通信實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分布式智能無(wú)線傳輸及共享方案

林昀軒， 劉 超， 包建榮， 姜 斌， 朱 芳， 何劍海

（1.杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院，杭州310018；2.寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程學(xué)院，浙江寧波315800）

0 引 言

當(dāng)今，各高校常把創(chuàng)新型人才培養(yǎng)作為教學(xué)目標(biāo)。但受傳統(tǒng)教育理念影響，高校提供給學(xué)生的課內(nèi)實(shí)踐機(jī)會(huì)相對(duì)較少。學(xué)生僅掌握書(shū)本理論知識(shí)，而缺乏創(chuàng)新意識(shí)和能力［1］。本文借助大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，對(duì)分布式無(wú)線傳輸模塊開(kāi)展了研制，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新和動(dòng)手能力。

相比有線實(shí)驗(yàn)設(shè)備，無(wú)線實(shí)驗(yàn)設(shè)備因其鋪設(shè)簡(jiǎn)單、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用［2-4］。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，因數(shù)據(jù)共享距離過(guò)遠(yuǎn)、傳輸過(guò)程中存在障礙物干擾等影響，無(wú)線設(shè)備常存在數(shù)據(jù)共享傳輸不穩(wěn)定問(wèn)題［5］。本文提出了一種通信實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分布式智能無(wú)線傳輸與共享方案，無(wú)線實(shí)驗(yàn)設(shè)備可彼此作為中繼節(jié)點(diǎn)，協(xié)助傳輸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)［6-7］。對(duì)通信實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行再次開(kāi)發(fā)，增加了分布式無(wú)線傳輸模塊。該模塊可根據(jù)各無(wú)線實(shí)驗(yàn)設(shè)備的反饋信息，采用不同數(shù)據(jù)共享方式，較好地改善系統(tǒng)中斷性能。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及硬件

本文設(shè)計(jì)了如圖1所示的無(wú)線數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括無(wú)線實(shí)驗(yàn)設(shè)備、分布式中繼節(jié)點(diǎn)和教師監(jiān)控設(shè)備。當(dāng)學(xué)生利用無(wú)線實(shí)驗(yàn)設(shè)備完成實(shí)驗(yàn)后，教師可通過(guò)分布式無(wú)線中繼傳輸模塊實(shí)時(shí)獲取學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并自動(dòng)校驗(yàn)數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確。當(dāng)某無(wú)線實(shí)驗(yàn)設(shè)備與教師監(jiān)控設(shè)備之間傳輸鏈路不穩(wěn)定時(shí)，可采用分布式中繼節(jié)點(diǎn)協(xié)作傳輸信息，使得教師監(jiān)控設(shè)備獲得實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的信息。

圖1 通信實(shí)驗(yàn)無(wú)線數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

分布式無(wú)線傳輸模塊的通信實(shí)驗(yàn)箱硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。采用了帶模擬/數(shù)字（A/D）轉(zhuǎn)換的單片機(jī)作為系統(tǒng)核心部分。同時(shí)，包含存儲(chǔ)器、無(wú)線保真（WiFi）射頻模塊及數(shù)據(jù)端口輸入/輸出（I/O）等器件。

圖2 通信實(shí)驗(yàn)箱硬件結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)傳輸協(xié)議改進(jìn)

在整個(gè)無(wú)線數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)中，每個(gè)無(wú)線實(shí)驗(yàn)設(shè)備既可作為源節(jié)點(diǎn)，又可作為潛在的分布式中繼節(jié)點(diǎn)。教師監(jiān)控設(shè)備為目的節(jié)點(diǎn)。整個(gè)協(xié)助傳輸過(guò)程分2個(gè)時(shí)隙完成。在第1時(shí)隙，源節(jié)點(diǎn)同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)給中繼和目的節(jié)點(diǎn)。中繼和目的節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)為：

式中：PS為源節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率；hSD、hSR分別為源-目的節(jié)點(diǎn)（S-D）和源-中繼節(jié)點(diǎn)（S-R）鏈路信道系數(shù)，服從均值為0、方差分別為δ2和δ2的復(fù)高斯隨機(jī)分布；

SDSRnSD、nSR為加性高斯白噪聲，服從均值為0、方差為N0的復(fù)高斯分布。

在第2時(shí)隙，根據(jù)S-D和S-R鏈路的信道質(zhì)量，共有4種傳輸情況（其中門(mén)限T=（22R-1）/SNR［8］，R為信息傳輸速率；SNR為發(fā)送信噪比）：

