基於遺傳算法的平流層飛艇布局優化方法

2023-06-23 10:02:21

專利名稱：：基於遺傳算法的平流層飛艇布局優化方法
技術領域：
：本發明屬於無線網絡領域，涉及平流層網絡結構優化，應用於通信中繼、導航、流量監控和遠程環境感知等不同的領域。
背景技術：
：高容量無線服務的需求越來越引起人們的關注，尤其是最後一英裡的傳輸，即對用戶需求提供高帶寬並且不依賴基礎設施的服務。一種新的解決方法就是在平流層空間使用準靜止的長駐空飛行平臺，如氣球、飛機、飛船、飛艇等，作為高空通信平臺HAPs，它兼顧地面網絡和衛星網絡兩者的優點。與地面網絡相比，HAPs要求很少的通信基礎設施，能夠在半徑為50Km的範圍內提供可視的傳播距離，並且便於快速的布局；與衛星網絡相比，HAPs提供準靜止的覆蓋區域，低的傳播時延和開銷，便於維護和負載的更新。高空通信平臺、衛星網絡和地面網絡互通互連可以構成天空地一體化移動通信網絡，能提供多用戶、多用途的各種固定、移動、寬帶、窄帶通信業務。目前，許多國家都對HAPs網絡技術進行研究。對於歐盟國家，它們有HeliNet和CAPANINA項目來研究HAPs網絡；在美國，諸如SkyStation,HighAltitudeLongOperation,ShyTower,WeatherBalloonHAPs項目都在被研究；韓國對於這個問題的研究作為一個國家的工程，在ETRI上有豐富的研究成果；日本也有類似的情況，日本的航空探索機構正在研究基於HAP網絡的SkyNet工程。對於這些工程，被研究的單HAP平臺，主要包括無線鏈路的建立、天線陣列優化、信道建模和系統容量；另一方面，衛星和飛艇的綜合網絡被用來提高系統的性能。然而這些工程很少關注平流層網絡節點的布局，例如韓國學者HaYoogSong僅提出了一種基於K均值聚類的多飛艇布局方法「HaYoonSong,"AmethodofmobilebaseStationplacementforhighaltitudeplatformbasednetworkwithgeographicalclusteringofmobilegroundnodes",ProceedingsoftheInternationalMulticonferenceonComputerScienceandInformationTechnology,pp.869-876，2008.」，但是這種方法由於其本身性能的局限性，導致聚類結果存在許多問題，諸如飛艇布局結果容易陷入局部最優解並且未獲得按需布局的效果，以及整個網絡系統不一定全連通，導致平流層飛艇不能達到最優布局，影響平流層網絡性能的提高。
發明內容本發明的目的在於針對述已有技術的不足，提出了一種基於遺傳算法的平流層飛艇布局優化方法，以避免飛艇布局陷入局部最優解，實現整體按需布局的效果，提高平流層網絡性能。為實現上述目的，本發明包括如下步驟(1)建立一個地面_平流層_衛星通信系統框架對於地面層，使用信息柵格結構，並且假設用戶服從混合高斯分布；對於平流層，使用Ad-hoc網絡結構；對於衛星層，假設有一個同步衛星，並且它能夠與地面用戶、平流層飛艇全連接；(2)對於地面-平流層-衛星通信系統框架，建立基於最大熵和系統總時延的飛艇布局優化模型(2a)定義&為平流層第i個飛艇到地面第(k，1)個方形區域的平均距離，表示為__1ηΜ「nnnQ"|,kl"uL,kl,kl9=1其中nkl表示地面第(k，1)個方形區域內的用戶數目，diklw為平流層第i個飛艇到地面坐標為(Xklw，yklw，0)用戶的距離，表示為_1]dj^^-x^y+(H1-y^'f+202其中Ovni;20)表示第i個飛艇的空間坐標，(Xklw，ykl(q),0)表示地面第(k，1)個方形區域內第q個用戶的空間坐標，huiklW為平流層第i個飛艇到地面坐標為(xkl(9)，yklw，0)用戶連接情況的0-1指示值，表示為Mik^=I1hjq^^1。