程曉飛

（青島黃海學(xué)院，青島 266427）

0 引言

隨著工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，自動(dòng)化生產(chǎn)線在諸多行業(yè)和領(lǐng)域得到廣泛的普及和應(yīng)用。在無線網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)的支持下，不同廠房或企業(yè)生產(chǎn)線之間的數(shù)據(jù)交互和集中控制得以實(shí)現(xiàn)。為有效地提高生產(chǎn)效率，縮短產(chǎn)品制造周期，生產(chǎn)及裝配工序被劃分地更為精細(xì)，生產(chǎn)線數(shù)量增多，給無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)帶來更高的性能要求，比如：長(zhǎng)距離或偏遠(yuǎn)地區(qū)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸效率高且不可中斷；在不影響網(wǎng)速的前提下拓展更多的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備[1]等。但是，由于多廠房生產(chǎn)線存在距離遠(yuǎn)，生產(chǎn)設(shè)備對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備干擾強(qiáng)等問題，網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和功率控制成為通訊系統(tǒng)擬解決的關(guān)鍵問題。目前，邊界干擾是影響多廠房生產(chǎn)線無線通訊可靠性的關(guān)鍵因素之一，當(dāng)某個(gè)生產(chǎn)線位于網(wǎng)絡(luò)邊緣區(qū)時(shí)，發(fā)生信號(hào)失真的概率相對(duì)較高。由于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用和發(fā)展具有過渡性[2]，因此，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)傳送標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)具有可替換特點(diǎn)[3-4]，這也是性能優(yōu)化的前提。

針對(duì)以上問題，文中提出一種無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，將共軛波束[5]標(biāo)準(zhǔn)化，研究其功率控制效果和對(duì)系統(tǒng)的頻譜效率和能量效率的影響。同時(shí)，為了降低網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架成本，引入復(fù)合型的模數(shù)轉(zhuǎn)換功率模型[6]，以實(shí)現(xiàn)良好的性價(jià)比。此外，系統(tǒng)以移動(dòng)終端為中心進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可有效地與基站建立數(shù)據(jù)連接，弱化邊界干擾，對(duì)于自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展有著積極的促進(jìn)作用。

1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體框架

單廠房?jī)?nèi)的網(wǎng)絡(luò)控制原理如圖1所示。根據(jù)產(chǎn)品工序特點(diǎn)，確立廠房?jī)?nèi)的生產(chǎn)線數(shù)量與布局，各個(gè)通訊設(shè)備（管理中心和監(jiān)控中心）的布置、安裝和指令控制都在廠房?jī)?nèi)中進(jìn)行。對(duì)于長(zhǎng)距離或偏遠(yuǎn)的多廠房生產(chǎn)線，無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)優(yōu)先采用無蜂窩式大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO）結(jié)構(gòu)，如圖2所示。在系統(tǒng)中，有效區(qū)域的基站以多節(jié)點(diǎn)接入的形式實(shí)現(xiàn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均具有增功率天線，從而有效地實(shí)現(xiàn)多區(qū)域的靈活布點(diǎn)，并且大大降低部署場(chǎng)地的復(fù)雜性，適用于弱信號(hào)環(huán)境。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)分散特性的基站可全面覆蓋移動(dòng)終端，在保證通訊質(zhì)量的前提下，改善宏分集效率。雖然通訊節(jié)點(diǎn)的數(shù)量以及分布密度可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，但是不同覆蓋范圍內(nèi)的基站信號(hào)仍存在一定的干擾性和疊加性[7]。

圖2 無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了將有效信號(hào)準(zhǔn)確地剝離，可在系統(tǒng)中引入多點(diǎn)聯(lián)合發(fā)送技術(shù)[8]，即采用分布式的控制策略，將各個(gè)基站進(jìn)行分類和協(xié)作，建立合理的通訊連接組合，最終實(shí)現(xiàn)弱化干擾信號(hào)影響的效果。此外，隨著光纖通訊技術(shù)[9]和網(wǎng)絡(luò)協(xié)作算法[10]的發(fā)展與應(yīng)用，功能完備的控制器能夠靈活地控制發(fā)射功率，而且在節(jié)能降耗等方面有著良好的效果。為了驗(yàn)證該種通訊結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，需要對(duì)其頻率效率和能量效率進(jìn)行分析。

