短波3G通信频率优化遗传算法研究

于 鹏，杨云升

(中国洛阳电子装备试验中心，河南 济源 459000)

短波3G通信频率优化遗传算法研究

于 鹏，杨云升

(中国洛阳电子装备试验中心，河南 济源 459000)

基于美军标MIL-STD-188-14lB的第三代短波通信系统进一步提高了通联效率，目前在世界各国得到了广泛的应用，但短波3G独特的建链协议也同时要求其能够对系统进行合理的用频管理，通过分析短波3G协议特点和用频特点，设计了基于遗传算法的短波3G通信用频优化方法，对算法中的适应度函数设计进行详细阐述，并基于该算法进行了具有一定驻留组的短波通信系统用频优化设计，仿真过程收敛，进一步验证了该方法的可行性。

短波3G；遗传算法；频率管理；互调干扰

0 引言

短波通信中，干扰情况比较复杂，主要包括自然干扰、电台互扰和有意干扰[1]，而其中电台互扰会严重影响通信链路的建立，尤其在3G短波通信中，合理进行短波通信用频规划是需要重点考虑和解决的问题。系统频率分配优化问题也日益得到重视，文献[2-4]采用序列设计等方法讨论了电台以及移动通信中的频率设计问题，文献[5-6]采用遗传算法进行了频率分配问题的讨论，本文结合短波3G通信系统用频特点，利用遗传算法进行短波3G用频优化设计。

1 短波3G通信用频特点

1.1 短波3G通信建链

在美军第三代短波通信协议基础上，短波通信系统在技术上逐渐实现了“网络、综合”特征，在功能上满足“综合业务传输”目标，尤其短波3G自动建链技术的优化，进一步提高了短波通信网建链效率[7-10]。

1.1.1 同步扫描建链技术

2G-ALE是一个异步系统，系统内部没有进行频率控制，收发双方不知道对方的工作频率，每部电台需要不停地循环扫描所有信道，而呼叫台站需要在固定信道进行呼叫等待(最大等待时间为一个呼叫周期)，链路建立消耗了大量时间。3G-ALE采用了同步工作模式，所有的扫描站能接收来自于网络层的频率控制命令，网络中台站在同一时间监听同一个呼叫信道，呼叫台站在当前呼叫频率上呼叫被呼台站，极大地提高了呼叫效率[8]。

1.1.2 划分驻留组

第三代短波自动链路建立系统中引入驻留组的概念，这种技术将网络中的所有电台划分成多个组。同一时间、同一驻留组内的电台工作在同一信道上，而不同的组工作在不同的信道上，大大地缩短了呼叫时间，减少了呼叫碰撞概率[7]。

1.1.3 信道分离技术

第三代短波自动链路建立系统将呼叫信道和数据流信道(业务信道)分离，并保持业务信道与呼叫信道相邻，以使它们在传输特性上相近[9]。信道分离的好处是不需要反复进行信道质量评估。系统正常工作时，呼叫信道保持相对空闲，而业务信道却在进行大规模的信息传送，这样就可以保证信息传送的高效率和链路建立的快速性。当然，信道分离同时也带来了一定的系统开销，这主要表现在一方面要额外确定业务信道的传输特性，另一方面使用业务信道进行数据传输时仍然要进行监听。

1.2 短波3G频率规划

短波通信主要包含2种电波传播形式：地波传播和天波传播。地波传播主要受地表传播环境影响，信道稳定、传播损耗较大、通信距离有限；天波传播主要靠电离层反射，与地波相比，存在传播损耗小、通信距离远和信道变化较大等特点。

在进行短波3G频率规划时，要考虑电波传播模式、最佳通信频段以及网内信道冲突等问题。

1.2.1 工作频段划分

工作频段划分主要考虑以下几个方面的问题：

① 短波通信电波传播模式

由于电离层的变化，短波天波传播存在最低可用频率与最高可用频率，最佳工作频段应该在该范围内进行选择；短波地波传播不存在最低和最高工作频率问题，传播损耗与工作频率、通信距离及天线高度等有关，应综合考虑确定工作频段问题。

