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1 第 卷第 3 期太赫兹科学与电子信息学报 Vo.,o.3 23 年 6 月 Journal of Terahertz Scence and Electronc Informaton Technology Jun.,23 文章编号 : (23) 自适应免疫遗传算法在认知决策引擎中的应用 夏龄 ( 四川民族学院网络信息中心, 四川甘孜藏族自治州康定县 626) 摘要 : 提出一种自适应免疫遗传算法, 设计自适应免疫遗传算子 该算法利用交叉率和变异率自适应调整策略, 既防止交叉变异中的个体退化, 又保证种群的多样性, 并能快速收敛到全局最优解 仿真分析表明, 与遗传算法等其他算法相比, 该算法具有收敛速度快 平均适应度高 稳定性好等优点, 能满足认知引擎参数优化的需要 关键词 : 认知引擎 ; 免疫遗传算法 ; 遗传算子 ; 自适应策略中图分类号 :T929.5 文献标识码 :A do:5/tkyda Applcaton of adaptve mmune genetc algorthm n cogntve engne XIA Lng (etwork Center,Schuan Unversty For atonaltes,kangdng,tbetan Autonomous refecture of Kandze,Schuan 626,Chna) Abstract:An Adaptve Immune Genetc Algorthm(AIGA) s proposed, whch ntroduces the adaptve mmune genetc operators based on the mmune genetc algorthm. Crossover probablty and mutaton probablty are employed n the proposed algorthm to not only prevent the ndvdual backwards durng over and mutaton processes, but also ensure the dversty of populaton, and ths algorthm can rapdly converge to the global optmal soluton. Smulaton results show that AIGA exhbts a good performance n convergence speed, average ftness value and stablty n comparson to Genetc Algorthm(GA) and other algorthms, whch greatly satsfes the demand of parameters optmzaton of cogntve engne. Key words:cogntve engne;immune Genetc Algorthm(IGA);genetc operators;adaptve strategy 认知无线电 (Cogntve Rado,CR) 的核心是认知引擎 (Cogntve Engne,CE) 认知引擎本质上是一个多目标优化模块, 既要满足频谱限制, 适应通信环境变化, 又要满足业务的 QoS 需求 文献 [] 构建了一种基于遗传算法的 CE 模型, 将多目标优化转化成单目标优化, 利用遗传算法寻求最优解, 但遗传算法收敛速度慢, 容易漏掉最优解 ; 文献 [2] 提出一种基于多目标遗传算法的认知无线电性能优化算法, 虽然对遗传算法进行了改进, 但无记忆性, 开销大 ; 文献 [3] 在认知引擎中引入二进制粒子群算法 (Bnary artcle Swarm Optmzaton,BSO), 虽在一定程度上提高了收敛速度, 但存在早熟收敛和容易陷入局部最优等不足 ; 文献 [4] 提出一种基于蚁群算法的认知引擎, 性能优于遗传算法, 但存在参数选择难 早熟收敛等问题 ; 文献 [5-6] 将免疫遗传算法应用于认知引擎, 通过记忆适应度高的个体, 克服遗传算法局部搜索效率低的不足, 但在进化过程中, 个体退化不可避免 本文以免疫遗传算法为基础, 通过自适应调整种群的交叉率和变异率, 提出一种自适应免疫遗传算法, 并将其应用于认知引擎 免疫遗传算法及参数定义. 免疫遗传算法 免疫遗传算法 (IGA) 是一种免疫算法 [7] (IA) 和遗传算法 [8-9] (GA) 相融合的优化算法, 具备遗传算法的搜索特性和免疫算法多目标最优解的自适应性 IGA 算法的基本思想是 : 在抗体和抗原的识别过程中, 高适应度的抗体与抗原结合能力强, 其结合能力可用适应度函数和浓度表征 先克隆扩展和超变异结合能力强的抗体, 再根据个体 收稿日期 :22-6-; 修回日期 : 基金项目 : 四川省教育厅科研基金资助项目 (ZC25); 四川省教育厅自然科学重点资助项目 (3ZA34); 甘孜州重点科技基金资助项目 (29525)
