48 雷达与对抗 2008年 第1期 能够很好地调节种群收敛。本文以对m序列波形优 化设计结果分析,来验证此算法的优越性能。 3 用于m序列波形优化设计的遗传模 2模拟退火算法和遗传算法分析 2.1模拟退火算法分析【2.4 叫 拟退火算法 3.1 m序列编码 因为m序列是一种二元伪随机序列,所以可以用 二进制编码方式表示。m序列可以定义为二元周期序 歹U Xo={ 0, l, 2, 3,…, 。一l,…}; ∈={0,1},且满 模拟退火算法是一种新的组合优化方法,其思想 最早是由Metropolis借鉴统计力学中物质退火方法而 提出的。1982年,Kirkpatrick等将热力学中的退火思 想引入组合优化领域,提出一种解大规模组合优化问 题,特别是NP完全问题(Nondeterministic PolynomiM Complete Problem)的有效近似算法——模拟退火 (Simulated AnneMing,简称sA)算法。它源于对固体 退火过程的模拟;采用Metropolis接收准则;并用一组 称为进度表的参数控制算法进程,使算法在多项式时 间里给出一个近似最优解 j。 模拟退火算法的主要优点就是能以一定的概率接 收性能较差的状态,即算法收敛路径不唯一,使算法即 便落入局部最优的陷阱中,理论上经过足够长的时间 也可跳出从而收敛到全局最优解。 模拟退火算法的主要缺点是解的质量与运算时间 之间的矛盾。为求得一个近似最优解,需进行多次反 复运算,当问题规模增大时,缺乏可行性解决途径。 2.2遗传算法分析【3驯 遗传算法(Genetic Algorithms,简称GA)是John H Holland根据生物进化的模型提出的一种基于生物自 然选择和基因遗传学原理的优化搜索算法。 遗传算法具有以下几个特点:(1)以决策变量的 编码作为运算对象;(2)直接以目标函数作为搜索信 息;(3)同时使用多个搜索点的搜索信息;(4)使用概 率搜索信息。遗传算法的特点决定了其优点是:不受 搜索空间的约束,不必要求问题的连续性、倒数存在和 单峰的假设,具有内在的并行性,收敛速度快,能够解 决非常复杂的NP完全问题,简单和可操作性使得算 法应用范围广泛。 遗传算法也有很多缺点,其中最为严重的是“早 熟”问题。所谓“早熟”是指在遗传运算的初期,由于 优良个体急剧增加使种群失去多样性,从而造成程序 陷入局部,达不到全局最优解的现象。遗传算法的另 一个缺陷是“GA欺骗”问题,即在GA的搜索过程中, 有可能搜索到最优解然后又散发出去的现象。另外, 遗传算法还有参数选择未能定量和不能精确定位最优 解等缺陷。除此之外遗传算法还有稳定性差等缺陷。 足下列关系式: q+1= yq’ y21….X,ynqqn+1 (1) 其中{Y。,Y ,Y ,…,Y }为给定的二元序列,Y ∈(0,1)。 选择一定的初始组合{ , , ,…, 。}便可得 到周期为P=2 一1的m序列。采用霍夫曼定义的 ={ 0, l, 2, 3,…, ,…}得到 (,①D①∥…①D )Xo=0 (2) 式中,①表示模2相加,D表示单位位移,当(,①D① D2…①D,1)为GF(2)域上的即约多项式和本原多项式 时, 即为m序列,长度为P=2 一1,rt为多项式的阶 数。图1是初始寄存器阶数为10的m序列产生器方 框图。 图1 m序列产生器方框图 对初始寄存器的初始组合进行编码,即如式(3) 的染色体 : Ch ={口i口 口 …口 } (3) 其中口i 口 i口 i…口 是初始寄存器的值 是染色体对应 适应度。该染色体所对应的m序列是Xi。P(k)是n 位二进制数染色体结构 (k)(1≤ ≤Popsize)的第 K代种群,Popsize为种群数。 P(|i})={c i(|i})}, =1,2,…,Popsize(4) 3.2适应度函数 m序列的编码信号波形可以被定义为 M(t,Xi)=exp(]2 £+,rrX ) (5) 其中 是载频频率, 是由初始寄存器Ch (k)生成的 m序列。当载频fo=0时,u( )=exp(叮r )。这里选 择具有最大主副瓣比作为m序列的目标函数¨卫],使 输出主副瓣比达到最大的滤波器h(t)称为匹配滤波 器。匹配滤波器在t。冲击响应为 (£)=Ku (t0一£) (6) 维普资讯 http://www.cqvip.com 赵红涛 基于混合遗传模拟退火算法的m序列波形优化设计 49 其中 是一个常数。对于m序列编码而言,初始寄存 器值决定输出的主副瓣比。 =max(MSR(M(t,Xi)o (t, ))) (7) 采用“轮盘赌”方式对个体进行复制操作: 轮盘赌选择法的基本思想是:生成一个随机数* 其中MSR为匹配滤波后的主副比。由式(7)可以算 出每个染色体的适应度,即由初始寄存器生成的m序 列发射波形经过匹配滤波后得到波形的最大主副比。 3.3搜索理想初始寄存器的混合遗传模拟退火算法 混合遗传模拟退火算法的基本思想是将遗传算法 与模拟退火算法相结合而构成的一种优化算法。