② 不同工作组

3G短波系统将通信网划分成多个驻留组，不同驻留组工作于不同的信道组，因而，设计时可以考虑为不同驻留组分配不同的工作频段，减少网内信道碰撞。另外，在频率资源有限的情况下，可以考虑为具有一定空间隔离度的地波传播驻留组分配相近工作频段。

1.2.2 可用信道确定

短波信道干扰复杂，因而在进行短波用频设计时需要考虑当地短波监测数据库，统计分析当前可用信道。

1.2.3 信道优化设计

信道优化设计主要考虑以下几个方面问题：

① 短波3G呼叫信道和业务信道关系；

② 信道隔离度问题；

③ 不同驻留组信道冲突问题；

④ 信道之间的互扰自扰问题。

本文采用遗传算法重点解决短波3G用频的信道优化问题。

2 利用遗传算法进行短波3G通信频率优化

2.1 遗传算法

遗传算法是建立在自然选择和自然遗传学机理基础上的迭代自适应概率性搜索算法。算法模拟自然选择和自然遗传过程中的繁殖、交换、变异过程，最终搜索到较优个体。具有不需要求剃度、能得到全局最优解、算法简单及可并行处理等特点[11]。

遗传算法应用的2个关键问题是进行样本参数编码和样本性能评价(即计算适配度)，主要步骤有参数编码、种群初始化、计算样本适配度、选择、交叉及变异等[12-13]。

2.2 算法实现

利用遗传算法进行短波3G信道优化需要确定的几个主要步骤。

2.2.1 参数编码

进行参数编码首先需要确定该通信系统具有几个驻留组，由驻留组确定寻优参数的个数，结合系统频段范围，进行参数编码[10]。

样本编码结构如图1所示。

图1 短波3G通信系统遗传算法频率编码结构

样本码中每一参数码的长度通过对下式中mi求最小值得到：

(1)

式中,Ftop/Fbutton为驻留组频率范围；w为信道带宽；m为该驻留组参数编码长度。

2.2.2 样本适配度

短波3G信道优化遗传算法的一个样本包含了一组频率值，这组频率结果是否满足短波3G系统频率非配最优化的要求，需要合理设计算法的适配度函数。在短波3G频率优化遗传算法中，计算适配度有2种方法：

① 绝对干扰强度计算方法。根据源信号实际强度，计算得到在不同频率点产生的干扰信号强度。这种方法的优点是能够计算得到干扰信号的实际大小，具体分析通信的受干扰程度；缺点是需要知道所有源信号的大小以及接收机的非线性系数，但这些参数通常比较难得到。

② 相对干扰强度计算方法。根据干扰信号和通信信号的频率，在同等条件下分析接收机可能收到的干扰程度。该方法的优点是不需要了解源信号的大小以及通信接收机非线性系数等参数，缺点是没有考虑通信受干扰的具体程度。

考虑到短波3G通信系统实际应用中电台装备比较多、通信功率可调等因素，在进行算法设计是采用相对干扰强度方法进行样本适配度计算。

短波3G通信用频优化主要解决的是系统内部用频冲突以及干扰问题，重点考虑频率之间的临道干扰以及互调干扰，互调主要考虑2个频率之间的f1±f2、2f1±f2、2f2±f1互调[14-16]。分析过程中样本适配度用频率组相对干扰和表示，适配度越小表示频率之间的相互干扰越小。

2.2.3 遗传算法过程

短波3G频率优化遗传算法过程如图2所示。

图2 短波3G通信频率优化遗传算法流程

每一次通过遗传算法寻优后，由最优样本得到一组或多组频率送入频率池，通过n次遗传运算得到n组、每组m个频率值，如图2所示，图中Fnm表示不同驻留组(m)在表示不同时刻(n)时的频率值。

设计一组短波3G通信系统工作参数：工作频段3.75～4.975 MHz，信道带宽3 kHz，驻留组数18。采用上述方法进行频率优化训练，训练最大步数1 000、训练目标10-8，训练过程如图3所示。

