許艷英，包宋建，張　郭

(1.重慶科創(chuàng)職業(yè)學院機電工程學院， 重慶　永川　402160; 2.重慶文理學院電子電氣工程學院， 重慶　永川　402160)

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礦井無線通信系統(tǒng)功率分配優(yōu)化算法

許艷英1，包宋建2，張郭1

(1.重慶科創(chuàng)職業(yè)學院機電工程學院， 重慶永川402160; 2.重慶文理學院電子電氣工程學院， 重慶永川402160)

針對礦井無線通信系統(tǒng)中主、次級信號傳輸存在相互干擾等問題，提出了集中式功率分配算法，建立了功率分配系統(tǒng)模型，列出了中繼節(jié)點處功率分配的目標函數，以此來最大化系統(tǒng)加權速率以及最小化系統(tǒng)加權功率，并對集中式系統(tǒng)的功率分配進行分析，把問題轉化為特定的最小化和最大化問題求出最優(yōu)解，使信號間的干擾最小化.算法應用于實際礦井通信測試并對測試數據進行仿真分析，表明該分配方案正確、可行.

礦井通信；功率分配；算法優(yōu)化

煤礦礦井無線通信系統(tǒng)屬于煤礦通信六大系統(tǒng)之一[1]，用于生產、調度、管理、救援等各個環(huán)節(jié)中, 在煤礦作業(yè)中占有非常重要的位置.煤礦通信系統(tǒng)包括有線通信系統(tǒng)與無線通信系統(tǒng)[2]，其中無線通信系統(tǒng)早已成為煤礦信息化及生產安全管理的重要途徑.煤礦井下通過無線傳輸的信號很多，在此把需要不間斷傳輸的信號定為主級別信號，而其余信號定為次級別信號.井下環(huán)境監(jiān)測信號可認為是主級別信號.當主、次級別信號同時傳輸時，為減少二者之間的干擾，需要嚴格控制各自的發(fā)射功率，而控制功率又會對無線網絡系統(tǒng)的吞吐量造成一定的影響[3].因此，如何保證主、次級別信號的傳輸質量與傳輸速率是通信網絡需要解決的問題.

1　功率分配模型建立

煤礦井下的作業(yè)環(huán)境極其惡劣、復雜，導致礦井內的通信具有移動速度慢、傳輸衰耗大、設備體積小、發(fā)射功率小等特點.在無線 Mesh 網絡中，傳輸信號通過中繼節(jié)點中轉至目的節(jié)點[4].現有的參考文獻中，在中繼節(jié)點處對接收到的各種信號主要采用等功率分配方案進行信號中轉.該方案能夠保證各信號的傳輸，但對信號間的干擾問題不能很好地解決.本文提出一種改進的功率分配方案，分別來最大化系統(tǒng)加權速率以及最小化系統(tǒng)加權功率，同時最小化信號間的干擾.

(1)

其中：i∈{1,2,…,N}，GSi是次級信號源節(jié)點Si的發(fā)射功率，GS0代表主級信號源節(jié)點S0的發(fā)射功率，CSiRSi代表Si到RSi間即時信道增益，QS0RSi為S0與RSi間的即時信道增益.信道增益包括路徑損耗與衰落.usiRSi是RSi處的白高斯噪聲，方差為NsiRSi.

(3)

(4)

其中，

(5)

(6)

結合(4)—(6)式可以看出，當源節(jié)點的發(fā)出功率GSi固定時，ri是關于GRSi單調遞增的.當GRSi固定時，ri關于GRSi單調遞增.ri的單調性為礦井功率分配方案的優(yōu)化提供了一定的基礎.

2　集中式功率分配算法

礦井無線通信系統(tǒng)同時傳輸著實時性數據、周期性數據、間歇性數據甚至重復的低等待數據等[5].為簡化數據類型，將實時數據定為主級別信號，其余各類定為次級信號.當主級信號與次級信號通過中繼節(jié)點轉發(fā)時，如何有效進行功率分配使得相互之間的干擾最小，并且最大化系統(tǒng)的加權速率是首要任務.集中式功率分配方案是指統(tǒng)一用一個中心節(jié)點轉發(fā)主次信號，并且將系統(tǒng)的加權速率最大化及系統(tǒng)的加權功率最小化，使不同的信號相互之間干擾最小.

2.1最小化系統(tǒng)加權功率

當礦井無線通信系統(tǒng)傳輸著N個次級信號時，各自的源節(jié)點發(fā)射功率GSi存在差異.維護礦井通信系統(tǒng)的節(jié)點比較困難[6].因此，合理分配不同權重的中繼功率、最小化系統(tǒng)加權功率的目標是非常必要的.(7)式是最小化系統(tǒng)加權功率的目標函數.約束條件如(8)—(11)式.

(7)

s.t. ri≥rith

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

進一步化簡得

ri,th·(λi-1GSi-1γi-1GRSi-1+ γi-1GRSi-1+

λi-1GSi-1)≤1

(13)

其余的約束條件也都是標準多項式.因此，集中式的最小化系統(tǒng)加權功率分配方案可以通過集中規(guī)劃給出最優(yōu)解.

