一种海上超视距微波无线传输系统和方法
阅读说明：本技术 一种海上超视距微波无线传输系统和方法 (Over-the-horizon microwave wireless transmission system and method on sea ) 是由 谢芳 郭海清 吴慧 林滔滔 曾庆荣 刘道选 谢亮 于 2021-04-09 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种海上超视距微波无线传输系统和方法,旨在提高微波通信质量。所述传输系统的多个微波中继站分散地布置在海上,船只的心跳信号可以被就近的微波中继站接收到,该微波中继站接收到船只的心跳信号后,在船只列表中添加或更新相应的船只信息,并将该船只信息发送给路由路径上的下一个微波中继站。如此,整个路由路径上的每个微波中继站添加或更新了相应的船只信息。此外,船只的通信信号也可以被就近的微波中继站接收到,该微波中继站接收到通信信号后,将通信信号发送给下一个微波中继站。如此,通过若干个微波中继站的传递,该通信信号可以被传递给目标船只,使得超出视距范围的两个船只也能在海上进行高质量的微波通讯。(The invention provides a system and a method for wireless transmission of over-the-horizon microwave on the sea, aiming at improving the microwave communication quality. The plurality of microwave relay stations of the transmission system are dispersedly arranged at sea, the heartbeat signal of the ship can be received by the nearby microwave relay station, and after the heartbeat signal of the ship is received by the microwave relay station, the corresponding ship information is added or updated in a ship list and is sent to the next microwave relay station on the routing path. In this manner, each microwave relay station on the entire routing path adds or updates the corresponding ship information. In addition, the communication signal of the ship may be received by a nearby microwave relay station, and the microwave relay station transmits the communication signal to the next microwave relay station after receiving the communication signal. In this manner, the communication signal may be communicated to the target vessel by the communication of a plurality of microwave repeaters, so that two vessels that are beyond the line of sight range may also be in high quality microwave communication at sea.)
技术领域
本发明创造涉及通信技术领域，特别是涉及一种海上超视距微波无线传输系统和方法。
背景技术
微波无线传输技术在海上有着相当重要的作用，主要用于船只与船只之间的无线通讯，或者用于船只与岸上系统之间的无线通讯，还可以用于海上油气平台与岸上系统之间的无线通讯。以船只A向船只B发送微波信号为例，为了提高微波信号的强度，船只A可以通过微波定向发射技术向船只B发送微波信号，但前提是船只A需要提前确定船只B的方位。如果船只A与船只B的距离较远，船只A与船只B的距离超过视距范围，则船只A难以明确船只B的方位。如此，则船只A仅能通过微波全向发射技术，向四面八方广播微波信号，以期船只B能接收到该微波技术。但是由于船只A与船只B之间的距离较远，导致船只B收不到微波信号，或者收到很弱的微波信号，使得微波通信质量偏低。
微波中继站选择其相应的子路由路径将接收到的船只的通信信号传输给相应的目标微波中继站，当该子路由路径为连接所述微波中继站和相应的目标微波中继站的最短路由路径时，其信息传输的效率能够得到明显的提高，为此，本发明采用布谷鸟算法对微波中继站的子路由路径进行规划，从而找到连接所述微波中继站和相应的目标微波中继站之间的最优子路由路径，从而提高信息传输的效率，并且能够有效的提高微波通信质量。
