基于中繼的礦井無線通信系統(tǒng)功率分配算法

朱飛燕

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089)

礦井無線通信系統(tǒng)在煤礦作業(yè)中發(fā)揮著重要的作用，廣泛應(yīng)用于煤礦生產(chǎn)、管理、調(diào)度等環(huán)節(jié)，是煤礦通信六大系統(tǒng)之一。煤礦通信系統(tǒng)有無線通信系統(tǒng)、有線通信系統(tǒng)。煤礦在生產(chǎn)安全管理中以及信息化發(fā)展的進(jìn)程中，都需要發(fā)揮無線通信系統(tǒng)的作用。煤礦井下許多工作需要通過無線傳輸信號進(jìn)行傳輸，協(xié)助各項工作的開展。其中不間斷傳輸?shù)耐ǔＪ侵骷墑e信號，在礦井中是井下環(huán)境監(jiān)測信號。其他為次級別信號。無線傳輸系統(tǒng)的主級別、次級別信號同時開展傳輸工作時，需要對各自的發(fā)射功率進(jìn)行嚴(yán)格的控制，防止或者減少兩種級別信號間的干擾。對發(fā)射功率進(jìn)行控制時，也會影響無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的吞吐量。因此在通信網(wǎng)絡(luò)中，需要解決的重要問題是，同時保證主級別信號、次級別信號的傳輸質(zhì)量、傳輸速率。

1 構(gòu)建功率分配模型

礦井下的作業(yè)環(huán)境復(fù)雜又惡劣，礦井下的通信發(fā)射功效小，傳輸?shù)南拇?，移動速度慢，并且設(shè)備體積小。無線mesh網(wǎng)絡(luò)中的傳輸信號，能夠到達(dá)目的節(jié)點，主要是通過中繼節(jié)點的中轉(zhuǎn)。目前信號中轉(zhuǎn)的方式，主要是各種信號被中繼節(jié)點接收以后，實行等功率分配方案，使各信號能夠順利傳輸。但是這種分配方案不能解決信號間的干擾問題，影響信號傳輸?shù)馁|(zhì)量。本文對功率分配方案進(jìn)行改進(jìn)，最小化系統(tǒng)加權(quán)功率、最大化系統(tǒng)加權(quán)速率，使信號間的干擾最小化。

以xSi表示次級信號，xSo表示主級信號，次級信號通信分為兩個時期，第一是從Si傳輸?shù)絉Si，第二是在中繼節(jié)點處歸一化，傳輸?shù)侥康墓?jié)點。在第一階段，白高斯噪音、主級信號xSo、次級信號xSi都由RSi接收。信號傳輸?shù)谋磉_(dá)式為：

主級信號源節(jié)點S0的發(fā)射功率為GS0。次級信號源節(jié)點Si的發(fā)射功率為GSi。路徑損耗和衰落都在信道增益內(nèi)。S0和RSi之間的即時信道增益為QSoRSi。Si和RSi之間的即時信道增益為CSoRSi。RSi的白高斯噪聲是μSiRSi，方差是NSiRSi。

S0和Di間的即時信道增益為DSoiDi，RSi和Di的即時信道增益為CRSiiDi，i∈{1,2,…,N}，在第二階段傳輸?shù)侥康墓?jié)點的信號為：

RSi中繼信號后，以ri表示為源節(jié)點和目標(biāo)節(jié)點的等效信噪比，計算方式為：

通過以上公式可知，當(dāng)源節(jié)點發(fā)射功率GSi固定，隨著GRSi的變化，ri呈單調(diào)遞增的趨勢。根據(jù)ri的單調(diào)性，可以幫助優(yōu)化礦井功率分配方案。

2 集中式功率分配算法[1-4]

2.1 系統(tǒng)加權(quán)速率的最大化

礦井無線通信系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有間歇性數(shù)據(jù)、周期性數(shù)據(jù)、實時性數(shù)據(jù)、低等待數(shù)據(jù)等。將實時數(shù)據(jù)作為主級別信號，其余各類數(shù)據(jù)作為次級信號，簡化數(shù)據(jù)的類型。通過中繼轉(zhuǎn)發(fā)主級信號和次級信號時，需要考慮系統(tǒng)加權(quán)速率的最大化，實現(xiàn)功率分配間相互干擾的最小化。集中式功率分配的方案是，主次信號統(tǒng)一用一個中心節(jié)點，最小化不同信號的干擾，最大化系統(tǒng)的加權(quán)速率，最小化系統(tǒng)的加權(quán)功率。礦井中的信號傳輸速率十分重要，是一項通信指標(biāo)。為提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，需要實現(xiàn)系統(tǒng)加權(quán)速率的最大化，公平傳輸不同發(fā)射功率的源節(jié)點信號。

