基于平均增益模型的模拟退火算法计算时间分析

模拟退火算法由于算法结构简单而被广泛应用于组合优化领域,但关于算法计算时间分析的研究成果较少。因此,针对模拟退火算法计算时间分析问题,给出模拟退火算法的随机过程模型,该模型能够刻画算法计算时间。以随机过程模型为基础,建立模拟退火算法的平均增益模型,该模型能够估算模拟退火算法的期望首达时间上界。为验证该方法的可行性,求解模拟退火算法在线性函数上的期望首达时间,针对不同变异算子得到线性函数的时间上界闭合表达式。理论分析与实验结果表明,该方法可刻画模拟退火算法的期望首达时间上界,为模拟退火算法计算时间分析提供了一种新思路。

连续型演化算法首达时间分析的平均增益模型

连续型演化算法(Evolutionary Algorithms,EAs)的计算时间分析(Runtime analysis)是演化计算理论研究中的难点和热点问题,相较于离散型演化算法,有关前者的理论结果相对较少,数学基础较为薄弱.该文引入鞅论和停时理论,建立了平均增益模型,以估算连续型演化算法的平均首达时间(Expected First Hitting Time,EFHT)上界.平均增益模型建立在一个非负随机过程的基础上,不依赖于算法具体的实现形式.论文介绍了如何应用该模型进行连续型演化算法的计算时间分析.作为案例分析,研究分析了:(1)带自适应步长的非精英(1,λ)ES(Evolution Strategy)求解球函数问题的平均首达时间,得到了3维情形下的时间上界的闭合表达式,并讨论了确保算法收敛条件下步长与子代种群规模λ之间的关系;(2)(1+λ)ES求解2维倾斜平面问题的平均首达时间,得到了上界的闭合表达式.数值实验的结果表明实际的平均首达时间与理论计算的上界吻合.理论分析和实验结果表明平均增益模型有助于获得连续型演化算法平均首达时间紧致的上界,为连续型演化算法的计算时间分析提供了一种新的有效方法.

基于平均增益模型的连续型(1+1)进化算法计算时间复杂性分析

连续型进化算法的计算时间复杂性分析是进化计算理论研究的一项公开难题,目前相关研究成果较少.针对连续型(1+1)EA,基于适应值差函数提出了平均增益模型及其分析方法,给出了平均计算时间的计算理论,为算法的计算时间复杂性分析提供了依据.在此基础上,研究还选取了学术界关注的球形函数作为研究对象,分别推导了变异步长满足标准正态分布和均匀分布的连续型(1+1)EA在优化球形函数时的平均增益,并估算出了它们的平均计算时间.理论分析说明:1)两种算法的计算时间复杂性都是指数级的;2)在给定相同精度和初始适应值差的前提下,采用均匀分布变异算子的算法其寻优速度优于采用标准正态分布变异算子的算法.进一步地,通过数值实验对理论分析结果进行了验证,结果表明平均增益模型分析是有效的.

基于平均信干比增益的基站群分簇模型

当获取的信道状态信息(CSI)失真时,现有分簇模型不能有效指导分簇,导致得到的簇结构不佳,协同性能降低。针对此问题,提出了一种基于平均信干比增益的基站群分簇模型。模型以基站协同的平均信干比增益来度量基站间协同愿望程度,以平均信干比增益之和最大化为目标进行分簇,从而把分簇后系统协同性能最大化的目标转换为分簇后系统平均信干比增益之和最大化。仿真结果表明,CSI失真时,利益树分簇方案在平均信干比增益分簇模型下得到的性能,相比于协同度模型提升了0.3 bps/Hz。

二阶拉曼光纤放大器增益特性研究

为实现较大放大带宽,同时提高输出增益并保持较小的增益平坦度,设计了一种二阶拉曼光纤放大器,采用一个二阶泵浦和四个一阶泵浦对100路信号光进行分布式拉曼放大.首先对二阶拉曼耦合波方程进行数值求解,为进一步提高输出性能,利用粒子群优化算法对二阶拉曼光纤放大器的性能参数进行了优化,然后在相同泵浦参数配置下,对一阶拉曼光纤放大器和二阶拉曼光纤放大器进行对比,最后对二阶拉曼放大器输出增益的影响因素进行分析.通过Matlab仿真,在1510~1610 nm的增益带宽范围内所设计的二阶拉曼光纤放大器的平均输出增益为23.7680 dB,最高输出增益为24.1244 dB,同时增益平坦度为0.9112 dB.

