李靜

(1.河南大學(xué) 濮陽(yáng)工學(xué)院，河南 濮陽(yáng) 457000；2.濮陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 濮陽(yáng) 457000)

0 引 言

近年來(lái)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展速度明顯提升，多類型無(wú)線接入技術(shù)層出不窮，根據(jù)相關(guān)調(diào)查資料顯示，已有的無(wú)線接入技術(shù)的類型分為局域網(wǎng)、城域網(wǎng)、廣域網(wǎng)等。目前中國(guó)與各國(guó)的貿(mào)易往來(lái)頻率逐漸增大，船舶之間通信質(zhì)量需求越發(fā)顯著，單一的網(wǎng)絡(luò)對(duì)目前船舶應(yīng)用而言，存在供不應(yīng)求的問(wèn)題。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，可保證移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下船舶通信的間斷概率明顯變小。多種無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)融合應(yīng)用即為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，此類網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用下，就算某種接入技術(shù)發(fā)生異常問(wèn)題不能正常傳輸信息，其他接入網(wǎng)絡(luò)便提供信息服務(wù)，保證網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的無(wú)縫銜接。

無(wú)線定位技術(shù)屬于移動(dòng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)，和同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)對(duì)比可知，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)數(shù)目較多，對(duì)定位觀測(cè)量信息的檢測(cè)范圍更廣，定位精度更高。為此，目前船舶通信網(wǎng)絡(luò)也主要采用異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，用于船舶的無(wú)線定位任務(wù)中。無(wú)線定位主要通過(guò)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)未知節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)完成，目前，針對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)定位問(wèn)題的研究已有很多，錢開國(guó)等使用信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)之間的距離，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)定位，但信標(biāo)節(jié)點(diǎn)數(shù)量對(duì)定位精度存在一定影響，具體影響需深入分析，以此設(shè)置合理的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)；李鵬等使用雞群算法求解定位無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，該算法在實(shí)驗(yàn)中被驗(yàn)證具有較好的定位能力，但是定位區(qū)域尺寸對(duì)其定位精度存在一定影響。

在已知研究成果基礎(chǔ)上，本文提出移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的船舶異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)定位算法。該算法考慮定位區(qū)域尺寸對(duì)網(wǎng)絡(luò)定位結(jié)果的影響、基站位置存在的固定性，在鎖定未知節(jié)點(diǎn)位置區(qū)域基礎(chǔ)上，通過(guò)估計(jì)基站與未知節(jié)點(diǎn)距離的方式，定位未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，并引入改進(jìn)遺傳算法，校正定位誤差，提高定位精度。

1 船舶異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)定位

1.1 基于Bounding Box 算法的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)未知節(jié)點(diǎn)位置區(qū)域鎖定方法

其中：x，x是第個(gè)節(jié)點(diǎn)橫坐標(biāo)的最小值與最大值；y，是第個(gè)節(jié)點(diǎn)縱坐標(biāo)的最小值與最大值。

若把船舶異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通信范圍看成內(nèi)接矩形的Bounding Box，便鎖定異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)未知節(jié)點(diǎn)位置區(qū)域，詳情見圖1。

圖1 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)未知節(jié)點(diǎn)位置區(qū)域鎖定Fig.1 Unknown node location area locking in heterogeneous network

式中，是整數(shù)。

如果的數(shù)值是2，那么未知節(jié)點(diǎn)處于信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，，的交集 區(qū)域中。

1.2 基于改進(jìn)遺傳算法的船舶異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)定位方法

1.2.1 基于TOA 測(cè)距的基站與未知節(jié)點(diǎn)距離測(cè)量

式中，為信號(hào)傳輸速度。

此測(cè)距方式下，如果未知節(jié)點(diǎn)的晶體振蕩器輸出信號(hào)執(zhí)行倍頻處理后，其脈沖頻率為，那么它的脈沖周期為：

如果信號(hào)傳播的時(shí)鐘周期是，那么未知節(jié)點(diǎn)信號(hào)傳輸時(shí)間為：

式(5)是基于理想狀態(tài)中計(jì)算的信號(hào)傳輸時(shí)間，但現(xiàn)實(shí)晶體振蕩器對(duì)溫度的敏感性較高，輸出的脈沖存在頻率偏移問(wèn)題，則實(shí)際的脈沖頻率是=+Δ，Δ表示屬于頻率偏移隨機(jī)量。實(shí)際脈沖周期為：

