本发明涉及部署规划，具体涉及一种船载网络无线访问接入点(ap，access point)部署规划方法。
背景技术：
1、船舶网络系统经历了从模拟信号传输、数字信号传输、分布式控制再到总线控制的发展。但是随着船舶自动化的大力发展，无线传感器的大量应用，都需要重新考虑船舶上的网络系统。随着无线网络技术的飞速发展，无线网络从带宽、传输速率、可靠性、成本和安装维护便捷性等方面均有大幅度提升，已有取代有线网络成为主流网络系统之势。随着物联网技术的不断发展，船舱内无线网络将是主要的通信方式。
2、在船舱内使用无线网络系统不仅可以省去布置线缆的麻烦，又可以大大降低舱内网络系统的造价，其造价仅为有线网络系统的十分之一。无线局域网(wireless localarea network,wlan)是无线通信技术的重要代表之一。无线局域网经历了多次标准的升级与更新，成为了众多网络接入技术中应用最广泛、效能最优的一种。从后期成本来看，使用无线网络系统更方便对设备进行维护和更换。在对老旧船舶的网络进行升级改造时，使用无线网络可以解决开孔和布线的难题，在降低船舶的建造费用和缩短建造周期方面具有极大优势。对于军事舰艇来说，无线网络设备具有搭建灵活不容易被破坏的特点，是作为备份网络系统的最佳选择。在复杂船舶结构和环境下，设计稳定可靠的无线网络系统，并尽可能做到全船覆盖，是船舶无线网络研究的重点。
3、然后，船舶无线网络系统以及种种无线接入设备的广泛应用导致频谱资源日益稀缺，与此同时，无线信道受到的电磁干扰问题也无法忽视。而另一方面随着游戏、视频通话和短视频等网络业务的迅速发展，船舱无线网络的通信性能质量也备受关注，如何优化舱室内无线网络覆盖范围和性能成为了重中之重。在军事船舶中，无线接入设备具有搭建灵活且不能被破坏的重要需求，其通信质量尤为重要，所以在进行船舶无线网络规划时，必须尽量设计稳定高质量可靠并且全船覆盖的无线网络系统。军事船舶内部空间结构复杂、密闭性较强。舱室内部存在多种多样的障碍物以及舱壁的阻挡，会对无线信号造成不同程度的衰减。同时舱室中封闭或者半封闭的狭小空间会造成反射、透射和散射现象，因此在对舱室进行部署规划研究时，必须考虑非视距传输和多径效应造成的影响。
4、但是对无线网络的性能指标进行实地测量，不仅需要大量的财力和人力资源，还费时费力。而使用软件对无线网络进行仿真实验，即方便可靠，又经济高效，不仅可以预测无线信道的传播特性，还可以提前对无线网络进行规划。目前国内外使用元启发式优化算法对无线网络部署规划展开了大量研究。
5、在对无线网络的覆盖优化研究方面，zheng等人基于遗传算法设计了一种部署优化算法，在网络性能满足室内定位需求的同时尽可能部署较少数量的ap(参见zheng y,liuj,sheng m,et al.toward practical access point deployment for angle-of-arrivalbased localization[j].ieee transactions on communications,2020,69(3):2002-2014.)。但是由于在信号模型的选择上选用了统计性模型，导致信号损耗预测与实际有一定偏差。yang等人设计了一种细粒度ap部署策略(参见yang y,zhou a,ma h.fineap:fine-grained access point deployment strategy for 60ghz millimeter-wave wirelessnetworks[j].ieee communications letters,2022,27(1):381-385.)，该策略首先在二维场景下使用射线追踪来确定环境中各个位置的信号分布，然后使用基于信号强度最大化原理的混合果蝇算法来确定ap部署位置。该方法的缺点在于只考虑了二维建模。
