一種基於遺傳算法的陣列天線方向圖綜合優化方法與流程
2023-09-19 21:04:55 1
本發明涉及的是移動通信天線技術領域。
背景技術：
陣列天線方向圖綜合技術應用於帶有精密信號處理器的任何天線陣，它可以調整或自適應其波束方向圖，目的是增強感興趣的信號和減小幹擾信號，還能夠減輕多徑效應的不利影響，它是智能天線的研究領域之一。隨著社會信息交流的急劇增加、個人移動通信的迅速普及，頻譜已成為越來越寶貴的資源，而智能天線採用空分多址技術，利用信號傳播方向上的差別，通過調節各陣元信號的加權幅度和相位來改變陣列天線方向圖，從而抑制幹擾，提高信噪比、系統容量和允許的信號帶寬，有效節約頻譜和功率等資源。
天線陣系統的方向圖是依靠各個振子的方向圖的疊加而實現的，如果各個振子的電壓激勵的幅值和相位有所變化，那麼該智能天線系統所要對應的方向圖也會發生變化。在移動通信應用中，很多時候基站是相對固定的，而終端是移動的；為了維持他們之間良好的無線信道，保證鏈路的正常工作，就要求智能天線的主瓣能夠時刻的跟蹤終端，也就是說智能天線系統的方向圖要隨著用戶的位置變化來做自我的調整。本發明利用最短的時間內找到一個矢量，使得它所對應的天線方向圖的主瓣對準用戶的方向。
本發明主要利用智能算法實現直線陣天線方向圖綜合，在計算陣元權係數時引入遺傳算法，在這一算法中，把這一問題歸化為一個空間範圍內的尋優問題來處理，同一時刻的各個天線振子的幅度和相位構成一個矢量，而這個矢量把它叫做一個染色體，各個振子的電流和幅度都叫做該染色體的一個基因。很多具有相同基因個數的染色體就構成了一個解空間，本發明在這個解空間中找出一個最優的染色體。同時利用FEKO仿真軟體建立直線天線陣模型，其天線單元為具有全向性的COCO天線，工作的中心頻率在1800MHz。最終達到了對無線數位訊號的高速時空處理，使信道容量增加、頻譜效率提高的效果。
技術實現要素：
本發明的目的在於克服現有技術的缺點與不足，提供一種基於遺傳算法的陣列天線方向圖綜合優化方法，該方法計算量小、尋優精度高。
本發明的目的通過以下技術方案實現：一種基於遺傳算法的陣列天線方向圖綜合優化方法，包括，天線陣模型建立步驟：N個COCO天線組成陣列，所述陣列包含N2個單極子天線，天線陣列採用均勻直線陣形式，天線陣元間距d≤λ，單元節邊長為1/2介質波長：
根據天線的工作中心頻率f＝1.8GHz，基片材料的介電常數εr＝2.56，為使正反面微帶段錯落有致，產生適合的傳輸模式和輻射模式，需a≈b；同時介質板長度L是介質板寬度W的6.5倍，其中b為貼片單元間隔；
最優權值獲取步驟：
步驟1、編碼：從解數據的表現型到遺傳空間的基因型串結構數據的映射稱為編碼，解空間Ω—分基因編碼空間C；
步驟2、初始種群生成：產生一組隨機編碼解P(k)∈C,k∈[1,2N]，其中N為天線陣元個數，由於遺傳算法對應的解空間為各陣元的複數權值ωi，ωi分為實部和虛部，而遺傳算法只能對實數進行運算，所以設置每一個初始染色體包含2N列，每列200個基因的數組，所述隨機編碼解構成原始種群，每個解為一個個體，種群個體數為2N；
步驟3、適應度值評估：對種群中的每一個個體所代表的解計算相應的適值，評估解的優劣，並且會對評估後的解按一定準則排序；
步驟4、選擇：在P(k)和O(t)中按適值的大小優勝劣汰，選擇2N個個體重新構成子代種群；按隨機均勻分布法、錦標賽法或輪盤賭法挑選雙親；
步驟5、重組：通過交叉、變異、再生和遷移操作產生新的後代個體群O(t)∈C,t∈[1,M],M≤2N，新個體組合併以一定概率隨機改變了父輩串的特徵，將群體內的各個個體隨機搭配成對；
步驟6、循環步驟3至步驟5，直到取得最優權值；
天線陣列方向圖生成步驟：利用獲取的最優權值對天線陣模型進行驗證，從而生成天線陣列方向圖。
進一步的，在初始種群生成步驟中設置了種群的初始範圍、種群的尺度和初始種群得分，種群的初始範圍設置為[0,10]之間，對於相角設在[-π,π]內；種群的尺度設置為400；初始種群得分設置為(1,100)。