在采用布谷鸟算法寻找微波中继站和相应的目标微波中继站之间的最优子路由路径时，考虑到在布谷鸟算法中，布谷鸟每一代都按莱维飞行模式进行更新，这种短距离的搜索和偶尔的长跳跃搜索相间的更新方式，让布谷鸟的寻巢路径从一个区域跳跃到另一个区域，这样有利于布谷鸟算法的全局搜索，因而布谷鸟算法的全局搜索能力很强，但由于布谷鸟算法在采用莱维飞行模式进行更新时表现出的很强的随机跳跃性，使得在每个鸟巢附近的局部区域搜索不够强，使得布谷鸟算法在优化后期收敛速度慢、收敛精度不够高。针对上述缺陷，本发明对传统的布谷鸟算法进行改进，从而有效的提高布谷鸟算法的收敛速度和收敛精度，从而提高对所述子路由路径进行规划的速度和精度。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种海上超视距微波无线传输系统和方法，旨在提高微波通信质量，具体技术方案如下：
在本发明实施例的第一方面，提供一种海上超视距微波无线传输系统，所述系统包括多个微波中继站，每个微波中继站均固定设置在海上，每个微波中继站中预设有路由路径，该路由路径用于串连所述多个微波中继站；每个微波中继站具有定向接收天线、定向发射天线以及全向天线，每个微波中继站的定向发射天线指向路由路径中的下一个微波中继站的定向接收天线；
任一微波中继站在通过全向天线接收到船只发送的心跳信号后，根据该心跳信号携带的船只标识，查询本地的船只列表中是否记录有相应的船只信息；如果船只列表中未记录相应的船只信息，则在船只列表中添加相应的船只信息，该船只信息包括以下内容：该心跳信号携带的船只标识、该心跳信号的信号强度、该心跳信号的接收时间、以及该微波中继站的站标识；根据所述路由路径，将新添加的船只信息发送给所述路由路径中的下一个微波中继站；
任一微波中继站在通过定向接收天线接收到所述路由路径中的上一个微波中继站发送的船只信息后，根据该船只信息中包含的船只标识，查询本地的船只列表中是否记录有相应的船只信息；如果船只列表中未记录相应的船只信息，则将接收到的船只信息添加至船只列表；
任一微波中继站在通过全向天线接收到船只发送的通信信号后，根据该通信信号携带的目标船只标识，在本地的船只列表中查询该目标船只标识对应的目标站标识；如果目标站标识不是自身的站标识，则选择相应的子路由路径，并将所述通信信号和选择的子路由路径信息，发送给该子路由路径中的下一个微波中继站；其中，所述目标船只标识是指需要接收该通信信号的船只标识；
任一微波中继站在通过定向接收天线接收到上一个微波中继站发送的通信信号后，根据该通信信号携带的目标船只标识，在本地的船只列表中查询该目标船只标识对应的目标站标识；如果目标站标识不是自身的站标识，则根据接收到的子路由路径信息，将所述通信信号发送给该子路由路径中的下一个微波中继站；如果目标站标识是自身的站标识，则通过全向天线广播该通信信号。
在本发明实施例的第二方面，提供一种海上超视距微波无线传输方法，所述方法应用于传输系统中的任一微波中继站；所述传输系统中包括多个微波中继站，每个微波中继站均固定设置在海上；每个微波中继站中预设有路由路径，该路由路径用于串连所述多个微波中继站；每个微波中继站具有定向接收天线、定向发射天线以及全向天线，每个微波中继站的定向发射天线指向路由路径中的下一个微波中继站的定向接收天线；所述方法包括：
在通过全向天线接收到船只发送的心跳信号后，根据该心跳信号携带的船只标识，查询本地的船只列表中是否记录有相应的船只信息；如果船只列表中未记录相应的船只信息，则在船只列表中添加相应的船只信息，该船只信息包括以下内容：该心跳信号携带的船只标识、该心跳信号的信号强度、该心跳信号的接收时间、以及该微波中继站的站标识；根据所述路由路径，将新添加的船只信息发送给所述路由路径中的下一个微波中继站；
在通过定向接收天线接收到所述路由路径中的上一个微波中继站发送的船只信息后，根据该船只信息中包含的船只标识，查询本地的船只列表中是否记录有相应的船只信息；如果船只列表中未记录相应的船只信息，则将接收到的船只信息添加至船只列表；
在通过全向天线接收到船只发送的通信信号后，根据该通信信号携带的目标船只标识，在本地的船只列表中查询该目标船只标识对应的目标站标识；如果目标站标识不是自身的站标识，则选择相应的子路由路径，并将所述通信信号和选择的子路由路径信息，发送给该子路由路径中的下一个微波中继站；其中，所述目标船只标识是指需要接收该通信信号的船只的船只标识；
在通过定向接收天线接收到上一个微波中继站发送的通信信号后，根据该通信信号携带的目标船只标识，在本地的船只列表中查询该目标船只标识对应的目标站标识；如果目标站标识不是自身的站标识，则根据接收到的子路由路径信息，将所述通信信号发送给该子路由路径中的下一个微波中继站；如果目标站标识是自身的站标识，则通过全向天线广播该通信信号。
本发明中，每个微波中继站中还存储了多个子路由路径，当微波中继站接收到船只发送的通信信号后，可以首先根据通信信号携带的目标船只标识，查询到目标站标识，然后再根据自身的站标识和目标站标识，从多个子路由路径中选取相应的子路由路径，然后使得通信信号沿选取的子路由路径进行传递；其中，微波中继站的子路由路径采用下列方式确定：
设ci表示系统中的第i个微波中继站，ci,g表示目标微波中继站，则采用下列方式确定从微波中继站ci到目标微波中继站ci,g相应的子路由路径，设L(ci,ci,g)表示从微波中继站ci到目标微波中继站ci,g的一条子路由路径，且L(ci,ci,g)＝{l(ci,ci,2),l(ci,2,ci,3),…,l(ci,n,ci,g)}，其中，ci,2表示子路由路径L(ci,ci,g)中的第2个微波中继站，ci,3表示子路由路径L(ci,ci,g)中的第3个微波中继站，ci,n表示子路由路径L(ci,ci,g)中的第n个微波中继站，l(ci,ci,2)表示微波中继站ci和微波中继站ci,2之间的单跳链路，l(ci,2,ci,3)表示微波中继站ci,2和微波中继站ci,3之间的单跳链路，l(ci,n,ci,g)表示微波中继站ci,n和目标微波中继站ci,g之间的单跳链路，采用布谷鸟算法确定从微波中继站ci到目标微波中继站ci,g的子路由路径，定义布谷鸟算法的适应度函数为：