hjq)其中Rci表示飛艇能夠與地面用戶通信的最大距離；(2b)根據第i個飛艇到地面第(k，l)個方形區域的平均距離i，計算第(k，l)個方形區域平均每個用戶的有效覆蓋功率Vkl，表示為τ/_1VRvU=——丄=^nU『=1dm其中N為平流層飛艇的數目，α為功率衰減常數，Vtl為飛艇的初始功率；(2c)根據第(k，l)個方形區域平均每個用戶的有效覆蓋功率Vkl，計算所有IcciXIq個方形區域用戶平均覆蓋功率的熵H為^oIqH=HPjog2Pklk=\I=I其中IiciXlci為方形區域的個數，Pkl為第(k，1)個方形區域內每個用戶平均覆蓋功率佔所有區域平均每個用戶覆蓋功率的比值，表示為p-L._ib:k=\I=I(2d)定義tiklW為平流層第i個飛艇到地面坐標為(XklW，ykl(q)，0)用戶的有效時延，表示為。⑷=/(《,)+(1-,)).—,)1C其中C為光速，relayikl(<l)為平流層第i個飛艇通過中轉到地面坐標為(xkl(9)，yklw，o)用戶的距離，表示為權利要求一種基於遺傳算法的平流層飛艇布局優化方法，包括如下步驟(1)建立一個地面平流層衛星通信系統框架對於地面層，使用信息柵格結構，並且假設用戶服從混合高斯分布；對於平流層，使用Adhoc網絡結構；對於衛星層，假設有一個同步衛星，並且它能夠與地面用戶、平流層飛艇全連接；(2)對於地面平流層衛星通信系統框架，建立基於最大熵和系統總時延的飛艇布局優化模型(2a)定義為平流層第i個飛艇到地面第(k，l)個方形區域的平均距離，表示為dikl=1q=1nklhuikl(q)q=1nklhuikl(q)dikl(q)其中nkl表示地面第(k，l)個方形區域內的用戶數目，dikl(q)為平流層第i個飛艇到地面坐標為(xkl(q)，ykl(q)，0)用戶的距離，表示為dikl(q)=(mi-xkl(q))2+(ni-ykl(q))2+202其中(mi，ni，20)表示第i個飛艇的空間坐標，(xkl(q)，ykl(q)，0)表示地面第(k，l)個方形區域內第q個用戶的空間坐標，huikl(q)為平流層第i個飛艇到地面坐標為(xkl(q)，ykl(q)，0)用戶連接情況的01指示值，表示為huikl(q)=1hikl(q)R00hikl(q)>R0其中R0表示飛艇能夠與地面用戶通信的最大距離；(2b)根據第i個飛艇到地面第(k，l)個方形區域的平均距離計算第(k，l)個方形區域平均每個用戶的有效覆蓋功率Vkl，表示為Vkl=1nkli=1NV0dikl其中N為平流層飛艇的數目，α為功率衰減常數，V0為飛艇的初始功率；(2c)根據第(k，l)個方形區域平均每個用戶的有效覆蓋功率Vkl，計算所有k0×l0個方形區域用戶平均覆蓋功率的熵H為H=-k=1k0l=1l0kllog2kl其中k0×l0為方形區域的個數，ρkl為第(k，l)個方形區域內每個用戶平均覆蓋功率佔所有區域平均每個用戶覆蓋功率的比值，表示為kl=Vklk=1k0l=1l0Vkl;(2d)定義tikl(q)為平流層第i個飛艇到地面坐標為(xkl(q)，ykl(q)，0)用戶的有效時延，表示為tikl(q)=huikl(q)dikl(q)+(1-huikl(q))relayikl(q)c其中c為光速，relayikl(q)為平流層第i個飛艇通過中轉到地面坐標為(xkl(q)，ykl(q)，0)用戶的距離，表示為relayikl(q)=RHikl(q)whenj=1Nhhijhujkl(q)0RSikl(q)whenj=1Nhhijhujkl(q)=0其中RHikl(q)為平流層第i個飛艇通過其他飛艇中轉到地面坐標為(xkl(q)，ykl(q)，0)用戶的最短距離，表示為RHikl(q)=minjhhijhujkl(q)(hij+djkl(q))這裡hij為第i個飛艇與第j個飛艇之間的距離，表示為hij=(mi-mj)2+(ni-nj)2hhij為第i個飛艇與第j個飛艇之間連接關係的01指示值，表示為hhij=1hijh00hij>h0其中h0表示飛艇之間能夠連接的最大距離，RSikl(q)為平流層第i個飛艇通過衛星中轉到地面坐標為(xkl(q)，ykl(q)，0)用戶的距離，表示為RSikl(q)＝shi+suik(q)其中shi表示為平流層第i個飛艇與衛星之間的距離，suikl(q)表示為衛星與地面坐標為(xkl(q)，ykl(q)，0)用戶的距離，分別表示為shi=(mi-sx)2+(ni-sy)2+(20-sz)2suikl(q)=(sx-xkl(q))2+(sy-ykl(q))2+sz2其中(sx，sy，sz)為衛星的空間坐標；(2e)根據第i個飛艇到地面坐標為(xkl(q)，ykl(q)，0)用戶的有效時延，得到飛艇到地面用戶總的系統時延T為T=i=1Nl=1l0k=1k0q=1nkltikl(q)(2f)根據所有區域用戶平均覆蓋功率的熵H和飛艇到地面用戶總的系統時延T，得到飛艇布局優化模型；maxH=-k=1k0l=1l0kllog2klminT=i=1Nk=1k0l=1l0q=1nkltikl(q)(3)使用遺傳算法對飛艇布局優化模型進行求解，並不斷迭代得到飛艇布局的全局最優解。FDA0000027698470000011.tif,FDA0000027698470000015.tif2.根據權利要求1所述的方法，其中步驟(1)所述的對於地面層，使用信息柵格結構，並且假設用戶服從混合高斯分布，是將地面面積為aXb的區域劃分為IctlXItl塊方形區域，假設區域中的用戶服從混合高斯分布P(r)為3.根據權利要求1所述的方法，其中步驟(3)所述的使用遺傳算法對飛艇布局優化模型進行求解，按如下步驟進行(3a)將目標函數的參數集合編碼成染色體，並隨機初始化一定規模的染色體種群，平流層第i個飛艇空間位置的編碼為全文摘要本發明公開了一種基於遺傳算法的平流層飛艇布局優化方法，主要解決現有飛艇布局方法陷入局部最優解的缺陷，其步驟為(1)建立一個地面-平流層-衛星系統架構，對於地面層，使用柵格結構，並且假設用戶服從混合高斯分布；對於平流層，使用Ad-hoc網絡結構；對於衛星層，假設有一個同步衛星，並且它能夠與地面用戶、平流層飛艇全連接；(2)對於地面-平流層-衛星系統，建立最大熵和最小總時延的飛艇優化目標，從而飛艇布局問題被表示為一個多目標優化模型；(3)對於優化模型，使用遺傳算法進行求解，然後不斷迭代得到飛艇全局最優的布局。本發明能得到飛艇的全局最優布局，可用於通信中繼和遠程環境感知等不同的領域。文檔編號H04W16/18GK101959202SQ20101029875公開日2011年1月26日申請日期2010年10月7日優先權日2010年10月7日發明者馮曉峰,呂宗庭,宗汝,常紅娜,彭建華,李潔,楊勇,王旭宇,蔡田齊一,高新波申請人:西安電子科技大學