高斯势分段双稳随机共振在不同噪声下的轴承故障诊断

为解决经典双稳随机共振(classical bistable stochastic resonance, CBSR)在强噪声下输出信噪比(signal-to-noise ratio, SNR)较低问题,将非饱和分段双稳随机共振(unsaturated piecewise bistable stochastic resonance, UPBSR)与高斯势(gaussian potential, GP)随机共振结合得到一种高斯势分段双稳随机共振(Gaussian potential piecewise bistable stochastic resonance, GPPBSR)。首先,将GPPBSR与CBSR、UPBSR的势函数分析对比;其次,以SNR和平均信噪比增益(mean signal-to-noise ratio increase, MSNRI)为衡量指标,分别在高斯白噪声和色噪声背景下通过遗传算法参数寻优得到SNR和MSNRI随系统参数的变化规律,其结果表明在两种噪声背景下,GPPBSR系统的SNR和MSNRI均优于UPBSR,抗噪性能更好;最后,为验证在不同场景下GPPBSR系统轴承故障诊断的实用性,将UPBSR和GPPBSR系统应用于6205-2RS JEM SKF和HRB 6205-2Z两种型号的轴承故障诊断中。仿真结果表明,GPPBSR系统在两种噪声背景下的故障信号诊断均是可行的,且比CBSR和UPBSR的性能更优越。

用于宽带高功率微波辐射的双层贴片天线特性

研究了用于宽带高功率微波辐射的双层贴片微带天线输入阻抗带宽和辐射特性,提出一种适合于高功率微波辐射的圆锥传输线馈电结构以减小传统馈电探针的引线感抗,使天线的功率容量提高到百MW级,同时作为同轴线到径向传输线的过渡变换,使反射系数降低近50%。通过数值计算分析了不同的介质基底厚度组合和贴片尺寸对天线带宽的影响,优化参数后的天线带宽达到了34.9%(电压驻波比小于3),带内平均增益高于6.5 dB,最大增益8.3 dB,主辐射方向上的远场辐射因子与馈入宽带脉冲幅度比值大于1.3。分析了天线的功率容量,模拟计算表明该天线可用于辐射幅值300 kV的宽带高功率微波。

5G专网的精准覆盖研究

5G专网因其可定制化、性能稳定、安全可靠等特点成为各行各业的新型信息化基础设施,同时行业基于对业务稳定性、确定性、节能、低成本等方面更高的要求,迫切需要5G专网能够实现相比公网更加精准高效的覆盖。以自动化立体仓库作为典型行业业务场景,提出一种通过搭建小型实验环境对传播模型校正来提升5G专网精准覆盖的方法。基于对自动化立体仓库典型空间的天线增益进行精细化建模仿真,结合典型测试环境的RSRP(reference signal receiving power)测试数据实现对传播模型的精准校正,按照行业终端的业务SLA(service-level agreement)要求可得到通用不同尺寸自动化立体仓库的5G专网精准覆盖参数。

Levy噪声激励下的幂函数型单稳随机共振特性分析

将Levy噪声与幂函数型单稳随机共振系统相结合,为确保实验数据的可靠性,以平均信噪比增益为衡量指标,针对Levy噪声激励下的随机共振现象进行了研究.详细介绍了单稳系统势函数形式及Levy噪声的产生原理,深入探究了不同特征指数α和不同对称参数β取值条件下,单稳系统参数a和b、Levy噪声强度放大系数D对幂函数型单稳系统共振输出的作用规律.研究结果表明,在任意Levy噪声分布条件下,通过对系统参数a和b的适当调整均能诱导随机共振,完成微弱信号检测,且有多个随机共振区间与之对应,同时这些区间不随α或β的改变而改变;此外,在研究噪声诱导的随机共振时也发现了同样的规律,通过调节噪声强度放大系数D也能产生随机共振,且随机共振区间也不随α或β的改变而改变;最后,在研究系统参数a和b之间的相互作用关系时发现,一个系统参数的随机共振取值区间会随着另一个系统参数的改变而改变.所获得的研究结果有效解决了Levy噪声激励下幂函数型单稳随机共振系统的系统参数、噪声强度放大系数的选择问题,为其应用于工程实践提供了可靠的理论依据.