式中，d(ci,ci,2)表示单跳链路l(ci,ci,2)的长度，ci,j表示子路由路径L(ci,ci,g)中的第j个微波中继站，ci,j+1表示子路由路径L(ci,ci,g)中的第(j+1)个微波中继站，l(ci,j,ci,j+1)表示微波中继站ci,j和微波中继站ci,j+1之间的单跳链路，d(ci,j,ci,j+1)表示单跳链路l(ci,j,ci,j+1)的长度，d(ci,n,ci,g)表示单跳链路l(ci,n,ci,g)的长度。
此外，所述布谷鸟算法通过莱维飞行模式进行更新，更新的公式为：
xi(t)＝Xi(t-1)+αi(t-1)·levy(λ)·(Xi(t-1)-Xbest(t-1))
其中，xi(t)表示种群中第i个鸟巢通过莱维飞行模式进行第t代更新后的鸟巢位置，Xi(t-1)表示种群中第i个鸟巢在第(t-1)代更新后的鸟巢位置，αi(t-1)表示通过莱维飞行模式对鸟巢位置Xi(t-1)进行更新时对应的步长因子，且αi(t-1)∈[αmin,αmax]，其中，amin和αmax分别表示给定的最小和最大步长因子，levy(λ)为一个服从莱维分布的随机数，Xbest(t-1)表示第(t-1)代更新后种群中的最优鸟巢位置。
对通过莱维飞行模式进行更新后的种群中的鸟巢位置进行随机游走更新，给定发现概率pa，设ri(t)表示鸟巢位置xi(t)对应的0到1之间的随机数，当ri(t)≤pa时，则不对鸟巢位置xi(t)进行随机游走更新，当ri(t)>pa时，则对鸟巢位置xi(t)进行随机游走更新，具体为：
(1)设fi(t)表示鸟巢位置xi(t)的适应度函数值，Fi(t-1)表示鸟巢位置Xi(t-1)的适应度函数值，当鸟巢位置xi(t)满足：fi(t)<Fi(t-1)时，则采用下列方式对鸟巢位置xi(t)进行随机游走更新：
式中，x'i(t)表示对鸟巢位置xi(t)进行随机游走更新后产生的新的鸟巢位置，r为一个0到1之间的随机数，设Lx(t)表示通过莱维飞行模式对种群进行第t代更新后的鸟巢位置组成的集合，则和分别为从集合Lx(t)中随机选取的两个鸟巢位置，且
(2)当鸟巢位置xi(t)满足：fi(t)≥Fi(t-1)时，则采用下列方式对鸟巢位置xi(t)进行随机游走更新：
其中，为随机从集合Lx(t)中选取的适应度函数值小于fi(t)的鸟巢位置，βi(t)表示鸟巢位置xi(t)在随机游走更新时对应的步长控制因子，且βi(t)的值采用下列方式获得：
设l(t-1)表示种群在第(t-1)代时的区域检测阈值，LX(t-1)表示种群在第(t-1)代更新后的鸟巢位置组成的集合，Xi,e(t-1)为集合LX(t-1)中距离鸟巢位置Xi(t-1)第e近的鸟巢位置，则l(t-1)的值可以取：其中，M表示种群中的鸟巢数，N为给定的正整数；设Ci(t)表示鸟巢位置xi(t)在进行随机游走更新时的待学习鸟巢位置组成的集合，xj(t)表示种群中第j个鸟巢通过莱维飞行模式进行第t代更新后的鸟巢位置，当鸟巢位置xj(t)满足：|Xj(t-1)-Xi(t-1)|≤l(t-1)且fj(t)<Fj(t-1)时，则将鸟巢位置xj(t)加入到集合Ci(t)中，其中，fj(t)表示鸟巢位置xj(t)的适应度函数值，Xj(t-1)表示种群中第j个鸟巢在第(t-1)代更新后的鸟巢位置，Fj(t-1)表示鸟巢位置Xj(t-1)的适应度函数值；设xk(t)表示种群中的第k个鸟巢通过莱维飞行模式进行第t代更新后的鸟巢位置，且xk(t)∈Ci(t)，Xk(t-1)表示种群中第k个鸟巢在第(t-1)代更新后的鸟巢位置，αk(t-1)表示通过莱维飞行模式对鸟巢位置Xk(t-1)进行更新时对应的步长因子，则βi(t)的值为：
其中，mi(t)表示集合Ci(t)中的待学习鸟巢数；
设Xi(t)表示种群中第i个鸟巢在第t代更新后的鸟巢位置，当未对鸟巢位置xi(t)进行随机游走更新时，则Xi(t)的取值方式为：
当对鸟巢位置xi(t)进行了随机游走更新时，则Xi(t)的取值方式为：
其中，f'i(t)表示鸟巢位置x'i(t)的适应度函数值。
本发明中，由于传输系统的多个微波中继站分散地布置在海上，因此船只的心跳信号可以被就近的微波中继站接收到，该微波中继站接收到船只的心跳信号后，在船只列表中添加或更新相应的船只信息，并将该船只信息发送给路由路径上的下一个微波中继站。如此，整个路由路径上的每个微波中继站(也即传输系统中的每个中继站)添加或更新了相应的船只信息。
此外，船只的通信信号也可以被就近的微波中继站接收到，该微波中继站接收到通信信号后，将通信信号发送给下一个微波中继站。如此，通过若干个微波中继站的传递，该通信信号可以被传递给目标船只。如此，使得超出视距范围的两个船只也能在海上进行高质量的微波通讯。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，以下描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1是本发明一实施例提出的海上超视距微波无线传输系统的示意图；
图2是本发明一实施例提出的海上超视距微波无线传输方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
微波无线传输技术在海上有着相当重要的作用，主要用于船只与船只之间的无线通讯，或者用于船只与岸上系统之间的无线通讯，还可以用于海上油气平台与岸上系统之间的无线通讯。以船只A向船只B发送微波信号为例，为了提高微波信号的强度，船只A可以通过微波定向发射技术向船只B发送微波信号，但前提是船只A需要提前确定船只B的方位。如果船只A与船只B的距离较远，船只A与船只B的距离超过视距范围，则船只A难以明确船只B的方位。如此，则船只A仅能通过微波全向发射技术，向四面八方广播微波信号，以期船只B能接收到该微波技术。但是由于船只A与船只B之间的距离较远，导致船只B收不到微波信号，或者收到很弱的微波信号，使得微波通信质量偏低。
