Природні алгоритми оптимізації в задачах синтезу вбудованих антен IoT-пристроїв (огляд)
DOI:
https://doi.org/10.20535/S0021347022030013Ключові слова:
природний синтез, IoT, багатодіапазонна антена, мікросмужкова антена, генетичний алгоритм, алгоритм бджолиного рою, світлячковий алгоритм, алгоритм імітації відпалуАнотація
Стаття надає огляд застосування природних алгоритмів оптимізації для синтезу вбудованих антен IoT (Internet of Things), що працюють в частотних діапазонах протоколів передачі даних GSM1800, GSM1900, UMTS, LTE2300, GSM+EGSM, Bluetooth, UNII-1 (5150–5250 MHz), UNII-2 (5250–5350 MHz), UNII-2 extended (5470–5725 MHz) та UNII-3 (5725–5825 MHz), WLAN 2,4–2,48 ГГц, WiMAX 3,2–3,6 ГГц, WLAN 3,6 ГГц. Огляд присвячений аналізу успішних стратегій синтезу антен вбудованих пристроїв. До такої стратегії відноситься принцип побудови геометрії антени, налаштування алгоритмів оптимізації, та побудова цільової функції. Для синтезу вбудованих антен IoT знайшли застосування генетичний алгоритм, алгоритм бджолиного рою, світлячковий алгоритм, і алгоритм імітації відпалу.
Посилання
Y. Rahmat-Samii, E. Michielssen, Electromagnetic Optimization by Genetic Algorithms. J. Wiley, 1999, uri: https://www.wiley.com/en-us/Electromagnetic+Optimization+by+Genetic+Algorithms-p-9780471295457.
J. M. Johnson, V. Rahmat-Samii, “Genetic algorithms in engineering electromagnetics,” IEEE Antennas Propag. Mag., vol. 39, no. 4, pp. 7–21, 1997, doi: https://doi.org/10.1109/74.632992.
A. Banks, J. Vincent, C. Anyakoha, “A review of particle swarm optimization. Part I: background and development,” Nat. Comput., vol. 6, no. 4, pp. 467–484, 2007, doi: https://doi.org/10.1007/s11047-007-9049-5.
A. Banks, J. Vincent, C. Anyakoha, “A review of particle swarm optimization. Part II: hybridisation, combinatorial, multicriteria and constrained optimization, and indicative applications,” Nat. Comput., vol. 7, no. 1, pp. 109–124, 2008, doi: https://doi.org/10.1007/s11047-007-9050-z.
Д. А. Василенко, С. Е. Мартынюк, “Оптимизация методом пчелиного роя профилированного щелевого излучателя широкополосной сканирующей Е-плоскостной решетки,” Известия вузов. Радиоэлектроника, vol. 58, no. 1, pp. 17–25, 2015, doi: https://doi.org/10.20535/S0021347015010021.
Ф. Ф. Дубровка, Д. А. Василенко, “Конструктивный синтез планарных антенн с помощью природных алгоритмов оптимизации,” Известия вузов. Радиоэлектроника, vol. 52, no. 4, pp. 3–22, 2009, doi: https://doi.org/10.20535/S0021347009040013.
O. A. Saraereh, A. A. Al Saraira, Q. H. Alsafasfeh, A. Arfoa, “Bio-inspired algorithms applied on microstrip patch antennas: a review,” Int. J. Commun. Antenna Propag., vol. 6, no. 6, p. 336, 2016, doi: https://doi.org/10.15866/irecap.v6i6.9737.
S. Y. Martynyuk, D. O. Vasylenko, F. F. Dubrovka, A. G. Laush, “A novel dual band microstrip antenna array for receiving of satellite navigational signals GPS/GLONASS/GALILEO,” in 2015 International Conference on Antenna Theory and Techniques (ICATT), 2015, pp. 1–5, doi: https://doi.org/10.1109/ICATT.2015.7136781.
S. K. Goudos, C. Kalialakis, R. Mittra, “Evolutionary algorithms applied to antennas and propagation: a review of state of the art,” Int. J. Antennas Propag., vol. 2016, pp. 1–12, 2016, doi: https://doi.org/10.1155/2016/1010459.
