基于軟決策驅(qū)動(dòng)和協(xié)作MIMO的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

景妮琴

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院 北京 100176）

基于軟決策驅(qū)動(dòng)和協(xié)作MIMO的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

景妮琴

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院 北京 100176）

為了提高遠(yuǎn)距離和惡劣信道環(huán)境下數(shù)據(jù)采集終端工作效率和精度，設(shè)計(jì)了一種基于軟決策驅(qū)動(dòng)和協(xié)作MIMO的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)，通過(guò)軟決策驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)采集終端，根據(jù)軟決策驅(qū)動(dòng)輸出強(qiáng)度和信道質(zhì)量實(shí)現(xiàn)軟決策因子漫游，同時(shí)架構(gòu)協(xié)作MIMO信道矩陣實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的協(xié)作控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在50 m以內(nèi)距離工作效率可以達(dá)到85%以上，信噪比大于30 dB后數(shù)據(jù)精度可以達(dá)到85%以上，表明該系統(tǒng)不僅具有高工作效率而且數(shù)據(jù)采集精度提高顯著。

數(shù)據(jù)采集；軟判決驅(qū)動(dòng)；多輸入多輸出；協(xié)作控制

隨著數(shù)據(jù)采集和檢測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展[1]，各種領(lǐng)域的數(shù)據(jù)調(diào)度和智能控制越來(lái)越依賴于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并在各種多應(yīng)用業(yè)務(wù)中得到實(shí)施和應(yīng)用[2]。但是，面臨實(shí)時(shí)大數(shù)據(jù)采集和處理，數(shù)據(jù)采集的能耗和效率成為工業(yè)界關(guān)注熱點(diǎn)[3]。

文獻(xiàn)[4]開(kāi)發(fā)一個(gè)原型系統(tǒng)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集的環(huán)境變量。文獻(xiàn)[5]研發(fā)了適用于電站管理的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。文獻(xiàn)[6]研發(fā)了原型控制和數(shù)據(jù)采集的ITER中性束測(cè)試設(shè)備。文獻(xiàn)[7]研究了事件觸發(fā)模擬數(shù)據(jù)采集使用指數(shù)移動(dòng)平均線。文獻(xiàn)[8]研究了適用軸向細(xì)長(zhǎng)舞臺(tái)的點(diǎn)數(shù)據(jù)采集磁性粒子成像技術(shù)。在上述已有研究成果基礎(chǔ)上，基于軟決策驅(qū)動(dòng)和協(xié)作MIMO機(jī)制設(shè)計(jì)了一種新型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1 軟決策驅(qū)動(dòng)模型

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中一般采用硬判決進(jìn)行采集、檢測(cè)和控制等決策，使得數(shù)據(jù)采集對(duì)于硬件平臺(tái)具有較強(qiáng)依賴性，而且容易抑制數(shù)據(jù)采集效率和精度。

采集信號(hào)y與發(fā)射功率PS之間存在公式（1）所示的關(guān)系[9-12]。

其中，α表示數(shù)據(jù)采集過(guò)程中信號(hào)損耗，β表示檢測(cè)過(guò)程中信號(hào)損耗，γ表示數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中信號(hào)控制損耗。h表示信道增益。n表示數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)規(guī)模。函數(shù)f（t）用于計(jì)算數(shù)據(jù)采集過(guò)程中信號(hào)功率。在計(jì)算信道增益h時(shí)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)n個(gè)數(shù)據(jù)采集終端的發(fā)射Pi，再結(jié)合數(shù)據(jù)發(fā)射端發(fā)射功率，可以更好感知信號(hào)傳輸過(guò)程。

軟決策驅(qū)動(dòng)輸出強(qiáng)度SDD定義如公式（2）所示。

其中，σ表示基于數(shù)據(jù)采集和檢測(cè)的軟決策驅(qū)動(dòng)權(quán)重，η表示數(shù)據(jù)采集和傳輸控制中隊(duì)軟決策的抑制因子。

