基于遗传算法的平流层飞艇布局优化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于遗传算法的平流层飞艇布局优化方法，主要解决现有飞艇布局方法陷入局部最优解的缺陷，其步骤为：（１）建立一个地面－平流层－卫星系统架构，对于地面层，使用栅格结构，并且假设用户服从混合高斯分布；对于平流层，使用Ａｄ－ｈｏｃ网络结构；对于卫星层，假设有一个同步卫星，并且它能够与地面用户、平流层飞艇全连接；（２）对于地面－平流层－卫星系统，建立最大熵和最小总时延的飞艇优化目标，从而飞艇布局问题被表示为一个多目标优化模型；（３）对于优化模型，使用遗传算法进行求解，然后不断迭代得到飞艇全局最优的布局。本发明专利技术能得到飞艇的全局最优布局，可用于通信中继和远程环境感知等不同的领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无线网络领域，涉及平流层网络结构优化，应用于通信中继、导航、流 量监控和远程环境感知等不同的领域。
技术介绍
高容量无线服务的需求越来越引起人们的关注，尤其是最后一英里的传输，即对 用户需求提供高带宽并且不依赖基础设施的服务。一种新的解决方法就是在平流层空间使 用准静止的长驻空飞行平台，如气球、飞机、飞船、飞艇等，作为高空通信平台HAPs，它兼顾 地面网络和卫星网络两者的优点。与地面网络相比，HAPs要求很少的通信基础设施，能够在 半径为50Km的范围内提供可视的传播距离，并且便于快速的布局；与卫星网络相比，HAPs 提供准静止的覆盖区域，低的传播时延和开销，便于维护和负载的更新。高空通信平台、卫 星网络和地面网络互通互连可以构成天空地一体化移动通信网络，能提供多用户、多用途 的各种固定、移动、宽带、窄带通信业务。目前，许多国家都对HAPs网络技术进行研究。对于欧盟国家，它们有HeliNet 和CAPANINA项目来研究HAPs网络；在美国，诸如Sky Station, High Altitude LongOperation, ShyTower, Weather Balloon HAPs项目都在被研究；韩国对于这个问题的 研究作为一个国家的工程，在ETRI上有丰富的研究成果；日本也有类似的情况，日本的航 空探索机构正在研究基于HAP网络的SkyNet工程。对于这些工程，被研究的单HAP平台，主要包括无线链路的建立、天线阵列优化、 信道建模和系统容量；另一方面，卫星和飞艇的综合网络被用来提高系统的性能。然而 这些工程很少关注平流层网络节点的布局，例如韩国学者Ha Yoog Song仅提出了一种 基于K均值聚类的多飞艇布局方法“Ha Yoon Song, A method of mobile baseStation placement for high altitude platform based network with geographical clustering ofmobile ground nodes, Proceedings of the International Multiconference on ComputerScience and Information Technology, pp. 869-876，2008. ”，但是这种方法由于 其本身性能的局限性，导致聚类结果存在许多问题，诸如飞艇布局结果容易陷入局部最优 解并且未获得按需布局的效果，以及整个网络系统不一定全连通，导致平流层飞艇不能达 到最优布局，影响平流层网络性能的提高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对述已有技术的不足，提出了一种基于遗传算法的平流层飞 艇布局优化方法，以避免飞艇布局陷入局部最优解，实现整体按需布局的效果，提高平流层 网络性能。