第1時(shí)隙，目的節(jié)點(diǎn)能正確接收源節(jié)點(diǎn)發(fā)出的數(shù)據(jù)，采用非協(xié)作傳輸方式。

第1時(shí)隙，目的節(jié)點(diǎn)無(wú)法正確接收源節(jié)點(diǎn)發(fā)出的數(shù)據(jù)，需在第2時(shí)隙對(duì)數(shù)據(jù)重傳。此時(shí)目的節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)形式與式（1）相同。

第1時(shí)隙，目的節(jié)點(diǎn)無(wú)法正確接收源節(jié)點(diǎn)發(fā)出的數(shù)據(jù)，需中繼節(jié)點(diǎn)在第2時(shí)隙采用譯碼轉(zhuǎn)發(fā)（DF）［9］協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)給目的節(jié)點(diǎn)。此時(shí)，目的節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)為：

式中：PR為源節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率；hRD為R-D鏈路信道系數(shù)，服從均值為0、方差為的復(fù)高斯隨機(jī)分布；nRD為中繼-目的節(jié)點(diǎn)（R-D）鏈路的加性高斯白噪聲，服從均值為0、方差為N0的復(fù)高斯隨機(jī)。

第1時(shí)隙，目的節(jié)點(diǎn)無(wú)法正確接收源節(jié)點(diǎn)發(fā)出的數(shù)據(jù)，需中繼節(jié)點(diǎn)在第2時(shí)隙采用放大轉(zhuǎn)發(fā)（AF）協(xié)作［10］轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)給目的節(jié)點(diǎn)。此時(shí)，目的節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)為：

2.1 分布式傳輸目標(biāo)函數(shù)分析

誤符號(hào)率，即誤碼率，用于衡量協(xié)作傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕?1］。根據(jù)上述分析，增強(qiáng)選擇混合譯碼放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作（ISHDAF）的誤符號(hào)率（SER）可用下式表示：

式中：PDT（e）、PDRT（e）、PDF（e）和PAF（e）分別為直傳、源節(jié)點(diǎn)重傳、采用DF和AF協(xié)作時(shí)的SER；Pr（|hSD|2＞T）為|hSD|2＞T時(shí)的概率。

因?yàn)閨hSD|2、|hSR|2和|hRD|2服從參數(shù)為的指數(shù)分布，且相互統(tǒng)計(jì)獨(dú)立，故有：

當(dāng)調(diào)制方式為多（如M）進(jìn)制相移鍵控（M-PSK）時(shí)，接收端的誤符號(hào)率P（e）為［12-13］：

式中，b=sin［2π/M）；r為接收端信噪比。

在前2種模式，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由源節(jié)點(diǎn)直接傳輸，系統(tǒng)SER可用式（7）表示。當(dāng)采用協(xié)作傳輸方式時(shí)，只有中繼節(jié)點(diǎn)在第1時(shí)隙正確接收源節(jié)點(diǎn)發(fā)出的數(shù)據(jù)時(shí)采用DF協(xié)作，否則采用AF協(xié)作。所以，系統(tǒng)SER也可用式（7）表示。而且，已知4種模式下的目的節(jié)點(diǎn)接收信噪比分別為：

將式（8）代入式（7），得到：

因rSD、rDF和rAF均服從指數(shù)分布，根據(jù)指數(shù)分布的矩量母函數(shù)，得到：

因在高信噪比時(shí)，有：

將式（10）、（11）代入式（9），并計(jì)算可得：

將式（6）、（12）代入式（5），即可得到ISHDAF協(xié)作的SER表達(dá)式。

在總功率約束下，即PS+PR=P（P為固定值），ISHDAF協(xié)作最優(yōu)功率分配問(wèn)題，可轉(zhuǎn)為以下優(yōu)化問(wèn)題：

因門(mén)限T隨PS而改變，將其代入式（13），并使用拉格朗日乘數(shù)法，無(wú)法得到PS和PR的閉式解析式。故本文采用改進(jìn)的遺傳算法［14-15］解決這一問(wèn)題。

在我們的課后輔導(dǎo)中必須要強(qiáng)調(diào)重點(diǎn)的突出，如果不突出重點(diǎn)，沒(méi)有充分地體現(xiàn)出分層教學(xué)的特點(diǎn)，那么會(huì)導(dǎo)致很多學(xué)習(xí)弱的學(xué)生還是對(duì)學(xué)習(xí)的知識(shí)一知半解，不能夠有效的吸收，從而產(chǎn)生厭學(xué)情緒。對(duì)于學(xué)習(xí)強(qiáng)的學(xué)生會(huì)感覺(jué)學(xué)習(xí)內(nèi)容沒(méi)有任何的難度，失去學(xué)習(xí)的激情。那么在小學(xué)數(shù)學(xué)的課后輔導(dǎo)中應(yīng)該注重哪些重點(diǎn)呢？

