一种复杂气象环境海上无线通信信道衰落估计方法与流程

技术特征：
1.一种复杂气象环境海上无线通信信道衰落估计方法，其特征在于，引入复杂气象环境对海上无线通信信道衰落影响，构建直射、镜面反射和漫反射无线通信信道衰落函数，建立复杂气象环境海上无线通信信道衰落估计模型；设计改进蜂群算法对海上无线通信信道衰落估计进行求解，具体包括如下步骤：1)假设以海上智能通信基站为发射机，以舰船无线通信终端为接收端进行无线通信，包含舰船静止与基站位置、舰船离开基站方向航行和舰船向基站方向航行三种运动状态，具体步骤如下：1
‑
1)舰船以6节的恒定速度线性航行，衰落数据采样分为2组，一组为向基站方向航行，另一组为离开基站方向航行，通过海上智能通信基站发射心跳射频信号至舰船接收端，在舰船接收端进行信道衰落数据采样，构建海上无线通信信道数据集；1
‑
2)海上智能通信基站和舰船位置相对固定，通过海上智能通信基站发射固定的心跳射频信号至舰船接收端，在舰船接收端进行信道衰落数据采样，构建海上无线通信信道数据集；2)基于步骤1
‑
1)或1
‑
2)构建的海上无线通信信道数据集，融合海上稀疏信道衰落因子、菲涅尔茨海洋表面电磁波散射、海浪阴影衰落因子，以对数路径损耗模型为基础，构建直射、镜面反射和漫反射路径无线通信信道衰落函数；3)引入晴、雾、雨、雪和雨雪雾混合海上气象环境对无线信道衰落的影响，构建综合气象环境无线信道衰落函数，融合步骤2)构建的直射、镜面反射和漫反射路径信道衰落函数，构建复杂气象环境综合海上无线信道衰落估计模型；4)设计改进蜂群算法对海上无线通信信道衰落估计求解，以引领蜂为中心，通过构建以sin(
·
)函数为算子引导跟随蜂进行搜索；运用贪婪策略选择m个适应度最优的跟随蜂，由侦查蜂标记并入侦查蜂集，构建新的侦查蜂集；以侦查蜂解集的均方差判断其解的准确度，避免因求解误差导致的算法抖动；引领蜂以概率p接收侦查蜂解，将该侦查蜂更新为新的引领蜂，抑制引领蜂更新时容易陷入局部最优的问题；5)输出海上无线信道衰落估计结果，以平均绝对误差mae、均方根误差rmse、迭代次数和运行时间为评价指标对模型的精度和运行效率进行评价。2.根据权利要求1所述的一种复杂气象环境海上无线通信信道衰落估计方法，其特征在于，步骤2)中，构建的直射路径、反射路径和漫反射路径无线通信信道衰落函数，具体包括如下步骤：2
‑
1)根据frris公式，引入海上稀疏信道路径损耗因子k，建模海上无线信道的直射路径无线通信信道衰落函数pl
dp
(d)为：其中，f为电磁波频率，d为直射路径长度，c为光速，g
t
、g
r
分别为无线通信发射天线增益、接收天线增益，k为海上稀疏信道路径损耗因子；2
‑
2)根据菲涅尔茨电磁波反射公式，结合直射、镜面反射、漫反射多径传播效应，构建海洋表面反射路径损耗系数ε的求解函数如下：
其中r
h
为水平极化波反射系数，r
v
为垂直极化波的反射系数，η为海水的相对介电常数，θ为无线电波入射角，h
t
、h
r
分别为发射天线、接收天线高度，d
sr
为镜面反射路径长度，d
dp
为直射路径长度，τ为直射路径与反射路径电磁波到达延迟差；设计sin2(
·
)函数拟合因海浪运动导致反射路径阴影衰落波动效应，构建镜面反射无线通信信道衰落函数pl
sr
(d)为：其中l
sr
为镜面反射路径损耗系数，h
σ
为海浪高度均方根，a为海浪阴影衰落指数，ω为衰落周期；2
‑
3)以镜面反射的高斯分布构建漫反射路径无线通信信道衰落函数pl
dr
(d)为：其中γ服从高斯分布n(δ，σ2)，σ为漫反射强度离散程度因子，l
dr
为漫反射反射路径损耗系数。3.根据权利要求1所述的一种复杂气象环境海上无线通信信道衰落估计方法，其特征在于，步骤3)中，所述的复杂气象环境综合海上无线信道衰落估计模型，构建步骤具体如下：3
‑
1)由于晴、雾、降雪和降雨气象环境下的通信信道路径损耗因子具有不同的衰落特征，构建海上气象环境无线通信信道衰落函数如下：其中pl
meteo
为海上气象环境损耗模型，x
i
(t)为不同海上气象环境的衰落系数函数，i为天气类型标识，i＝0，1，2，3，4，分别代表当前天气为晴、雾、降雨、降雪、雨雪雾混合气象环境；3
‑
2)根据不同海上气象环境构建其衰落系数函数如下：其中k为晴天衰落系数，为日照循环周期，θ是相位平移值，u为雾密度，ψ为雾衰落系