Y. Rahmat-Samii, J. M. Kovitz, H. Rajagopalan, “Nature-inspired optimization techniques in communication antenna designs,” Proc. IEEE, vol. 100, no. 7, pp. 2132–2144, 2012, doi: https://doi.org/10.1109/JPROC.2012.2188489.
D. O. Vasylenko, P. Edenhofer, F. F. Dubrovka, “Genetic algorithm based inversion of neural networks applied to optimised design of UWB planar antennas,” Electron. Lett., vol. 44, no. 3, p. 177, 2008, doi: https://doi.org/10.1049/el:20083395.
D. H. Wolpert, W. G. Macready, “No free lunch theorems for optimization,” IEEE Trans. Evol. Comput., vol. 1, no. 1, pp. 67–82, 1997, doi: https://doi.org/10.1109/4235.585893.
Y. C. Ho, D. L. Pepyne, “Simple explanation of the no-free-lunch theorem and its implications,” J. Optim. Theory Appl., vol. 115, no. 3, pp. 549–570, 2002, doi: https://doi.org/10.1023/A:1021251113462.
J. B. Odili, A. Noraziah, R. Ambar, M. H. A. Wahab, “A critical review of major nature-inspired optimization algorithms,” in The Eurasia Proceedings of Science, Technology, Engineering & Mathematics (EPSTEM), 2018, pp. 376–394, uri: https://www.semanticscholar.org/paper/A-Critical-Review-of-Major-Nature-Inspired-Odili-Noraziah.
J. H. Holland, Adaptation in Natural and Artificial Systems. Ann Arbor, MI: University of Michigan Press, 1975.
J. M. J. W. Jayasinghe, J. Anguera, D. N. Uduwawala, A. Andújar, “Nonuniform overlapping method in designing microstrip patch antennas using genetic algorithm optimization,” Int. J. Antennas Propag., vol. 2015, pp. 1–8, 2015, doi: https://doi.org/10.1155/2015/805820.
J. W. Jayasinghe, D. N. Uduwawala, “A novel miniature multi-frequency broadband patch antenna for WLAN applications,” in 2013 IEEE 8th International Conference on Industrial and Information Systems, 2013, pp. 361–363, doi: https://doi.org/10.1109/ICIInfS.2013.6732010.
L. Zhang, X. Wang, S. He, “Topology optimization of antenna for maximum bandwidth design,” in 2019 IEEE International Conference on Computational Electromagnetics (ICCEM), 2019, pp. 1–3, doi: https://doi.org/10.1109/COMPEM.2019.8779201.
R. O. Ouedraogo, J. Tang, K. Fuchi, E. J. Rothwell, A. R. Diaz, P. Chahal, “A tunable dual-band miniaturized monopole antenna for compact wireless devices,” IEEE Antennas Wirel. Propag. Lett., vol. 13, pp. 1247–1250, 2014, doi: https://doi.org/10.1109/LAWP.2014.2332752.
S. Arianos, J. L. A. Quijano, G. Dassano, F. Vipiana, M. Orefice, G. Vecchi, “Automated design and experimental validation of a reconfigurable, board-mounted compact antenna,” IEEE Antennas Wirel. Propag. Lett., vol. 16, pp. 589–592, 2017, doi: https://doi.org/10.1109/LAWP.2016.2591326.
J. L. Araque Quijano, G. Vecchi, “Optimization of a compact frequency- and environment-reconfigurable antenna,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 60, no. 6, pp. 2682–2689, 2012, doi: https://doi.org/10.1109/TAP.2012.2194634.
D. Lu, L. Wang, E. Yang, G. Wang, “Design of high-isolation wideband dual-polarized compact MIMO antennas with multiobjective optimization,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 66, no. 3, pp. 1522–1527, 2018, doi: https://doi.org/10.1109/TAP.2017.2784446.
D. Ding, G. Wang, L. Wang, “High‐efficiency scheme and optimisation technique for design of fragment‐type isolation structure between multiple‐input and multiple‐output antennas,” IET Microwaves, Antennas Propag., vol. 9, no. 9, pp. 933–939, 2015, doi: https://doi.org/10.1049/iet-map.2014.0742.