有鉴于此，本发明通过以下实施例提出海上超视距微波无线传输系统和方法，旨在提高微波通信质量。
参考图1，图1是本发明一实施例提出的海上超视距微波无线传输系统的示意图。如图1所示，所述系统包括多个微波中继站，每个微波中继站均固定设置在海上。每个微波中继站中预设有路由路径，该路由路径用于串连所述多个微波中继站。图1中，12个微波中继站按照微波中继站a、b、c、d、e、f、g、h、i、j、k、l的顺序，依次串联，从而形成路由路径，这12个微波中继站中的每个微波中继站内均保存有该路由路径。此外，每个微波中继站具有定向接收天线、定向发射天线以及全向天线，每个微波中继站的定向发射天线指向路由路径中的下一个微波中继站的定向接收天线。图1中，微波中继站a的定向发射天线指向微波中继站b的定向接收天线，微波中继站b的定向发射天线指向微波中继站c的定向接收天线。为简化附图，图1中未示出微波中继站的各种天线。
图1中，任一微波中继站在通过全向天线接收到船只发送的心跳信号后，根据该心跳信号携带的船只标识，查询本地的船只列表中是否记录有相应的船只信息；如果船只列表中未记录相应的船只信息，则在船只列表中添加相应的船只信息，该船只信息包括以下内容：该心跳信号携带的船只标识、该心跳信号的信号强度、该心跳信号的接收时间、以及该微波中继站的站标识；根据所述路由路径，将新添加的船只信息发送给所述路由路径中的下一个微波中继站。
本发明中，船只可以周期性地通过其全向天线发出心跳信号，例如每10分钟发送一次心跳信号。当某一微波中继站接收到该心跳信号，且根据该心跳信号携带的船只标识，没有在本地的船只列表中查询到相应的船只信息，则说明该船只首次驶入传输系统。如此，微波中继站在本地的船只列表中添加相应的船只信息。
为便于理解，示例地，假设微波中继站d接收到一个心跳信号，该心跳信号携带的船只标识为B。又假设微波中继站d在其本地的船只列表中未查询到船只B的船只信息，则微波中继站d在其本地的船只列表中添加船只B的船只信息，该船只信息包括：船只标识B、该心跳信号的信号强度、该心跳信号的接收时间、以及微波中继站d的站标识d。
图1中，任一微波中继站在通过定向接收天线接收到所述路由路径中的上一个微波中继站发送的船只信息后，根据该船只信息中包含的船只标识，查询本地的船只列表中是否记录有相应的船只信息；如果船只列表中未记录相应的船只信息，则将接收到的船只信息添加至船只列表。
本发明中，由于传输系统的多个微波中继站分散地布置在海上，因此船只的心跳信号可以被就近的微波中继站接收到，该微波中继站接收到船只的心跳信号后，在船只列表中添加或更新相应的船只信息，并将该船只信息发送给路由路径上的下一个微波中继站。如此，整个路由路径上的每个微波中继站(也即传输系统中的每个中继站)添加或更新了相应的船只信息。例如船只B首次驶入传输系统，船只B的心跳信号被微波中继站d接收到，则微波中级站d在其本地的船只列表中添加相应的船只信息后，再将船只信息发送给微波中继站e，微波中继站e在其本地的船只列表中添加相应的船只信息后，再将船只信息发送给微波中继站f，依次类推，最终每个微波中继站均添加了相应的船只信息。
图1中，任一微波中继站在通过全向天线接收到船只发送的通信信号后，根据该通信信号携带的目标船只标识，在本地的船只列表中查询该目标船只标识对应的目标站标识；如果目标站标识不是自身的站标识，则选择相应的子路由路径，并将所述通信信号和选择的子路由路径信息，发送给该子路由路径中的下一个微波中继站；其中，所述目标船只标识是指需要接收该通信信号的船只的船只标识。
任一微波中继站在通过定向接收天线接收到上一个微波中继站发送的通信信号后，根据该通信信号携带的目标船只标识，在本地的船只列表中查询该目标船只标识对应的目标站标识；如果目标站标识不是自身的站标识，则根据接收到的子路由路径信息，将所述通信信号发送给该子路由路径中的下一个微波中继站；如果目标站标识是自身的站标识，则通过全向天线广播该通信信号。
本发明中，每个微波中继站中还存储了多个子路由路径，当微波中继站接收到船只发送的通信信号后，可以首先根据通信信号携带的目标船只标识，查询到目标站标识，然后再根据自身的站标识和目标站标识，从多个子路由路径中选取相应的子路由路径，然后使得通信信号沿最优的子路由路径进行传递。
本发明中，微波中继站的子路由路径采用下列方式确定：
设ci表示系统中的第i个微波中继站，ci,g表示目标微波中继站(所述目标微波中继站根据目标站标识确定)，则采用下列方式确定从微波中继站ci到目标微波中继站ci,g的子路由路径，设L(ci,ci,g)表示从微波中继站ci到目标微波中继站ci,g的一条子路由路径，且L(ci,ci,g)＝{l(ci,ci,2),l(ci,2,ci,3),…,l(ci,n,ci,g)}，其中，ci,2表示子路由路径L(ci,ci,g)中的第2个微波中继站，ci,3表示子路由路径L(ci,ci,g)中的第3个微波中继站，ci,n表示子路由路径L(ci,ci,g)中的第n个微波中继站，l(ci,ci,2)表示微波中继站ci和微波中继站ci,2之间的单跳链路，l(ci,2,ci,3)表示微波中继站ci,2和微波中继站ci,3之间的单跳链路，l(ci,n,ci,g)表示微波中继站ci,n和目标微波中继站ci,g之间的单跳链路，采用布谷鸟算法确定从微波中继站ci到目标微波中继站ci,g的子路由路径，定义布谷鸟算法的适应度函数为：