如果未知節(jié)點(diǎn)信號(hào)傳輸至基站時(shí)，實(shí)際抵達(dá)時(shí)間是，那么信號(hào)傳輸速度為：

現(xiàn)實(shí)應(yīng)用時(shí)，設(shè)置基站獲取未知節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臒o(wú)線信號(hào)時(shí)，脈沖頻率是，屬于標(biāo)準(zhǔn)值，那么未知節(jié)點(diǎn)信號(hào)傳輸時(shí)間實(shí)測(cè)值為：

綜上所述，結(jié)合基站與未知節(jié)點(diǎn)的距離，使用基站坐標(biāo)與距離相減，便可估計(jì)未知節(jié)點(diǎn)的所在位置 θ。

1.2.2 改進(jìn)遺傳算法的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)定位誤差校正方法

結(jié)合測(cè)量的未知節(jié)點(diǎn)位置θ，考慮到異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)無(wú)線設(shè)備晶體振蕩器的頻率漂移會(huì)導(dǎo)致未知節(jié)點(diǎn)信號(hào)傳輸時(shí)間和實(shí)測(cè)信號(hào)傳輸時(shí)間并不一致，此時(shí)未知節(jié)點(diǎn)定位結(jié)果θ存在偏差。為此，多次測(cè)量θ之后，使用基于改進(jìn)遺傳算法的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)定位方法，將多次測(cè)量的基站與未知節(jié)點(diǎn)距離值設(shè)成遺傳算法的初始群體，通過(guò)改進(jìn)遺傳算法，校正測(cè)量誤差，實(shí)現(xiàn)未知節(jié)點(diǎn)的高精度定位。定位流程如圖2 所示。

圖2 基于改進(jìn)遺傳算法的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)定位方法Fig.2 Heterogeneous network location method based on improved genetic algorithm

1）運(yùn)算未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)群體θ的適應(yīng)度值，結(jié)合適應(yīng)度值將未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)群體執(zhí)行輪盤賭處理，構(gòu)建未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的父代群體，輪盤賭處理方法屬于遺傳算法常用選擇方法，操作較為簡(jiǎn)單，可結(jié)合未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)群體θ中，某個(gè)未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)被選擇的概率和適應(yīng)度存在關(guān)聯(lián)這一標(biāo)準(zhǔn)，選擇代表最優(yōu)未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的個(gè)體，被選擇概率主要通過(guò)適應(yīng)度判斷，適應(yīng)度較高，則被選擇概率較大。

為了提取可用于構(gòu)建父代群體的個(gè)體，必須執(zhí)行多輪選擇，選擇時(shí)，構(gòu)建一個(gè)取值區(qū)間是0～1 的隨機(jī)數(shù)，把此隨機(jī)數(shù)設(shè)成篩選依據(jù)。

2）使用式(9)執(zhí)行交叉處理，將未知節(jié)點(diǎn)父代群體以交叉的方式，構(gòu)建新的個(gè)體(,)：

式中：是時(shí)刻；，依次是未知節(jié)點(diǎn)所在位置的橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)；δ是親近系數(shù)，取值區(qū)間是0～1，可用于判斷交叉后子代和父代個(gè)體之間親近度；X，Y依次是+1時(shí)刻未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)個(gè)體的坐標(biāo)。

3）將交叉處理后未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)群體，通過(guò)非一致性變異算子執(zhí)行變異處理，便可獲取子代群體。

4）運(yùn)算子代群體里全部個(gè)體適應(yīng)度，提取最大適應(yīng)度所屬的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)個(gè)體，此個(gè)體位置就是最終定位結(jié)果。

5）運(yùn)算定位誤差，分析改進(jìn)遺傳算法收斂條件：如果迭代次數(shù)為最大值，便可結(jié)束收斂，輸出定位結(jié)果，反之回到步驟1）再次定位。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為分析本文算法的應(yīng)用效果，設(shè)置船舶異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模式是單基站W(wǎng)CDMA+WLAN 網(wǎng)絡(luò)。此類異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用下，單基站W(wǎng)CDMA 網(wǎng)絡(luò)、WLAN 網(wǎng)絡(luò)的覆蓋半徑依次設(shè)成1 000 m，400 m?；咀鴺?biāo)是(700 m,300 m)，將其設(shè)成，未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)設(shè)成(80 m,60 m)，將其設(shè)成。目前WLAN 網(wǎng)絡(luò)存在的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)數(shù)目是4 個(gè)，4 個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)均可以和未知節(jié)點(diǎn)通信，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置依次是1(20 m,30 m)，2(110 m,70 m)，3(30 m,90 m)，4(80 m,25 m)。