D. Masotti, A. Costanzo, M. Del Prete, V. Rizzoli, “Genetic‐based design of a tetra‐band high‐efficiency radio‐frequency energy harvesting system,” IET Microwaves, Antennas Propag., vol. 7, no. 15, pp. 1254–1263, 2013, doi: https://doi.org/10.1049/iet-map.2013.0056.
J. Kennedy, R. Eberhart, “Particle swarm optimization,” in Proceedings of ICNN’95 - International Conference on Neural Networks, 1995, vol. 4, pp. 1942–1948, doi: https://doi.org/10.1109/ICNN.1995.488968.
I. C. Trelea, “The particle swarm optimization algorithm: convergence analysis and parameter selection,” Inf. Process. Lett., vol. 85, no. 6, pp. 317–325, 2003, doi: https://doi.org/10.1016/S0020-0190(02)00447-7.
С. Е. Мартынюк, Д. А. Василенко, Ф. Ф. Дубровка, А. Г. Лауш, “Микрополосковая антенная решетка для помехоустойчивых спутниковых навигационных систем,” Известия вузов. Радиоэлектроника, vol. 58, no. 3, pp. 3–15, 2015, doi: https://doi.org/10.20535/S0021347015030012.
Z. Bangda, G. Junping, J. Ronghong, L. Xianling, Y. Sheng, “The optimal design of patch antennas with smooth border,” in 2010 International Workshop on Antenna Technology (iWAT), 2010, pp. 1–4, doi: https://doi.org/10.1109/IWAT.2010.5464863.
M.-C. Chang, W.-C. Weng, “A broadband circularly polarized polygon slot antenna design by particle swarm optimization,” in 2016 IEEE 5th Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation (APCAP), 2016, pp. 91–92, doi: https://doi.org/10.1109/APCAP.2016.7843114.
N. T. Hung, H. Morishita, K. Izui, S. Nishiwaki, Y. Koyanagi, “Dimension optimization on mutual coupling reduction between two L-shaped folded monopole antennas for handset using PSO,” in 2012 6th European Conference on Antennas and Propagation (EUCAP), 2012, pp. 1925–1928, doi: https://doi.org/10.1109/EuCAP.2012.6206171.
T. H. Nguyen, H. Morishita, Y. Koyanagi, K. Izui, S. Nishiwaki, “A multi-level optimization method using PSO for the optimal design of an L-shaped folded monopole antenna array,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 62, no. 1, pp. 206–215, 2014, doi: https://doi.org/10.1109/TAP.2013.2288785.
G. Venter, J. Sobieszczanski-Sobieski, “Particle swarm optimization,” AIAA J., vol. 41, no. 8, pp. 1583–1589, 2003, doi: https://doi.org/10.2514/2.2111.
C. Lin, F.-S. Zhang, K. Dong, Y.-C. Jiao, “Design of a modified monopole antenna using PSO based on FEKO for wireless communications,” in 2010 International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology, 2010, pp. 1070–1073, doi: https://doi.org/10.1109/ICMMT.2010.5525107.
Z. Li, K. Gong, “Design of a printed monopole antenna for dualband WLAN application using PSO,” in 2006 7th International Symposium on Antennas, Propagation & EM Theory, 2006, pp. 1–4, doi: https://doi.org/10.1109/ISAPE.2006.353472.
P. K. Vishnukanth, S. Raghavan, “Design of an optimal G-shaped monopole antenna using particle swarm optimization,” in 2008 38th European Microwave Conference, 2008, pp. 389–392, doi: https://doi.org/10.1109/EUMC.2008.4751470.
Z. Ma, V. Volski, G. A. E. Vandenbosch, “Optimal design of a highly compact low-cost and strongly coupled 4 element array for WLAN,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 59, no. 3, pp. 1061–1065, 2011, doi: https://doi.org/10.1109/TAP.2010.2103029.
A. A. Minasian, T. S. Bird, “Particle swarm optimization of microstrip antennas for wireless communication systems,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 61, no. 12, pp. 6214–6217, 2013, doi: https://doi.org/10.1109/TAP.2013.2281517.
A. A. Minasian, T. S. Bird, J. Atai, “Particle swarm antennas for wireless communication systems,” in Proceedings of the 5th European Conference on Antennas and Propagation (EUCAP), 2011, uri: https://ieeexplore.ieee.org/document/5782573.
