海上短波通信系統鏈路優化和功率控制技術

葉蕭然，董慧敏

(河南理工大學鶴壁工程技術學院，河南 鶴壁 458030)

0 引 言

海上移動通信包括衛星通信、GPRS通信和短波通信等，其中，短波移動通信是指通信頻率段在300 MHz以內的近距離通信，短波通信往往發生在船舶之間、船舶與海岸之間，在這種近距離場景中，對通信質量有較高的要求。隨著船聯網和信息技術的不斷發展，船舶移動通信的數據傳輸業務迅速增加。一方面，數據量的飆升對于帶寬分配、通信資源的需求更高；另一方面，不同的船舶通信業務對于通信的傳輸速率、誤比特率也有不同的要求，這對船舶近距離短波通信系統提出了更高的挑戰。

本文針對海上短波通信的功率衰減等問題，結合遺傳算法優化海上短波通信的鏈路設計和功率控制，提高短波通信帶寬的利用率。通過建立系統模型，仿真測試驗證了基于遺傳算法的短波通信功率控制技術的有效性。

1 海上移動短波通信技術的發展和研究現狀

1.1 海上短波通信預約帶寬分配技術研究

針對海上船舶移動短波通信的帶寬資源分配問題，介紹預約帶寬分配技術。

預約帶寬分配是針對數據在短期迅速增加的場景，這種帶寬分配策略主要有帶寬申請、分配、執行等多個階段。

短波通信的預約帶寬分配管理模型如圖1所示。

圖1 短波通信的預約帶寬分配管理模型Fig.1 Reservation bandwidth allocation management model for shortwave communication

短波通信的預約帶寬管理流程如下：

1）在海上船舶短波通信建立的初期，船舶信號發射端將通信請求發送至資源管理器，通信請求包含數據傳輸的類型、船舶移動通信所需要的帶寬、時間要求等，通信請求的建立過程所需時間低于10 ms。

2）短波通信系統的資源管理器在接收到來自船舶終端的通信請求后進行判斷，判斷的依據是資源管理器的控制算法。當通信系統經過判斷后允許船舶終端的通信請求，那么短波通信會進入預約帶寬分配階段；如果通信系統沒有接受船舶請求，則系統會自動讀取下一條請求數據并進行判斷[1]。

3）預約帶寬分配階段

在該階段，船舶會根據自身的通信需求，將需要傳遞的數據，比如業務的類型、數據所占緩沖區的內存、帶寬需求等發送給通信系統的資源管理器。資源管理器統籌兼顧不同船舶終端的通信需求，利用內部的資源分配模塊對不同的需求進行分析和判斷，結合分配算法為船舶短波通信分配帶寬。

4）船舶通信終端接收到來自資源管理器的帶寬分配信息，根據分配的帶寬發送和接收短波通信數據。

2 海上短波通信系統的信號功率衰減研究

海上短波移動通信的信號載體為電磁波，電磁波在傳輸過程中不可避免會發生信號衰減。因此，通過鏈路設計和功率控制技術降低短波通信信號的衰減很有必要。

定義海上短波通信天線的信號發送功率為P0，信號的方向系數為D，建立距短波天線r0處的短波能量模型為：

短波能量密度S1為：

其中：Et，Ht分別為短波通信過程的電場和磁場強度，距短波天線r0處的短波能量模型Sr0為：

其有效值表示為：

圖2為海上移動短波通信的信號衰減特性曲線。

圖2 海上移動短波通信的信號衰減特性曲線Fig.2 Signal attenuation characteristic curve of maritime mobile shortwave communication

