多徑傳播模型用于短距離無線鏈路能耗管理研究

付 煒

（電子科技大學電子工程學院，四川 成都 611731）

引 言

無線通信中，發(fā)射端信號功率通常被固定在某一可靠量級，以保證接收端信號功率處于接收動態(tài)范圍內(nèi)并達到接收端信噪比的要求。在短距離復雜電磁環(huán)境下，由于工作環(huán)境時變性突出，如果發(fā)射端信號功率保持固定，則存在功耗增加或服務質量下降的問題。如果在同一個工作環(huán)境下存在多個工作在同頻段的無線鏈路，固定的發(fā)射功率還可能產(chǎn)生通信間干擾。此外，隨著各類電池供電的短距離無線通信技術，如藍牙（Bluetooth），紫峰（Zigbee）和射頻識別（RFID）技術的發(fā)展，延長電池使用時間成為這類無線通信實用化考慮的關鍵問題。所以，在短距離無線通信中，如何在保證服務質量的情況下，動態(tài)調節(jié)無線收發(fā)模塊的功耗來進行能耗管理是迫切需要解決的問題［1－4］。文獻［5］通過劃分通信距離來進行階段式功耗調節(jié)，文獻［6］通過測量平均接受功率的方式和文獻［7］中通過計算平均信干比（SIR）的方式進行無線鏈路功耗動態(tài)調節(jié)。這些研究利用收發(fā)端間距和接收端功率進行無線鏈路的功耗調節(jié)，但沒有考慮電波傳播環(huán)境對通信鏈路能耗的影響，時延較長，實現(xiàn)復雜，不適合用于短距離時變復雜電磁環(huán)境下動態(tài)能耗管理中。

針對短距離電波傳播的特點，文章對點對點無線鏈路提出一種根據(jù)傳播環(huán)境鏈路損耗（PL）進行雙向動態(tài)功耗調節(jié)的算法，推導了基于距離變化的反射系數(shù)表達式，并利用“2＋x”多徑傳播模型計算鏈路損耗。通過定義專屬的功耗控制字節(jié)使鏈路損耗隨有效數(shù)據(jù)傳送，并以此鏈路損耗作為判決依據(jù)實現(xiàn)實時調節(jié)無線模塊的輸出功率，達到進行無線鏈路能耗管理的目的。

1 短距離無線鏈路損耗模型

點對點短距離無線鏈路如圖1所示。其中，無線節(jié)點A，B的接收功率的上限和下限分別表示為（Pupper＿A，Plower＿A）和（Pupper＿B，Plower＿B），接收功率的動態(tài)范圍PDR為接收功率上、下限的差值，PDR＝Pupper－Plower，節(jié)點 A，B的發(fā)送功率表示為Pt＿A和Pt＿B.電波在經(jīng)歷了環(huán)境的多徑傳播后，到達另一端，此時接收端的接收功率為Pr＝Pt－PL，其中，PL表示鏈路損耗。接收功率Pr＿A或Pr＿B不能小于接收端接收功率的下限，否則不能正確解調出無線傳輸?shù)恼{制信號。同時，接收功率也不必大于接收端接收功率的上限，以降低功耗并避免對周圍的無線鏈路產(chǎn)生干擾。所以，在時變傳播信道下，當點對點無線鏈路建立后，無線模塊需要能夠根據(jù)傳播環(huán)境的變化，在一定的范圍內(nèi)自動調節(jié)發(fā)射端的發(fā)射功率Pt，使得接收端的接收功率符合接收功率動態(tài)范圍的要求。

基于上述分析，動態(tài)能耗控制需要準確并且實時的鏈路損耗值PL，而鏈路損耗與多徑傳播環(huán)境相關。目前，多徑環(huán)境下鏈路損耗的模型有兩類：統(tǒng)計模型和確定性模型［8－11］。統(tǒng)計模型即經(jīng)驗模型是根據(jù)大量的依據(jù)環(huán)境的實測數(shù)據(jù)而統(tǒng)計提取得到的。與統(tǒng)計模型不同，以射線追蹤法為代表的確定性模型不依賴于繁冗的測試數(shù)據(jù)，而是利用傳播環(huán)境的準確信息進行類似幾何光學的分析。對于短距離無線鏈路而言，大部分情況下，鏈路可以避開阻擋傳播路徑的固有物體使收發(fā)兩端有明確的視距（LOS）傳播，故本文中，考慮使用基于射線追蹤的確定性模型來描述短距離視距傳播時的無線鏈路損耗。根據(jù)文獻［12］中2徑鏈路損耗表達式，短距離視距無線鏈路的鏈路損耗采用“2＋x”徑法可表示為