X.-S. Yang, Nature-Inspired Metaheuristic Algorithms, 2nd ed. Luniver Press, 2010, uri: https://www.researchgate.net/publication/235979455_Nature-Inspired_Metaheuristic_Algorithms.
Y. Mo, Y. Ma, Q. Zheng, “Optimal choice of parameters for firefly algorithm,” in 2013 Fourth International Conference on Digital Manufacturing & Automation, 2013, pp. 887–892, doi: https://doi.org/10.1109/ICDMA.2013.210.
A. Chatterjee, G. K. Mahanti, A. Chatterjee, “Design of a fully digital controlled reconfigurable switched beam concentric ring array antenna using firefly and particle swarm optimization algorithm,” Prog. Electromagn. Res. B, vol. 36, pp. 113–131, 2012, doi: https://doi.org/10.2528/PIERB11083005.
E. Yoshimoto, M. V. T. Heckler, “Optimization of planar antenna arrays using the firefly algorithm,” J. Microwaves, Optoelectron. Electromagn. Appl., vol. 18, no. 1, pp. 126–140, 2019, doi: https://doi.org/10.1590/2179-10742019v18i11646.
A. B. Sahoo, S. K. Jha, M. R. Jena, S. K. Mohanty, “Optimization of circular patch antenna at 5GHz using firefly algorithm,” in 2015 Fifth International Conference on Communication Systems and Network Technologies, 2015, pp. 64–67, doi: https://doi.org/10.1109/CSNT.2015.79.
M. Pincus, “Letter to the editor—a Monte Carlo method for the approximate solution of certain types of constrained optimization problems,” Oper. Res., vol. 18, no. 6, pp. 1225–1228, 1970, doi: https://doi.org/10.1287/opre.18.6.1225.
S. S. Rao, Engineering Optimization Theory and Practice. Wiley, 2019, doi: https://doi.org/10.1002/9781119454816.
J. Martinez-Fernandez, J. M. Gil, J. Zapata, “Ultrawideband optimized profile monopole antenna by means of simulated annealing algorithm and the finite element method,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 55, no. 6, pp. 1826–1832, 2007, doi: https://doi.org/10.1109/TAP.2007.898593.
L. Guo, Z. Yao, “A dual-layer microstrip patch antenna with stub designed by simulated annealing algorithm for circular polarization,” Prog. Electromagn. Res. M, vol. 85, pp. 155–164, 2019, doi: https://doi.org/10.2528/PIERM19071805.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2022 Вісті вищих учбових закладів. РадіоелектронікаИздатель журнала Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника (сокр. "Известия вузов. Радиоэлектроника"), Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", учитывает, что доступ автора к его статье является важным как для самого автора, так и для спонсоров его исследований. Мы представлены в базе издателей SHERPA/RoMEO как зеленый издатель (green publisher), что позволяет автору выполнять самоархивирование своей статьи. Однако важно, чтобы каждая из сторон четко понимала свои права. Просьба более детально ознакомиться с Политикой самоархивирования нашего журнала.
Политика оплаченного открытого доступа POA (paid open access), принятая в журнале, позволяет автору выполнить все необходимые требования по открытому доступу к своей статье, которые выдвигаются институтом, правительством или фондом при выделении финансирования. Просьба более детально ознакомиться с политикой оплаченного открытого доступа нашего журнала (см. отдельно).
Варианты доступа к статье:
1. Статья в открытом доступе POA (paid open access)
В этом случае права автора определяются лицензией CC BY (Creative Commons Attribution).
2. Статья с последующим доступом по подписке
В этом случае права автора определяются авторским договором, приведенным далее.
- Автор (каждый соавтор) уступает Издателю журнала «Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника» НТУУ «КПИ» на срок действия авторского права эксклюзивные права на материалы статьи, в том числе право на публикацию данной статьи издательством Аллертон Пресс, США (Allerton Press) на английском языке в журнале «Radioelectronics and Communications Systems». Передача авторского права охватывает исключительное право на воспроизведение и распространение статьи, включая оттиски, переводы, фото воспроизведения, микроформы, электронные формы (он- и оффлайн), или любые иные подобные формы воспроизведения, а также право издателя на сублицензирование третьим лицам по своему усмотрению без дополнительных консультаций с автором. При этом журнал придерживается Политики конфиденциальности.
