一种功率前馈控制的分布式GIS空间增益算法

刘大龙，许丽娟

(1.广东工业大学华立学院 机电与信息工程学部，广东 增城　511325；2.广东财经大学华商学院 信息工程系，广东 增城　511300)



一种功率前馈控制的分布式GIS空间增益算法

刘大龙1，许丽娟2

(1.广东工业大学华立学院 机电与信息工程学部，广东 增城511325；2.广东财经大学华商学院 信息工程系，广东 增城511300)

摘要：传统的GIS空间增益算法采用基于负载传输控制的链路差拍分离算法，当控制系统呈现阻尼振荡影响时，GIS系统的空间增益效果好。提出一种基于功率前馈控制的分布式GIS空间增益算法，构建GIS系统的地理数据传输信道模型，设计分布式空间信号检测算法，提高GIS的空间增益，构建功率前馈控制模型，使用双曲调频和二次调频信号进行GIS地理数据的回波定位，实现分布式GIS空间增益算法改进。仿真实验表明，采用该算法进行分布式GIS系统设计，能在不同用户数据吞吐量下提高GIS空间增益，提高GIS的数据处理和信息调度能力，展示了较好的应用价值。

关键词：地理信息系统；功率前馈控制；空间增益

地理信息系统(Geographic Information System或Geo-Information System，GIS)是研究地理信息管理和信息资源调度的综合系统，结合地理学与地图学以及遥感和计算机科学，已经广泛的应用在遥感探测、地图绘制和建筑测绘等不同领域，研究GIS的构建和设计方法，受到人们的广泛重视。随着电子技术和电子工业的发展，GIS向着集成和多功能方向发展，并与信号的检测和估计等学科结合，在计算机硬、软件系统支持下，实现地理信息的分析和处理，分布式地理信息系统的空间增益扩展是提高地理信息系统的信息交互和信道配准能力关键，通过空间增益算法设计，实现GIS和与地调SCADA系统集成，取得变电站出口开关变位信息和出口负荷信息和变电站出口保护动作信息，研究GIS的分布式空间增益算法具有重要意义。

传统方法中，分布式地理信息系统的空间增益算法主要采用动态神经网络部署机制和周期性地转换簇头的体制，使用混合式信道分散方案，达成转移分散式GIS空间的时变通信信道增益估计[1]；另外，有人提出采用通信信道盲均衡算法实现分布式GIS的时变通信信道估计和空间增益扩展，通过定常模态形式实现了对相位信息的星座图划分，但算法计算复杂，可行性不好[2]。文献[3]提出功率前馈的鲁棒预测无差拍并网管制的GIS控制方法，使用电压电流双闭环管制，融合神经网络控制系统，但该算法导致GIS负载均衡效果不好，影响地理信息系统的调度性能。文献[4]采用基于负载传输控制的链路差拍分离算法，当控制系统呈现阻尼振荡影响时，GIS的空间增益效果好。针对上述问题，本文提出一种基于功率前馈控制的分布式GIS空间增益算法，首先构建GIS的地理数据传输信道模型，构建功率前馈控制模型，设计分布式空间信号检测算法，提高GIS的空间增益，达成算法改进，仿真实验实行性能检验，展示了本文算法在增加地理讯息系统的数据调度与管制里的优越性能。

1GIS预备知识与信道模型设计

1.1GIS通信系统模型

首先构建一个地理信息系统GIS通信的网络模型，假设用三元组(V，D，p)表示一个地理信息系统GIS通信网络，其中V={v1，v2，…，vn-1，vn}代表n个地理讯息系统GIS通信结点，且这些结点随机的在同一个平面上，移动网络基站中，节点赋闲状况的接口配备信道，该怎样选取，须要一个测量的规则[5-6]，可用无向图G(V，E)来表示存在信道竞争，其中V={vi|i=1，2，…，n}表示GIS网络中移动基站集合，假如簇头ni和Sink以多跳形式GIS通信，簇头ni的候选里节点集合是：

candidate={ni|d(ni,nj)

(1)

(2)

参数设定为q=2，b0=0，b1=1，b-1=-1且c1=1/2，c-1=-1/2，在空间增益扩展中，如果Π状态机最终转到Accept状态，则Π必然在τj(τj>τi)时刻收到消息：