進一步的，在適應度值評估步驟中採用最佳法，最佳個體比例設置在欄位Quantity中，每個能產生子輩的個體指派給相同的比例值，而其他個體的比例值指派為0。
進一步的，在選擇步驟中選擇染色體時採用剩餘選擇法，使它在選擇過程中，分配其雙親由每個個體刻度值的整數部分決定，在剩餘的小數部分採用輪盤賭選擇方法。
進一步的，在重組步驟中採用分散交叉方法；在一對選定的父輩中，採用高斯分布變異法，具有均值0的隨機數加到父向量的每一項，這個分布的變化由參數「Scale」和「Shrink」決定，Scale設定為0.5，Shrink設定為0.8；再生方法為「Crossover Function」法，它指定下一代中不同於原種群的部分，它們由交叉產生；當遷移發生時，一個子種群中最好的個體代替另一子種群中最差的個體，運用的方法是雙向遷移，即遷移在最後一個子種群處將卷繞回來。
進一步的，在步驟6中添加停止條件參數，最大重複執行次數為8000代，停滯代數為4000代，適應度值小於或等於0.1。
進一步的，排序準則是排列法、比率法或線性轉換法。
本發明達到了對無線數位訊號的高速時空處理，使信道容量增加、頻譜效率提高的效果。
附圖說明
圖1是陣列天線方向圖綜合的遺傳算法流程。
圖2是天線模型示意圖。
圖3是直線天線陣示意圖。
圖4是三次仿真結果的魯棒性檢測值比較。
具體實施方式
具體實施方式一：一種基於遺傳算法的陣列天線方向圖綜合優化方法，它由以下步驟實現，天線陣模型建立步驟：N個COCO天線組成陣列，所述陣列包含N2個單極子天線，天線陣列採用均勻直線陣形式，天線陣元間距d≤λ，單元節邊長為1/2介質波長：
根據天線的工作中心頻率f＝1.8GHz，基片材料的介電常數εr＝2.56，為使正反面微帶段錯落有致，產生適合的傳輸模式和輻射模式，需a≈b；同時介質板長度L是介質板寬度W的6.5倍，其中b為貼片單元間隔；
最優權值獲取步驟：
步驟1、編碼：從解數據的表現型到遺傳空間的基因型串結構數據的映射稱為編碼，解空間Ω—分基因編碼空間C；
步驟2、初始種群生成：產生一組隨機編碼解P(k)∈C,k∈[1,2N]，其中N為天線陣元個數，由於遺傳算法對應的解空間為各陣元的複數權值ωi，ωi分為實部和虛部，而遺傳算法只能對實數進行運算，所以設置每一個初始染色體包含2N列，每列200個基因的數組，所述隨機編碼解構成原始種群，每個解為一個個體，種群個體數為2N；
步驟3、適應度值評估：對種群中的每一個個體所代表的解計算相應的適值，評估解的優劣，並且會對評估後的解按一定準則排序；
步驟4、選擇：在P(k)和O(t)中按適值的大小優勝劣汰，選擇2N個個體重新構成子代種群；按隨機均勻分布法、錦標賽法或輪盤賭法挑選雙親；
步驟5、重組：通過交叉、變異、再生和遷移操作產生新的後代個體群O(t)∈C,t∈[1,M],M≤2N，新個體組合併以一定概率隨機改變了父輩串的特徵，將群體內的各個個體隨機搭配成對；
步驟6、循環步驟3至步驟5，直到取得最優權值；
天線陣列方向圖生成步驟：利用獲取的最優權值對天線陣模型進行驗證，從而生成天線陣列方向圖。
其中關於陣列天線方向圖綜合的遺傳算法流程參見圖1。
具體實施方式二：具體實施方式二與具體實施方式一的不同在於，在初始種群生成步驟中設置了種群的初始範圍、種群的尺度和初始種群得分，種群的初始範圍設置為[0,10]之間，對於相角設在[-π,π]內；種群的尺度設置為400；初始種群得分設置為(1,100)。在適應度值評估步驟中採用最佳法，最佳個體比例設置在欄位Quantity中，每個能產生子輩的個體指派給相同的比例值，而其他個體的比例值指派為0。在選擇步驟中選擇染色體時採用剩餘選擇法，使它在選擇過程中，分配其雙親由每個個體刻度值的整數部分決定，在剩餘的小數部分採用輪盤賭選擇方法。在重組步驟中採用分散交叉方法；在一對選定的父輩中，採用高斯分布變異法，具有均值0的隨機數加到父向量的每一項，這個分布的變化由參數「Scale」和「Shrink」決定，Scale設定為0.5，Shrink設定為0.8；再生方法為「Crossover Function」法，它指定下一代中不同於原種群的部分，它們由交叉產生；當遷移發生時，一個子種群中最好的個體代替另一子種群中最差的個體，運用的方法是雙向遷移，即遷移在最後一個子種群處將卷繞回來。在步驟6中添加停止條件參數，最大重複執行次數為8000代，停滯代數為4000代，適應度值小於或等於0.1。排序準則是排列法、比率法或線性轉換法。