式中，d(ci,ci,2)表示单跳链路l(ci,ci,2)的长度，ci,j表示子路由路径L(ci,ci,g)中的第j个微波中继站，ci,j+1表示子路由路径L(ci,ci,g)中的第(j+1)个微波中继站，l(ci,j,ci,j+1)表示微波中继站ci,j和微波中继站ci,j+1之间的单跳链路，d(ci,j,ci,j+1)表示单跳链路l(ci,j,ci,j+1)的长度，d(ci,n,ci,g)表示单跳链路l(ci,n,ci,g)的长度。
本发明通过布谷鸟算法确定从所述起始微波中继站到目标微波中继站之间的最短路由路径，设置布谷鸟算法的适应度函数为微波中继站之间的路径长度，种群中鸟巢位置的适应度函数值越小，该鸟巢位置代表的解越优，使得选取的最优路由路径具有路径最短的优势，从而提高了信息传输的效率。
本发明中，所述布谷鸟算法通过莱维飞行模式进行更新，更新的公式为：
xi(t)＝Xi(t-1)+αi(t-1)·levy(λ)·(Xi(t-1)-Xbest(t-1))
其中，xi(t)表示种群中第i个鸟巢通过莱维飞行模式进行第t代更新后的鸟巢位置，Xi(t-1)表示种群中第i个鸟巢在第(t-1)代更新后的鸟巢位置，αi(t-1)表示通过莱维飞行模式对鸟巢位置Xi(t-1)进行更新时对应的步长因子，且αi(t-1)∈[αmin,αmax]，其中，αmin和αmax分别表示给定的最小和最大步长因子，αmin的值可以取0.1，αmax的值可以取1，levy(λ)为一个服从莱维分布的随机数，Xbest(t-1)表示第(t-1)代更新后种群中的最优鸟巢位置。
本发明中，对通过莱维飞行模式进行更新后的种群中的鸟巢位置进行随机游走更新，给定发现概率pa，设ri(t)表示鸟巢位置xi(t)对应的0到1之间的随机数，当ri(t)≤pa时，则不对鸟巢位置xi(t)进行随机游走更新，当ri(t)>pa时，则对鸟巢位置xi(t)进行随机游走更新，具体为：
(1)设fi(t)表示鸟巢位置xi(t)的适应度函数值，Fi(t-1)表示鸟巢位置Xi(t-1)的适应度函数值，当鸟巢位置xi(t)满足：fi(t)<Fi(t-1)时，则采用下列方式对鸟巢位置xi(t)进行随机游走更新：
式中，x'i(t)表示对鸟巢位置xi(t)进行随机游走更新后产生的新的鸟巢位置，r为一个0到1之间的随机数，设Lx(t)表示通过莱维飞行模式对种群进行第t代更新后的鸟巢位置组成的集合，则和分别为从集合Lx(t)中随机选取的两个鸟巢位置，且
(2)当鸟巢位置xi(t)满足：fi(t)≥Fi(t-1)时，则采用下列方式对鸟巢位置xi(t)进行随机游走更新：
其中，为随机从集合Lx(t)中选取的适应度函数值小于fi(t)的鸟巢位置，βi(t)表示鸟巢位置xi(t)在随机游走更新时对应的步长控制因子，且βi(t)的值采用下列方式获得：
设l(t-1)表示种群在第(t-1)代时的区域检测阈值，LX(t-1)表示种群在第(t-1)代更新后的鸟巢位置组成的集合，Xi,e(t-1)表示集合LX(t-1)中距离鸟巢位置Xi(t-1)第e近的鸟巢位置，则l(t-1)的值可以取：其中，M表示种群中的鸟巢数，N为给定的正整数，N的值可以取10；设ci(t)表示鸟巢位置xi(t)在进行随机游走更新时的待学习鸟巢位置组成的集合，xj(t)表示种群中第j个鸟巢通过莱维飞行模式进行第t代更新后的鸟巢位置，当鸟巢位置xj(t)满足：|Xj(t-1)-Xi(t-1)|≤l(t-1)且fj(t)<Fj(t-1)时，则将鸟巢位置xj(t)加入到集合Ci(t)中，其中，fj(t)表示鸟巢位置xj(t)的适应度函数值，Xj(t-1)表示种群中第j个鸟巢在第(t-1)代更新后的鸟巢位置，Fj(t-1)表示鸟巢位置Xj(t-1)的适应度函数值；设xk(t)表示种群中的第k个鸟巢通过莱维飞行模式进行第t代更新后的鸟巢位置，且xk(t)∈Ci(t)，Xk(t-1)表示种群中第k个鸟巢在第(t-1)代更新后的鸟巢位置，αk(t-1)表示通过莱维飞行模式对鸟巢位置Xk(t-1)进行更新时对应的步长因子，则βi(t)的值为：
其中，mi(t)表示集合Ci(t)中的待学习鸟巢数；
设Xi(t)表示种群中第i个鸟巢在第t代更新后的鸟巢位置，当未对鸟巢位置xi(t)进行随机游走更新时，则Xi(t)的取值方式为：
当对鸟巢位置xi(t)进行了随机游走更新时，则Xi(t)的取值方式为：
其中，f'i(t)表示鸟巢位置x'i(t)的适应度函数值。
本发明在通过莱维飞行模式对种群中鸟巢位置进行更新后，通过采用不同的方式对种群中的鸟巢位置进行随机游走更新，在保证布谷鸟算法在随机游走更新过程中增加多样性的同时，加强布谷鸟算法在随机游走更新过程中的局部搜索精度，从而提高了布谷鸟算法的收敛速度和收敛精度。在布谷鸟算法中，布谷鸟每一代都按莱维飞行模式进行更新，这种短距离的搜索和偶尔的长跳跃搜索相间的更新方式，让布谷鸟的寻巢路径从一个区域跳跃到另一个区域，这样有利于布谷鸟算法的全局搜索，因而布谷鸟算法的全局搜索能力很强，但由于布谷鸟算法在采用莱维飞行模式进行更新时表现出的很强的随机跳跃性，使得在每个鸟巢附近的局部区域搜索不够强，使得布谷鸟算法在优化后期收敛速度慢、收敛精度不够高。针对上述缺陷，本优选实施例在布谷鸟算法的随机游走更新过程中引入两种不同的更新方式，当通过莱维飞行模式对鸟巢位置进行更新后，该鸟巢位置代表的解得到了优化，此时采用第一种方式对该鸟巢位置进行随机游走更新，从而用于保证种群的多样性，避免算法陷入局部最优，当通过莱维飞行模式对鸟巢位置进行更新后，该鸟巢位置代表的解未得到优化，此时，采用第二种方式对该鸟巢位置进行随机游走更新，在第二种随机游走更新公式中引入了步长控制因子，所述步长控制因子用于控制布谷鸟在随机游走更新过程中搜索区域的大小，针对传统布谷鸟算法在采用莱维飞行模式和随机游走更新过程中表现出的较强的随机性造成的不利于局部搜索的缺陷，所述步长控制因子通过统计该鸟巢位置所处局部区域中利用莱维飞行模式进化成功的鸟巢的步长因子对所述鸟巢位置的随机游走更新进行指导，从而提高了鸟巢位置在随机游走更新过程中进行局部搜索的精度，进一步的提高了布谷鸟算法的收敛速度和收敛精度。