(3)

(4)

(5)

(6)

式中E(·)——期望值算子。

由此得到地理信息系统GIS通信系统中的信道模型表示为：

(7)

通过上述描述，得到了地理信息GIS通信系统模型，为进行GIS系统的功率前馈控制和空间增益扩展提供模型基础。

1.2分布式GIS空间信号检测算法设计

在上述信道模型设计的基础上，为了提高地理信息系统的数据传输能力，需要对GIS的地理空间信息进行检测设计，检测算法的设计采用功率前馈控制方法，通信数据进程在收发数据时产生不同特性的混响场，而信道模型中的传递信号分为窄带信号和宽带信号，对于窄带信号，在信号功率较大情况下产生信道偏移，偏移量为：

例如：在教学人教版数学三年级上册《笔算乘法（不进位）》这课时，为了让学生明白，两位数乘一位数，用竖式计算，对照竖式说一说积的每一位数上的意义，借助直观操作 进一步明确算理，从而构建笔算模型，可以引导学生动手操作，体验如下环节：

(8)

由此达成对象测验数据包含属性离散处置，且保障了各组练习测验样本数据集辨别具备确定性，GIS通信信号的频谱在s域和z域上的双线性关系描述为：

(9)

式中ri——衰落信号开始时刻码相位；λ——链路层的最短衰落途径；θi——信号的阵元相位；m——链路层的维数。

综上分析，得到分布式GIS空间信号检测算法步骤为：

(1)构造GIS空间通信图G(V，r)，(r≤δ·rmax，δ∈(0，1)，rmax=(P(N0β)-1)1/α)，输入信道分配树T和最大独立集。

(2)任选一个结点v，构造一棵根在结点的BFS树，将分配结点与连接结点融合为一个结点配备子集，并一起实行信道配备，提高信道的均衡特点。

2分布式GIS空间增益算法改进实现

在系统信道模型构建和空间信号检测设计的基础上，进行分布式地理信息系统的空间增益算法改进，综上分析得知，GIS空间增益扩展是提高地理信息系统的信息交互和信道配准能力关键，传统的GIS空间增益算法采用基于负载传输控制的链路差拍分离算法，当控制系统呈现阻尼振荡影响时，GIS系统的空间增益效果好。本文提出一种基于功率前馈控制的分布式GIS空间增益算法，考虑GIS功率前馈直流侧能量，利用离散傅里叶变换计算GIS空间增益平均值为：

(10)

式中Ep——输出功率输出平均值；rp(k)——GIS地理信息系统的有功损耗；yp(k)——GIS信道扩展频率。

含噪的通信信号进行自适应滤波，构建滤波器，滤波器系统函数为：

(11)

前馈神经网络系统给的输入向量为r1，r2，…，rn。网络输入层为个神经元结构，通过功率前馈控制实现GIS直流输出控制，此时神经元输入为：

(12)

进一步构建直扩GIS数据合并系统，直扩系统的全名是直接序列扩频系统，GIS具备较好的抗多径影响水平，尤其是对剩余信号的码间影响具备一定的抗干扰性，假如nj在这一轮GIS通信里用于簇内通信、数据融合，融合后的数据输送给Sink的能量是：

Computition(nj)=(Eelec+EDF)lδ+ETx(l，dj)

(13)

(14)

(15)

得到GIS空间中所有簇首节点的最佳发射功率策略，由此得到基于协议信道邻居构建的通信功率为：

(16)

