Система для оптимизации распределения частот в комплексе компактно расположенных разнотипных радиоэлектронных средств
SYSTEM FOR OPTIMISING THE FREQUENCY ALLOCATION IN A SET OF COMPACTLY ARRANGED DIVERSE RADIOELECTRONIC TOOLS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области вычислительной техники и телекоммуникаций и может быть использовано для распределения ресурсов при наличии конфликтных комбинаций ресурсов, в частности, для распределения частот в комплексе компактно расположенных разнотипных радиоэлектронных средств и минимизации помех, возникающих при использовании близких частот радиосигналов компактно расположенных радиоэлектронных средств.
Рассмотрим задачу распределения ресурсов в следующей постановке.
Комплекс радиоэлектронных средств содержит несколько субъектов в качестве которых, например, может использоваться радиопередатчик или радар. Примером ресурса может быть радиосигнал в заданной полосе частот, причем каждый субъект может использовать множество допустимых ресурсов - например, работать в различных диапазонах частот.
Ресурсы в силу их физической, материальной природы, конфликтуют друг с другом и создают взаимные помехи. Например, радиосигналы в смежных полосах частот оказывают взаимное влияние друг на друга, причем в случае компактного расположения радиоэлектронных средств конкретные количественные значения взаимного влияния определяются путем измерения параметров конкретных радиосигналов по множеству субъектов и по множеству частот так как степень взаимного влияния зависит как от расположения субъектов, так и от частотных параметров соответствующих сигналов.
На практике, актуальна задача выбора такого варианта распределения ресурсов, в частности, назначения диапазонов частот радиоэлектронным средствам, при котором каждый субъект получает хотя бы один частотный диапазон из своего множества допустимых ресурсов и минимизируется суммарный уровень взаимных помех в комплексе компактно расположенных разнотипных радиоэлектронных средств.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Из уровня техники Д1 (William К. Hale. Frequency Assignment: Theory and Applications. - Proceedings of the IEEE, Vol.68, No. 12, December 1980) известен способ решения задачи распределения частотных ресурсов при котором задача присвоения частот формулируется как задача поиска отображения подмножества плоскости, представляющего возможные расположения радиоэлектронных средств во множество натуральных чисел, представляющее назначенные частоты, причем показано, что указанная задача является NP-полной, что приводит к тому, что строго оптимальное назначение частот возможно лишь для малого числа радиоэлектронных средств, которое не представляет практического интереса.
В учетом изложенного, на практике используются квазиоптимальные методы для распределения ресурсов. В частности, в источнике Д2 (патент RU2291459) рассматривается система защиты импульсных радиолокационных станций от активных шумовых помех, использующая генетический алгоритм для управления цифровыми фазовращателями. Генетический алгоритм, используемый в Д2, использует вектор выходных мощностей, который ранжируется по увеличивающейся выходной мощности помех, и в соответствии с этим составляется ранжированная матрица выходных мощностей. Следующим шагом является отбрасывание половины тех строк, которым соответствует максимальная выходная мощность и затем в качестве "родителей" случайным образом выбираются две строки для создания двух кодовых строк в результате обмена частью кодов, причем объем части кодов выбирается случайно.
Таким образом, применяемый генетический алгоритм не является адаптивным, использует механический подход (отбрасывание половины строк) и случайное создание новых кодовых строк.
Вследствие наличия указанных недостатков, в Д2 не достигается стабильный результат подавления активных шумовых помех, который носит случайный характер, особенно при наличии нескольких помех в одной и той же помеховой ситуации.
Заявленное изобретение направлено на устранение вышеуказанных недостатков.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Техническим результатом заявленного изобретения является реализация способа и системы, реализующих оптимизацию распределения частотных ресурсов между радиоэлектронными средствами комплекса компактно расположенных разнотипных радиоэлектронных средств и обеспечивающих минимизацию взаимных помех в комплексе за счет использования адаптивного генетического алгоритма с рангово-турнирной селекцией для назначения множеств частот.
