遺傳算法在船舶網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度中應(yīng)用

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摘要:海上無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)作為船舶導(dǎo)航、通信的媒介，其信道質(zhì)量和信號(hào)傳輸效率有著重要意義，由于海上無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)無(wú)法建立基站且船舶不斷的移動(dòng)位置，因此，提高船舶無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的利用率，合理的調(diào)配無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源是一項(xiàng)熱點(diǎn)研究。本文介紹一種基于多目標(biāo)遺傳算法的船舶網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)配方法，分別從算法原理、資源調(diào)度流程以及仿真測(cè)試等方面進(jìn)行介紹。

關(guān)鍵詞：多目標(biāo)遺傳算法；資源調(diào)度；無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)

0引言

海上的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)是船舶進(jìn)行通信、導(dǎo)航的基礎(chǔ)，隨著船舶工業(yè)的迅速發(fā)展，海上移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)也獲得了較大的發(fā)展。我國(guó)是一個(gè)海上商品物流貿(mào)易大國(guó)，航運(yùn)船只的保有量位居世界前列，因此，提高我國(guó)海上無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的性能是一項(xiàng)重要的戰(zhàn)略規(guī)劃，也是我國(guó)進(jìn)行海上資源開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。海上移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)面臨著一系列的挑戰(zhàn)，比如，船舶無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)始終處于不斷的移動(dòng)中，無(wú)線(xiàn)通信基站的穩(wěn)定性受到一定影響；海上惡劣的氣象條件會(huì)干擾無(wú)線(xiàn)通信信號(hào)的傳輸，降低無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量；海域內(nèi)大量的船舶共同使用一個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，造成網(wǎng)絡(luò)資源的擁擠，也會(huì)降低無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)質(zhì)量。針對(duì)這些問(wèn)題，研究人員投入了大量的精力，取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步[1]。本文研究針對(duì)船舶無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的資源調(diào)度問(wèn)題，首先介紹一種多目標(biāo)遺傳算法，基于該算法開(kāi)發(fā)了船舶移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的資源調(diào)度技術(shù)，并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度的仿真測(cè)試。

1多目標(biāo)遺傳算法的研究

對(duì)于船舶網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度的問(wèn)題，要想實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的最佳調(diào)度方案，必須考慮船舶無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的路徑特征、信號(hào)噪聲特性、信號(hào)衰落特性等，通過(guò)分析和比較影響網(wǎng)絡(luò)調(diào)度優(yōu)化的因素，建立多目標(biāo)尋優(yōu)數(shù)學(xué)模型。多目標(biāo)遺傳算法是通過(guò)模擬自然界的進(jìn)化理論，結(jié)合數(shù)學(xué)模型進(jìn)行目標(biāo)快速尋優(yōu)的算法，該算法的核心是進(jìn)行優(yōu)化模型的遺傳和變異，多目標(biāo)遺傳算法在非線(xiàn)性問(wèn)題的求解領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。1）初始化和生成初始種群多目標(biāo)遺傳算法首先需要進(jìn)行數(shù)據(jù)初始化、約束條件的初始化，通過(guò)對(duì)種群的個(gè)體進(jìn)行編碼，產(chǎn)生初始的種群個(gè)體。2）交叉和變異適應(yīng)度值是進(jìn)行種群中個(gè)體篩選的判斷條件，滿(mǎn)足適應(yīng)度值的個(gè)體保留，生成新種群，不滿(mǎn)足適應(yīng)度值的個(gè)體被淘汰，這個(gè)過(guò)程為交叉和變異。多目標(biāo)遺傳算法的適應(yīng)度值函數(shù)如下式：其中，學(xué)習(xí)因子為c1和c2，慣性權(quán)重為ωt。3）生成新種群fi(i=1,2,3,···,N)假設(shè)種群中有N個(gè)個(gè)體，個(gè)體的適配值為，按照適應(yīng)度篩選后形成的下一代種群個(gè)數(shù)為：4）迭代優(yōu)化輸出優(yōu)化解。

2基于多目標(biāo)遺傳算法的船舶網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度算法

2.1船舶無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度的方法論

船舶無(wú)線(xiàn)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)是一種空間分布式網(wǎng)絡(luò)，信號(hào)基站通常建立在岸基上，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)位于多艘船舶上，每艘船舶之間通過(guò)路由協(xié)議建立子級(jí)別的通信網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的資源調(diào)度方法主要包括功率控制和媒介接入2種，分別如下：1）媒介接入媒介接入是指控制船舶網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接入無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度方式通過(guò)數(shù)據(jù)報(bào)文控制，船舶無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)是一種分布式網(wǎng)絡(luò)，船舶終端節(jié)點(diǎn)存在信道共用的問(wèn)題，同時(shí)也容易受到噪聲信號(hào)的影響。因此，在通過(guò)媒介接入方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度時(shí)，需要設(shè)計(jì)合理的MAC網(wǎng)絡(luò)協(xié)議[2]。2）功率控制功率控制是一種重要的網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度方式，能夠有效地改善網(wǎng)絡(luò)鏈接穩(wěn)定性，提升無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積，本文也是基于功率控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了船舶網(wǎng)絡(luò)資源的調(diào)度。

2.2船舶無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度的多目標(biāo)尋優(yōu)建模

pipr(j)本文結(jié)合多目標(biāo)遺傳算法，進(jìn)行基于功率控制原理的艦船無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度，首先建立資源調(diào)度系統(tǒng)模型，假設(shè)艦船無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)有n條鏈路，網(wǎng)絡(luò)源節(jié)點(diǎn)i，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)為j，信號(hào)發(fā)送功率為，信號(hào)接收功率為，可得：pr(j)=pi(λ4πdi)αδ1δ2。λδ1δ2di式中：為信號(hào)波長(zhǎng)；，分別為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的天線(xiàn)增益，為發(fā)送節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)之間的距離。將上述方程簡(jiǎn)化可得：船舶之間的數(shù)據(jù)傳輸誤比特率是衡量網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度成功與否的關(guān)鍵，誤比特率用下式計(jì)算：式中：pn(j)為信道中的干擾信號(hào)[3]，將誤比特率定義為多目標(biāo)遺傳算法的適應(yīng)度函數(shù)，可得到艦船網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度的流程如圖3所示。

2.3基于多目標(biāo)遺傳算法的船舶網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度仿真

本文對(duì)功率控制下的船舶網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度進(jìn)行仿真，仿真參數(shù)如表1所示。得到功率與船舶無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的誤比特率關(guān)系曲線(xiàn)如圖4所示。

3結(jié)論

本文結(jié)合多目標(biāo)遺傳算法進(jìn)行船舶網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度的研究，分析船舶無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的特性，采用功率控制方法實(shí)現(xiàn)了資源調(diào)度，并進(jìn)行了仿真。

作者:趙文 樓新遠(yuǎn) 鄧文雯 單位:.西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院智慧農(nóng)業(yè)學(xué)院