3 基于遺傳算法的功率與速率聯合控制技術

3.1 遺傳算法

遺傳算法是一種智能仿生算法，其基本環節如下：

1）初始種群編碼

初始種群編碼是將遺傳算法的輸入信號進行編碼[2]，成為系統可識別的數據類型，常用的種群編碼方式包括二進制編碼、浮點編碼等。

2）適應度計算

適應度函數的作用是進行種群個體粒子的判斷，在形成的初始化種群中，符合適應度函數的個體將被保留下來，組建成新的種群；不符合適應度函數的個體會被篩選掉。

適應度函數模型可表示為：

其中：fi(i=1,2,3,..,N)為初始種群中個體的適應度值；y(i)為第i個種群個體；c1,c2為學習因子；ωt為慣性權重值[4]；N為初始種群個體總數。

3）遺傳、交叉和變異

遺傳算法的遺傳、交叉和變異[3]是指從原始種群生成新種群的過程，可用函數描述如下：

遺傳算法的基本原理如圖3所示。

圖3 遺傳算法的基本原理Fig.3 Basic schematic diagram of the genetic algorithm

與其他智能算法相比，遺傳算法具有以下特點：

1）全局優化能力

與普通的PID等算法不同，遺傳算法具有多點搜索功能，利用多種群和適應度函數的篩選功能，遺傳算法能夠對整個搜索空間進行有效的檢索，防止陷入局部最優的盲區。

2）應用范圍廣

與傳統算法相比，遺傳算法只需要在原來的評估機制上增加適應度函數評估和種群迭代的算法，這一特性使得遺傳算法具有非常廣泛的應用范圍，在多種系統控制場景中均能使用。

3）可擴展性

遺傳算法具有良好的擴展性，可從結構上與PID控制算法、神經網絡控制算法進行結合和嵌套，提高控制系統的性能。

3.2 基于遺傳算法的短波通信系統鏈路設計和功率控制技術

針對海上短波通信系統的鏈路和功率控制優化進行研究，結合遺傳算法設計一套優化控制邏輯，在控制過程中，定義數據幀和中斷率2個指標作為通信系統性能的評估標準。

1）數據幀

海上移動短波通信中，可以根據數據優先級別進行數據幀傳輸，數據幀形式如圖4所示。

圖4 數據幀的優先級別翻轉示意圖Fig.4 Schematic diagram of priority inversion of data frames

2）中斷率

海上移動通信噪聲干擾工況較多，因此，短波通信系統要求具有最小的通信中斷率，即

式中：M為通信鏈路的個數；為第i次通信定義的閾值函數，表示為：

3）發射功率

發射功率一方面影響短波通信系統的整體能耗，另一方面會影響系統的信號強度，基于遺傳算法的短波通信優化中，最小發射功率指標為：

圖5為基于遺傳算法的短波通信系統功率優化流程圖。

圖5 基于遺傳算法的短波通信系統功率優化流程圖Fig.5 Power optimization flowchart of shortwave communication system based on genetic algorithm

3.3 基于遺傳算法的船舶短波通信功率控制仿真

針對本文提出的短波通信系統功率優化控制算法，在Matlab平臺中進行算法的仿真，部分初始條件如下：

1）遺傳算法的種群個數限制為100，交叉變異的概率為0.85；

2）學習因子為c1,c2分別取值0.45和0.46，慣性權重值ωt取0.8；

3）短波通信系統的最大發射功率43 dBm[4]，通信系統的帶寬5 MHz；

4）短波通信發射天線的增益9 dBi，信號接收天線的增益8 dBi。

圖6為仿真得到的短波通信信號中斷率優化前后對比曲線，A為優化前的曲線，B為優化后的曲線，對比后發現，優化后短波信號中斷率明顯降低，優化效果非常明顯。

圖6 短波通信信號中斷率優化前后對比曲線Fig.6 Comparison curve before and after optimization of shortwave communication signal interrupt rate

4 結 語

海上短波通信是船舶進行移動數據收發的重要來源，本文結合遺傳算法，針對海上短波通信的特性進行鏈路設計和功率控制的優化。Matlab仿真結果表明，本文基于遺傳算法的短波通信控制技術具有較好的效果，能有效降低信號的中斷率。