Заявленный технический результат достигается за счет заявленного способа оптимизации распределения частот в комплексе компактно расположенных разнотипных радиоэлектронных средств, содержащего этапы, на которых:
- осуществляют сканирование радиоэфира и измерение мощностей взаимных помех, возникающих между радиоэлектронными средствами, определяют размер популяции n;
- измеряют частоты, используемые радиоэлектронными средствами указанного комплекса;
- устанавливают коэффициент рангового отбора α;
i
1
1
- для каждой особи устанавливают двоичный случайный вектор частотного присвоения V, i=1…n с биномиальным распределением Bi(1, P, где Р - вероятность разрешения частоты в начальной популяции;
i
i
- с использованием измеренных мощностей взаимных помех комплекса вычисляют целевую функцию F для каждого из векторов V частотных присвоений популяции особей;
- определяют наибольшее значение целевой функции для сформированной популяции и соответствующий ей вектор частотного присвоения, в случае достижения целевой функцией требуемого значения или выполнения заданного количества итераций переходят к этапу формирования вектора признаков использования частот;
- упорядочивают особи по их целевой функции;
- выбирают αn особей высших рангов;
- из выбранных αn особей формируют новую популяцию из n особей следующим образом:
i
из множества αn особей высших рангов случайным образом выбирают 2n особей Х,
2i
2i+1
j
j
из каждой пары особей Х, X выбирают особь X, имеющую большее значение целевой функции, и копируют вектор V в новую популяцию
проводят скрещивание n/2 пар случайным образом отобранных особей из новой популяции,
m
i
для каждой особи новой популяции инвертируют случайно выбранные с вероятностью мутации Р двоичные разряды вектора V;
- переходят к этапу вычисления целевой функции;
- формируют вектор признаков использования частот для каждого радиоэлектронного средств, с использованием определенного вектора частотного присвоения;
- включают активные частоты и блокируют пассивные частоты на радиоэлектронных средствах комплекса в соответствии с сформированным вектором признаков использования частот.
Заявленный технический результат также достигается использованием системы для оптимизации распределения частот в комплексе компактно расположенных разнотипных радиоэлектронных средств, выполненной с возможностью осуществления способа оптимизации распределения частот согласно заявленному изобретению и содержащей блок сканирования радиоэфира, блок измерения частот, блок формирования вектора частотного присвоения, блок вычисления целевой функции, блок формирования вектора признаков использования частот, блок управления включением/выключением частот, блок радиоэлектронных средств, причем блок сканирования радиоэфира подключен к блоку измерения частот и блоку вычисления целевой функции,
блок измерения частот подключен к блоку формирования вектора частотного присвоения,
блок формирования вектора частотного присвоения подключен к блоку вычисления целевой функции,
блок вычисления целевой функции подключен к блоку формирования вектора признаков использования частот и блоку формирования вектора частотного присвоения,
блок формирования вектора признаков использования частот подключен к блоку управления включением/выключением частот, причем блок управления включением/выключением частот подключен к блоку радиоэлектронных средств и управляет включением/выключением частот радиоэлектронных средств комплекса.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг 1. Блок-схема алгоритма генетического алгоритма с рангово-турнирной селекцией для назначения множеств частот
Фиг. 2. Зависимость показателя качества от коэффициента рангового отбора
Фиг. 3. Процесс приближения генетических алгоритмов к квазиоптимальному решению
Фиг. 4. Структурная схема системы для оптимизации распределения частот в комплексе компактно расположенных разнотипных радиоэлектронных средств
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Решение задачи устранения распределения частот и уменьшения взаимных помех в комплексе компактно расположенных разнотипных радиоэлектронных средств (РЭС) имеет свою специфику, которая связана с тем, что в случае, когда радиоэлектронные средства расположены компактно и являются разнотипными нет возможности уменьшить взаимные помехи, удалив радиоэлектронные средства друг от друга.
Помимо этого, на практике используемые радиоэлектронные средства, например, судовое радиоэлектронное оборудование, являются разнотипными, что не позволяет применить существующие стандартные методы разделения ресурсов - например, кодовое разделение. Отсюда следует, что для устранения взаимных помех необходимо оптимизировать распределение имеющихся частотных ресурсов между средствами.
В заявленном изобретении технический результат достигается за счет использования нового генетического алгоритма, который использует эффективное распределение множества частот между компактно расположенными радиоэлектронными средствами в итеративном процессе на каждом этапе которого проводится оценка уровней взаимных помех комплекса на основе которых вычисляется целевая функция.
В качестве целевой функции, обеспечивающей эффективное присваивание частот компактно расположенным радиоэлектронным средствам, можно использовать количество информации, содержащейся в совокупности сигналов, принимаемых радиоэлектронными средствами комплекса. Известно, что количество информации, содержащейся в совокупности сигналов, обрабатываемых радиоэлектронными средствами комплекса, зависит от общего уровня помех, влияющих на работу комплекса таким образом, что чем ниже общий уровень помех, тем выше количество информации. Оптимальное распределение частот между средствами комплекса приводит к максимизации целевой функции и минимизирует уровень помех.