6、现有工作主要聚焦于二维环境下的wlan部署规划研究，信号模型也多选用统计性模型进行损耗预测，进而导致信号预测精准度较低，预测结果与实际有偏差。但也有少部分论文对三维环境下的wlan部署规划进行了研究，例如mustapha等人通过实际测量wlan信号强度的方式，以暴力组合的形式得到所有部署方案的近似信号强度，从中选择最优部署方案(参见mustapha w n f w,aziz m a a,masrie m,et al.wlan approximated strengthmeasurement method with brute force algorithm for a minimum number of ap andmaximum wlan coverage[c]//2020ieee 10th symposium on computer applications&industrial electronics(iscaie).ieee,2020:180-185.)。但实际测量的方式耗费大量人力以及金钱，只适用于部署范围较小、部署方案选择较少的情况，不适用大规模场景。shareef等人使用基于三维射线追踪模型的仿真软件计算出备选部署方案的接收点处的信号强度，选出其中最优方案作为部署结果，但是该算法并没有全面考虑所有情况，只能判断出特定方案中的较好方案(参见shareef o a,abdulwahid m m,mosleh m f,et al.theoptimum location for access point deployment based on rss for indoorcommunication[j].international journal of simulation,2019,20(s1):2.1-2.6.)。chen等人采用金豺优化算法，在保证三维环境全局有效覆盖的前提下，联合优化每个接入点的位置和发射功率，最大限度地减少所有ap的总体发射功率(参见chen l,xu f,jin k,et al.energy-saving access point configurations in wlans:a swarmintelligentapproach[j].the journal of supercomputing,2023,79(17):19332-19364.)。du等人考虑了三维环境，引入射线追踪算法计算信号传输损耗，并提出了一种遗传算法来优化网络的信号强度(参见du j,xiong w,wang j,et al.a heuristic ap deployment approachfor industrial wireless networks[c]//2021china automation congress(cac).ieee,2021:8035-8040.)。但是chen和du的方案没有考虑到非均匀部署的必要性，用户需求的差异会导致冗余接入点的部署。liu等人虑了真实三维环境，还充分考虑了差异化的覆盖需求(参见liu p,hu q,jin k,et al.toward the energy-saving optimization of wlandeployment in real 3-d environment:a hybrid swarmintelligent method[j].ieeesystems journal,2021,16(2):2425-2436.)，采用果蝇算法和粒子群算法结合的群体智能算法联合优化每个ap的传输功率和位置，在保证有效覆盖的同时，最小化总ap传输功率。但是这些方法没有考虑实际的用户性能需求，难以满足用户对网络性能的期望，因此还有很大的改进空间。
技术实现思路
1、有鉴于此，本发明提供了一种船载网络无线访问接入点部署规划方法，能够利用接入点受到的吸引力和排斥力构造移动距离，对接入点位置进行优化，得到最终的接入点部署方案，提升了船载网络的整体性能，解决当前部署规划方法无法满足用户性能需求的问题。
2、为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的。
3、本发明提供了一种船载网络无线访问接入点部署规划方法，通过对接入点ap构成的候选解进行迭代优化实现。其特点是，在迭代优化时，根据接入点ap与热点区域的吸引力以及接入点ap之间的排斥力，构造移动距离，对接入点进行移动；利用c度覆盖率和平均信号强度组成优化目标，筛选最佳候选解；如此循环，完成接入点部署。
4、该船载网络无线访问接入点部署规划方法的具体实现步骤包括：
5、步骤s1：对第一候选解集合中每个候选解的接入点ap，进行随机移动，获得第二候选解集合；候选解集合中包括多个候选解，每个候选解包括多个接入点ap；