數(shù)據(jù)采集過(guò)程中軟決策因子隨時(shí)間和信噪比的漫游如圖1所示。其中，橫坐標(biāo)表示時(shí)間，縱坐標(biāo)表示信道信噪比，X表示軟決策驅(qū)動(dòng)因子，兩條虛線分別表示兩次數(shù)據(jù)采集。從中可以看出，軟決策可以很好地平滑數(shù)據(jù)采集時(shí)間抖動(dòng)，消除信噪比的變化對(duì)數(shù)據(jù)采集信號(hào)的干擾。在時(shí)間上，軟決策因子漫游以降低鄰居數(shù)據(jù)采集終端之間的信號(hào)檢測(cè)干擾為目的。通過(guò)選擇信號(hào)檢測(cè)沖突較弱的鄰居終端作為下一跳漫游目標(biāo)，可以達(dá)到該目的。在信噪比上，以數(shù)據(jù)采集終端的天線角頻率和天線指向?yàn)橐罁?jù)，選擇信道質(zhì)量較為一致的數(shù)據(jù)采集終端為下一跳漫游目標(biāo)，不僅可以縮短漫游延遲，提高數(shù)據(jù)采集終端工作效率，而且可以減少漫游次數(shù)，避免長(zhǎng)時(shí)間漫游延長(zhǎng)數(shù)據(jù)傳輸延遲和增大失真概率。在圖1中，給出了兩條軟決策因子漫游路徑。其中向上凸起的虛線漫游路徑，表示第一階段數(shù)據(jù)發(fā)送中軟決策因子漫游路徑。該路徑避開(kāi)了X1終端。這是因?yàn)樵跁r(shí)間上該終端處于下游，容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸延遲增大，在信噪比上，該終端的信道質(zhì)量較差[13-15]。向下凸起的虛線漫游路徑，表示第二階段據(jù)發(fā)送中軟決策因子漫游路徑。該路徑避開(kāi)了X2終端。這是因?yàn)殡m然在時(shí)間上該終端處于上游，但抖動(dòng)較為嚴(yán)重容易增大數(shù)據(jù)采集終端工作負(fù)荷，降低數(shù)據(jù)采集終端工作效率，而且在信噪比上，該終端的信道質(zhì)量很差。

圖1 軟決策因子漫游圖

2 協(xié)作MIMO的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

為了進(jìn)一步改善數(shù)據(jù)采集效率和精確度，更好地發(fā)揮軟決策驅(qū)動(dòng)模塊工作效率，在數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計(jì)如圖 2所示的協(xié)作 MIMO （Multiple-Input Multiple-Output）架構(gòu)。其中，將軟決策模塊外置，是為了更好地感知數(shù)據(jù)采集過(guò)程中驅(qū)動(dòng)因子漫游情況。外置模塊可以提高漫游效率和數(shù)據(jù)采集精度。當(dāng)時(shí)間序列改變時(shí)，該模塊可以選擇最佳角度尋找協(xié)作數(shù)據(jù)采集終端；當(dāng)端到端信噪比發(fā)生抖動(dòng)時(shí)，該模塊能夠感應(yīng)信道質(zhì)量，實(shí)時(shí)改變漫游進(jìn)程，優(yōu)化圖2中的協(xié)作信道矩陣。驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)置在終端內(nèi)部，一方面可以提高對(duì)外界干擾抗毀性，保護(hù)數(shù)據(jù)采集終端，另一方面可以縮短軟決策與數(shù)據(jù)采集終端處理器的命令響應(yīng)延遲。

圖2 協(xié)作MIMO數(shù)據(jù)采集終端

假設(shè)數(shù)據(jù)采集終端布設(shè)N根天線，協(xié)作數(shù)據(jù)采集終端部署M根天線，協(xié)作數(shù)據(jù)采集信道形成一個(gè)N*M的信號(hào)矩陣，該矩陣信號(hào)向量如公式（3）所示。