圖1 短距離無線鏈路多徑傳播及鏈路預算

其中：λ為波長；Gt和Gr分別代表發(fā)射天線與接收天線的天線增益，取值與短距離無線收發(fā)天線的設計相關，當采用微帶印制板天線時，G與印制板天線面積相關；l代表相應路徑的長度，其中直射路徑ld和地面反射路徑lg是必選項，而路徑li則是依據(jù)環(huán)境而增減。在室外開闊環(huán)境，可以只選擇直射路徑和地面反射路徑，在室外街道環(huán)境，除直射和地面反射路徑外，需要增加墻體反射路徑，而在室內(nèi)環(huán)境，還有必要增加天花板等反射路徑。路徑長度l可以由發(fā)射天線和接收天線相對于反射面投影后的間距d（天線間距）來獲得。比如lg是電波經(jīng)地面反射的路徑長度，ld是直射路徑，由圖1可以得到，lg＝。Rg和Ri分別是電波經(jīng)過地面和其它可選反射面時的反射系數(shù)。在兩徑模型中，反射系數(shù)R通常取值為－1［12］，這在天線間距d遠大于收發(fā)天線距離反射面高度之和的情況下，可以取得很好的近似結果。但是，在短距離無線傳播模型中，這個假設不再成立。設入射角為θ，則反射系數(shù)可以表示為［12］

為了算法實現(xiàn)的需要，需進一步將反射時的入射角θ變換為隨距離d變化的變量。觀察圖1，有關系式

其中，H＝ht＋hr，所以基于距離變化的反射系數(shù)表示為

圖2給出了相同條件下，R＝－1和R＝R（d）的比較結果，在R（d）中，反射面為水泥地面，其相對介電常數(shù)為4，電導率在 2.4GHz時為0.004S／m［12］.可以看出，在短距離傳播環(huán)境下，R＝－1的鏈路損耗結果對實際的鏈路損耗進行近似的誤差較大，已不再適用。相比之下，利用基于距離的反射系數(shù)計算鏈路損耗可以在無線鏈路能耗管理中獲取準確的鏈路損耗值。

圖2 不同反射系數(shù)表達式下的鏈路損耗比較

2 短距離無線鏈路能耗控制算法

算法利用功耗控制字節(jié)保存實時鏈路損耗信息，并在鏈路節(jié)點間隨有效負荷一起發(fā)送接收，以便實時進行動態(tài)雙向功耗調節(jié)。

2.1 功耗控制字節(jié)P＿Byte

利用目前短距離無線收發(fā)模塊受微控制器控制的特性，定義功耗控制字節(jié)，如表1所示，用以保存功耗控制算法所需的參數(shù)。其中，k為功耗調節(jié)因子，占用bit0和bit1，通過接收功率與內(nèi)置的接收功率上下限值相比較確定。Bit2和bit3定義為功耗調節(jié)步長ΔP，由無線收發(fā)模塊決定。發(fā)射功率的初始值Pinit由bit4和bit5設置，具體值由無線收發(fā)芯片決定。模塊當前的輸出功率值在經(jīng)過功耗調節(jié)因子k和功耗調節(jié)步長ΔP進行調節(jié)后保存在bit6和bit7.功耗控制字節(jié)由無線節(jié)點A和B共用并寫入對應無線收發(fā)芯片的配置字中，在無線模塊發(fā)射端隨有效數(shù)據(jù)一起發(fā)送，并在接收端解調后讀出至微控制器內(nèi)部數(shù)據(jù)存貯器中進行存取。

表1 功耗控制字節(jié)

2.2 算法原理

設某節(jié)點在n時刻的發(fā)送功率為Pt（n），表示為

式中，Pt（n－1）是n－1時刻此節(jié)點的發(fā)射功率值。功耗調節(jié)因子k由n－1時刻節(jié)點的接收功率Pr（n－1）與節(jié)點的接收功率閾值范圍（Pupper，Plower）相比較確定，定義為

而n－1時刻的接收功率Pr（n－1）表示為

其中，Pt（n－1）由功耗控制字節(jié)bit 6和bit 7讀出，PL（n－1）是節(jié)點在n－1時刻實時計算的鏈路損耗值。當節(jié)點獲得n－1時刻的接收功率值Pr（n－1）后，立即根據(jù)式（7）計算調節(jié)因子k，并刷新功耗控制字節(jié)的bit 0和bit 1.節(jié)點A和節(jié)點B都通過上述過程進行發(fā)射功率調節(jié)，直到對方的接收功率都處于閾值范圍內(nèi)，功率調節(jié)因子k＝0，滿足雙方通信要求。

2.3 算法流程

基于算法原理描述，動態(tài)雙向功耗控制算法主要包含以下步驟：

1）初始化：對節(jié)點A和節(jié)點B進行功率控制字節(jié)P＿Byte的初始化，設置k＝0；根據(jù)無線模塊和實際環(huán)境設置功耗調節(jié)步長ΔP；設置初始發(fā)射功率Pinit∈（Plower，Pupper）；節(jié)點實際輸出功率Pt＝Pinit，最后將功耗控制字節(jié)P＿Byte寫入有效數(shù)據(jù)包。