α稳定噪声下一类周期势系统的振动共振

将多个低频微弱信号、高频信号和加性α稳定噪声共同激励的一类周期势系统作为研究模型,以平均信噪比增益(MSNRI)为性能指标,对α稳定噪声环境下周期势系统中的振动共振现象进行了研究,分别探究了α稳定噪声的特征参数α、对称参数β、加性噪声强度放大系数D、高频信号幅值B以及频率?对振动共振输出效应的影响.研究结果表明:1)在不同分布的α稳定噪声环境下,固定频率?(或幅值B),当幅值B(或频率?)逐渐增大时,MSNRI-B(或MSNRI-?)曲线出现多个峰值,即存在多个B区间(或?区间)可诱导振动共振,并且这些区间不会随噪声分布参数α或β的变化而变化;2)当加性噪声强度放大系数D发生变化时,幅值B和频率?的共振区间没有随着D的变化而变化,表明只有高频信号能量向待测低频信号转移,噪声能量并没有向待测低频信号转移.另外当幅值B、频率?固定时,随着D的逐渐增大,依然可以实现微弱信号的检测,表明振动共振可以克服工业现场噪声强度不可调控的缺点.本文研究结果提供了一种新的微弱信号检测方法,在信号处理领域有着潜在的应用价值.

考虑用户优先级的OFDMA下行链路自适应子载波分配

针对OFDMA下行链路系统,在总功率以及用户数据速率成比例的约束下,以获取整个系统容量极大化为准则,提出一种考虑用户优先级的自适应子载波分配算法。该算法初始分配时允许每个用户根据用户数据速率的相对比例以及自己的信道状态在所有子载波上独立的进行最优选择,当出现多个用户同时选择一个子载波,即出现冲突时,由平均信道增益的大小来决定用户选择该子载波的优先级。文中分别研究了平均信道增益大者为高优先级以及平均信道增益小者为高优先级的两种冲突解决办法,仿真结果表明,由平均信道增益小的用户来优先选择冲突子载波的算法综合考虑了公平性和频谱效率,与系统容量上限相比,性能损失较小,复杂度低,速度快,能够满足实时要求。

基于幂函数型双稳随机共振的故障信号检测方法

在实际的故障诊断中,有用信号经常淹没在噪声中,特征信息提取非常困难。为了提取强噪声背景中的微弱信号,将幂函数型单势阱模型与Gaussian Potential模型相结合提出一种新型的双稳随机共振系统,称为幂函数型双稳随机共振系统。首先,以平均信噪比增益为衡量指标,提出一种寻找最优系统参数组合的算法,使微弱信号、噪声及系统产生最佳的共振效果;然后,基于幂函数型双稳随机共振系统对Levy噪声背景下的仿真信号进行检测;最后提出一种基于小波变换和幂函数型双稳随机共振的微弱信号检测方法并应用于轴承故障信号检测中。仿真实验表明,幂函数型双稳随机共振模型在故障信号检测中是有效和可靠的。

色噪声作用下二阶线性系统中随机共振现象的研究

在色噪声同时作用于阻尼系数和激励信号时,研究了欠阻尼二阶线性系统中的随机共振现象。实际计算和仿真表明:该系统的平均输出幅度增益呈现非单调变化,不仅在一定条件下大于无噪声时的增益,而且适当的系统参数和噪声参数能够提高幅度增益,这对噪声环境中线性系统的理论研究以及微弱信号检测都具有一定的理论意义。

RC串联电路的随机共振

研究了时间常数受非对称双值色噪声扰动的RC串联电路的随机共振现象。利用随机平均法和Shapiro-Loginov公式,得到了平均输出幅度增益的精确表达式。分析表明,平均输出幅度增益是噪声的强度、自相关率和非对称性参数的非单调函数,适当的噪声参数和系统参数可以使平均输出幅度增益取得最小值,输出幅度增益关于噪声非对称性和相关速率的函数的最小值不随信号频率的变化而变化。

随机振幅周期信号驱动的一阶线性系统的随机共振

在非对称双值噪声条件下,研究了随机幅度周期信号作用的含有乘性噪声的一阶线性系统的随机共振现象。利用随机平均法、Shapiro-Loginov公式和非对称双值噪声的属性,得到了平均输出幅度增益的精确表达式。分析表明,平均输出幅度增益对信号频率、系统参数、乘性噪声的强度、相关时间和非对称性存在非单调依赖关系,这种非单调依赖关系有最大值出现;平均输出幅度增益对乘性噪声与幅度噪声之间的关联噪声强度也存在非单调依赖关系,但这种非单调依赖关系出现的是最小值。适当的信号、噪声和系统参数可以使平均输出幅度增益取得最大值或最小值。