2.2 改進(jìn)的分布式傳輸遺傳算法實(shí)現(xiàn)

設(shè)源、中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率分別為：

式（13）中的功率分配問(wèn)題可轉(zhuǎn)化為求解最優(yōu)功率分配因子α 的值。將式（14）、（15）代入式（5），則其轉(zhuǎn)變成只擁有單一未知數(shù)α的復(fù)雜多項(xiàng)式?？刹捎眠z傳算法來(lái)求解最優(yōu)功率分配因子α。同時(shí)，算法中個(gè)體自適應(yīng)度函數(shù)為式（5）的倒數(shù)。

為減少算法耗時(shí)，對(duì)傳統(tǒng)遺傳算法進(jìn)行了改進(jìn)。在優(yōu)化算法中，種群中個(gè)體染色體長(zhǎng)度隨當(dāng)前總功率自適應(yīng)改變，初代個(gè)體數(shù)目與染色體長(zhǎng)度成正比。當(dāng)功率分配最大偏差固定為t時(shí)，為求得最優(yōu)功率分配因子α，個(gè)體染色體長(zhǎng)度l應(yīng)滿足：

根據(jù)式（16），當(dāng)總功率P較小時(shí)，l不需太長(zhǎng)即可達(dá)到所需功率分配最大偏差。當(dāng)總功率較大時(shí)，為驗(yàn)證微小功率分配偏差θ對(duì)系統(tǒng)SER影響不大，可假設(shè)此時(shí)源、中繼節(jié)點(diǎn)處的功率為：

式中，θ＜ ＜P=PS+PR。將式（17）、（18）代入式（5），即可證明微小功率偏差分配對(duì)SER影響不大。為提高算法總體性能，當(dāng)總功率較大時(shí)，功率分配最大偏差t可稍降低。當(dāng)系統(tǒng)誤符號(hào)率的最大誤差c受限時(shí)，功率分配最大偏差t可由以下優(yōu)化方程給出：

式中，PISHDAF（P）為源節(jié)點(diǎn)功率為P時(shí)的SER。

根據(jù)式（19），不同總功率下的功率分配最大偏差t見(jiàn)表1，其中c為10-4。

表1 不同總功率下的功率分配最大偏差

2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸流程

本文所提無(wú)線數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)的傳輸流程如下：

（1）教師在完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)布置后，在后臺(tái)系統(tǒng)錄入本次實(shí)驗(yàn)可能的數(shù)據(jù)范圍，以便對(duì)學(xué)生傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)校驗(yàn)；

（2）學(xué)生完成部分實(shí)驗(yàn)后，點(diǎn)擊“保存”按鈕，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)緩存至存儲(chǔ)器中，以防實(shí)驗(yàn)設(shè)備斷電等突發(fā)情況發(fā)生導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)丟失；

（3）數(shù)據(jù)保存完成后，無(wú)線傳輸模塊將自動(dòng)同步數(shù)據(jù)傳給教師端，校驗(yàn)數(shù)據(jù)的正確性。此時(shí)，正在傳輸數(shù)據(jù)的無(wú)線實(shí)驗(yàn)設(shè)備可作為源節(jié)點(diǎn)，其余未在傳輸數(shù)據(jù)的設(shè)備節(jié)點(diǎn)均可作為中繼節(jié)點(diǎn)，教師端監(jiān)控設(shè)備作為目的節(jié)點(diǎn)；

（4）作為中繼節(jié)點(diǎn)的無(wú)線試驗(yàn)設(shè)備根據(jù)接收鏈路的信道質(zhì)量，選擇不同協(xié)作方式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)給目的節(jié)點(diǎn)；

（5）目的節(jié)點(diǎn)接收到源、中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼，得到學(xué)生傳輸過(guò)來(lái)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

（6）教師端監(jiān)控設(shè)備接收到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，在后臺(tái)與預(yù)先設(shè)定好的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)比對(duì)，并將比對(duì)結(jié)果顯示在前臺(tái)頁(yè)面供教師查看。根據(jù)比對(duì)結(jié)果，教師可實(shí)時(shí)了解學(xué)生實(shí)驗(yàn)情況，并為與預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差甚遠(yuǎn)的學(xué)生提供針對(duì)性指導(dǎo)。

3 仿真測(cè)試

為驗(yàn)證教師端監(jiān)控設(shè)備接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，進(jìn)行以下仿真。在仿真測(cè)試中，設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸速率R=1 bit/s，加性高斯白噪聲方差N0=1。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用2PSK調(diào)制，海明距離L為2，罰函數(shù)為0.1。若無(wú)特殊說(shuō)明，有