通过滤波器进行干扰抑制，得到的空间谱瞬时值，通过傅里叶变换求得功率谱密度函数，采用功率前馈控制，实现了分布式GIS空间增益算法改进。

3系统性能测试仿真实验

为了测试本文算法在实现分布式GIS空间增益中的性能，验证本文算法在提高地理信息系统的数据通信方面的优越性，进行仿真实验。仿真实验的硬件环境为：Intel(R) 2.3 GHz CPU，2 GB内存，32位Windows 7系统的PC机。仿真测验里，采用的分层网络拓扑组成建立地理讯息GIS通讯信道模型，使用单个sink节点与10个簇首节点，簇首节点随时分配，依据数据的节点，随时分散在地理讯息收集节点涵盖范围，假如是500 m×500 m 的正方形范围，节点输送半径与影响半径都是25 m，GIS仿真系统发射阵元在分散原始间距是30m，使用100个接收阵元构成的垂直线列阵分散于繁杂通讯里，BPSK调制载波选择频率为10KHz的正弦信号，信息序列码元宽度取4 ms；p(t)为频带为2～10 KHz、时宽为4 ms的线性调频信号，接收与发射换能器均位于分布式地理空间，收发端距离为3.7 km。在信噪比SNR分别在0 dB，10 dB，20 dB，20 dB下进行GIS空间增益设计。在窄带干扰条件下，采用本文算法，构建GIS的功率前馈控制模型，得到GIS功率谱密度函数如图1所示系统。

图1　GIS功率谱密度谱分析结果

根据上述GIS数据的功率谱特征为样本，进行分布式GIS空间增益仿真，为了对比算法性能，采用本文算法和传统算法，以空间增益系数为测试指标，在不同用户数据吞吐量下的GIS空间增益仿真结果如图2所示。从图2可见，采用本文算法，能有效提高分布式GIS空间增益，实现GIS和与地调SCADA系统集成，取得变电站出口开关变位信息和出口负荷信息和变电站出口保护动作信息，提高地理信息系统的信息交互和信道配准能力。

图2　分布式GIS空间增益仿真结果

4结语

分布式地理信息系统GIS的空间增益扩展是提高地理信息系统的信息交互和信道配准能力关键，传统的GIS空间增益算法采用基于负载传输控制的链路差拍分离算法，当控制系统呈现阻尼振荡影响时，GIS的空间增益效果好。提出一种基于功率前馈控制的分布式GIS空间增益算法，首先构建GIS的地理数据传输信道模型，构建功率前馈控制模型，设计分布式空间信号检测算法，提高GIS的空间增益，实现算法改进，研究结果表明，采用本文算法能在不同用户数据吞吐量下提高GIS空间增益，提高GIS的数据处理和信息调度能力，实现GIS和与地调SCADA系统集成，取得变电站出口开关变位信息和出口负荷信息和变电站出口保护动作信息，展示了较好的应用价值。

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ZHENG Geng-zhong, LIU San-yang, QI Xiao-gang. Study on power control of wireless sensor networks based on non-cooperative game[J]. Control and Decision, 2011,26(7):1014-1018.

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WANG Guang-hao, WU Yue. Data trust model for road information in vehicular Ad hoc networks[J]. Computer Science, 2014,41(6):89-93.

(本文编辑：严加)

Distributed GIS Spatial Gain Algorithm for Power Feedforward Control

LIU Da-long1, XU Li-juan2

(1.Department of Mechanical and Electrical and Information Engineering,Huali College of Guangdong University of Technology, Zengcheng 511325, China;2. Department of Information Engineering, Huashang College of Guangdong University of Finance & Economics,Zengcheng 511300, China)

Abstract:GIS space gain algorithm is adopted in traditional load link transmission control algorithm based on difference of separation, when the control system presents the effect of damping oscillation, spatial gain good effect of GIS system. This paper proposes a distributed GIS space power gain algorithm based on feedforward control, geographic data to construct GIS system transmission channel model, make the design of distributed spatial signal detection algorithm, and improve the spatial gain of GIS, the construction of power model of feedforward control, echo GIS geolocation data using hyperbolic FM and two FM signal, improving the implementation of distributed GIS spatial gain algorithm. Simulation results show that applying this algorithm to the design of distributed GIS system can improve the GIS space gain in different user data throughput, and improve the data processing and information scheduling ability of GIS, showing a good application value.

Key words:geographic information system; power feedforward control; spatial gain

DOI：10.11973/dlyny201602009

基金项目：2012年质量工程立项文件粤教高函[2012]204号

作者简介：刘大龙(1976),硕士研究生，实验师，主要研究电工电子技术及自动控制。

中图分类号：TM763

文献标志码：A

文章编号：2095-1256(2016)02-0193-04

收稿日期：2016-02-16