为实现上述目的，本专利技术包括如下步骤(1)建立一个地面_平流层_卫星通信系统框架对于地面层，使用信息栅格结 构，并且假设用户服从混合高斯分布；对于平流层，使用Ad-hoc网络结构；对于卫星层，假 设有一个同步卫星，并且它能够与地面用户、平流层飞艇全连接；(2)对于地面-平流层-卫星通信系统框架，建立基于最大熵和系统总时延的飞艇 布局优化模型(2a)定义&为平流层第i个飞艇到地面第(k，1)个方形区域的平均距离，表示 为__1ηΜ「nnnQ| ,kl uL ,kl ,kl9=1 其中nkl表示地面第(k，1)个方形区域内的用户数目，diklw为平流层第i个飞艇 到地面坐标为(Xklw，yklw，0)用户的距离，表示为 _1] dj^^-x^y +(H1-y^'f +202其中Ov ni; 20)表示第i个飞艇的空间坐标，(Xklw，ykl(q),0)表示地面第(k，1) 个方形区域内第q个用户的空间坐标，huiklW为平流层第i个飞艇到地面坐标为(xkl(9)， yklw，0)用户连接情况的0-1指示值，表示为Mik^=I1 hjq^ ^1。 hjq)其中Rci表示飞艇能够与地面用户通信的最大距离；(2b)根据第i个飞艇到地面第(k，l)个方形区域的平均距离i，计算第(k，l)个 方形区域平均每个用户的有效覆盖功率Vkl，表示为τ/ _ 1 V RvU =——丄=^nU ‘=1 dm其中N为平流层飞艇的数目，α为功率衰减常数，Vtl为飞艇的初始功率；(2c)根据第(k，l)个方形区域平均每个用户的有效覆盖功率Vkl，计算所有IcciXIq 个方形区域用户平均覆盖功率的熵H为^o IqH = H Pjog2 Pklk=\ I=I其中IiciXlci为方形区域的个数，Pkl为第(k，1)个方形区域内每个用户平均覆盖 功率占所有区域平均每个用户覆盖功率的比值，表示为p - L ._ ib:k=\ I=I(2d)定义tiklW为平流层第i个飞艇到地面坐标为(XklW，ykl(q)，0)用户的有效时 延，表示为。⑷= /(《,)+(1- ,)).—,) 1C 其中C为光速，relayikl(<l)为平流层第i个飞艇通过中转到地面坐标为(xkl(9)， yklw，o)用户的距离，表示为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于遗传算法的平流层飞艇布局优化方法，包括如下步骤：（１）建立一个地面－平流层－卫星通信系统框架：对于地面层，使用信息栅格结构，并且假设用户服从混合高斯分布；对于平流层，使用Ａｄ－ｈｏｃ网络结构；对于卫星层，假设有一个同步卫星，并且它能够与地面用户、平流层飞艇全连接；（２）对于地面－平流层－卫星通信系统框架，建立基于最大熵和系统总时延的飞艇布局优化模型：（２ａ）定义＊为平流层第ｉ个飞艇到地面第（ｋ，ｌ）个方形区域的平均距离，表示为：＊＝１／＊ｈｕ↓［ｉｋｌ］↑［（ｑ）］＊ｈｕ↓［ｉｋｌ］↑［（ｑ）］ｄ↓［ｉｋｌ］↑［（ｑ）］其中ｎ↓［ｋｌ］表示地面第（ｋ，ｌ）个方形区域内的用户数目，ｄ↓［ｉｋｌ］↑［（ｑ）］为平流层第ｉ个飞艇到地面坐标为（ｘ↓［ｋｌ］↑［（ｑ）］，ｙ↓［ｋｌ］↑［（ｑ）］，０）用户的距离，表示为：ｄ↓［ｉｋｌ］↑［（ｑ）］＝＊＊＊其中（ｍ↓［ｉ］，ｎ↓［ｉ］，２０）表示第ｉ个飞艇的空间坐标，（ｘ↓［ｋｌ］↑［（ｑ）］，ｙ↓［ｋｌ］↑［（ｑ）］，０）表示地面第（ｋ，ｌ）个方形区域内第ｑ个用户的空间坐标，ｈｕ↓［ｉｋｌ］↑［（ｑ）］为平流层第ｉ个飞艇到地面坐标为（ｘ↓［ｋｌ］↑［（ｑ）］，ｙ↓［ｋｌ］↑［（ｑ）］，０）用户连接情况的０－１指示值，表示为：ｈｕ↓［ｉｋｌ］↑［（ｑ）］＝＊＊＊其中Ｒ↓［０］表示飞艇能够与地面用户通信的最大距离；（２ｂ）根据第ｉ个飞艇到地面第（ｋ，ｌ）个方形区域的平均距离＊，计算第（ｋ，ｌ）个方形区域平均每个用户的有效覆盖功率Ｖ↓［ｋｌ］，表示为：Ｖ↓［ｋｌ］＝１／ｎ↓［ｋｌ］＊Ｖ↓［０］／＊↑［α］其中Ｎ为平流层飞艇的数目，α为功率衰减常数，Ｖ↓［０］为飞艇的初始功率；（２ｃ）根据第（ｋ，ｌ）个方形区域平均每个用户的有效覆盖功率Ｖ↓［ｋｌ］，计算所有ｋ↓［０］×ｌ↓［０］个方形区域用户平均覆盖功率的熵Ｈ为：Ｈ＝－＊＊ρ↓［ｋｌ］ｌｏｇ↓［２］ρ↓［ｋｌ］其中ｋ↓［０］×ｌ↓［０］为方形区域的个数，ρ↓［ｋｌ］为第（ｋ，ｌ）个方形区域内每个用户平均覆盖功率占所有区域平均每个用户覆盖功率的比值，表示为：ρ↓［ｋｌ］＝Ｖ↓［ｋｌ］／＊＊Ｖ↓［ｋｌ］；（２ｄ）定义ｔ↓［ｉｋｌ］↑［（ｑ）］为平流层第ｉ个飞艇到地面坐标为（ｘ↓［ｋｌ］↑［（ｑ）］，ｙ↓［ｋｌ］↑［（ｑ）］，０）用户的有效时延，表示为：ｔ↓［ｉｋｌ］↑［（ｑ）］＝ｈｕ↓［ｉｋｌ］↑［（ｑ）］.ｄ↓［ｉｋｌ］↑［...