Различные варианты оценки уровня взаимных помех и реализации целевой функции рассматриваются, например, в статье «Информационный критерий эффективности систем оценки параметров сигнала», Электросвязь, 2019 №10.
Тем не менее, в заявленном изобретении существенным признаком является не конкретный вид и способ вычисления целевой функции, а использование указанной функции для минимизации уровня помех.
Используемый в данном документе термин «популяция» представляет собой совокупность вариантов распределения частот между радиоэлектронными средствами комплекса, особь представляет собой совокупность радиоэлектронных средств комплекса для которых установлен вектор частотных присвоений, скрещивание представляет собой формирование особи, имеющей новые признаки частотных присвоений на основе признаков частотных присвоений других особей, селекция - отбор по некоторому критерию особей, подлежащих скрещиванию.
Все определения, используемые в настоящем документе, обладают преимуществом перед определениями в словарях, определениями в документах, включенных в качестве ссылок, и/или обычными значениями определенных терминов.
Существует ряд стратегий отбора (селекции) особей для скрещивания -пропорциональный выбор, метод рулетки, турнирный метод, а также метод, раскрытый в Д2. Тем не менее, известные стратегии не позволяют достичь заявленного технического результата.
Предлагаемый генетический алгоритм использует новый оператор селекции, обеспечивающий более эффективную работу генетического алгоритма при назначении частот, а также использует оценку целевой функции для обеспечения оптимизации распределения частот.
Представим вектор частотных присвоений особи (множество частот РЭС) в виде двоичного вектора V, в котором ноль означает, что частота не присвоена (запрещена), а единица означает, что частота присвоена (разрешена):
i,j
1
где f- двоичный признак назначения i-й частоты j-гo РЭС. Начальную популяцию сформируем из случайных двоичных векторов, элементы которых равны 1 с вероятностью Р.
1
2
3
4
В качестве оператора скрещивания выберем обмен векторов особей Vи V значениями в случайно выбранных позициях, в результате скрещивания получаются вектора V и V, например:
3
1
2
4
2
1
м
Скрещивание в примере проводится в позициях (1,2), (1,3), (2,1), (2,3) и (N,2). Вектор V - это вектор V, у которого в данных позициях поставлены элементы вектора V. Вектор V- это вектор V, у которого в данных позициях поставлены элементы вектора V. Мутация осуществляется инверсией разрядов в двоичном векторе особи с вероятностью Р.
Для каждого варианта распределения частот по радиоэлектронным средствам комплекса возможно вычисление значения целевой функции, характеризующей эффективность, достигаемую при использовании каждого конкретного варианта.
Рангом особи назовем ее позицию в упорядоченном по возрастанию целевой функции множестве особей. Зададим число α [1/n ≤ α ≤ 1) - коэффициент рангового отбора.
Выберем из популяции αn лучших по рангу особей. Из них с помощью одного из методов селекции сформируем популяцию для последующего скрещивания. Таким образом, в отличие от рулеточного, турнирного и пропорционального методов селекции и метода, раскрытого в Д2, особи из числа αn лучших по рангу обязательно участвуют в скрещивании, причем формирование новой популяции проводится не случайным образом (как в Д2), а с использованием стратегий отбора, представленных ниже при описании этапа 109 заявленного способа, а также использующих целевую функцию, обеспечивающих достижение заявленного технического результата за счет существенного повышения качества устранения взаимных помех в комплексе компактно расположенных разнотипных радиоэлектронных средств.
Предлагаемый генетический алгоритм назначения множеств частот представлен на фиг. 1.
На этапе 101 осуществляют сканирование радиоэфира и измерение мощностей взаимных помех, возникающих между радиоэлектронными средствами и определяют размер популяции n;
На этапе 102 измеряют частоты, используемые радиоэлектронными средствами указанного комплекса;
На этапе 103 устанавливают коэффициент рангового отбора α;
i
1
1
На этапе 104 для каждой особи устанавливают двоичный случайный вектор V, i=1…n с биномиальным распределением Bi(1, P), где P - вероятность разрешения частоты в начальной популяции;
i
i
На этапе 105 с использованием измеренных мощностей взаимных помех комплекса вычисляют целевую функцию F для каждого из векторов Vчастотных присвоений популяции особей;
На этапе 106 определяют наибольшее значение целевой функции для сформированной популяции и соответствующий ей вектор частотного присвоения,
На этапе 106 в случае достижения целевой функцией требуемого значения или выполнения заданного количества итераций переходят к этапу 111 формирования вектора признаков использования частот;
На этапе 107 упорядочивают особи по их целевой функции;
На этапе 108 выбирают αn особей высших рангов;
На этапе 109 из выбранных an особей формируют новую популяцию из n особей следующим образом:
i
109-1: из множества αn особей высших рангов случайным образом выбирают 2n особей Х,
2i
2i+1
j,
j
109-2: из каждой пары особей Х, Хвыбирают особь X имеющую большее значение целевой функции, и копируют вектор V в новую популяцию
109-3: проводят скрещивание n/2 пар случайным образом отобранных особей из новой популяции;
m
i
109-4: для каждой особи новой популяции инвертируют случайно выбранные с вероятностью мутации Р двоичные разряды вектора V;
На этапе 110 переходят к этапу 105 вычисления целевой функции;
На этапе 111 формируют вектор признаков использования частот для каждого радиоэлектронного средств, с использованием определенного вектора частотного присвоения;
На этапе 112 включают активные частоты и блокируют пассивные частоты на радиоэлектронных средствах комплекса в соответствии с сформированным вектором признаков использования частот.