2.2最大化系統(tǒng)加權速率

礦井中的各種信號的傳輸速率是非常重要的通信指標[7].節(jié)點的功率分配應該盡可能最大化系統(tǒng)的加權速率，從而獲得較高的網絡吞吐量，可以保證不同發(fā)射功率的源節(jié)點的傳輸公平性.在2.1中已經定義wi是源節(jié)點Si的功率權重系數，所有次級信號的即時加權速率為

(14)

集中式最大化加權速率功率分配方案可表示為

(15)

(16)

由可導函數的一階泰勒估計以及函數f(y)=logf(ey)在點y=logx附近的展開可得

(17)

在此定義ki=eSi，則上式可以轉化為

(18)

(19)

通過泰勒公式的一階展開，把上式看成單項式，可變換為

(20)

其中，ai(j)、bi(j)、ci(j)分別為

(21)

(22)

(23)

此外，加權速率的其他約束條件(8)—(11)式及(16)式也可以轉換為單項式.因此，第n次迭代最優(yōu)化問題就轉化為

(24)

約束條件為(8)—(11)式.因此，加權速率最大化的最終解可以通過迭代收斂準則得出，具體步驟如下:

(1)初始化功率G0，然后計算(15)式；

(2)由(21)—(23)式，可以計算出ai(j)、bi(j)、ci(j)，再分別通過(20)式，得到相應的計算式；

(3)利用線性規(guī)劃求解(23)式；

(5)利用得出的G返回步驟(2)中.

3　算法性能測試

3.1最小化系統(tǒng)加權功率

無線通信信號在井下的傳輸距離非常受限.實踐證明，在2個節(jié)點間的傳輸距離小于15 m時，能夠保證數據的基本傳輸.為了驗證本文算法的可靠性，選擇項目合作企業(yè)永川區(qū)某煤礦的典型礦井進行測試，并將測試結果進行仿真分析.在仿真分析時，將本方案與等功率分配方案同時進行仿真比較，如圖1所示.

圖1　系統(tǒng)加權功率對信噪比門限ri,th

通過圖1仿真曲線可以看出，本文的功率分配方案在目的節(jié)點處的確得到了更大的等效信噪比門限閾值.此外，等權重系數情況下的功率分配性能優(yōu)于權重不同時的分配方案.圖2為在固定等效信噪比門限值的情況下，系統(tǒng)加權功率隨著中繼節(jié)點處的傳輸功率的變化情況.相比等功率分配方案，本文的方法可以得到較小的功率損耗.

圖2　系統(tǒng)加權功率對中繼節(jié)點最大傳輸功率

3.2最大化系統(tǒng)加權速率

圖3　系統(tǒng)加權速率對中繼節(jié)點最大傳輸功率

4　結論

本文提出的集中式功率分配算法不僅能保證數據傳輸速率，又使系統(tǒng)的消耗功率得到保障，而速率和功率又是影響網絡穩(wěn)定性和可靠性的主要因素.集中式功率分配算法對小型礦井通信設備非常適用.該算法運用統(tǒng)一中心節(jié)點對功率進行分配計算，然后將分配結果傳送給各個節(jié)點.該算法已在永川區(qū)某煤礦進行測試，通過對測試結果進行仿真分析，驗證了方案的可行性和正確性，同時極大地降低了計算冗余和開銷.

[1]石楠. 基于RFID的井下人員定位系統(tǒng)的軟件設計與實現[D].西安：西安科技大學，2010.

[2]霍翠玲, 崔維,王玉坤,等.論煤礦礦井中的移動通信技術[J].煤炭技術，2011(7):133-134.

[3]董晨. 面向分布式蜂窩網絡架構的中繼選擇技術研究[D]. 西安：西安電子科技大學，2012.

[4]趙振新.分布式空時編碼協作系統(tǒng)中非相干檢測算法研究[D]. 天津：天津大學，2012.

[5]田華,陳剛.基于博弈論的MIMO中繼網絡預編碼策略選擇[J].通信技術，2013(8):19-23.

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[7]隋淼. 煤礦主井輸送機的電氣系統(tǒng)優(yōu)化及變頻改造[J].煤炭技術，2014(10):233-234.

(責任編輯穆剛)

Algorithm of allocation optimization of mine wireless communication system power

XU Yanying1, BAO Songjian2, ZHANG Guo1

(1. College of Electronic and Mechanical Engineering, Chongqing Creation Vocational College, Yongchuan Chongqing 402160, China；2. College of Electronic and Electrical Engineering, Chongqing University of Arts and Sciences, Yongchuan Chongqing 402160, China)

In terms of the problems such as the mutual interference existing in the communication of major and minor signals in the mine wireless communication, centralized power allocation algorithm was proposed. The power allocation system model was established, and the object function of power allocation at the relay node was listed, in order to maximize and minimize the system weighted rate. Also analysis was made on the power allocation of centralized system, turning the issue into the special minimized and maximized ones to get the optimized solutions, to minimize the interference of mutual signals. The algorithm was used in the actual mine communication test, and the simulation analysis was made on the test data, showing the allocation method is correct and practicable.

mine communication; power distribution; algorithm to optimize

2015-12-17

重慶市教育委員會自然科學基金項目 (KJ131208)；重慶市永川區(qū)科技計劃基金項目(Ycstc,2014ac3001).

許艷英(1974—)，女，內蒙赤峰人，副教授，主要從事電氣工程與智能監(jiān)控方面的研究.

TN923

A

1673-8004(2016)05-0041-04