Levy噪声驱动下的三稳态随机共振特性分析

将Levy噪声与三稳态随机共振系统相结合,以平均信噪比增益为衡量指标,针对Levy噪声驱动下的三稳态系统的随机共振特性进行深入研究。探究了当Levy噪声特征指数与对称参数取不同值时,三稳态系统参数w,a和b,Levy噪声强度放大系数D对系统共振输出的影响。研究结果表明,在不同Levy噪声分布作用下,通过调节系统参数均可诱导随机共振,并且产生随机共振的参数区间大致相同;另外,调节噪声强度放大系数同样使系统产生随机共振。本研究结果为Levy噪声环境下参数诱导的三稳态随机共振现象系统参数的合理选取提供了依据。

耦合高斯噪声背景下二阶线性系统中随机共振的研究

利用随机共振具有对被测信号信噪比要求不高和变废为宝的优势,以二阶欠阻尼线性系统作为研究对象,在阻尼系数和固有频率同时受耦合高斯噪声影响下,探究了系统中随机共振现象。首先采用概率论相关数学方法,推导出系统平均输出幅值增益精确表达式;接着采用MATLAB仿真软件进行数据模拟,得出平均输出幅值增益随各个参数的变化规律;然后将此变化规律应用于实际信号检测中。实例仿真表明,选取适当的系统参数能在耦合高斯噪声背景下有效检测有用信号。

Levy噪声下新型势函数的随机共振特性分析及轴承故障检测

针对经典双稳随机共振(Classical Bistablestochastic Resonance,CBSR)系统的输出饱和性问题,构建了一种新型的分段非线性双稳随机共振(Piecewise Nonlinear Bistable Stochastic Resonance,PNBSR)系统,用所提的PNBSR系统在理论上和CBSR系统作了对比;然后以平均信噪比增益(MSNRI)为衡量指标,用量子粒子群算法进行参数寻优,深入的探究了在Levy噪声不同特征指数与对称参数情况下,PNBSR系统参数l,c,a,b和Levy噪声强度放大系数D对共振输出的规律。研究表明:相对于CBSR系统的输出信噪比,PNBSR系统的输出信噪比有4dB的提高;并且发现在不同的Levy噪声分布作用下,通过调节系统参数l,c,a,b和噪声强度系数D均可诱导随机共振,且系统较好的随机共振区间不随α或β变化;最后将PNBSR系统应用于轴承故障检测,效果明显优于CBSR系统。

Levy噪声下自适应级联三稳随机共振系统研究

在Levy噪声驱动下,以级联三稳态随机共振为模型,首先研究了不同特征参数、对称参数条件下输入信噪比随噪声强度D的变化;然后以谱峰值和平均信噪比增益为性能指标,针对高、低频信号级联三稳随机共振现象进行了研究;最后将其应用到轴承故障检测中。研究表明,通过自适应算法选取最优参数a、b和c,可诱导级联三稳系统发生随机共振,从而实现对目标信号的检测。结果表明,特征参数越大,输入信噪比达到稳定状态需要的噪声强度越大,而对称参数几乎没有影响;选取相同的系统参数a=0. 5、b=0. 5、c=0. 8时,级联三稳系统的检测效果要比单级三稳系统有更好的随机共振输出,在小参数信号检测中,单级输出平均信噪比增益为25. 46 d B,第2级输出平均信噪比增益为28. 38 d B。此外,在轴承故障检测中级联三稳系统也显示出更好的检测效果。此系统对于微弱信号的检测具有重要的研究意义也有着良好发展前景。

三值噪声调制下电路中的随机共振现象

研究了在三值噪声和热噪声扰动下的RLC电路的平均输出幅度增益.利用随机平均法和Shapiro-Loginov公式,得到了平均输出幅度增益的精确表达式.通过计算机模拟,画出了平均输出幅度增益与平坦系数、有噪声和无噪声时,输出信号振幅与输入信号频率之间的关系曲线.从结果来看,系统产生了双值噪声驱动的RLC电路中(文献[11])没有的随机共振现象,甚至还出现了双共振峰.