专利名称：：基于遗传算法的平流层飞艇布局优化方法
技术领域：
：本发明属于无线网络领域，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。
背景技术：
：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SkyStation,HighAltitudeLongOperation,ShyTower,WeatherBalloonHAPs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HaYoogSong仅提出了一种基于K均值聚类的多飞艇布局方法“HaYoonSong,"AmethodofmobilebaseStationplacementforhighaltitudeplatformbasednetworkwithgeographicalclusteringofmobilegroundnodes",ProceedingsoftheInternationalMulticonferenceonComputerScienceandInformationTechnology,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。
发明内容本发明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，本发明包括如下步骤(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Ovni;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^=I1hjq^^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/_1VRvU=——丄=^nU‘=1dm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^oIqH=HPjog2Pklk=\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，表示为权利要求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Adhoc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>‾</mo></mover><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><munderover><mi>Σ</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>Σ</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01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><mfencedopen='{'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>≤</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>Σ</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>‾</mo></mover><mi>α</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>Σ</mi><mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><msub><mi>k</mi><mn>0</mn></msub></munderover><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>l</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><msub><mi>l</mi><mn>0</mn></msub></munderover><msub><mi>ρ</mi><mi>kl</mi></msub><msub><mi>log</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>ρ</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>ρ</mi><mi>kl</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><msub><mi>V</mi><mi>kl</mi></msub><mrow><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><msub><mi>k</mi><mn>0</mn></msub></munderover><munderover><mi>Σ</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>·</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>·</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><mfencedopen='{'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>Σ</mi><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><msub><mi>hh</mi><mi>ij</mi></msub><mo>·</mo><msup><msub><mi>hu</mi><mi>jkl</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>q</mi><mo>)</mo></mrow></msup><mo>≠</mo><mn>0</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><msup><msub><mi>RS</mi><mi>ikl</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>q</mi><mo>)</mo></mrow></msup></mtd><mtd><mi>when</mi><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><msub><mi>hh</mi><mi>ij</mi></msub><mo>·</mo><msup><msub><mi>hu</mi><mi>jkl</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>q</mi><mo>)</mo></mrow></msup><mo>=</mo><mn>0</mn></mtd></mtr></mtable></mfenced></mrow>其中RHikl(q)为平流层第i个飞艇通过其他飞艇中转到地面坐标为(xkl(q)，ykl(q)，0)用户的最短距离，表示为<mrow><msup><msub><mi>RH</mi><mi>ikl</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>q</mi><mo>)</mo></mrow></msup><mo>=</mo><munder><mi>min</mi><mi>j</mi></munder><msub><mi>hh</mi><mi>ij</mi></msub><msup><msub><mi>hu</mi><mi>jkl</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>q</mi><mo>)</mo></mrow></msup><mrow><mo>(</mo><msub><mi>h</mi><mi>ij</mi></msub><mo>+</mo><msup><msub><mi>d</mi><mi>jkl</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>q</mi><mo>)</mo></mrow></msup><mo>)</mo></mrow></mrow>这里hij为第i个飞艇与第j个飞艇之间的距离，表示为<mrow><msub><mi>h</mi><mi>ij</mi></msub><mo>=</mo><msqrt><msup><mrow><mo>(</mo><msub><mi>m</mi><mi>i</mi></msub><mo>-</mo><msub><mi>m</