本系統(tǒng)所采用功率分配算法收斂性如圖3所示。

圖3 改進(jìn)遺傳算法迭代次數(shù)與最優(yōu)α取值關(guān)系

設(shè)置系統(tǒng)總功率P=1 W，種群大小分別為30、60和100。由圖3可見(jiàn)：當(dāng)種群大小為30時(shí)，因群體多樣性偏低，算法在迭代次數(shù)為31次時(shí)才收斂。隨著種群大小增多，初代群體多樣性提高，算法只需少量迭代即可產(chǎn)生最優(yōu)個(gè)體，即最優(yōu)功率分配因子α。當(dāng)種群大小為60和100時(shí)，算法分別在第6和第4次得到收斂。在每次迭代中，經(jīng)選擇、交叉、變異等操作，算法將保留自適應(yīng)度最高的個(gè)體作為下一次迭代父代。這一代個(gè)體繼承了上一代的優(yōu)良特性，逐步朝著最優(yōu)解方向進(jìn)化，故無(wú)論種群為30、60還是100，算法終將收斂于同一最優(yōu)α值。

在不同總功率下3種算法的耗時(shí)如圖4所示。由圖4可見(jiàn)，為實(shí)現(xiàn)同精度功率分配，總功率較低時(shí)，遺傳算法耗時(shí)略大于枚舉法，但相差不大。隨著總功率提高，枚舉法耗時(shí)大幅上升，遠(yuǎn)大于遺傳算法耗時(shí)?？偣β蕿?0 W時(shí)，相比枚舉法，遺傳算法可減少約65 s耗時(shí)。隨著總功率提高，為實(shí)現(xiàn)同精度功率分配，傳統(tǒng)遺傳算法個(gè)體染色體長(zhǎng)度增大，算法耗時(shí)增加。但據(jù)式（5）、（17）、（18）計(jì)算得：這種染色體長(zhǎng)度的增大并不必要，微小功率偏差分配對(duì)SER影響不大。

圖4 3種算法運(yùn)行時(shí)間對(duì)比

如圖5所示，在不同總功率P約束下，3種算法獲得的最優(yōu)α取值。

圖5 3種算法最優(yōu)α值對(duì)比

因個(gè)體染色體長(zhǎng)度較低，改進(jìn)遺傳算法功率分配最大偏差小于傳統(tǒng)遺傳算法，故最優(yōu)α取值存在微小偏差。但據(jù)式（5）、（14）、（15）計(jì)算得：微小α 偏差對(duì)SER影響不大。結(jié)合圖4、5得：相比傳統(tǒng)遺傳算法，改進(jìn)算法可實(shí)現(xiàn)等效功率分配，耗時(shí)更少。

圖6所示為等功率分配時(shí)ISHDAF、增強(qiáng)選擇放大轉(zhuǎn)發(fā)（ISAF）［16］、增強(qiáng)選擇譯碼轉(zhuǎn)發(fā)（ISDF）數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)與自適應(yīng)功率分配時(shí)ISHDAF數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)的SER性能。

由圖6可見(jiàn)：等功率分配時(shí)，因ISDF協(xié)作在中繼處存在錯(cuò)誤解碼傳播問(wèn)題，SER最高；相比ISAF協(xié)作，ISHDAF協(xié)作的SER有明顯降低，在SER為10-4時(shí)，ISHDAF協(xié)作可得約1.03 dB功率增益。當(dāng)總功率提高時(shí)，ISHDAF協(xié)作的門(mén)限值T降低，的概率增大，信號(hào)主要靠源節(jié)點(diǎn)傳輸和重傳。根據(jù)式（13），將更多功率分配給源節(jié)點(diǎn)，可顯著降低SER。自適應(yīng)功率分配時(shí)，ISHDAF協(xié)作的SER可進(jìn)一步降低。在SER為10-4時(shí)，相對(duì)等功率分配，自適應(yīng)功率分配可得約0.62 dB功率增益。

圖6 4種不同數(shù)據(jù)共享通信系統(tǒng)SER仿真

4 結(jié) 語(yǔ)

為提升當(dāng)代大學(xué)生實(shí)踐能力，借助大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，指導(dǎo)學(xué)生對(duì)分布式無(wú)線傳輸模塊進(jìn)行優(yōu)化，并提出一種通信數(shù)據(jù)分布式智能無(wú)線傳輸與共享方案。經(jīng)測(cè)試，該方案滿足實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)傳輸與共享要求，可有效解決無(wú)線實(shí)驗(yàn)設(shè)備因數(shù)據(jù)共享距離過(guò)遠(yuǎn)、傳輸過(guò)程中存在障礙物干擾等原因?qū)е聰?shù)據(jù)傳輸及共享的不穩(wěn)定問(wèn)題。