一種功率前饋控制的分布式GIS空間增益算法

劉大龍，許麗娟

(1.廣東工業大學華立學院 機電與信息工程學部，廣東 增城　511325；2.廣東財經大學華商學院 信息工程系，廣東 增城　511300)

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一種功率前饋控制的分布式GIS空間增益算法

劉大龍1，許麗娟2

(1.廣東工業大學華立學院 機電與信息工程學部，廣東 增城511325；2.廣東財經大學華商學院 信息工程系，廣東 增城511300)

摘要：傳統的GIS空間增益算法采用基于負載傳輸控制的鏈路差拍分離算法，當控制系統呈現阻尼振蕩影響時，GIS系統的空間增益效果好。提出一種基于功率前饋控制的分布式GIS空間增益算法，構建GIS系統的地理數據傳輸信道模型，設計分布式空間信號檢測算法，提高GIS的空間增益，構建功率前饋控制模型，使用雙曲調頻和二次調頻信號進行GIS地理數據的回波定位，實現分布式GIS空間增益算法改進。仿真實驗表明，采用該算法進行分布式GIS系統設計，能在不同用戶數據吞吐量下提高GIS空間增益，提高GIS的數據處理和信息調度能力，展示了較好的應用價值。

關鍵詞：地理信息系統；功率前饋控制；空間增益

地理信息系統(Geographic Information System或Geo-Information System，GIS)是研究地理信息管理和信息資源調度的綜合系統，結合地理學與地圖學以及遙感和計算機科學，已經廣泛的應用在遙感探測、地圖繪制和建筑測繪等不同領域，研究GIS的構建和設計方法，受到人們的廣泛重視。隨著電子技術和電子工業的發展，GIS向著集成和多功能方向發展，并與信號的檢測和估計等學科結合，在計算機硬、軟件系統支持下，實現地理信息的分析和處理，分布式地理信息系統的空間增益擴展是提高地理信息系統的信息交互和信道配準能力關鍵，通過空間增益算法設計，實現GIS和與地調SCADA系統集成，取得變電站出口開關變位信息和出口負荷信息和變電站出口保護動作信息，研究GIS的分布式空間增益算法具有重要意義。

傳統方法中，分布式地理信息系統的空間增益算法主要采用動態神經網絡部署機制和周期性地轉換簇頭的體制，使用混合式信道分散方案，達成轉移分散式GIS空間的時變通信信道增益估計[1]；另外，有人提出采用通信信道盲均衡算法實現分布式GIS的時變通信信道估計和空間增益擴展，通過定常模態形式實現了對相位信息的星座圖劃分，但算法計算復雜，可行性不好[2]。文獻[3]提出功率前饋的魯棒預測無差拍并網管制的GIS控制方法，使用電壓電流雙閉環管制，融合神經網絡控制系統，但該算法導致GIS負載均衡效果不好，影響地理信息系統的調度性能。文獻[4]采用基于負載傳輸控制的鏈路差拍分離算法，當控制系統呈現阻尼振蕩影響時，GIS的空間增益效果好。針對上述問題，本文提出一種基于功率前饋控制的分布式GIS空間增益算法，首先構建GIS的地理數據傳輸信道模型，構建功率前饋控制模型，設計分布式空間信號檢測算法，提高GIS的空間增益，達成算法改進，仿真實驗實行性能檢驗，展示了本文算法在增加地理訊息系統的數據調度與管制里的優越性能。

1GIS預備知識與信道模型設計

1.1GIS通信系統模型

首先構建一個地理信息系統GIS通信的網絡模型，假設用三元組(V，D，p)表示一個地理信息系統GIS通信網絡，其中V={v1，v2，…，vn-1，vn}代表n個地理訊息系統GIS通信結點，且這些結點隨機的在同一個平面上，移動網絡基站中，節點賦閑狀況的接口配備信道，該怎樣選取，須要一個測量的規則[5-6]，可用無向圖G(V，E)來表示存在信道競爭，其中V={vi|i=1，2，…，n}表示GIS網絡中移動基站集合，假如簇頭ni和Sink以多跳形式GIS通信，簇頭ni的候選里節點集合是：

candidate={ni|d(ni,nj)

(1)