全向天線進行仿真：
由COCO天線組成陣列天線的一個巨大優點就是：由N個COCO天線組成的陣列相當於包含了N2個單極子天線(假設每個COCO天線也是由N段微帶線節構成)，但它卻只有N個饋電點，相比較而言，若一個陣列是由N個單極子天線陣列組成，則它必須要有N2個饋電點(假設每個單極子陣列也是由N個單極子組成)。當然，由於COCO天線結構簡單，具有價格優勢和性能優勢。
單元節邊長為1/2介質波長：
根據天線的工作中心頻率f＝1.8GHz，基片材料的介電常數εr＝2.56，為使正反面微帶段錯落有致，產生適合的傳輸模式和輻射模式，需a≈b；同時介質板長度L是介質板寬度W的6.5倍左右，可以得到a＝52mm,b＝58.5mm,L＝520mm,W＝80mm,Wa＝69.5mm,Wb＝11.4mm,h＝2.5mm，在天線遠離饋電端的貼片上打孔，孔連接著上下表面，孔的半徑為3mm，在距饋電端480mm處。其中h為基片厚度，b為貼片單元間隔。天線示意圖如圖2所示。天線的饋電點的輸入阻抗要求為50Ω。觀察在中心頻率下的饋電埠的輸入阻抗Z參數。調整貼片的尺寸以及饋電點位置都可改變天線的輸入阻抗值，目的使得輸入阻抗的實部為50Ω和虛部為0Ω。
利用FEKO軟體進行仿真，根據以上數據創建模型並調整網格密度，通過調節媒質控制卡、輸出控制卡、電磁場計算卡，考慮趨服效應、計算遠場、計算駐波等。天線的饋電電壓的幅值為1V，相位為0°。模擬建立了8陣元直線陣列天線，在已知波達角情況下，通過使用算法獲得的權值來控制各天線單元電壓的幅值和相位，採用各陣元單獨饋電的方式。在存在較小的天線陣單元間耦合互感的情況下，檢驗生成的方向圖的可靠性和穩定性。如圖3為8陣元直線天線陣放置的示意圖。線陣設計採用均勻直線陣形式，防止在天線的H面上出現柵瓣，需要保證天線陣元中心間距d≤λ，而當天線陣元間距d≤λ/2時，會出現互感耦合現象，所以選擇d≈0.6λ。每一個天線陣元享有一個饋電電壓源。
實際運行過程的有益效果：
本發明通過大量實驗和仿真得出各組數據均值，可以看出各處零陷電平的均值和旁瓣電平的均值都滿足預定指標(詳見表1)，適應度函數值平均在0.63左右，距離理想適應度函數值0是十分接近，達到了函數逼近的目的，本發明通過遺傳算法可以自適應的解決陣列天線方向圖綜合問題，具有很高的實用性。
表1各組部分參數的平均值
在同一組三個方向的幹擾信號作用下，每次生成的方向圖大致相同，說明算法的魯棒性良好，將仿真所得數據計算算法的魯棒性，所得魯棒性檢驗值見表2
表2遺傳算法魯棒性檢測值
將其繪成柱狀圖，如圖4。可較直觀看出其每次魯棒性的檢測值變化不大，系統穩定，所以多次改變幹擾信號波達角方向，該算法所得的方向圖仍能自適應的變換，得到理想的接收效果。
以上對本發明所提供的一種基於遺傳算法的陣列天線方向圖綜合優化方法，進行了詳細介紹，本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用於幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對於本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式及應用範圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。