На фиг. 2 представлены зависимости показателя качества (целевой функции) от коэффициента рангового отбора. Предлагаемый новый принцип рангового отбора использовался для улучшения качества пропорционального, турнирного и рулеточного принципов селекции. Из графика видно, что в случае отсутствия ранговой селекции (в случае α=1), a также по сравнению с использованием случайного поиска (в случае α=1/n), эффективность нового принципа рангового отбора намного выше по сравнению с традиционными методами.
Наилучшие результаты достигаются при 0,1 ≤ α ≤ 0,75. Например, при α=0,3 ранговый метод на 20% эффективнее по сравнению с использованием случайного поиска, а также пропорционального, турнирного и рулеточного принципов селекции.
На фиг. 3 представлен график, иллюстрирующий процесс приближения генетических алгоритмов к квазиоптимальному решению. Из графика следует, что при использовании заявленного генетического алгоритма с предварительным ранговым отбором целевая функция имеет более высокое значение и в процессе эволюции возрастает существенно быстрее по сравнению с известными алгоритмами.
Таким образом, предлагаемый генетический алгоритм с рангово-пропорциональной селекцией показывает наилучшие результаты по качеству работы по сравнению с генетическими алгоритмами, не использующими ранговую селекцию и обеспечивает распределение частотных ресурсов между радиоэлектронными средствами комплекса, обеспечивающие минимизацию взаимных помех в комплексе.
Таким образом, совокупность существенных признаков заявленного изобретения обеспечивает достижение заявленного технического результата, причем указанный технический результат обеспечивается за счет технических операций с материальными средствами, включая измерение физических параметров и установку технических режимов работы радиоэлектронных средств.
Новый генетический алгоритм, раскрытый в заявленном изобретении, является неотъемлемой частью указанного способа и предназначен для формирования материальных управляющих сигналов, активирующих или блокирующих частоты комплекса радиоэлектронных средств и обеспечивающих получение результата (оптимизация распределения частот), который является техническим.
Заявленный способ реализуется с использованием системы, структурная схема которой представлена на фиг. 4.
Заявленная система содержит блок 400 сканирования радиоэфира, блок 401 измерения частот, блок 402 формирования вектора частотного присвоения, блок 403 вычисления целевой функции, блок 404 формирования вектора признаков использования частот, блок 405 управления включением/выключением частот, блок 406 радиоэлектронных средств.
Система для устранения взаимных помех при распределении частот в комплексе компактно расположенных разнотипных радиоэлектронных средств реализует основные функции согласно способу, раскрытому в пункте 1 формулы заявленного изобретения.
В частности, блок 400 сканирования радиоэфира осуществляет сканирование радиоэфира и измерение мощностей взаимных помех, возникающих между радиоэлектронными средствами, информация об используемых частотах поступает в блок 401 измерения частот, который осуществляет измерение частот, результаты измерений поступают в блок 402 и используются для формирования вектора частотного присвоения, которое включает в себя выполнение операций 103, 104, 107-109 заявленного способа, блок 403 выполняет операции 105, 106 и управляет блоком 402 для формирования значения вектора частотного присвоения, удовлетворяющего требованиям, предъявляемым к целевой функции, что обеспечивает оптимизацию распределения частот.
При достижении требуемых значений целевой функции блок 403 выдает управляющий сигнал в блок 404 для запуска формирования вектора признаков использования частот в соответствии с этапом 111. Сформированный вектор признаков использования частот поступает в блок 405 управления включением/выключением частот, который управляет радиоэлектронными средствами 400 для реализации этапа 112, что обеспечивает оптимизированное распределение частотных ресурсов между радиоэлектронными средствами комплекса.