2 47 太赫兹科学与电子信息学报第 卷 效果选择结合能力强的个体进入免疫记忆集合 重复此过程, 使抗体群的演化向多样性 高适应度方向发展.2 参数定义 ) 抗体对抗原的适应度假设抗体 b { b, b,, b } 2 m, 抗原 g { g, g,, g } 2 c,m 为种群中抗体个数,c 为目标函数 ( 抗原 ) 个数 抗体 b 对 抗原 g 的适应度 ( A 定义为 : 式中 ) g g ( b ) + max g 为抗原 g 可能的最大值 (,], 数值越大, 表示抗体对抗原的适应度越高 进一步, 定义抗体 max b 对所有抗原的加权适应度为 : m w A (2) 式中 w 为加权系数 抗体对抗原的加权适应度越大, 表明对环境的适应能力越强 2) 抗体浓度定义抗体 b 和 b 之间的亲和度 Ab(, ) 为 [9] : 式中 d (, ) 为抗体 b 和 b 之间的欧氏距离 ( d ) Ab(, ) / + (, ) (3) 在包含 m 个抗体的种群中, 将与抗体 b 的亲和度大于阈值 μ 的抗体所占的比例定义为抗体 b 的浓度 D, 即 D num { Ab(, ) μ,, 2, Λ, m} / m (4) 式中 num{ } 代表集合 {} 中元素个数 一般.8 μ 3) 浓度调节选择概率多目标优化需要在目标之间进行协调处理, 力求各目标都尽可能达到最优, 为此, 应尽量选择对每个抗原适应度均衡的抗体, 调节其浓度, 减少选择高浓度抗体的概率 定义抗体 选择抗原 的概率 ( Ab ) 为 : 根据信息熵的特点, 抗体 的多目标选择熵 定义为 : 归一化处理后, 得到 : ( Ab ) (5) ( ) (6) ( Ab ) ln / ( Ab ) c m 在此基础上引入浓度调节机制以保证抗体均匀分布, 定义浓度调节选择概率为 : (8) D + C ln ( + D ) 式中 C > 为浓度调节参数, 用于抑制某种抗体在克隆选择中过快增殖 根据式 (8) 可知, 抗体被选择的概率取决 于多目标选择熵和抗体浓度, 对抗体进行促进和抑制调节, 保留高适应度的抗体, 同时减少相似抗体 IGA 通过分析抗体对抗原的适应度 抗体浓度以及对抗体的复制交叉和变异, 获得目标函数的最优解, 既能保证所生成的抗体直接与问题相关联, 控制收敛方向, 又能记忆与抗原适应度高的抗体, 促进快速收敛 () (7)
3 第 3 期夏龄 : 自适应免疫遗传算法在认知决策引擎中的应用 47 2 自适应免疫遗传算法 影响遗传算法行为和性能的主要因素是交叉率 和变异率 meta 的大小影响新个体的产生速度, 过大, 可能破坏高适应度个体结构 ; 过小, 会延长收敛时间 meta 过小, 新个体结构不易产生 ; meta 过大, 会退化为纯粹的随机搜索过程 [] 在基本免疫遗传算法中, 通常设置种群的 和 固定不变, 可能导致早 meta 熟和收敛速度慢, 且在实际应用中, 针对特定的优化问题设置交叉率和变异率, 需要多次反复试验, 会增加时间开销 本文提出的自适应免疫遗传算法 (AIGA) 依据个体适应度与当前种群体的进化, 自动调节 和, 其 meta 自适应调整策略为 : avg max 2 ( 2 max avg) (( A ) max ( A ) avg ) ( k k ) + ' k k ',' k, ' < avg ( k k ) + k k avg max max 3 avg meta max avg 3 max avg avg, max k, < 式中 : 和 分别为种群中最大适应度值和平均适应度值 ;' 为交叉抗体中较大的适应度值 ; max avg 为变异个体的适应度值 ; k, k 2, k 3, k 4 (,) 这种随适应度变化的交叉变异算子能保持种群整体朝适应度高的方向进化, 提高算法的收敛速度 式 (9) 和式 () 中交叉率 变异率与适应度的关系为分段函数, 在进化后期, 种群中适应度最大的个体的交叉率和变异率分别取分段函数上半段中的 和, 这样可以更 meta antgen recognton 敏感地对适应度的变化做出响应, 提高计算效率 AIGA 算法流程如图 所示 3 基于 AIGA 的认知引擎 认知无线电工作参数调整策略由认知引擎确定 [], 将 AIGA 作为认知引擎的一个优化模块, 通过对多子 [2] 载波系统的参数调整实现对发射功率 误码率和数据速率的优化, 为此, 将各个目标函数看作是 AIGA 算法中的抗原, 其归一化形式为 [8] : f / () f maxdata rate mn power f mn ber max lg.5 (2) log lg be log M log M M 式中 : 为平均发射功率 ; max 为最大调制进制数 ; 4 仿真分析 2 2 mn log M 2 max 2 mn (3) 为最大发射功率 ; be 为平均误码率 ; 为子载波数 ; M mn 为最小调制进制数 ; M max M 为子载波 的调制进制数 mmune memory memory cells storage ntal populaton 为了测试 AIGA 算法的性能, 将 AIGA 算法与 IGA 算法 GA 算法和 BSO 算法的性能进行对比仿真分析 仿真环境为 : 子载波数为 32; 选择发射功率和调制方式作为可调参数, 发射功率在 dbm~25.2 dbm 范围内取 select clone antbodes avg calculate populaton ftness,, concentraton and determne the selecton probablty meet over condtons? over and mutaton by adaptve over rate and varaton rate a new generaton of antbodes Fg. Flow chart of AIGA algorthm 图 AIGA 算法流程图 Y end (9) () output the result
4 472 太赫兹科学与电子信息学报第 卷 64 种可能值, 间隔.4 dbm; 调制方式包括 BSK, QSK, 6QAM 和 64QAM [2] 运行优化算法为每个子载波选择发射功率和调制方式, 各参数采用二进制编码, 抗体为各子载波对应的发射功率和调制方式, 比特位数为 256; 种群大小为 8, 最大进化代数为 采用 AWG 信道, 噪声功率为 dbm AIGA 算法各参数设置为 : 抗体对抗原适应度的加权系数为 w[.8.5.5] 或 w[.5.5.8], 不同加权系数对应不同业务 [9] ; 亲和度阈值 μ.85, 抗体浓度调节参数 C 2, 自适应交叉率和变异率参数 k.9, k 2.6, k 3., k 4. IGA 算法参数设置为 : 交叉率为.6, 变异率为., 其他参数同 AIGA 算法 GA 算法参数设置为 : 锦标赛选择, 两点交叉和基本位变异, 交叉率为.6, 变异率为. BSO 算法参数设置为 : 惯性权重 ω, 学习参数 c c 2 2 采用 AIGA 算法对目标函数优化, 对 2 种加权模式分别进行 次独立试验, 根据获得的最大适应度值求平均, 得到适应度值随进化代数的变化曲线 如图 2 所示,2 种加权模式下,AIGA 算法在进化初期 ( 进化代数为,2) 的适应度值达到了.9, 显著提高了收敛性能.. ftness of mmune to antgen ftness of mmune to antgen 进一步比较 AIGA,IGA,GA 和 BSO 算法对目标函数的优化性能, 分别在 2 种加权模式下进行 次独立试验, 根据挑选出的最大适应度抗体计算 次试验的平均, 得到平均目标函数随进化代数的变化曲线 如图 3 所示,2 种加权模式下, 不同进化代数优化得到的平均目标函数值,AIGA 算法明显大于 IGA,GA 和 BSO 算法 在进化代数为,2 时,AIGA 算法就能得到较优解, 表明 AIGA 算法的搜索效率更高, 种群的收敛速度快 当进化代数超过 2 后,AIGA 算法的平均目标函数值均在.9 以上, 表明 AIGA 算法稳定性高 当进化代数为 时,AIGA 算法 次独立试验所得的最终目标函数值达到.95 以上, 表明 AIGA 算法比其他优化算法平均适应度高, 全局搜索能力强 average value of the obectve functon evolutonary generatons evolutonary generatons (a) w[.8.5] (b) w[.5.5.8] Fg.2 erformance analyss of AIGA 图 2 AIGA 性能分析 AIGA GA BSO IGA evolutonary generatons (a) w[.8.5.5] (b) w[.5.5.8] Fg.3 erformance comparson among AIGA, IGA, GA and BSO 图 3 AIGA 与 IGA, GA, BSO 性能比较 图 4 描述了低功耗服务 (w[.8.5.5]) 和高速数据服务 (w[.5.5.8]) 的 AIGA 算法参数优化结果 在低功耗服务下,CE 选择了较低进制的调制方式, 仅有 3 个子载波使用 64QAM 调制, 同时使用较低的符号速率, 子载波平均发射功率只有 dbm; 在高速数据服务下, 有 22 个子载波选择 64QAM 调制, 而平均发射功率增大到 dbm AIGA 算法根据不同业务类型, 完成了波形参数的自适应配置 低功耗服务下, 通过降低 average value of the obectve functon. AIGA GA BSO BSO IGA IGA evolutonary generatons