【技术特征摘要】
一种基于遗传算法的平流层飞艇布局优化方法，包括如下步骤(1)建立一个地面 平流层 卫星通信系统框架对于地面层，使用信息栅格结构，并且假设用户服从混合高斯分布；对于平流层，使用Ad hoc网络结构；对于卫星层，假设有一个同步卫星，并且它能够与地面用户、平流层飞艇全连接；(2)对于地面 平流层 卫星通信系统框架，建立基于最大熵和系统总时延的飞艇布局优化模型(2a)定义为平流层第i个飞艇到地面第(k，l)个方形区域的平均距离，表示为 <mrow><mover> <msub><mi>d</mi><mi>ikl</mi> </msub> <mo>&OverBar;</mo></mover><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mrow><munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>q</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <msub><mi>n</mi><mi>kl</mi> </msub></munderover><msup> <msub><mi>hu</mi><mi>ikl</mi> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>q</mi><mo>)</mo> </mrow></msup> </mrow></mfrac><munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>q</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <msub><mi>n</mi><mi>kl</mi> </msub></munderover><msup> <msub><mi>hu</mi><mi>ikl</mi> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>q</mi><mo>)</mo> </mrow></msup><msup> <msub><mi>d</mi><mi>ikl</mi> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>q</mi><mo>)</mo> </mrow></msup> </mrow>其中nkl表示地面第(k，l)个方形区域内的用户数目，dikl(q)为平流层第i个飞艇到地面坐标为(xkl(q)，ykl(q)，0)用户的距离，表示为 <mrow><msup> <msub><mi>d</mi><mi>ikl</mi> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>q</mi><mo>)</mo> </mrow></msup><mo>=</mo><msqrt> <msup><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>m</mi><mi>i</mi> </msub> <mo>-</mo> <msup><msub> <mi>x</mi> <mi>kl</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>q</mi> <mo>)</mo></mrow> </msup> <mo>)</mo></mrow><mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>n</mi><mi>i</mi> </msub> <mo>-</mo> <msup><msub> <mi>y</mi> <mi>kl</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>q</mi> <mo>)</mo></mrow> </msup> <mo>)</mo></mrow><mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup><mn>20</mn><mn>2</mn> </msup></msqrt> </mrow>其中(mi，ni，20)表示第i个飞艇的空间坐标，(xkl(q)，ykl(q)，0)表示地面第(k，l)个方形区域内第q个用户的空间坐标，huikl(q)为平流层第i个飞艇到地面坐标为(xkl(q)，ykl(q)，0)用户连接情况的0 1指示值，表示为 <mrow><msup> <msub><mi>hu</mi><mi>ikl</mi> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>q</mi><mo>)</mo> </mrow></msup><mo>=</mo><mfenced open='{' close=''> <mtable><mtr> <mtd><mn>1</mn> </mtd> <mtd><msup> <msub><mi>h</mi><mi>ikl</mi> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>q</mi><mo>)</mo> </mrow></msup><mo>&le;</mo><msub> <mi>R</mi> <mn>0</mn></msub> </mtd></mtr><mtr> <mtd><mn>0</mn> </mtd> <mtd><msup> <msub><mi>h</mi><mi>ikl</mi> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>q</mi><mo>)</mo> </mrow></msup><mo>></mo><msub> <mi>R</mi> <mn>0</mn></msub> </mtd></mtr> </mtable></mfenced> </mrow>其中R0表示飞艇能够与地面用户通信的最大距离；(2b)根据第i个飞艇到地面第(k，l)个方形区域的平均距离计算第(k，l)个方形区域平均每个用户的有效覆盖功率Vkl，表示为 <mrow><msub> <mi>V</mi> <mi>kl</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <msub><mi>n</mi><mi>kl</mi> </msub></mfrac><munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi></munderover><mfrac> <msub><mi>V</mi><mn>0</mn> </msub> <msup><mover> <msub><mi>d</mi><mi>ikl</mi> </msub> <mo>&OverBar;</mo></mover><mi>&alpha;</mi> </msup></mfrac> </mrow>其中N为平流层飞艇的数目，α为功率衰减常数，V0为飞艇的初始功率；(2c)根据第(k，l)个方形区域平均每个用户的有效覆盖功率Vkl，计算所有k0×l0个方形区域用户平均覆盖功率的熵H为 <mrow><mi>H</mi><mo>=</mo><mo>-</mo><munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <msub><mi>k</mi><mn>0</mn> </msub></munderover><munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>l</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <msub><mi>l</mi><mn>0</mn> </msub></munderover><msub> <mi>&rho;</mi> <mi>kl</mi></msub><msub> <mi>log</mi> <mn>2</mn></msub><msub> <mi>&rho;</mi> <mi>kl</mi></msub> </mrow>其中k0×l0为方形区域的个数，ρkl为第(k，l)个方形区域内每个用户平均覆盖功率占所有区域平均每个用户覆盖功率的比值，表示为 <mrow><msub> <mi>&rho;</mi> <mi>kl</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <msub><mi>V</mi><mi>kl</mi> </msub> <mrow><munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <msub><mi>k</mi><mn>0</mn> </msub></munderover><munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>l</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <msub><mi>l</mi><mn>0</mn> </msub></munderover><msub> <mi>V</mi> <mi>kl</mi></msub> </mrow></mfrac><mo>;</mo> </mrow>(2d)定义tikl(q)为平流层第i个飞艇到地面坐标为(xkl(q)，ykl(q)，0)用户的有效时延，表示为 <mrow><msup> <msub><mi>t</mi><mi>ikl</mi> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>q</mi><mo>)</mo> </mrow></msup><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msup> <msub><mi>hu</mi><mi>ikl</mi> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>q</mi><mo>)</mo> </mrow></msup><mo>&CenterDot;</mo><msup> <msub><mi>d</mi><mi>ikl</mi> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>q</mi><mo>)</mo> </mrow></msup><mo>+</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msup><msub> <mi>hu</mi> <mi>ikl</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>q</mi> <mo>)</mo></mrow> </msup> <mo>)</mo></mrow><mo>&CenterDot;</mo><msup> <msub><mi>relay</mi><mi>ikl</mi> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>q</mi><mo>)</mo> </mrow></msup> </mrow> <mi>c</mi></mfrac> </mrow>其中c为光速，relayikl(q)为平流层第i个飞艇通过中转到地面坐标为(xkl(q)，ykl(q)，0)用户的距离，表示为 <mrow><msup> <msub><mi>relay</mi><mi>ikl</mi> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>q</mi><mo>)</mo> </mrow></msup><mo>=</mo><mfenced open='{' close=''> <mtable><mtr> <mtd><msup> <msub><mi>RH</mi><mi>ikl</mi> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>q</mi><mo>)</mo> </mrow></msup> </mtd> <mtd><mi>when</mi><munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi></munderover><msub> <mi>hh</mi> <mi>ij</mi></msub><mo>&CenterDot;</mo><msup> <msub><mi>hu</mi><mi>jkl</mi> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>q</mi><mo>)</mo> </mrow></msup><mo>&NotEqual;</mo><mn>0</mn> </mtd></mtr><mtr> <mtd><msup> <msub><mi>RS</mi><mi>ikl</mi> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi&...

【专利技术属性】
技术研发人员：高新波，王旭宇，李洁，宗汝，常红娜，蔡田齐一，杨勇，冯晓峰，吕宗庭，彭建华，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]