智能控制算法在水下通信系统中的研究和应用

张坤平



智能控制算法在水下通信系统中的研究和应用

张坤平

（许昌电气职业学院 河南 许昌 461000）

在水声通信中，基于水声信道复杂性形成的码间干扰，严重降低了水下通信质量，为了提高水声通信中数据的传输速率和传输的可靠性，需对接收端信号进行均衡处理。智能控制算法的盲均衡技术对比传统自适应均衡技术来说，其无需发送训练序列，该特点能有效节省通信带宽，大大提高通信效率，其已成为当前信号处理技术中的一个热门研究技术领域。本文重点探讨的是智能控制算法在水下通信系统中的应用与研究。

智能控制算法；水下通信系统；应用

1 智能控制算法在水下通信系统中应用的意义

从均衡过程上看，我们可以对自适应均衡器作出分解：一是训练，二是跟踪。前者，利用发送端来对某种训练信号序列进行发送，该序列在经过水声信道传输过程中会形成一定的误差，均衡器输出端将会按照某种标准来对信道具体的逆传输函数进行求解，同时对均衡器内在的参数作出调整，使信道自身的畸变特性得到适度地补偿，以达到均衡器能有效跟踪信道变化，从而使均衡器接收端接收到更准确发送信号，最终确保通信系统数据传输的有效性与可靠性。虽然传统自适应均衡技术的应用效果不错，但伴随社会科技的高速发展，越来越多的日常生活通信系统要求有更高的传输速率、准确率和容量。针对此类需求，自适应均衡器在内部的训练序列上也有诸多的缺憾。它的带宽占比较多，通信效率也有很大的干扰。基于传统技术的自适应均衡器存在上述缺陷，因而其在今后的发展应用中无法适应速率高、容量大的通信需求。为缓解和优化自适应均衡技术潜在的某些缺陷，人类正在寻找信道特性，且要求不发送训练序列，最大化利用接收信号统计特性，研究智能控制算法的盲均衡技术对于人类对通信系统的需求就具有重要的现实意义。

2 盲均衡技术的重点算法

2.1 正交小波盲均衡算法

近年来，新兴的正交小波变换是一种适应于分析非平稳信号的重点信号分析工具，其能达到时、频、域同时局部化的分析计算方法，其最早是由等人创立研发的，他们在将正交小波变换应用在自适应算法中，对输入信道信号作出正交变换时，认为自相关特征值自身的发散程度在日渐地下降。输入信号表现出的自相关性，同样也会对均衡算法及其性能产生很大的影响。盲均衡算法中，如果我们将正交小波变换予以融合，必然要对输入信号初步地做好正交小波变换。它的接收信号，徘徊于主对角线周边，减小了信号本身的自相关性，使盲均衡算法得到更为准确地收敛。

3 遗传算法及其应用情况

3.1 概况

遗传算法，实质上是对自然进化进行模拟，从而确立的随机搜索法，目的在于找到最优解。同时，它最初是由密执安大学的教授引申而来。基本特征：面向求解对象完成操作，目标函数无需绝对地适应求导以及函数连续性的相关要求。按照适者生存的基本原理，找到最优解。对遗传算法而言，其处理对象为某个种群。该种群，很多情况下是由基因编码的个数组合而来。不同个体，均为有染色体带性质的独立实体，不同个体体现了需求解背后的可能解。作为生物界中重要的遗传载体，染色体涵盖了多个不同的基因。它有两种不同类型的表现模式，一是基因型，二是表现型。前者为染色体内部的说明，而后者则为生物个体自身的性状，同时也是基因型以及环境条件彼此作用的结局。

3.2 应用情况

（1）函数优化。对遗传算法而言，函数优化是最具代表的应用。从前的优化算法，没有办法对非线性、多目标或是多模型函数进行求解或是优化。但是，遗传算法能够对该类问题进行优化，获取满意的优化结果。

（2）自动控制。在自动控制行业中，和优化挂钩的问题有待求解。但是，遗传算法要比从前的优化算法更具优势，将其引入到自动控制领域，有不错的收效。比较典型的，有基于遗传算法的模糊控制器、神经网络结构优化等。