5 第 3 期夏龄 : 自适应免疫遗传算法在认知决策引擎中的应用 473 发射功率 符号速率和采用低进制调制方式, 实现了小功耗传输 ; 在高速数据服务下, 采用高进制调制方式和高 符号速率, 达到了高速传输的目的 fadng factor modulaton mode /(bt symbol - ) power/dbm..55 (a) low power consumpton servce mode 5 5 载波符号 载波符号 subcarrer ndex fadng factor modulaton mode /(bt symbol - ) power/dbm..55 Fg.4 arameters adustment results of AIGA 图 4 AIGA 参数调整结果 5 (b) hgh 5 rate servce mode 载波符号 载波符号 subcarrer ndex 5 结论针对认知引擎的多目标优化, 本文以基本免疫遗传算法为基础, 提出了一种自适应免疫遗传算法, 依据个体适应度与当前种群体进化, 引入交叉率 和变异率 自适应调整策略, 避免了遗传算法中早收敛和计算效率 meta 低的不足 对比仿真分析表明, 在搜索效率 收敛精确度和稳定性等方面,AIGA 算法明显优于 GA 等其他算法 参考文献 : [ ] Zhang X Q,Huang Y Q,Jang H,et al. Desgn of cogntve rado node engne based on genetc algorthm[c]// 29 WASE Internatonal Conference on Informaton Engneerng. Tayuan,Chna:[s.n.], 29: [ 2 ] Wang G Q,L J L,Zhang M,et al. Solvng performance optmzaton problem of cogntve rado wth multobectve evolutonary algorthm[j]. Computer Engneerng and Applcatons, 27,43(2): [ 3 ] ovalac K,Marsalek R. Adustng of the multcarrer communcaton system usng bnary partcle swarm optmzaton[c]// roceedngs of 9th Internatonal Conference Radoelektronka. Bratslava,Slovaka:[s.n.], 29: [ 4 ] Zhao,L S Y,Wu Z L. Cogntve Rado Engne Desgn Based on Ant Colony Optmzaton[J]. Wreless ersonal Comm., 22,65():5-24. [ 5 ] Zhou D Q. Immune genetc algorthm-based parameters optmzaton of cogntve rados[c]// 29 Internatonal Conference on Mcrowave Technology and Computatonal Electromagnetcs. Beng,Chna:[s.n.], 29: [ 6 ] Lu Y,Jang H,Huang Y Q. Desgn of Cogntve rado wreless parameters based on mult-obectve mmune genetc algorthm[c]// 29 WRI Internatonal Conference on Communcatons and Moble Computng. Kunmng,Chna:[s.n.], 29: [ 7 ] 王小平, 曹立明. 遗传算法 理论 应用与软件实现 [M]. 西安 : 西安交通大学出版社, 22. [ 8 ] 孟朝霞. 基于自适应免疫遗传算法的智能组卷 [J]. 计算机工程, 28,34(4): [ 9 ] ewman T R,Barker B A,Wyglnsk A M,et al. Cogntve engne mplementaton for wreless multcarrer transcevers[j]. Wreless Communcaton & Moble Computng, 27,7(9): [] 高兴龙, 崔琛. 基于遗传算法的超亚高斯混合信号盲分离 [J]. 信息与电子工程, 2,9(5): [] 赵知劲, 郑仕链, 尚俊娜, 等. 基于量子遗传算法的认知无线电决策引擎研究 [J]. 物理学报, 27,56(): [2] 廖全瑞, 王钢. OFDM 系统中的自适应比特功率分配算法 [J]. 信息与电子工程, 2,9(6): 作者简介 : 夏龄 (97-), 男, 四川省蓬溪县人, 硕士, 副教授, 主要研究方向为网络通信 认知无线电及计算机应用.emal:x97@sna.com.
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