其中，hi→j表示數(shù)據(jù)采集終端第i根天線與協(xié)作數(shù)據(jù)采集終端第j根天線的信號(hào)強(qiáng)度。

此外，圖2中的協(xié)作數(shù)據(jù)采集終端與發(fā)送數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集終端結(jié)構(gòu)相同，只是增加了協(xié)作MIMO模塊。該模塊用于感知協(xié)作信道矩陣，檢測(cè)信號(hào)傳輸過(guò)程，統(tǒng)計(jì)協(xié)作傳輸信號(hào)強(qiáng)度。數(shù)據(jù)采集終端的N根發(fā)射天線，線性部署在終端外部。N根天線之間保持一定距離，避免內(nèi)部干擾和信號(hào)重疊。協(xié)作數(shù)據(jù)采集終端的M根天線線性部署在外部，同樣保持一定距離，避免接收信號(hào)的融合干擾和內(nèi)部噪聲對(duì)數(shù)據(jù)精度的影響。N根發(fā)射天線與M根接收天線之間的信號(hào)通過(guò)非線性方式傳遞，組成N*M種無(wú)序信號(hào)序列，通過(guò)協(xié)作數(shù)據(jù)采集終端的軟決策驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行濾波和整流。此處注意，在協(xié)作數(shù)據(jù)采集終端，驅(qū)動(dòng)模塊必須外置在終端外部，這樣主要是為了避免數(shù)據(jù)發(fā)送終端的軟決策的延遲干擾噪聲數(shù)據(jù)接收信號(hào)失真，從而降低數(shù)據(jù)采集精度。

協(xié)作數(shù)據(jù)采集終端信號(hào)檢測(cè)精度如公式（4）所示。

3 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的軟決策驅(qū)動(dòng)的協(xié)作MIMO數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在不同距離和信道質(zhì)量下對(duì)數(shù)據(jù)采集效率和精度的保障能力，設(shè)計(jì)了如表1所示的一組實(shí)驗(yàn)。從通信距離對(duì)數(shù)據(jù)采集終端工作效率和信噪比對(duì)數(shù)據(jù)精度的影響，兩個(gè)方面進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖3和4所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

從圖3可以看出，隨著距離的增大數(shù)據(jù)采集終端工作效率開(kāi)始下降，當(dāng)距離大于40 m后，工作效率下降較為明顯，但下降幅度小于0.05%，此時(shí)工作效率大于85%，表明數(shù)據(jù)采集終端依然可以正常采集數(shù)據(jù)。這是因?yàn)椴捎昧塑洓Q策驅(qū)動(dòng)，數(shù)據(jù)采集終端在數(shù)據(jù)感知、檢測(cè)和決策等方面表現(xiàn)出高工作效率。

從圖4發(fā)現(xiàn)，隨著信道質(zhì)量的改善，數(shù)據(jù)精度越來(lái)越高。當(dāng)信噪比大于30 dB后，數(shù)據(jù)精度幾乎以線性方式遞增。這是因?yàn)椴捎昧藚f(xié)作MIMO數(shù)據(jù)采集終端的協(xié)助，在低信噪比情況下依然保持高于75%的高精度數(shù)據(jù)采集。

圖3 數(shù)據(jù)采集終端工作效率

圖4 數(shù)據(jù)采集精度

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)在遠(yuǎn)距離和惡劣信道環(huán)境下數(shù)據(jù)采集終端工作效率低下和精度下降的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于軟決策驅(qū)動(dòng)和協(xié)作MIMO的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)首先通過(guò)軟決策驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)采集終端，根據(jù)信道質(zhì)量漫游軟決策因子提高數(shù)據(jù)采集終端工作效率，然后架構(gòu)協(xié)作MIMO信道矩陣，提高數(shù)據(jù)精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在50 m以內(nèi)距離工作效率可以達(dá)到85%以上，信噪比大于30 dB后數(shù)據(jù)精度可以達(dá)到85%以上。

[1]Martin Christian H，Svetoslav Ivanov N，Mads M Ller P，et al.Implementation of a versatile research data acquisition system using a commercially available medical ultrasound scanner[J].IEEE Transactions on Ultrasonics Ferroelectrics & Frequency Control，2012，59（7）:1487-1499.