（3）生产调度问题。不少状态下，生产调度问题构建的数学模型没有办法进行精确求解。就算利用简化进行求解，其结果可能也会和实际结果之间有很大的出入。从前的遗传算法，能够更好地处理那些综合性的生产调度问题。如：车间调度、生产规划或是任务分配等。

4 基于遗传算法优化的正交小波盲均衡算法

4.1 正交小波盲均衡算法。正交小波变换，表现出不错的去相关性，能够转变原始的信号，加速均衡器的快步收敛。遗传算法，可以确定均衡器权向量背后的全局最优解。上述算法兼并了二者的优势，可以得到优化处理后的盲均衡算法，且结果也通过了仿真实验。

4.2 正交小波分数间隔盲均衡算法。该算法统筹了遗传算法理论以及分数间隔等。分数间隔盲均衡算法，本身表现出收敛慢、稳态误差明显等不足，凭借三方的优势，将遗传算法、分数间隔以及正交小波变换进行统筹，能够对算法原本的性能、流程进行优化。在遗传算法优化的前提下，建立起正交小波超指数迭代盲均衡算法。在适当的情况下，再次将遗传算法纳入到这里的计算方法中，说明了全局搜索的基本特性，可以从全面的视角上对均衡器及其权向量作出检索，减小了局部收敛的各种可能，推进了算法收敛，减小了算法误差。同时，借助水声信道来完成仿真实验，其结果检验了该法的性能。图1描述了混合相位水声信道得到的仿真结果。

图1 仿真结果图

5 基于改进遗传算法优化的正交小波盲均衡算法

5.1 基于自适应遗传算法优化的正交小波超指数迭代盲均衡算法。它促进了自适应遗传以及盲均衡两种算法的有效融合，运用自适应理念来对交叉以及变异概率作出转变。按照水声信道最终的仿真结果，自适应遗传算法的融合调节了遗传算法本身的搜索性，同时也保持了较好的均衡性能。

5.2 基于模拟退火遗传算法优化的正交小波盲均衡算法。将模拟退火遗传算法融入至正交小波盲均衡算法过程中，凭借遗传算法优良的搜索特性，可以防止局部特性，并优化去相关性优化的各种性能。最终的优化结果，已通过水声信道仿真实验得到检验。图2描述了最小相位水声信道及其仿真结果。

图2 仿真结果

6 结语：

盲均衡算法，在很多情况下抑制了码间彼此的干扰，但它的均衡性能还是需要作出更好地调节。例如：将正交小波变换理论巧妙地和盲均衡算法之间进行联用，平衡和稳定接收信号，减小信号彼此的自相关性，使均衡器加速收敛。本文探讨了在优化遗传算法基础上建立起来的正交小波盲均衡算法，根据既有的遗传算法理论，使其和正交小波盲均衡算法进行联用，旨在提升收敛速率、减小稳态误差以及局部收敛的可能性。

[1]寇华，王宝树.基于遗传算法的RBF-PLS方法在辐射源识别中的应用[J].2014.

[2]令狐选霞，徐德民，张宇文.一种新的改进遗传算法—混合式遗传算法[J].2013.

In underwater acoustic communication, intersymbol interference ( isi ) based on the complexity of underwater acoustic channel seriously reduces the quality of underwater communication. in order to improve the transmission rate and reliability of data in underwater acoustic communication, the signal at the receiving end needs to be balanced. Compared with the traditional adaptive equalization technology, the blind equalization technology of intelligent control algorithm does not need to send training sequence, which can effectively save communication bandwidth and greatly improve communication efficiency. it has become a hot research field in the current signal processing technology. This paper focuses on the application and research of intelligent control algorithm in underwater communication system.

Intelligent control algorithm; Underwater communication systems; Application

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.11.034

TN911

A

1672-9129(2017)11-0029-02

张坤平，女，硕士研究生毕业，许昌电气职业学院电气工程系讲师，主要研究方向：控制理论与控制工程