图3 短波3G遗传算法训练过程

为了能够全面地了解算法性能以及训练过程，设计中设置了比较苛刻的频带限制、较高的训练目标值，并且没有对各驻留组进行工作频段划分，表1给出了其中4组训练结果情况。

表1 短波频率优化结果

驻留组第1组/MHz第2组/MHz第3组/MHz第4组/MHz014.9714.864.8184.497024.8574.9594.8994.752034.2484.7494.3924.791044.7314.3744.7584.875054.2814.4524.6474.623064.984.8724.5694.428074.774.6864.0624.371084.414.7164.4914.254094.2964.3234.4014.401104.2724.7284.8514.83114.7884.8814.6353.969124.4584.2094.4674.776134.3174.8064.3594.56144.0623.994.1464.119154.0293.9274.4344.812164.7554.1283.9034.266174.6744.23.8584.281184.3354.1913.7984.029

结果没有相互碰撞、相互之间具有一定的信道隔离度、互调干扰最优，能够满足短波3G通信网用频需要。

由训练过程可知：

① 该遗传算法设计能够达到频率寻优的目的；② 适应度函数设计合理，算法能够实现快速寻优。

2.2.4 样本适配度函数设计

利用遗传算法进行短波3G选频优化处理的关键是设计一种合理的样本适配度计算方法，文中采用一种归一化的相对影响指数方法进行干扰分析。

影响指数采用脉冲函数进行表示：

(2)

式中，参数a采用影响因数相对归一化设计，参数K确定了函数的相应范围。

短波3G通信系统采用呼叫信道业务信道分离的设计原则，即呼叫信道附近的k个信道作为业务信道，通信过程默认呼叫信道质量同其附近的业务信道质量相似，因而在设计遗传算法影响指数时，对函数进行如下扩展，使函数包含其附近k个信道的影响分析。

(3)

该扩展指数函数主要用来分析频率的临道干扰情况，对于互调干扰影响，则通过调整参数K得到新的函数形式，进行不同干扰分析的函数图形如图4所示。

图4 不同类别干扰分析的影响指数函数图

在临道影响指数函数中，为每一个呼叫信道设置4个(左右各2个)业务信道、1个隔离信道；在互调影响指数函数中，综合考虑信道分离、信道隔离等情况，设计了8～10具有一定滚将特性的干扰信道。

3 结束语

设计的基于遗传算法的短波3G用频优化方法，可以最大限度地减少短波3G通信系统之间的频率碰撞、自扰互扰等现象发生，对提升短波3G通信系统频率管理效率有很大的使用价值。该方法只是分析了系统频率之间发生碰撞、干扰的可能性，而对具体干扰强度的大小没有进行定量分析，在使用过程中如果需要可以结合具体信号强度、装备实际情况进行。

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ResearchonGeneticAlgorithmforHF3GCommunicationFrequencyOptimization

YU Peng,YANG Yun-sheng

(Luoyang Electronic Equipment Test Center of China,Jiyuan He’nan 459000,China)

The third generation HF communication system based on US military standard MIL-STD-188-141B further improves the work efficiency.At present,it has been widely used in the world.However,the unique link establishment protocol also requires a reasonable frequency management for the system.A frequency optimization method for HF 3G communications based on genetic algorithm is designed,through analyzing the characteristics of short wave 3G protocol and frequency.Based on this algorithm,the frequency optimization design of short wave communication system with certain resident groups is carried out.The convergence of simulation process further verifies the feasibility of the method.

HF 3G;genetic algorithm;frequency management;intermodulation interference

TN911

A

1003-3114(2017)06-41-4

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.06.10

于鹏,杨云升.短波3G通信频率优化遗传算法研究[J].无线电通信技术,2017,43(6):41-44.

[YU Peng,YANG Yunsheng.Research on Genetic Algorithm for HF 3G Communication Frequency Optimization[J].Radio Communications Technology,2017,43(6):41-44.]

2017-07-25

于 鹏(1977―)，男，高级工程师,硕士，主要研究方向：通信对抗。杨云升(1973―)，男，高级工程师，主要研究方向：通信对抗。