影響指數(shù)方法進行干擾分析。

影響指數(shù)采用脈沖函數(shù)進行表示：

(2)

式中，參數(shù)a采用影響因數(shù)相對歸一化設計，參數(shù)K確定了函數(shù)的相應范圍。

短波3G通信系統(tǒng)采用呼叫信道業(yè)務信道分離的設計原則，即呼叫信道附近的k個信道作為業(yè)務信道，通信過程默認呼叫信道質(zhì)量同其附近的業(yè)務信道質(zhì)量相似，因而在設計遺傳算法影響指數(shù)時，對函數(shù)進行如下擴展，使函數(shù)包含其附近k個信道的影響分析。

(3)

該擴展指數(shù)函數(shù)主要用來分析頻率的臨道干擾情況，對于互調(diào)干擾影響，則通過調(diào)整參數(shù)K得到新的函數(shù)形式，進行不同干擾分析的函數(shù)圖形如圖4所示。

圖4 不同類別干擾分析的影響指數(shù)函數(shù)圖

在臨道影響指數(shù)函數(shù)中，為每一個呼叫信道設置4個(左右各2個)業(yè)務信道、1個隔離信道；在互調(diào)影響指數(shù)函數(shù)中，綜合考慮信道分離、信道隔離等情況，設計了8～10具有一定滾將特性的干擾信道。

3 結(jié)束語

設計的基于遺傳算法的短波3G用頻優(yōu)化方法，可以最大限度地減少短波3G通信系統(tǒng)之間的頻率碰撞、自擾互擾等現(xiàn)象發(fā)生，對提升短波3G通信系統(tǒng)頻率管理效率有很大的使用價值。該方法只是分析了系統(tǒng)頻率之間發(fā)生碰撞、干擾的可能性，而對具體干擾強度的大小沒有進行定量分析，在使用過程中如果需要可以結(jié)合具體信號強度、裝備實際情況進行。

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ResearchonGeneticAlgorithmforHF3GCommunicationFrequencyOptimization

YU Peng,YANG Yun-sheng

(Luoyang Electronic Equipment Test Center of China,Jiyuan He’nan 459000,China)

The third generation HF communication system based on US military standard MIL-STD-188-141B further improves the work efficiency.At present,it has been widely used in the world.However,the unique link establishment protocol also requires a reasonable frequency management for the system.A frequency optimization method for HF 3G communications based on genetic algorithm is designed,through analyzing the characteristics of short wave 3G protocol and frequency.Based on this algorithm,the frequency optimization design of short wave communication system with certain resident groups is carried out.The convergence of simulation process further verifies the feasibility of the method.

HF 3G;genetic algorithm;frequency management;intermodulation interference

TN911

A

1003-3114(2017)06-41-4

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.06.10

于鵬,楊云升.短波3G通信頻率優(yōu)化遺傳算法研究[J].無線電通信技術,2017,43(6):41-44.

[YU Peng,YANG Yunsheng.Research on Genetic Algorithm for HF 3G Communication Frequency Optimization[J].Radio Communications Technology,2017,43(6):41-44.]

2017-07-25

于 鵬(1977―)，男，高級工程師,碩士，主要研究方向：通信對抗。楊云升(1973―)，男，高級工程師，主要研究方向：通信對抗。