6、步骤s2：针对第二候选解集合，预测候选解中接入点ap在接收点的信号强度；
7、步骤s3：根据候选解中接入点ap的位置关系和所述信号强度，计算接入点ap与热点区域的吸引力，以及接入点ap之间的排斥力；
8、步骤s4：将接入点ap受到的排斥力和吸引力的合力分解为平面坐标系下的xy轴分量，根据所述xy轴分量确定接入点ap的移动距离，并施加到第二候选解集合上，获得第三候选解集合；
9、步骤s5：针对第三候选解集合，计算每个候选解的目标值，所述目标值由c度覆盖率和平均信号强度组成；筛选出目标值最大且大于上一轮最大目标值的候选解，作为最佳候选解；
10、步骤s6：将本轮的最佳候选解作为下一轮迭代的候选解初始位置，采用步骤s1-s5的方式进行迭代，获得下一个最佳候选者，如此循环，完成接入点部署。
11、其中，步骤s1中，所述对第一候选解集合中每个候选解的接入点ap，进行随机移动，获得第二候选解集合为：
12、在预设最大移动距离dmax的限制下，为接入点ap当前位置中的x分量和y分量随机确定移动距离，叠加在当前位置上，获得新的接入点ap位置，组成第二候选解集合。
13、步骤s2中，所述预测候选解中接入点ap处的信号强度为：采用基于sbr/im的射线追踪算法预测接收点处的信号强度。
14、步骤s3中，所述吸引力和所述排斥力的计算方式为：
15、设接入点apq在接收点h处受到的吸引力为：
16、
17、其中，apq定义为对各接入点ap在接收点h处的信号强度进行排序后对应的第q个接入点；k1为吸引力系数，用于调整吸引力的强度；为接入点apq在接收点h处的信号强度；rth为设定的接收灵敏度；表示接入点apq与接收点h之间的距离；表示接入点apq与接收点h之间作用力的方向；当小于设定的接收灵敏度rth时，产生将接入点apq拉向接收点h的吸引力；
18、设接入点api与apj之间的排斥力为：
19、
20、其中，r表示为排斥力系数；dth表示为距离阈值；dij表示接入点api与apj之间的欧氏距离；αij表示由接入点api指向apj的方向，αij+π代表排斥力的方向；当两个接入点ap之间的距离小于距离阈值dth时，产生排斥力。
21、步骤s4中，所述将接入点ap受到的排斥力和吸引力的合力分解为平面坐标系下的xy轴分量为：
22、针对第二候选解集合中的每个接入点ap，用apq表示，将接入点apq受到的所有吸引力和排斥力分别投影到平面坐标系的x轴和y轴，计算合力在两个方向上的大小：
23、
24、其中，fq_x和fq_y分别为接入点apq在x轴和y轴受到的合力的大小；和分别代表接收点k对接入点apq的吸引力分解到x轴和y轴的大小；fqj_x和fqj_y分别代表接入点apj对apq的排斥力分解到x轴和y轴的大小，且为负数。
25、优选地，构造移动距离，对接入点进行移动为：
26、设接入点ap受到的排斥力和吸引力的合力分解后的x轴分量为fq_x，y轴分量为fq_y，则构造指数函数表示的移动距离δx和δy为：
27、
28、其中，fq为fq_x和fq_y的合力，dmax为设定的最大移动距离；
29、利用移动距离δx和δy对接入点进行移动。
30、优选地，该方法进一步包括：在将根据吸引力和排斥力构造的移动距离施加到接入点之前，判断排斥力和吸引力的合力的xy轴分量是否大于设定的限制移动阈值fth时，如果是则采用移动距离更新接入点ap的位置；否则保持接入点ap位置不变。
31、本发明用于迭代优化的优化目标利用c度覆盖率和平均信号强度组成：
32、
33、其中，st为候选解的优化目标值，f(c)为整个接收区域的c度覆盖率，为归一化后的平均信号强度；α和β为重要性权值；
34、
35、其中，m和n分别是接收区域内接收点网格的最大行数和列数；f(c,i,j)表示接收点坐标为(i,j)处是否满足c度覆盖，如果接收点(i,j)能够从至少c个不同的接入点ap处接收到信号强度高于设定接收灵敏度rmin的信号，则判定满足c度覆盖，f(c,i,j)＝1，否则f(c,i,j)＝0；
36、
37、其中，rij为(i,j)处归一化前的信号强度值；rmax代表rssi矩阵中绝对值的最大值；rij′为归一化后的信号强度值。
38、优选地，接收灵敏度rmin的获取方式为：根据接入点ap所在接入区域的调制与编码策略(mcs)索引，通过查询预先配置的mcs索引与接收灵敏度rmin的对应关系来获取。