它是 ∈[0,1],并且计算个体的相对适应度比例值P =f/ n—l ,如果∑P ≤*<∑ ,则第n各个体被选择到下一 代。可见,个体适应度值越大被选择到下一代的可能 性越大; 终止条件判断:若不满足终止条件,则 卜 +1, 以遗传算法为主体流程,把模拟退火算法融人其中,用 以进一步调整优化群体 .5 ]。即整个算法的执行过 程由两部分组成,首先通过遗传算法的选择、交叉、变 异等遗传操作来产生一组新的个体,然后再地对 所产生出的各个个体进行模拟退火过程,以其结果作 为下一代群体中的个体。其中模拟退火操作设计针对 一定规模的每个基因个体,对每个基因个体进行一定 的“扰动”而产生恶化解的设计引用了遗传算法中的 变异和倒位思想。这种思想策略,从对全局最优解的 搜索角度和算法的进化速度上来提高遗传算法的性 能。运行过程反复迭代,直到满足某个终止条件为止, 其具体流程如下: 步骤1初始化控制参数: Popsize为群体规模;P 为变异概率;P 为交叉概 率;ro为退火初始温度; 为温度冷却参数;进化代数 计数器 (初始值为0)。 步骤2 随机产生初始种群并计算其适应度: 染色体值不能为全“0”,否则生成的m序列无任 何意义;计算当前群体适应度,即脉压后的主副瓣比。 步骤3以概率P 进行个体交叉操作,同时在交 叉之后可以附带保优操作: F (k)卜Crossover[F(k)] 步骤4以概率P 进行个体变异操作,根据变异 结果可以附带保优操作: F (k)卜Mutation[F (k)] 由模拟退火产生新个体,即对每个染色体进行一 定“扰动”。 步骤5 以一定概率接受新个体: 计算扰动前染色体适应度值 )和扰动后染色体 适应度值 _『)之差,由于搜索染色体适应度最大值,所 以此处△= )一 _『),产生一随机数Y=random[0, 1],以min{1,exp(一A/t)}>Y的概率接受新的解, 即接受新的个体。 判断模拟退火抽样是否稳定。若不稳定则返回步 骤5;若稳定则往下执行退火操作: 转到步骤2;若满足终止条件,则输出前最优个体,结 束算法。 遗传模拟退火算法利用轮盘赌选择方法,淘汰了 适应度较低的个体。而交叉变异操作是遗传算法中的 核心,寻找全局优过程主要通过它们实现。遗传模拟 退火算法吸取了这一思想,对选择后个体实行交叉变 异操作,并且把交叉变异后的子代与父代竞争,通过 Bohzmann机制来接收子代,不但有利于优良个体的保 留,同时防止了早熟收敛的问题。随着进化过程的进 行,温度逐渐下降,接收劣质解的概率也逐渐减小,使 得模拟退火算法既可以从局部最优的“陷阱”中跳出, 又能求得组合优化问题的整体最优解,有效利用了模 拟退火算法的爬山特性,提高了算法的收敛速度 J。 4仿真结果及性能分析 实验中通过与遗传算法(GA)在性能上的比较,验 证了遗传模拟退火算法的优越性。遗传模拟退火算法 的参数设定:Popsize=10,7"o=100, =0.9,B= 10MHz,T=819.1p.s。反馈连接如表1所示。 图2给出了10阶滤波器的遗传算法和遗传模拟 退火算法的50次蒙特卡罗实验的收敛曲线,可以 看出遗传算法不能跳出局部次优解“陷阱”,导致在 进化代数 图2移位寄存器长度为10时GA和 A—GAS0次蒙特卡罗实验曲 维普资讯 http://www.cqvip.com
雷达与对抗 2008年 第1期 表1 基于遗传模拟退火算法搜索到的最优初始寄存器值及对应适应度值 第l0代左右产生“早熟”。而采用遗传模拟退火算法 新的变异群体,增加种群多样性,根据适应度大小,选 在第l7代左右能够正常收敛到全局最大值。虽然本 择出性能优越的染色体,淘汰较差个体,将模拟退火的 文算法的搜索复杂度高于GA,但从表l中的搜索结果 局部搜索和遗传算法的全局搜索紧密结合到一起,有 可以看到,GASA的搜索结果均优于GA的搜索结果。 效地控制了早熟现象,从而逐步朝着最优方向进化。 可见,遗传模拟退火算法能够很好地控制搜索方向,抑 图3所示分别为初始群体、第3代群体、第8代群 制早熟现象,逐渐缩小搜索空间,使搜索点无限接近最 体、第l2代群体中个体的分布情况。在图3(a)中各 优解,即使达不到最优解,只要时间足够长也能达到全 个个体分布比较均匀;图3(b)中出现了次最优点;图 6 4 2 9 2孤孤孤孤2 8 6 4 2 8 8 6 局最优解。其算法实质就是在进化过程中,不断产生 3(d)中出现了最优点,次优解也被淘汰,个体更加集 夏 j磐 越 望 坦) 染色体编号 染色体编号 (a)初始群体染色体分布图 (b)第3代染色体分布图 鼍 、-, 夏 越 蛆) 染色体编号 染色体编号 (C)第8代染色体分布图 (d)第l2代染色体分布图 图3 移位寄存器长度为l0时染色体分布图 维普资讯 http://www.cqvip.com 赵红涛 基于混合遗传模拟退火算法的m序列波形优化设计 51 中在最优解的附近。