本发明中，如果目标船只标识对应的目标站标识，是微波中继站自身的站标识，则说明目标船只在该微波中继站的附近。如此，可以通过全向天线广播该通信信号，使得附近的目标船只接收到该通信信号。而如果目标船只标识对应的目标站标识，不是微波中继站自身的站标识，则说明目标船只不在该微波中继站的附近。如此，可以继续根据子路由路径，向下一个微波中继站发送该通信信号。
本发明中，通过若干个微波中继站的传递，该通信信号可以被传递给目标船只。如此，使得超出视距范围的两个船只也能在海上进行高质量的微波通讯。
可选地，在一些具体实施方式中，任一微波中继站在通过全向天线接收到船只发送的心跳信号后，根据该心跳信号携带的船只标识，查询本地的船只列表中是否记录有相应的船只信息；如果船只列表中记录有相应的船只信息，则更新相应的船只信息，更新后的船只信息包括以下内容：该心跳信号携带的船只标识、该心跳信号的信号强度、该心跳信号的接收时间、以及该微波中继站的站标识；将更新后的船只信息发送给所述路由路径中的下一个微波中继站。
需要说明的是，如果船只列表中记录有相应的船只信息，则说明该船只在之前已经驶入了传输系统，并且已经发出过心跳信号。如此，接收到心跳信号的微波中继站对相应船只信息进行更改。
为便于理解，示例地，假设微波中继站e接收到一个心跳信号，该心跳信号携带的船只标识为B。又假设微波中继站e在其本地的船只列表中查询到船只B的船只信息，该船只信息包括：船只标识B、信号强度、接收时间、以及微波中继站d的站标识d。则微波中继站e更新该船只信息，更新后的船只信息包括：船只标识B、微波中继站e接收到该心跳信号时的信号强度、微波中继站e接收到该心跳信号时的接收时间、以及微波中继站e的站标识e。
需要说明的是，本发明中，由于船只处于运动状态，因此船只需要周期性地发出心跳信号。船只附近的微波中继站接收到心跳信号后，对相应的船只信息进行更新，并将更新后的船只信息发送给下一个微波中继站。如此，所有微波中继站动态地更新了船只信息。
可选地，在一些具体实施方式中，任一微波中继站在通过定向接收天线接收到所述路由路径中的上一个微波中继站发送的船只信息后，根据该船只信息中包含的船只标识，查询本地的船只列表中是否记录有相应的船只信息；如果船只列表中已经记录有相应的船只信息，则判断新接收的船只信息中包含的接收时间与相应船只信息中包含的接收时间的时间差，是否大于船只的心跳周期；如果时间差大于船只的心跳周期，则利用新接收的船只信息替换相应船只信息；如果时间差不大于船只的心跳周期，则判断新接收的船只信息中包含的信号强度是否大于相应船只信息中包含的信号强度，若是，则利用新接收的船只信息替换相应船只信息，若否，则不替换相应船只信息。
需要说明的是，如果船只列表中已经记录有相应的船只信息，且上述时间差不大于船只的心跳周期，则说明船只发出的心跳信号同时被两个或多个微波中继站接收到，两个或多个微波中继站同时生成了两个或多个船只信息。如此当前微波中继站只保留信号强度最大的相应船只信息，也即是保留距离船只最近的微波中继站所生成的船只信息。
可选地，在一些具体实施方式中，任一微波中继站在通过定向接收天线接收到所述路由路径中的上一个微波中继站发送的船只信息后，根据该船只信息中包含的船只标识，查询本地的船只列表中是否记录有相应的船只信息；如果船只列表中已经记录有相应的船只信息，且接收的船只信息中包含的接收时间与相应船只信息中包含的接收时间一致，接收的船只信息中包含的船只标识与相应船只信息中包含的船只标识一致，则丢弃新接收的船只信息，并且不继续向下一个微波中继站发送该船只信息。
需要说明的是，如果船只列表中已经记录有相应的船只信息，且接收的船只信息中包含的接收时间与相应船只信息中包含的接收时间一致，接收的船只信息中包含的船只标识与相应船只信息中包含的船只标识一致，则说明该船只信息已经沿路由路径传递了一圈，因此为了避免该船只信息继续在路由路径中传递，微波中继站可以丢弃新接收的船只信息，并且不继续向下一个微波中继站发送该船只信息。
为便于理解，示例地，假设只B首次驶入传输系统，船只B的心跳信号被微波中继站d接收到，则微波中级站d在其本地的船只列表中添加相应的船只信息后，再将船只信息发送给微波中继站e，微波中继站e在其本地的船只列表中添加相应的船只信息后，再将船只信息发送给微波中继站f，依次类推，最终每个微波中继站均添加了相应的船只信息。而当微波中继站c再将船只信息发送给微波中继站d之后，微波中继站d通过执行上述判断，确定该船只信息已经沿路由路径传递了一圈，因此为了避免该船只信息继续在路由路径中传递，微波中继站d可以丢弃新接收的船只信息，并且不继续向微波中继站e发送该船只信息。
可选地，在一些具体实施方式中，任一微波中继站在通过定向接收天线接收到上一个微波中继站发送的通信信号后，判断该通信信号的信号强度；在信号强度低于预设强度的情况下，将该通信信号进行增强，再将增强后的通信信号发送给子路由路径中的下一个微波中继站。
本发明中，通过微波中继站对通信信号进行增强，从而提升信号强度，进而进一步提高微波通信质量。
基于同一发明构思，本发明还提出海上超视距微波无线传输方法，该方法应用于传输系统中的任一微波中继站；所述传输系统中包括多个微波中继站，每个微波中继站均固定设置在海上；每个微波中继站中预设有路由路径，该路由路径用于串连所述多个微波中继站；每个微波中继站具有定向接收天线、定向发射天线以及全向天线，每个微波中继站的定向发射天线指向路由路径中的下一个微波中继站的定向接收天线。
参考图2，图2是本发明一实施例提出的海上超视距微波无线传输方法的流程图。需要说明的是，图2所示的方法可与图1所示的系统相互参照。因此，以下结合图2，对所述方法进行简要介绍。