2）建立鏈接：假設是節(jié)點A發(fā)起鏈接，則節(jié)點A為主機，節(jié)點B為從機。主機執(zhí)行發(fā)送子程序，從機進入等待接收狀態(tài)。

3）接收功率計算：節(jié)點B接收數(shù)據(jù)包后，從中讀出功耗控制字節(jié)到內(nèi)部存儲器，其中bit 6和bit 7為節(jié)點A端的發(fā)送功率。同時，由微控制器控制測試當前收發(fā)端距離d，并利用預置的環(huán)境參數(shù)計算反射系數(shù)和鏈路損耗PLB；由公式（7）計算節(jié)點B的接收功率Pr＿B.

4）判決：節(jié)點B利用接收功率Pr＿B和預置的接收功率上、下限（Pupper＿B，Plower＿B），根據(jù)公式（6）進行判決，得到功率調節(jié)因子k，并刷新功耗控制字節(jié)P＿Byte的bit 0和bit 1.

5）響應：節(jié)點B返回對節(jié)點A的響應信息和功率控制字節(jié)P＿Byte內(nèi)容。

6）功率調節(jié)：節(jié)點A讀取功耗控制字節(jié)的bit 0和bit 1到內(nèi)部存儲器，得到功耗調節(jié)因子k，根據(jù)預置的功耗調節(jié)步長ΔP，利用公式（5）刷新功耗控制字節(jié)的bit 6和bit 7，并進行發(fā)射功率的調節(jié)。

7）循環(huán)，直到功耗調節(jié)因子k＝0，功耗調節(jié)過程結束。

在此過程中，節(jié)點B可隨時發(fā)起鏈接，在向節(jié)點A發(fā)送數(shù)據(jù)的過程中，執(zhí)行類似節(jié)點A的1）至7）步。經(jīng)過雙方節(jié)點判決、調節(jié)、循環(huán)，最終使得功耗調節(jié)因子都為零，完成能耗調節(jié)過程。

3 實驗與性能分析

3.1 測試系統(tǒng)

以無線收發(fā)芯片nRF24E1為核心構建2.4 GHz頻段短距離射頻無線鏈路及實驗系統(tǒng)和測試環(huán)境如圖3所示。nRF24E1無線收發(fā)芯片采用電池供電，內(nèi)置微控制器，輸出功率可調節(jié)。根據(jù)芯片參數(shù)，定義功耗控制字節(jié)P＿Byte如表2所示。在計算鏈路損耗的模型中初步定義了直射和地面反射兩條路徑。

圖3

表2 2.4GHz無線鏈路功耗控制字節(jié)配置

3.2 電池耗電量分析

電池的使用壽命T＝電池容量／總平均消耗電流。當nRF24E1連續(xù)工作時，內(nèi)部微控制器、A／D和D／A部分消耗電流為4mA，RF前端電流消耗取決于工作模式和工作時間，其中：

1）數(shù)據(jù)從內(nèi)部SPI接口到射頻前端費時Tspi＿RF＝438μs，消耗電流為0.5mA.

2）射頻前端發(fā)送數(shù)據(jù)包費時Tt＝444μs，在發(fā)射功率為－20dBm條件下消耗電流為6.5mA，0 dBm時是15mA.

3）射頻前端進入等待及接收模式，費時Tr＝660μs，消耗電流為19mA.

設無線鏈路進行音頻采樣，采樣頻率為8kHz，耗時125μs，每個數(shù)據(jù)包包含24個采樣點，則一次收發(fā)費時為3ms，總平均消耗電流值為

結果表明，當輸出功率為－5dBm時，總平均消耗電流為10.5mA，電池（120mAh）可使用約11.5 h.經(jīng)過動態(tài)雙向功耗控制后，輸出功率保持為－20dBm，則平均消耗電流為9.2mA，電池可使用13h，延長1.5h.

4 結 論

提出以實時鏈路損耗為判決依據(jù)的短距離動態(tài)雙向功耗調節(jié)算法。根據(jù)短距離無線傳播環(huán)境特點，采用“2＋x”多徑模型計算實時鏈路損耗，推導了基于收發(fā)端間距的反射系數(shù)表達式，提高了鏈路損耗計算的準確性。通過定義功耗控制字節(jié)保存鏈路損耗計算結果并隨有效數(shù)據(jù)傳送，實現(xiàn)無線鏈路功耗的雙向動態(tài)調節(jié)。實驗和性能分析表明，該方案有效地延長了短距離無線模塊供電電池的使用時間，為在短距離無線通信中進行能耗管理提供了一種可行的方法。進一步的工作將在兩徑模型的基礎上加入可選路徑lx進行驗證，并對非視距（NLOS）場景下算法的應用進行研究。

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