- Передача прав включает право на обработку формы представления материалов с помощью компьютерных программам и систем (баз данных) для их использования и воспроизводства, публикации и распространения в электронном формате и внедрения в системы поиска (базы данных).
- Воспроизведение, размещение, передача или иное распространение или использование материалов, содержащихся в статье должно сопровождаться ссылкой на Журнал и упоминанием Издателя, а именно: название статьи, имя автора (соавторов), название журнала, номер тома, номер выпуска, копирайт авторов и издателя "© Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт"; © автор(ы)".
- Автор (каждый соавтор) материалов сохраняет все права собственника материалов, включая патентные права на любые процессы, способы или методы и др., а также права на товарные знаки.
- Издатель разрешает автору (каждому соавтору) материалов следующее:
- Право пользоваться печатными или электронными вариантами материалов статьи в форме и содержании, принятыми Издателем для публикации в Журнале. Подробнее см. политики Оплаченного открытого доступа, подписки и самоархивирования.
- Право бесплатно копировать или передавать коллегам копию напечатанной статьи целиком или частично для их личного или профессионального использования, для продвижения академических или научных исследований или для учебного процесса или других информационных целей, не связанных с коммерческими целями.
- Право использовать материалы из опубликованной статьи в написанной автором (соавторами) книге, монографии, учебнике, учебном пособии и других научных и научно-популярных изданиях.
- Право использовать отдельные рисунки или таблицы и отрывки текста из материалов в собственных целях обучения или для включения их в другую работу, которая печатается (в печатном или электронном формате) третьей стороной, или для представления в электронном формате во внутренние компьютерные сети или на внешние сайты автора (соавторов).
- Автор (соавторы) соглашаются, что каждая копия материалов или любая ее часть, распространенная или размещенная ими в печатном или электронном формате, будет содержать указание на авторское право, предусмотренное в Журнале и полную ссылку на Журнал Издателя.
- Автор (соавторы) гарантирует, что материалы являются оригинальной работой и представлены впервые на рассмотрение только в этом Журнале и ранее не публиковались. Если материалы написаны совместно с соавторами, автор гарантирует, что проинформировал их относительно условий публикации материалов и получил их подписи или письменное разрешение подписываться от их имени.
- Если в материалы включаются отрывки из работ или имеются указания на работы, которые охраняются авторским правом и принадлежат третьей стороне, то автору необходимо получить разрешение владельца авторских прав на использование таких материалов в первом случае и сделать ссылку на первоисточник во втором.
- Автор гарантирует, что материалы не содержат клеветнических высказываний и не посягают на права (включая без ограничений авторское право, права на патент или торговую марку) других лиц и не содержат материалы или инструкции, которые могут причинить вред или ущерб третьим лицам. Автор (каждый соавтор) гарантирует, что их публикация не приведет к разглашению секретных или конфиденциальных сведений (включая государственную тайну). Подтверждением этого является Экспертное заключение (см. перечень документов в Правила для авторов).
- Издатель обязуется опубликовать материалы в случае получения статьей положительного решения редколлегии о публикации на основании внешнего рецензирования (см. Политика рецензирования).
- В случае публикации статьи на английском языке в журнале «Radioelectronics and Communications Systems» (Издатель: Аллертон Пресс, США, распространитель Springer) автору (соавторам) выплачивается гонорар после выхода последнего номера журнала года, в котором опубликована данная статья.
- Документ Согласие на публикацию, который подают русскоязычные авторы при подаче статьи в редакцию, является краткой формой данного договора, в котором изложены все ключевые моменты настоящего договора и наличие которого подтверждает согласие автора (соавторов) с ним. Аналогичным документом для англоязычных авторов является Copyright Transfer Agreement (CTA), предоставляемый издательством Allerton Press.
- Настоящий Договор вступает в силу в момент принятия статьи к публикации. Если материалы не принимаются к публикации или до публикации в журнале автор (авторы) отозвал работу, настоящий Договор не приобретает (теряет) силу.