mi><mi>j</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mrow><mo>(</mo><msub><mi>n</mi><mi>i</mi></msub><mo>-</mo><msub><mi>n</mi><mi>j</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn></msup></msqrt></mrow>hhij为第i个飞艇与第j个飞艇之间连接关系的01指示值，表示为<mrow><msub><mi>hh</mi><mi>ij</mi></msub><mo>=</mo><mfencedopen='{'close=''><mtable><mtr><mtd><mn>1</mn></mtd><mtd><msub><mi>h</mi><mi>ij</mi></msub><mo>≤</mo><msub><mi>h</mi><mn>0</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><msub><mi>h</mi><mi>ij</mi></msub><mo>></mo><msub><mi>h</mi><mn>0</mn></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced></mrow>其中h0表示飞艇之间能够连接的最大距离，RSikl(q)为平流层第i个飞艇通过卫星中转到地面坐标为(xkl(q)，ykl(q)，0)用户的距离，表示为RSikl(q)＝shi+suik(q)其中shi表示为平流层第i个飞艇与卫星之间的距离，suikl(q)表示为卫星与地面坐标为(xkl(q)，ykl(q)，0)用户的距离，分别表示为<mrow><msub><mi>sh</mi><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><msqrt><msup><mrow><mo>(</mo><msub><mi>m</mi><mi>i</mi></msub><mo>-</mo><msub><mi>s</mi><mi>x</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mrow><mo>(</mo><msub><mi>n</mi><mi>i</mi></msub><mo>-</mo><msub><mi>s</mi><mi>y</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mrow><mo>(</mo><mn>20</mn><mo>-</mo><msub><mi>s</mi><mi>z</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn></msup></msqrt></mrow><mrow><msup><msub><mi>su</mi><mi>ikl</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>q</mi><mo>)</mo></mrow></msup><mo>=</mo><msqrt><msup><mrow><mo>(</mo><msub><mi>s</mi><mi>x</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>s</mi><mi>y</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><msub><mi>s</mi><mi>z</mi></msub><mn>2</mn></msup></msqrt></mrow>其中(sx，sy，sz)为卫星的空间坐标；(2e)根据第i个飞艇到地面坐标为(xkl(q)，ykl(q)，0)用户的有效时延，得到飞艇到地面用户总的系统时延T为<mrow><mi>T</mi><mo>=</mo><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>l</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><msub><mi>l</mi><mn>0</mn></msub></munderover><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><msub><mi>k</mi><mn>0</mn></msub></munderover><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>q</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><msub><mi>n</mi><mi>kl</mi></msub></munderover><msup><msub><mi>t</mi><mi>ikl</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>q</mi><mo>)</mo></mrow></msup></mrow>(2f)根据所有区域用户平均覆盖功率的熵H和飞艇到地面用户总的系统时延T，得到飞艇布局优化模型；<mrow><mi>max</mi><mi>H</mi><mo>=</mo><mo>-</mo><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><msub><mi>k</mi><mn>0</mn></msub></munderover><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>l</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><msub><mi>l</mi><mn>0</mn></msub></munderover><msub><mi>ρ</mi><mi>kl</mi></msub><msub><mi>log</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>ρ</mi><mi>kl</mi></msub></mrow><mrow><mi>min</mi><mi>T</mi><mo>=</mo><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><msub><mi>k</mi><mn>0</mn></msub></munderover><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>l</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><msub><mi>l</mi><mn>0</mn></msub></munderover><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>q</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><msub><mi>n</mi><mi>kl</mi></msub></munderover><msup><msub><mi>t</mi><mi>ikl</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>q</mi><mo>)</mo></mrow></msup></mrow>(3)使用遗传算法对飞艇布局优化模型进行求解，并不断迭代得到飞艇布局的全局最优解。FDA0000027698470000011.tif,FDA0000027698470000015.tif2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(1)所述的对于地面层，使用信息栅格结构，并且假设用户服从混合高斯分布，是将地面面积为aXb的区域划分为IctlXItl块方形区域，假设区域中的用户服从混合高斯分布P(r)为3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(3)所述的使用遗传算法对飞艇布局优化模型进行求解，按如下步骤进行(3a)将目标函数的参数集合编码成染色体，并随机初始化一定规模的染色体种群，平流层第i个飞艇空间位置的编码为全文摘要本发明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。文档编号H04W16/18GK101959202SQ20101029875公开日2011年1月26日申请日期2010年10月7日优先权日2010年10月7日发明者冯晓峰,吕宗庭,宗汝,常红娜,彭建华,李洁,杨勇,王旭宇,蔡田齐一,高新波申请人:西安电子科技大学