以wi表示源節(jié)點Si的功率權(quán)重系數(shù)，下公式表示次級信號的即時加權(quán)速率：

在點y=logx附近展開，函數(shù)為f(y)=logf(ey)，通過可導(dǎo)函數(shù)的一階泰勒可以變換，以單項式的形式轉(zhuǎn)換。解決第n次迭代的最優(yōu)化問題即可。通過迭代收斂準(zhǔn)則可以獲得最大化系統(tǒng)加權(quán)速率的最優(yōu)解。

定義ki=eSi，轉(zhuǎn)化公式為：

將上式看作單項式，通過泰勒公式一階展開，可得：

2.2 系統(tǒng)加權(quán)功率的最小化

3 功率分配算法測試[5-6]

圖1 系統(tǒng)加權(quán)速率對中繼節(jié)點最大傳輸功率

對于系統(tǒng)加權(quán)功率的最小化。由于礦井的實際情況，在井下的無線通信信號傳輸距離有限。數(shù)據(jù)基本上能夠正常傳輸，要求在兩個節(jié)點之間，傳輸距離需要低于15 m。本次選擇某煤礦的典型礦井進(jìn)行檢測，驗證礦井無線通信系統(tǒng)功率分配算法。對仿真結(jié)果進(jìn)行分析比較，比較等功率分配方案和本次提出的分配方案。

如下圖2仿真曲線所示，在目的節(jié)點處，本次研究使用的算法分配方案，等效信噪比門限閥值更大。與不同權(quán)重時的分配方案相比，等權(quán)重系數(shù)下的功率分配性能更佳。

圖2 系統(tǒng)加權(quán)功率對信噪比門限r(nóng)i，th

如下圖3所示，等效信噪比門限值固定時，中繼節(jié)點處傳輸功率變化，系統(tǒng)加權(quán)功率隨之改變。與等功率分配方案相比，本次算法方案能夠有效減少損耗。

圖3 系統(tǒng)加權(quán)功率對中繼節(jié)點最大傳輸功率

4 結(jié) 論

傳統(tǒng)有線通信是采用光纖、銅線等作為傳輸介質(zhì)，無線通信是僅僅利用電磁波進(jìn)行傳輸?shù)耐ㄐ欧绞健Ｔ缭谑攀兰o(jì)，人們就可以脫離固體導(dǎo)線通信。隨著無線通信的發(fā)展，無線通信技術(shù)逐漸成為各行各業(yè)中不可或缺的一部分。近年來，無線自組織網(wǎng)在許多低功耗的小型場景中廣泛應(yīng)用。在無線通信中，無線通道、位置和距離都會影響發(fā)射機(jī)和接收機(jī)間的通信質(zhì)量。為改善通信質(zhì)量，通常利用中繼節(jié)點，布置多個中繼節(jié)點在通信源節(jié)點和目的節(jié)點之間。依照譯碼轉(zhuǎn)發(fā)、放大轉(zhuǎn)發(fā)等方式，可以向目的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)來自源節(jié)點的數(shù)據(jù)信息。從源節(jié)點和中繼節(jié)點的數(shù)據(jù)信息，可以在目的節(jié)點適當(dāng)處理，減少無線通信系統(tǒng)的中斷率和誤碼率。多個中繼節(jié)點可以組合在一起。源節(jié)點信號達(dá)到目的節(jié)點，是中繼節(jié)點的主要目的。中繼節(jié)點聯(lián)合可以形成一個虛擬天線陣列，對輸入輸出天線技術(shù)應(yīng)用條件進(jìn)行模擬，促進(jìn)數(shù)據(jù)傳輸。在資源有限的條件下，科學(xué)合理的分配功率，能夠減少無線資源的浪費，提高通信系統(tǒng)的性能。功率分配的核心問題就是要高效利用資源。目前等功率分配方案不能充分利用現(xiàn)有的緊缺資源，無線通信的每個節(jié)點的鏈路不斷變換。為優(yōu)化通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸性能，提高整個通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的容量，減少計算的復(fù)雜度，需要重視各節(jié)點功率資源配置問題，采用有效的功率分配算法。在有中繼的無線網(wǎng)絡(luò)中，每個節(jié)點可能需要不同的功率，中繼節(jié)點的能量消耗不同，功率需求也有差異，需要合理分配頻譜資源，不能等功率分配。

經(jīng)過檢測顯示，本次研究提出的集中式功率分配算法，可以保證系統(tǒng)的功率消耗在一定的范圍內(nèi)，提高數(shù)據(jù)傳輸速率和質(zhì)量。網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性受功率、速率的影響。小型礦井的通信設(shè)備系統(tǒng)中，可以應(yīng)用集中式功率分配算法，運用統(tǒng)一中心節(jié)點分配計算功率，然后向各個節(jié)點傳輸分配的結(jié)果，可以減少計算，并且準(zhǔn)確可行。