[2]Lin Y C，Yang D N，Shuai H H，et al.Dataacquisition for probabilistic nearest-neighbor query [J].Knowledge&Data Engineering IEEE Transactions on，2015，27（2）:410-427.

[3]Patauner C，Marchioro A，Bonacini S，et al.A lossless data compression system for a real-time application in HEP data acquisition[J].IEEE Transactions on Nuclear Science，2011，58（4）: 1738-1744.

[4]Chase A O，Sampaio M H K，Almeida J F，et al. Data acquisition system:an approach to the amazonian environment[J].Latin America Transactions IEEE，2012，10（2）:1616-1621.

[5]Ogiboski L，Bravo Pariente C A，Magrini L C，et al.Real-time system for remote data acquisition in power station equipments[J].IEEE Latin America Transactions，2013，11（2）:865-869.

[6]Luchetta A，Manduchi G，Taliercio C，et al. Prototyping control and data acquisition for the ITER neutral beam test facility[J].IEEE Transactions on Nuclear Science，2013，60（5）:3454-3460.

[7]Wilson A R.Event triggered analog data acquisition using the exponential moving average[J]. Sensors Journal IEEE，2014，14（6）:2048-2055.

[8]Christian K，Mandy A，Gael B，et al.Axially elongated field-free pointdata acquisition in magnetic particle imaging[J].IEEE Transactions on Medical Imaging，2015，34（2）:381-387.

[9]張榮.基于DAQmx驅(qū)動(dòng)與LABVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2011，28（3）: 180-181.

[10]楊一嫚.基于PXI的MIMO信道測(cè)量平臺(tái)軟件架構(gòu)與數(shù)據(jù)處理算法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

[11]張艷，仰楓帆.基于非規(guī)則LDPC碼的協(xié)作MIMO系統(tǒng)性能分析 [J].數(shù)據(jù)采集與處理，2013，28（6）:714-718.

[12]馮彬彬.基于FMCW的MIMO超聲液位測(cè)量方法關(guān)鍵問(wèn)題的研究 [D].南京：南京信息工程大學(xué)，2013.

[13]竇冬冬，曹文魁，李兆訓(xùn).基于后驗(yàn)信息迭代的分布式MIMO信號(hào)軟檢測(cè)算法 [J].數(shù)據(jù)采集與處理，2012（S2）:304-309.

[14]付春琳.4G移動(dòng)通信室內(nèi)覆蓋MIMO移頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京郵電大學(xué)，2015.

[15]譚子尤，梁平元，黃國(guó)盛.一種新的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)高能效協(xié)作路由算法 [J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2012，48（36）:100-104.

Design of data acquisition system based on soft decision driven and collaborative MIMO

JING Ni-qin
（Beijing Polytechnic，Beijing 100176，China）

In order to improve the remote and poor channel environment data acquisition efficiency and accuracy of the terminal，designed a data acquisition system of soft decision driven and collaboration based on MIMO.The system，through the soft decision driven data acquisition terminal，according to the soft decision drive strength of the output and quality of channel to achieve soft decision factor roaming，also architecture cooperative MIMO channel matrix achieve cooperative control of data acquisition.The experimental results show that the design of the data acquisition system of less than 50 meters distance work efficiency can reach more than 85%，signal to noise ratio greater than 30dB data accuracy can reach more than 85%，indicating that the system not only has high work efficiency and data acquisition accuracy improved significantly.

data acquisition；soft decision driven；multiple-input multiple-output；cooperative control

TN124

：A

：1674－6236（2017）06-0092-04

2016-03-24稿件編號(hào)：201603324

景妮琴（1979—），女，山西臨汾人，碩士。研究方向：應(yīng)用電子方向。