(2)

參數設定為q=2，b0=0，b1=1，b-1=-1且c1=1/2，c-1=-1/2，在空間增益擴展中，如果Π狀態機最終轉到Accept狀態，則Π必然在τj(τj>τi)時刻收到消息：

(3)

(4)

(5)

(6)

式中E(·)——期望值算子。

由此得到地理信息系統GIS通信系統中的信道模型表示為：

(7)

通過上述描述，得到了地理信息GIS通信系統模型，為進行GIS系統的功率前饋控制和空間增益擴展提供模型基礎。

1.2分布式GIS空間信號檢測算法設計

在上述信道模型設計的基礎上，為了提高地理信息系統的數據傳輸能力，需要對GIS的地理空間信息進行檢測設計，檢測算法的設計采用功率前饋控制方法，通信數據進程在收發數據時產生不同特性的混響場，而信道模型中的傳遞信號分為窄帶信號和寬帶信號，對于窄帶信號，在信號功率較大情況下產生信道偏移，偏移量為：

例如：在教學人教版數學三年級上冊《筆算乘法（不進位）》這課時，為了讓學生明白，兩位數乘一位數，用豎式計算，對照豎式說一說積的每一位數上的意義，借助直觀操作 進一步明確算理，從而構建筆算模型，可以引導學生動手操作，體驗如下環節：

(8)

由此達成對象測驗數據包含屬性離散處置，且保障了各組練習測驗樣本數據集辨別具備確定性，GIS通信信號的頻譜在s域和z域上的雙線性關系描述為：

(9)

式中ri——衰落信號開始時刻碼相位；λ——鏈路層的最短衰落途徑；θi——信號的陣元相位；m——鏈路層的維數。

綜上分析，得到分布式GIS空間信號檢測算法步驟為：

(1)構造GIS空間通信圖G(V，r)，(r≤δ·rmax，δ∈(0，1)，rmax=(P(N0β)-1)1/α)，輸入信道分配樹T和最大獨立集。

(2)任選一個結點v，構造一棵根在結點的BFS樹，將分配結點與連接結點融合為一個結點配備子集，并一起實行信道配備，提高信道的均衡特點。

2分布式GIS空間增益算法改進實現

在系統信道模型構建和空間信號檢測設計的基礎上，進行分布式地理信息系統的空間增益算法改進，綜上分析得知，GIS空間增益擴展是提高地理信息系統的信息交互和信道配準能力關鍵，傳統的GIS空間增益算法采用基于負載傳輸控制的鏈路差拍分離算法，當控制系統呈現阻尼振蕩影響時，GIS系統的空間增益效果好。本文提出一種基于功率前饋控制的分布式GIS空間增益算法，考慮GIS功率前饋直流側能量，利用離散傅里葉變換計算GIS空間增益平均值為：

(10)

式中Ep——輸出功率輸出平均值；rp(k)——GIS地理信息系統的有功損耗；yp(k)——GIS信道擴展頻率。

含噪的通信信號進行自適應濾波，構建濾波器，濾波器系統函數為：

(11)

前饋神經網絡系統給的輸入向量為r1，r2，…，rn。網絡輸入層為個神經元結構，通過功率前饋控制實現GIS直流輸出控制，此時神經元輸入為：

(12)

進一步構建直擴GIS數據合并系統，直擴系統的全名是直接序列擴頻系統，GIS具備較好的抗多徑影響水平，尤其是對剩余信號的碼間影響具備一定的抗干擾性，假如nj在這一輪GIS通信里用于簇內通信、數據融合，融合后的數據輸送給Sink的能量是：

Computition(nj)=(Eelec+EDF)lδ+ETx(l，dj)

(13)

(14)

(15)

得到GIS空間中所有簇首節點的最佳發射功率策略，由此得到基于協議信道鄰居構建的通信功率為：

(16)