如图2所示，该海上超视距微波无线传输方法包括以下步骤：
步骤S21：在通过全向天线接收到船只发送的心跳信号后，根据该心跳信号携带的船只标识，查询本地的船只列表中是否记录有相应的船只信息；如果船只列表中未记录相应的船只信息，则在船只列表中添加相应的船只信息，该船只信息包括以下内容：该心跳信号携带的船只标识、该心跳信号的信号强度、该心跳信号的接收时间、以及该微波中继站的站标识；根据所述路由路径，将新添加的船只信息发送给所述路由路径中的下一个微波中继站。
步骤S22：在通过定向接收天线接收到所述路由路径中的上一个微波中继站发送的船只信息后，根据该船只信息中包含的船只标识，查询本地的船只列表中是否记录有相应的船只信息；如果船只列表中未记录相应的船只信息，则将接收到的船只信息添加至船只列表。
步骤S23：在通过全向天线接收到船只发送的通信信号后，根据该通信信号携带的目标船只标识，在本地的船只列表中查询该目标船只标识对应的目标站标识；如果目标站标识不是自身的站标识，则选择相应的子路由路径，并将所述通信信号和选择的子路由路径信息，发送给该子路由路径中的下一个微波中继站；其中，所述目标船只标识是指需要接收该通信信号的船只的船只标识。
步骤S24：在通过定向接收天线接收到上一个微波中继站发送的通信信号后，根据该通信信号携带的目标船只标识，在本地的船只列表中查询该目标船只标识对应的目标站标识；如果目标站标识不是自身的站标识，则根据接收到的子路由路径信息，将所述通信信号发送给该子路由路径中的下一个微波中继站；如果目标站标识是自身的站标识，则通过全向天线广播该通信信号。
可选地，在一些具体实施方式中，每个微波中继站中还存储了多个子路由路径，当微波中继站接收到船只发送的通信信号后，可以首先根据通信信号携带的目标船只标识，查询到目标站标识，然后再根据自身的站标识和目标站标识，从多个子路由路径中选取相应的子路由路径，然后使得通信信号沿最优的子路由路径进行传递。
其中，微波中继站的子路由路径采用下列方式确定：
设ci表示系统中的第i个微波中继站，ci,g表示目标微波中继站(所述目标微波中继站根据目标站标识确定)，则采用下列方式确定从微波中继站ci到目标微波中继站ci,g的子路由路径，设L(ci,ci,g)表示从微波中继站ci到目标微波中继站ci,g的一条子路由路径，且L(ci,ci,g)＝{l(ci,ci,2),l(ci,2,ci,3),…,l(ci,n,ci,g)}，其中，ci,2表示子路由路径L(ci,ci,g)中的第2个微波中继站，ci,3表示子路由路径L(ci,ci,g)中的第3个微波中继站，ci,n表示子路由路径L(ci,ci,g)中的第n个微波中继站，l(ci,ci,2)表示微波中继站ci和微波中继站ci,2之间的单跳链路，l(ci,2,ci,3)表示微波中继站ci,2和微波中继站ci,3之间的单跳链路，l(ci,n,ci,g)表示微波中继站ci,n和目标微波中继站ci,g之间的单跳链路，采用布谷鸟算法确定从微波中继站ci到目标微波中继站ci,g的子路由路径，定义布谷鸟算法的适应度函数为：
式中，d(ci,ci,2)表示单跳链路l(ci,ci,2)的长度，ci,j表示子路由路径L(ci,ci,g)中的第j个微波中继站，ci,j+1表示子路由路径L(ci,ci,g)中的第(j+1)个微波中继站，l(ci,j,ci,j+1)表示微波中继站ci,j和微波中继站ci,j+1之间的单跳链路，d(ci,j,ci,j+1)表示单跳链路l(ci,j,ci,j+1)的长度，d(ci,n,ci,g)表示单跳链路l(ci,n,ci,g)的长度。
本发明通过布谷鸟算法确定从所述起始微波中继站到目标微波中继站之间的最短路由路径，设置布谷鸟算法的适应度函数为微波中继站之间的路径长度，种群中鸟巢位置的适应度函数值越小，该鸟巢位置代表的解越优，使得选取的最优路由路径具有路径最短的优势，从而提高了信息传输的效率。
此外，所述布谷鸟算法通过莱维飞行模式进行更新，更新的公式为：
xi(t)＝Xi(t-1)+αi(t-1)·levy(λ)·(Xi(t-1)-Xbest(t-1))
其中，xi(t)表示种群中第i个鸟巢通过莱维飞行模式进行第t代更新后的鸟巢位置，Xi(t-1)表示种群中第i个鸟巢在第(t-1)代更新后的鸟巢位置，αi(t-1)表示通过莱维飞行模式对鸟巢位置Xi(t-1)进行更新时对应的步长因子，且αi(t-1)∈[αmin，αmax]，其中，αmin和αmax分别表示给定的最小和最大步长因子，αmin的值可以取0.1，αmax的值可以取1，levy(λ)为一个服从莱维分布的随机数，Xbest(t-1)表示第(t-1)代更新后种群中的最优鸟巢位置。
对通过莱维飞行模式进行更新后的种群中的鸟巢位置进行随机游走更新，给定发现概率pa，设ri(t)表示鸟巢位置xi(t)对应的0到1之间的随机数，当ri(t)≤pa时，则不对鸟巢位置xi(t)进行随机游走更新，当ri(t)＞pa时，则对鸟巢位置xi(t)进行随机游走更新，具体为：
(1)设fi(t)表示鸟巢位置xi(t)的适应度函数值，Fi(t-1)表示鸟巢位置Xi(t-1)的适应度函数值，当鸟巢位置xi(t)满足：fi(t)＜Fi(t-1)时，则采用下列方式对鸟巢位置xi(t)进行随机游走更新：
式中，x′i(t)表示对鸟巢位置xi(t)进行随机游走更新后产生的新的鸟巢位置，r为一个0到1之间的随机数，设Lx(t)表示通过莱维飞行模式对种群进行第t代更新后的鸟巢位置组成的集合，则和分别为从集合Lx(t)中随机选取的两个鸟巢位置，且
(2)当鸟巢位置xi(t)满足：fi(t)≥Fi(t-1)时，则采用下列方式对鸟巢位置xi(t)进行随机游走更新：