1.2 數(shù)據(jù)傳輸模型

假設(shè)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)有N個(gè)增功率天線，其中處于相同工作時(shí)間段上的有M個(gè)，處于相同頻率段上的有K個(gè)，在給定的通訊區(qū)域內(nèi)隨機(jī)分布。系統(tǒng)內(nèi)的無線網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)在進(jìn)行數(shù)據(jù)返回時(shí)，均需要通過CPU單元，確保網(wǎng)絡(luò)信息類型的一致性，并合理控制載荷數(shù)據(jù)與功率系數(shù)。從網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)到移動(dòng)終端的數(shù)據(jù)傳輸主要包括兩部分內(nèi)容：上行鏈路訓(xùn)練和下行鏈路傳輸控制。由于終端數(shù)據(jù)需要導(dǎo)頻序列，因此在下行鏈路中應(yīng)提前進(jìn)行預(yù)編碼[11]。

設(shè)gmk為第k個(gè)用戶和第m個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的信道系數(shù)，則下行鏈路中的gmk表示為：

式中，βmk為大尺度衰落系數(shù)，需要考慮其路徑損耗和陰影效應(yīng)，數(shù)值與天線指數(shù)無關(guān)。hmk為是小尺度衰落系數(shù)，其在特定的時(shí)間段內(nèi)具有獨(dú)立性，屬于隨機(jī)變量。

在無線通訊系統(tǒng)中，設(shè)定數(shù)據(jù)傳輸?shù)南喔砷g隔長(zhǎng)度為T，使其略大于上行鏈路訓(xùn)練持續(xù)時(shí)間樣本τup，則第m個(gè)節(jié)點(diǎn)所接受的導(dǎo)頻向量ym,up可表示為：

式中，ρup為信號(hào)發(fā)射信噪比，與導(dǎo)頻序列相關(guān)，具有歸一化特性；wm,up為導(dǎo)頻序列向量，屬于加性高斯白噪聲矢量。完成導(dǎo)頻傳輸后，第m個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)將獲取導(dǎo)頻向量與信噪比向量的內(nèi)積，實(shí)現(xiàn)上行鏈路訓(xùn)練。

在下行鏈路數(shù)據(jù)傳輸階段，數(shù)據(jù)通訊采用的信號(hào)要依據(jù)用戶的終端信息。在歸一化條件下，第m個(gè)節(jié)點(diǎn)所發(fā)射的數(shù)據(jù)可表示為：

式中，sk為系統(tǒng)預(yù)期發(fā)送至第k個(gè)終端的信號(hào)，ρd為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)發(fā)射功率系數(shù)，可有效控制和限制峰值功率。

相比常規(guī)共軛波束，其相應(yīng)的長(zhǎng)期功率約束方程可表示為：

式中，αmk為代換量，其表達(dá)式為：

由數(shù)據(jù)傳輸模型可知，隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)的增大，信號(hào)干擾和噪聲顯著弱化，這一結(jié)論與使用規(guī)范化預(yù)編碼器的下行鏈路情況一致。

1.3 最佳功率控制分析

根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸模型的特點(diǎn)可知，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際發(fā)射功率均受ρd的影響顯著，特別是短期的功率控制。最大和最小功率約束方程可表示為：