数，i为降雨强度，δ为降雨衰落系数，γ为抖动幅度，v为降雪强度，p为降雪衰落系数；3
‑
3)根据公式(5)的解，融合直射、镜面反射、漫反射衰落函数，构建综合海上无线通信信道衰落估计模型：。4.根据权利要求1所述的一种复杂气象环境海上无线通信信道衰落估计方法，其特征在于，步骤4)中，所述的设计改进蜂群算法求解海上无线信道衰落估计问题，具体是：引领蜂：负责蜂巢的建设和迁移，是蜂群的核心；代表局部最优解；跟随蜂：负责搜索蜂巢周边的食物源；代表搜索算法发现的可行解；侦查蜂：负责标记蜂巢周边质量较优的食物源，帮助引领蜂进行筑巢和迁移决策；代表搜索算法发现的优解；算法核心思路是以引领蜂为中心，派出跟随蜂根据搜索策略发现可行解，计算可行解的适应度，基于贪婪策略选择部分可行解由侦查蜂占领；引领蜂分析当前解的适应值和侦查蜂的解的适应值，以一定概率选择侦查蜂的解替换成为引领蜂；设置该概率随着迭代次数的增加，可容忍的解的适应度差越来越小，保证搜索结果的收敛性；输出全局最优的搜索结果，具体包括如下步骤：假设海上无线信道衰落数据集为e＝{(d
i
,l
i
)|1≤i≤n，x＝(d1，d2，
…
，d
n
)，y＝(l1，l2，
…
，l
n
)}，n为样本容量，x、y分别为距离向量和对应的衰落强度，参数集为θ＝(k，l
sr
，l
dr
，ω)，0≤k≤1，l
sr
>l
dr
>0，0≤k≤2π，4
‑
1)由于解空间log函数关于k是线性关系，则以为初始解，通过二分搜索确定最优解4
‑
2)确定完成，则在搜索区域内随机生成n个引领蜂，为提高搜索效率，初始引领蜂的距离不能过近，为提高搜索效率，初始引领蜂的距离不能过近，其中，g0为初始引领峰距离阈值；4
‑
3)每个引领蜂生成搜索种群，以引领蜂为中心，派出r个跟随蜂搜索，其中q为迭代次数，δθ＝(0，δl
sr
，δl
dr
，δω)；以均方误差σ为解的适应度评价，设适应度最大值为将满足的跟随蜂解构建跟随蜂解集；4
‑
4)将跟随蜂解集以适应度降序排列，选择前m个由侦查蜂标记，m<r，构建侦查蜂集为l；每次迭代完成，引领蜂从侦查蜂集l中以概率p接收侦查蜂解，
接收该解，则该侦查蜂成为新的引领蜂，同时原引领蜂退化为侦查蜂，加入侦查蜂集l；4
‑
5)若发现跟随蜂无可行解或解适应度均值随迭代次数增加而不断增加，则修改搜索方向，令δθ＝
‑
δθ，进行反向重新搜索；4
‑
6)计算侦查蜂集l的均方差ε，其中表示侦查蜂解参数平均值，若ε
q
‑1‑
ε
q
≤δθ，且该解集中不存在全局最优解，则判断已到达搜索边界，舍弃；重新生成引领蜂，跳转至步骤4
‑
2)重新搜索；4
‑
7)若某个蜂群的侦查蜂、引领蜂在迭代q
max
之后一直未改变，该解已收敛，判断该蜂群是否为全局最优解，若不是，则该解为局部最优解，舍弃；重新生成引领蜂，跳转步骤4
‑
2)重新搜索。5.根据权利要求4所述的一种复杂气象环境海上无线通信信道衰落估计方法，其特征在于，所述步骤4
‑
3)，具体包括如下步骤：4
‑3‑
1)输入距离向量x＝{d1，d2，
…
，d
n
}，对应衰落强度y＝{l1，l2，
…
，l
n
}；设置为初始解，基于2分法搜索，确定最优4
‑3‑
2)初始化种群，初始化蜂群数量n，参数l
sr
，l
dr
，ω的迭代增量δl
sr
，δl
dr
，δω，令δθ＝(0，δl
sr
，δl
dr
，δω)最大迭代搜索次数q
max
，侦查蜂环形搜索最大次数q
max
；4
‑3‑
3)随机生成n个引领蜂，满足任意两个引领蜂距离大于阈值构建引领蜂集计算引领蜂解的适应度4
‑3‑
4)当q<q
max
时，循环如下操作：若q<q
max
，则以引领蜂为中心，根据公式(9)进行侦查蜂搜索，搜索次数q 1，记录侦查蜂最优解的适应度以公式(11)计算概率，接收侦查蜂的解，更新引领蜂位置，q 1；4
‑3‑
5)选择全局最优解令输出最优估计结果

技术总结
本发明公开了一种复杂气象环境海上无线通信信道衰落估计方法，引入复杂气象环境对海上无线通信信道衰落影响，构建直射、镜面反射和漫反射无线通信信道衰落函数，建立复杂气象环境海上无线通信信道衰落估计模型；设计改进蜂群算法对海上无线通信信道衰落估计求解，以引领蜂为中心，通过构建以Sin(


技术研发人员：乐光学 戴亚盛 杨晓慧 马柏林 黄淳岚 杨忠明 陈丽萍
受保护的技术使用者：嘉兴学院
技术研发日：2021.08.18
技术公布日：2021/11/8