39、在步骤s6中获得最优解后，进一步对最优解对应的接入点ap布局进行冗余检测和优化，具体为：
40、计算各个接入点的信号强度均值，并按照均值大小将接入点进行升序排序；然后从信号覆盖范围较差的接入点apx出发，依次计算与其他接入点的皮尔逊相关系数向量；若相似度高于设定值，则进一步检验删除该接入点apx后的网络性能是否受到影响，若影响度低于设定值，则确认有冗余部署的发生，才能将该接入点apx删除。
41、本发明利用接入点受到的吸引力和排斥力构造移动距离，对接入点位置进行优化，得到最终的接入点部署方案。对于吸引力，随着信号强度的减小以及距离的增加，吸引力的大小会逐渐增大，以增强该位置的信号强度，满足c度覆盖的要求，使得接入点位置向优选方向的优化；但如果只考虑由热点位置对ap产生的吸引力，可能会导致多个ap距离过度接近。这不仅会导致严重的信号干扰，还可能影响其他位置的覆盖。因此，本发明进一步引入ap之间的排斥力。吸引力和排斥力组成合力，以确定接入点向优选位置的移动距离。采用该方案能够提升热点区域的网络性能，解决当前部署规划方法无法满足用户性能需求的问题，解决当前部署规划方法无法满足用户性能需求的问题。通过在多个算法的对比测试，结果表明，本发明方案整体性能优异。
42、本发明根据mcs索引灵活设置不同区域接收机的接收灵敏度。通过比较两个ap节点的信号强度矩阵的皮尔逊相关系数矩阵，判断是否发生节点冗余，能够有效检测出冗余节点，并通过去除该节点后的系统性能变化确认是否去除，从而在满足覆盖需求的同时降低部署成本。提出了一种c度覆盖率的覆盖衡量方式，该方式能够确保无线网络中的每个位置都能从至少c个接入点接收到足够强的信号，从而提高网络的冗余性和可靠性，显著提升网络性能和用户体验。
43、本发明设计了指数形式的移动距离表达式。本发明移动距离与力的大小成正比，但是直接使用合力的大小可能会导致过大的移动，从而影响算法的稳定性。因此，本发明人引入指数函数避免该现象，并设置限制移动的阈值fth，只有当分量大小大于阈值时，才会对ap的位置产生作用，从而保证移动距离的合理性，避免移动导致的ap位置变劣。
1.一种船载网络无线访问接入点部署规划方法，由接入点ap构成候选解，对候选解进行迭代优化；其特征在于：
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述吸引力和所述排斥力的计算方式为：
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述构造移动距离，对接入点进行移动为：
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：在将根据吸引力和排斥力构造的移动距离施加到接入点之前，判断排斥力和吸引力的合力的xy轴分量是否大于设定的限制移动阈值fth时，如果是则采用移动距离更新接入点ap的位置；否则保持接入点ap位置不变。
5.如权利要求1-4任意一项所述的方法，其特征在于，根据吸引力和排斥力对候选解的接入点进行移动之前，还进行一次随机移动。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用c度覆盖率和平均信号强度组成优化目标为：
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述接收灵敏度rmin的获取方式为：
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述筛选最佳候选解的方式为：筛选出优化目标值本轮最大且大于上一轮最大优化目标值的候选解，作为最佳候选解，并作为下一轮迭代的候选解初始位置，循环迭代。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，接入点信号强度的获取方式为：采用基于sbr/im的射线追踪算法预测接收点处的信号强度。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在迭代优化完成后，进一步对迭代优化结果对应的接入点ap布局进行冗余检测和优化，具体为：