在約束條件下，求解方程極值是功率優(yōu)化控制的關(guān)鍵。為了便于方程的求解，文中基于共軛波束歸一化與平衡功率控制方法[12]分析不同下行鏈路速率[13]下的累積分布函數(shù)值，用于判定功率控制效果。在局部區(qū)域，設(shè)定相同工作時(shí)段上的增功率天線數(shù)量為60，相同頻段的數(shù)量為20。將標(biāo)準(zhǔn)化共軛波束（Normalized CB）與常規(guī)共軛波束（Conventional CB）條件進(jìn)行對(duì)比分析，可得出短期功率控制和長(zhǎng)期功率控制的特征曲線分別如圖3和圖4所示?？梢钥闯觯涸诠β士刂品矫?，標(biāo)準(zhǔn)化的共軛波束預(yù)編碼明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方案；從具體數(shù)值上分析，標(biāo)準(zhǔn)化共軛波束預(yù)編碼器在低于5%中斷條件下的鏈路速率為2.07（bit/s/Hz），比常規(guī)條件高1.15倍。這是由于標(biāo)準(zhǔn)化和歸一化處理后的CB預(yù)編碼器能提供更大的增益，使得數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钚∷俾首畲蠡Ｓ捎诓煌纳a(chǎn)線，對(duì)應(yīng)的工作周期有著差大的差異性，因此，應(yīng)在確?；拘阅?、兼容性和匹配性的前提下，根據(jù)實(shí)際情況擇優(yōu)選取無線網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備，從而獲得更好的工作效果。

圖3 短期功率控制特性曲線

圖4 長(zhǎng)期功率控制特性曲線

通過對(duì)比分析無功率控制曲線可知，功率控制是提升鏈路速率的有效方法之一，可將中斷率降低12%以上。在較低的信號(hào)噪聲干擾比條件下，相干波束[14]形成顯著的增益，比如，自適應(yīng)天線系統(tǒng)在強(qiáng)干擾環(huán)境下能使信噪比提高40dB左右?；谧畲?最小功率分配標(biāo)準(zhǔn)的工況控制前提下，CB預(yù)編碼器的性能受終端數(shù)量的影響較小，因此，不同終端之間不會(huì)造成效率干擾。

在最大-最小功率分配標(biāo)準(zhǔn)控制下，可得出不同節(jié)點(diǎn)數(shù)量下的累積分布函數(shù)變化規(guī)律如圖5所示?？梢钥闯觯涸摴β史峙浞桨冈诓煌木幋a情況下均能保持網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性；標(biāo)準(zhǔn)化共軛波束預(yù)編碼在相同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)下消耗的功率更低，適用于移動(dòng)性顯著的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

圖5 不同節(jié)點(diǎn)數(shù)量下的累積分布函數(shù)值

2 系統(tǒng)性能分析

2.1 頻譜效率分析

在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，為了避免信號(hào)交互影響，不同終端天線發(fā)出的信號(hào)具有不相關(guān)性，包括量化后的高斯噪聲。為進(jìn)一步提升系統(tǒng)的譜效率和能量效率，增加項(xiàng)中引入數(shù)模轉(zhuǎn)換（ADC）功率模型，如圖6所示，能夠有效得抑制噪聲影響。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的上行鏈路與下行鏈路功能不同，上行鏈路主要用于向網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳輸導(dǎo)頻序列，并完成信道的估計(jì)，對(duì)下行鏈路的標(biāo)準(zhǔn)化共軛波束預(yù)編碼有著重要的影響。頻譜效率是衡量上行鏈路性能的重要參數(shù)之一，特別是在低分辨率 ADC條件下，能夠有效地判定功率損失情況。此外，由于頻譜效率受到生產(chǎn)設(shè)備的干擾，因此，在計(jì)算時(shí)，根據(jù)設(shè)備的有效數(shù)量選取損耗系數(shù)。