其中，为随机从集合Lx(t)中选取的适应度函数值小于fi(t)的鸟巢位置，βi(t)表示鸟巢位置xi(t)在随机游走更新时对应的步长控制因子，且βi(t)的值采用下列方式获得：
设l(t-1)表示种群在第(t-1)代时的区域检测阈值，LX(t-1)表示种群在第(t-1)代更新后的鸟巢位置组成的集合，Xi，e(t-1)表示集合LX(t-1)中距离鸟巢位置Xi(t-1)第e近的鸟巢位置，则l(t-1)的值可以取：其中，M表示种群中的鸟巢数，N为给定的正整数，N的值可以取10；设Ci(t)表示鸟巢位置xi(t)在进行随机游走更新时的待学习鸟巢位置组成的集合，xj(t)表示种群中第j个鸟巢通过莱维飞行模式进行第t代更新后的鸟巢位置，当鸟巢位置xj(t)满足：|Xj(t-1)-Xi(t-1)|≤l(t-1)且fj(t)＜Fj(t-1)时，则将鸟巢位置xj(t)加入到集合Ci(t)中，其中，fj(t)表示鸟巢位置xj(t)的适应度函数值，Xj(t-1)表示种群中第j个鸟巢在第(t-1)代更新后的鸟巢位置，Fj(t-1)表示鸟巢位置Xj(t-1)的适应度函数值；设xk(t)表示种群中的第k个鸟巢通过莱维飞行模式进行第t代更新后的鸟巢位置，且xk(t)∈Ci(t)，Xk(t-1)表示种群中第k个鸟巢在第(t-1)代更新后的鸟巢位置，αk(t-1)表示通过莱维飞行模式对鸟巢位置Xk(t-1)进行更新时对应的步长因子，则βi(t)的值为：
其中，mi(t)表示集合Ci(t)中的待学习鸟巢数；
设Xi(t)表示种群中第i个鸟巢在第t代更新后的鸟巢位置，当未对鸟巢位置xi(t)进行随机游走更新时，则Xi(t)的取值方式为：
当对鸟巢位置xi(t)进行了随机游走更新时，则Xi(t)的取值方式为：
其中，f'i(t)表示鸟巢位置x'i(t)的适应度函数值。
本发明在通过莱维飞行模式对种群中鸟巢位置进行更新后，通过采用不同的方式对种群中的鸟巢位置进行随机游走更新，在保证布谷鸟算法在随机游走更新过程中增加多样性的同时，加强布谷鸟算法在随机游走更新过程中的局部搜索精度，从而提高了布谷鸟算法的收敛速度和收敛精度。在布谷鸟算法中，布谷鸟每一代都按莱维飞行模式进行更新，这种短距离的搜索和偶尔的长跳跃搜索相间的更新方式，让布谷鸟的寻巢路径从一个区域跳跃到另一个区域，这样有利于布谷鸟算法的全局搜索，因而布谷鸟算法的全局搜索能力很强，但由于布谷鸟算法在采用莱维飞行模式进行更新时表现出的很强的随机跳跃性，使得在每个鸟巢附近的局部区域搜索不够强，使得布谷鸟算法在优化后期收敛速度慢、收敛精度不够高。针对上述缺陷，本优选实施例在布谷鸟算法的随机游走更新过程中引入两种不同的更新方式，当通过莱维飞行模式对鸟巢位置进行更新后，该鸟巢位置代表的解得到了优化，此时采用第一种方式对该鸟巢位置进行随机游走更新，从而用于保证种群的多样性，避免算法陷入局部最优，当通过莱维飞行模式对鸟巢位置进行更新后，该鸟巢位置代表的解未得到优化，此时，采用第二种方式对该鸟巢位置进行随机游走更新，在第二种随机游走更新公式中引入了步长控制因子，所述步长控制因子用于控制布谷鸟在随机游走更新过程中搜索区域的大小，针对传统布谷鸟算法在采用莱维飞行模式和随机游走更新过程中表现出的较强的随机性造成的不利于局部搜索的缺陷，所述步长控制因子通过统计该鸟巢位置所处局部区域中利用莱维飞行模式进化成功的鸟巢的步长因子对所述鸟巢位置的随机游走更新进行指导，从而提高了鸟巢位置在随机游走更新过程中进行局部搜索的精度，进一步的提高了布谷鸟算法的收敛速度和收敛精度。
可选地，在一些具体实施方式中，所述方法还包括以下步骤：在通过全向天线接收到船只发送的心跳信号后，且根据该心跳信号携带的船只标识，查询本地的船只列表中是否记录有相应的船只信息后；如果船只列表中记录有相应的船只信息，则更新相应的船只信息，更新后的船只信息包括以下内容：该心跳信号携带的船只标识、该心跳信号的信号强度、该心跳信号的接收时间、以及该微波中继站的站标识；将更新后的船只信息发送给所述路由路径中的下一个微波中继站。
可选地，在一些具体实施方式中，所述方法还包括以下步骤：在通过定向接收天线接收到所述路由路径中的上一个微波中继站发送的船只信息后，且根据该船只信息中包含的船只标识，查询本地的船只列表中是否记录有相应的船只信息后；如果船只列表中已经记录有相应的船只信息，则判断新接收的船只信息中包含的接收时间与相应船只信息中包含的接收时间的时间差，是否大于船只的心跳周期；如果时间差大于船只的心跳周期，则利用新接收的船只信息替换相应船只信息；如果时间差不大于船只的心跳周期，则判断新接收的船只信息中包含的信号强度是否大于相应船只信息中包含的信号强度，若是，则利用新接收的船只信息替换相应船只信息，若否，则不替换相应船只信息。
可选地，在一些具体实施方式中，所述方法还包括以下步骤：在通过定向接收天线接收到所述路由路径中的上一个微波中继站发送的船只信息后，且根据该船只信息中包含的船只标识，查询本地的船只列表中是否记录有相应的船只信息后；如果船只列表中已经记录有相应的船只信息，且接收的船只信息中包含的接收时间与相应船只信息中包含的接收时间一致，接收的船只信息中包含的船只标识与相应船只信息中包含的船只标识一致，则丢弃新接收的船只信息，并且不继续向下一个微波中继站发送该船只信息。
可选地，在一些具体实施方式中，所述方法还包括以下步骤：在通过定向接收天线接收到上一个微波中继站发送的通信信号后，判断该通信信号的信号强度；在信号强度低于预设强度的情况下，将该通信信号进行增强，再将增强后的通信信号发送给子路由路径中的下一个微波中继站。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
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