从下面的一组图形可以看出,随 着进化过程的进行,群体中适应度较低的个体逐渐被 淘汰,而适应度高的个体逐渐增加,新的变异个体不断 产生,增加种群多样性,个体不断向最优解靠近,搜索 范围不断缩小,最终达到最优。 [4] Shijue Zheng,Wanneng Shu,Li Gao.Task sched- uling using parallel genetic simulated annealing al- gorithm『C].IEEE International Conference on Service Operations and Logistics,and Informatics, 2006:46-50. [5] Wang Sen,Cai Li.Simulation of quantum cellular 5 结 论 本文通过对模拟退火算法和遗传算法基本原理的 研究分析,提出了一种模拟退火算法和遗传算法相结 合的算法实现方案。并通过m序列波形优化设计实 验结果验证了遗传模拟退火算法兼具模拟退火算法和 遗传算法两者的优点,弥补了两个算法自身的不足。 automaton circuits based on genetic simulated an- nealing algorithm[J].ISCAS,2005,3:2325-2328. [6] Chang-Wook Han,Jung-11 Park.Design of a fuzzy controller using genetic algorithms employing ran- dom signal—based learning and simulate annealing [J].ISIE,2001,2:1231-1236. [7] Feng-Tse Lin,Cheng-Yang Kao,Ching-Chi Hsu. Applying the genetic approach to simulated annea- 新的算法适合于解决类似m序列波形优化设计的组 合优化问题,能够做到寻找最优,在调节种群收敛和缩 ling in solving some NP-hard problems[J].IEEE Trans.on Systems,Man and Cybernetics,1993,23 小搜索范围方面具有明显的优越性。 参考文献: (6):1752.1767. [8] Gamal A E,Hemachandra L,Shperling I,Wei V.Using simulated annealing to design good codes [1] Ness G J,Helleseth T.Cross correlation of m.se quences of different lengths[J].IEEE Trans.on Information Theory,2006,52(4):1637-1648. [J].IEEE Trans.on information theory,1987,33 (1):116-123. [2]Hai Deng.Synthesis of Binary Sequences with Good Autocorrelation and Crosscorrelation Properties by [9] 张颖,刘艳秋.软件计算方法[M].北京:科学出 版社,2002. Simulated Annealing[J].IEEE Trans.on AES, 1996,32(1):98-107. [10]康立山,谢云,尤矢勇,罗祖华.非数值并行算法 [M].北京:科学出版社,1998. [3] 陶海红,廖桂生,王伶.基于混合遗传算法的m 序列波形优化设计[J].电波科学学报,2004,19 (3):253.257. [1 1]孙小平,张双虎.基于并行组合模拟退火的全局 优化算法[J].西安理工大学学报,2004,20(4): 396-399. 征 稿 启 事 本刊欢迎有价值的相关学术论文投稿。来稿请按标准论文格式编排并给出文章的中图分类号。附图和表要 求简洁,图字均用小五宋。并附:英文的题目、作者现在单位或学校、摘要和关键词,第一作者的个人简介(性别、 出生年、职称或学位和现从事的工作),详细的通信地址和电话。来稿请通过压缩附件用E.mail发送过来。 为了杜绝学术,维护科学的严肃性,严禁抄袭、一稿多投。来稿将在一个月左右给予答复。稿件一经刊 用,即付稿酬,并赠送当期样刊。 通信地址:南京市319信箱《雷达与对抗》编辑部(邮编210003) 电子信箱:ldydk@chinaradar.org 电 话:025.58592715 《雷达与对抗》编辑部
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