圖6 ADC功率模型

為研究網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量對(duì)頻譜效率的影響，分別在同頻段網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)K為20和10的條件下計(jì)算頻譜效率變化，結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯觯弘S著同時(shí)段工作的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，系統(tǒng)的頻譜效率明顯增大，但逐漸呈現(xiàn)出暫緩現(xiàn)象；同頻段網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)越多，頻譜效率越大。對(duì)于企業(yè)生產(chǎn)而言，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量需要合理的選取范圍，否則難以不利于經(jīng)濟(jì)效益的提升。若不同生產(chǎn)線之間的通訊距離較短，則適當(dāng)減小節(jié)點(diǎn)數(shù)量，以功耗為指標(biāo)優(yōu)化頻譜效率。頻譜效率是衡量通訊系統(tǒng)抗干擾能力的指標(biāo)之一，其變化規(guī)律是相關(guān)補(bǔ)充設(shè)備選取的重要依據(jù)。

圖7 不同節(jié)點(diǎn)數(shù)量下的頻譜效率

綜合運(yùn)用高分辨率和低分辨率的ADC，可有效地降低功耗并改善系統(tǒng)性價(jià)比。但是，隨著ADC分辨率的降低，性能損失越顯著，表現(xiàn)為傳輸速率和頻譜效率降低。若出現(xiàn)該問題，可在一定范圍內(nèi)增加增功率天線，彌補(bǔ)信號(hào)的失真問題，同時(shí)滿足系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)要求。

2.2 能量效率分析

在面積為1×106m2的方形面積區(qū)域內(nèi)，假設(shè)各個(gè)生產(chǎn)線的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)終端均為隨機(jī)分布，采用環(huán)繞原理對(duì)能量效率進(jìn)行計(jì)算，可得出不同節(jié)點(diǎn)數(shù)量下的能量效率變化規(guī)律如圖8所示?？梢钥闯觯弘S著同時(shí)段網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增多，能量效率呈衰減趨勢(shì)變化；與頻譜效率變化相似，同頻段網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)越多，能量效率越高。

圖8 不同節(jié)點(diǎn)數(shù)量下的能量效率

由于系統(tǒng)引入了ADC功率模型，因此，量化比特?cái)?shù)對(duì)能量效率將會(huì)產(chǎn)生一定的影響。在不同數(shù)量的同頻段網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)條件下，可得出能量效率隨數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換量化比特?cái)?shù)的變化規(guī)律如圖9所示?？梢钥闯觯寒?dāng)同頻段網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量K低于30時(shí)，能量效率基本不發(fā)生改變；隨著K值的增大，能量效率呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)，當(dāng)量化比特?cái)?shù)為4時(shí)，能量效率達(dá)到極值。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的分配和布置對(duì)于頻譜效率和能量效率均有著關(guān)鍵的影響，在隨機(jī)分布情況下，單區(qū)域的能量效率并非隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增大而增大，這是由于服務(wù)區(qū)內(nèi)的平均有效傳輸距離隨之增大。

圖9 不同量化比特?cái)?shù)下的能量效率

3 結(jié)語

無線數(shù)據(jù)傳輸是實(shí)現(xiàn)多廠房生產(chǎn)線高效、穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，確保無線網(wǎng)絡(luò)處于最佳工作狀態(tài)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心要素之一。文中基于5G網(wǎng)絡(luò)框架，提出一種具有多點(diǎn)聯(lián)合發(fā)送特性的無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過數(shù)值計(jì)算方法匹配最佳功率控制方案并驗(yàn)證系統(tǒng)性能，主要結(jié)論如下：

1）相比傳統(tǒng)的CB預(yù)編碼器，標(biāo)準(zhǔn)化和歸一化處理后的CB預(yù)編碼器能提供更大的增益，鏈路速率更高，使得數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钚∷俾首畲蠡?，在短期功率和長(zhǎng)期功率條件下均表現(xiàn)出良好的應(yīng)用效果。

2）高分辨率與低分辨率ADC的組合不但能夠?qū)崿F(xiàn)較高的性價(jià)比，而且降低系統(tǒng)硬件的復(fù)雜程度和功耗；網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量對(duì)頻譜效率和能量效率的影響具有單調(diào)性，但對(duì)于不同的量化比特?cái)?shù)，能量效率存在峰值。