摘要：短波通信主要通过天然中继电离层实现信息传输,具有抗毁能力强,传输距离远,设备简单灵活,建设周期短、成本...短波通信主要通过天然中继电离层实现信息传输,具有抗毁能力强,传输距离远,设备简单灵活,建设周期短、成本低等优点。短波自适应链路建立、信道均衡、调制解调技术,宽带短波技术,短波组网技术的应用和发展,在一定程度上克服了由于电离层时变色散带来的短波通信传输速率低、质量差的缺点。在卫星通信高速发展的今天,短波通信在军事通信、应急救灾、远洋航海等领域仍有广泛的应用。随着短波宽带化、网络化的发展,短波频率等资源日趋紧张,对资源有限的大区域短波接入网络,进行网络台站选址优化规划,并根据电离层的变化进行频率资源动态指配,实现对网络区域良好的通信覆盖,为区域内的机动短波电台用户提供随时、随地、随遇的通信接入保障,研究意义重大。该文围绕大区域短波接入网络的资源优化,主要做了以下几个方面的工作:(1)对短波通信常用的ITS(Institute for Telecommunication Science,ITS)模型的通信预测数据与通信实测数据进行了相关性分析,验证ITS预测数据的信度,确定了ITS预测数据的可通信门限值。通过实验确定了网络区域栅格化时单元格边长的合适取值。针对短波网络优化中需要计算大量的ITS覆盖预测数据作为优化计算的基础数据,存在计算耗时的问题,提出了基于动态覆盖模板的台站覆盖预测数据快速计算方法。该方法利用同一信道条件下邻近台站区域覆盖具有相似性且覆盖范围有限的特点,在一组短波台站中选取少量代表台站进行覆盖计算,获取当前条件下通用的台站覆盖模板,对台站进行覆盖模板的移动匹配,将计算区域限定在对应的模板区域内,减少需要计算的区域,提高了台站覆盖预测数据的计算速度。(2)针对大区域短波接入网络全网区域覆盖最优为目标的频率优化指配问题,为提高算法求解的速度和求解效果,结合邻近短波频率点可通信覆盖区域近似的特点,采用互信息系数描述其近似程度,提出了基于互信息的信息素扩散蚁群算法。蚁群根据选择的频率指配方案的覆盖效果对方案中的台站频率组合释放信息素的同时,依据邻近频率的覆盖近似程度即互信息系数对未被选择的台站频率组合进行信息素扩散释放,在增加较少计算量的基础上等效于增加蚂蚁数目以增大对最优解的搜索概率。仿真实验表明改进的MIACS(Mutual Information Ant Colony System,MIACS)算法相比蚁群算法、遗传算法在求解问题的效果和速度方面都有较大提高。(3)针对偏好NSGAII(Non-dominant Sorting Genetic Algorithm II,NSGAII)算法在求解多子区域重点覆盖的短波网络频率优化指配时,存在非支配排序耗时、偏好信息利用不足的问题,提出一种偏好排序淘汰的NSGAII算法。在进行非支配排序前,根据解的偏好评价排序淘汰部分偏好评价较差的解,减少参与非支配排序的解数量从而减少求解时间,同时降低偏好评价较差的个体解被选中进行交叉、变异的概率,提高算法的求解效率和求解效果。在48组实验中,该算法在38组中决策解偏好评价结果和求解时间同时最优,相同迭代次数时相比偏好NSGAII算法节省27%的求解时间。实验结果表明,通过偏好排序淘汰机制的引入,更好利用了偏好信息,使算法用较少的时间求得更好的偏好解。(4)针对大区域短波接入网络台站选址规划问题,论证了在任意信道条件下都具有最优覆盖的网络台站选址方案求解问题等价于一个超多目标的双层优化问题,并探索了基于改进的双层NSGAIII-MIACS(Non-dominant Sorting Genetic Algorithm III-Mutual Information Ant Colony System,NSGAIII-MIACS)算法的求解方案。首先,针对上层问题目标个数较多导致算法求解难且耗时的问题,通过正交设计选取信道条件代表减少目标个数后,提出了结合种群分布的携带下层求解信息的台站选址局部搜索机制,在减少下层算法求解次数,提高求解速度的同时提高求解效果,由种群解分布的熵控制台站的选择搜索,保证解的多样性和收敛性的均衡;其次,针对NSGAIII算法参考点过多且求得的Pareto前沿解中有很多是决策者基本不考虑的,导致算法效率低的问题,提出了自适应偏好加权淘汰的NSGAIII算法。根据偏好加权对参考点进行淘汰,减少非偏好参考点的数目,在减少求解时间的同时强化算法沿偏好方向的搜索求解;最后,针对NSGAIII算法中交叉变异的种子解是随机挑选的问题,提出了强化邻近解之间交叉的子代种群生成机制以加强算法的穿透力。通过25个信道条件为目标的求解,该文的LS-AP-NSGAIII-MIACS(Local Search-Adaptive Preference-NSGAIII-MIACS)算法相比NSGAIII-MIACS、NSGAII-MIACS求解的最优台站选址方案以及台站均匀分布方案,在多个信道条件下的覆盖效果均是最优的,而且,该文算法相比NSGAIII-MIACS算法求解时间更短,各组算法选取的最优选址方案在另选的25个信道条件下的覆盖优化实验中,算法求解的选址方案优势更加明显。表明以正交代表信道条件为目标求解的最优台站选址方案具有普适性,该文的求解方法和策略具有实用性和有效性。更多还原显示全部