通過濾波器進行干擾抑制，得到的空間譜瞬時值，通過傅里葉變換求得功率譜密度函數，采用功率前饋控制，實現了分布式GIS空間增益算法改進。

3系統性能測試仿真實驗

為了測試本文算法在實現分布式GIS空間增益中的性能，驗證本文算法在提高地理信息系統的數據通信方面的優越性，進行仿真實驗。仿真實驗的硬件環境為：Intel(R) 2.3 GHz CPU，2 GB內存，32位Windows 7系統的PC機。仿真測驗里，采用的分層網絡拓撲組成建立地理訊息GIS通訊信道模型，使用單個sink節點與10個簇首節點，簇首節點隨時分配，依據數據的節點，隨時分散在地理訊息收集節點涵蓋范圍，假如是500 m×500 m 的正方形范圍，節點輸送半徑與影響半徑都是25 m，GIS仿真系統發射陣元在分散原始間距是30m，使用100個接收陣元構成的垂直線列陣分散于繁雜通訊里，BPSK調制載波選擇頻率為10KHz的正弦信號，信息序列碼元寬度取4 ms；p(t)為頻帶為2～10 KHz、時寬為4 ms的線性調頻信號，接收與發射換能器均位于分布式地理空間，收發端距離為3.7 km。在信噪比SNR分別在0 dB，10 dB，20 dB，20 dB下進行GIS空間增益設計。在窄帶干擾條件下，采用本文算法，構建GIS的功率前饋控制模型，得到GIS功率譜密度函數如圖1所示系統。

圖1　GIS功率譜密度譜分析結果

根據上述GIS數據的功率譜特征為樣本，進行分布式GIS空間增益仿真，為了對比算法性能，采用本文算法和傳統算法，以空間增益系數為測試指標，在不同用戶數據吞吐量下的GIS空間增益仿真結果如圖2所示。從圖2可見，采用本文算法，能有效提高分布式GIS空間增益，實現GIS和與地調SCADA系統集成，取得變電站出口開關變位信息和出口負荷信息和變電站出口保護動作信息，提高地理信息系統的信息交互和信道配準能力。

圖2　分布式GIS空間增益仿真結果

4結語

分布式地理信息系統GIS的空間增益擴展是提高地理信息系統的信息交互和信道配準能力關鍵，傳統的GIS空間增益算法采用基于負載傳輸控制的鏈路差拍分離算法，當控制系統呈現阻尼振蕩影響時，GIS的空間增益效果好。提出一種基于功率前饋控制的分布式GIS空間增益算法，首先構建GIS的地理數據傳輸信道模型，構建功率前饋控制模型，設計分布式空間信號檢測算法，提高GIS的空間增益，實現算法改進，研究結果表明，采用本文算法能在不同用戶數據吞吐量下提高GIS空間增益，提高GIS的數據處理和信息調度能力，實現GIS和與地調SCADA系統集成，取得變電站出口開關變位信息和出口負荷信息和變電站出口保護動作信息，展示了較好的應用價值。

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(本文編輯：嚴加)

Distributed GIS Spatial Gain Algorithm for Power Feedforward Control

LIU Da-long1, XU Li-juan2

(1.Department of Mechanical and Electrical and Information Engineering,Huali College of Guangdong University of Technology, Zengcheng 511325, China;2. Department of Information Engineering, Huashang College of Guangdong University of Finance & Economics,Zengcheng 511300, China)

Abstract:GIS space gain algorithm is adopted in traditional load link transmission control algorithm based on difference of separation, when the control system presents the effect of damping oscillation, spatial gain good effect of GIS system. This paper proposes a distributed GIS space power gain algorithm based on feedforward control, geographic data to construct GIS system transmission channel model, make the design of distributed spatial signal detection algorithm, and improve the spatial gain of GIS, the construction of power model of feedforward control, echo GIS geolocation data using hyperbolic FM and two FM signal, improving the implementation of distributed GIS spatial gain algorithm. Simulation results show that applying this algorithm to the design of distributed GIS system can improve the GIS space gain in different user data throughput, and improve the data processing and information scheduling ability of GIS, showing a good application value.

Key words:geographic information system; power feedforward control; spatial gain

DOI：10.11973/dlyny201602009

基金項目：2012年質量工程立項文件粵教高函[2012]204號

作者簡介：劉大龍(1976),碩士研究生，實驗師，主要研究電工電子技術及自動控制。

中圖分類號：TM763

文獻標志碼：A

文章編號：2095-1256(2016)02-0193-04

收稿日期：2016-02-16