本文算法首先使用基于Bounding Box 算法的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)未知節(jié)點(diǎn)位置區(qū)域鎖定方法，提取未知節(jié)點(diǎn)位置所在區(qū)域，結(jié)果如圖3 所示。圖中，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)未知節(jié)點(diǎn)位置區(qū)域的4 個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)依次是(30 m,10 m)，(30 m,90 m)，(85 m,10 m)，(85 m,90 m)，邊長(zhǎng)1、邊長(zhǎng)2 依次是80 m，55 m。

圖3 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)未知節(jié)點(diǎn)位置區(qū)域鎖定結(jié)果Fig.3 Area locking result of unknown node location in heterogeneous network

本文算法對(duì)船舶異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)未知節(jié)點(diǎn)定位時(shí)，迭代次數(shù)與定位精度、定位耗時(shí)存在直接聯(lián)系，定位精度、定位效率影響船舶的定位應(yīng)用效果，定位效率還對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的使用壽命存在影響，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)定位要求算法在應(yīng)用時(shí)需要保證消耗較少的能量，才可保證網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)壽命不受損，如果定位耗時(shí)較多，消耗能量較多，便會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)壽命受損。為此，需要設(shè)置合理的迭代次數(shù)，以此保證定位精度與定位效率滿足需求，從而實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)定位的合理操作。則迭代次數(shù)與定位精度、定位效率的關(guān)系如圖4 和圖5 所示。由圖可知，迭代次數(shù)是4 時(shí)，本文算法對(duì)船舶異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)未知節(jié)點(diǎn)定位時(shí)，定位精度最高，超過(guò)0.95，定位耗時(shí)最少，僅有0.2 s。為此，在后續(xù)應(yīng)用時(shí)，設(shè)置迭代次數(shù)為4。

圖4 迭代次數(shù)與定位精度的關(guān)系Fig.4 Relationship between iteration times and positioning accuracy

圖5 迭代次數(shù)與定位效率的關(guān)系Fig.5 Relationship between iteration times and positioning efficiency

基于迭代次數(shù)為4 的條件下，本文算法對(duì)船舶異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)未知節(jié)點(diǎn)定位結(jié)果示意圖如圖6 所示?？芍?，本文算法對(duì)船舶異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)未知節(jié)點(diǎn)定位結(jié)果與圖3 相符，代表定位結(jié)果正確。

圖7 為對(duì)一個(gè)未知節(jié)點(diǎn)的定位效果，而異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，還會(huì)存在多個(gè)未知節(jié)點(diǎn)需定位的情況，則本文算法應(yīng)用下，多個(gè)未知節(jié)點(diǎn)定位效果同圖6 一致，本文算法對(duì)多個(gè)未知節(jié)點(diǎn)的定位結(jié)果均與實(shí)際位置相符，說(shuō)明本文算法在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，對(duì)船舶異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的定位精度可滿足應(yīng)用需求，解決船舶異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的定位問(wèn)題。

圖6 船舶異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)未知節(jié)點(diǎn)定位結(jié)果Fig.6 Location results of unknown nodes in ship heterogeneous network

圖7 多個(gè)未知節(jié)點(diǎn)定位效果Fig.7 Effect of locating multiple unknown nodes

3 結(jié) 語(yǔ)

移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的船舶異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)定位問(wèn)題，是船舶無(wú)線定位應(yīng)用的核心問(wèn)題。本文研究了一種移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的船舶異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)定位算法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該算法的應(yīng)用效果，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)論顯示：

1）迭代次數(shù)是4 時(shí)，本文算法對(duì)船舶異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)未知節(jié)點(diǎn)定位時(shí)，定位精度最高，定位耗時(shí)最少，所以為了保證本文算法對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)定位效果，將迭代次數(shù)設(shè)成4。

2）本文算法對(duì)單個(gè)未知節(jié)點(diǎn)、多個(gè)未知節(jié)點(diǎn)的定位結(jié)果符合實(shí)際坐標(biāo)信息，證實(shí)其定位結(jié)果可信。