多廠房生產(chǎn)線無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的功率控制與性能優(yōu)化

程曉飛

（青島黃海學(xué)院，青島 266427）

0 引言

隨著工業(yè)化進程的推進，自動化生產(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，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：長距離或偏遠地區(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，生產(chǎn)設(shè)備對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備干擾強等問題，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)某個生產(chǎn)線位于網(wǎng)絡(luò)邊緣區(qū)時，發(fā)生信號失真的概率相對較高。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，對應(yīng)的數(shù)據(jù)傳送標準應(yīng)具有可替換特點[3-4]，這也是性能優(yōu)化的前提。

針對以上問題，文中提出一種無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方案，將共軛波束[5]標準化，研究其功率控制效果和對系統(tǒng)的頻譜效率和能量效率的影響。同時，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]，以實現(xiàn)良好的性價比。此外，系統(tǒng)以移動終端為中心進行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計，可有效地與基站建立數(shù)據(jù)連接，弱化邊界干擾，對于自動化生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展有著積極的促進作用。

1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 總體框架

單廠房內(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，確立廠房內(nèi)的生產(chǎn)線數(shù)量與布局，各個通訊設(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內(nèi)中進行。對于長距離或偏遠的多廠房生產(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)點接入的形式實現(xiàn)，每個節(jié)點均具有增功率天線，從而有效地實現(xiàn)多區(qū)域的靈活布點，并且大大降低部署場地的復(fù)雜性，適用于弱信號環(huán)境。同時，實現(xiàn)分散特性的基站可全面覆蓋移動終端，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)點的數(shù)量以及分布密度可根據(jù)實際情況進行調(diào)整，但是不同覆蓋范圍內(nèi)的基站信號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)

為了將有效信號準確地剝離，可在系統(tǒng)中引入多點聯(lián)合發(fā)送技術(shù)[8]，即采用分布式的控制策略，將各個基站進行分類和協(xié)作，建立合理的通訊連接組合，最終實現(xiàn)弱化干擾信號影響的效果。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。為了驗證該種通訊結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，需要對其頻率效率和能量效率進行分析。

1.2 數(shù)據(jù)傳輸模型

假設(shè)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)有N個增功率天線，其中處于相同工作時間段上的有M個，處于相同頻率段上的有K個，在給定的通訊區(qū)域內(nèi)隨機分布。系統(tǒng)內(nèi)的無線網(wǎng)絡(luò)接入點在進行數(shù)據(jù)返回時，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)點到移動終端的數(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)提前進行預(yù)編碼[11]。

設(shè)gmk為第k個用戶和第m個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的信道系數(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)，其在特定的時間段內(nèi)具有獨立性，屬于隨機變量。

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

式中，ρup為信號發(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個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點將獲取導(dǎo)頻向量與信噪比向量的內(nèi)積，實現(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)通訊采用的信號要依據(jù)用戶的終端信息。在歸一化條件下，第m個節(jié)點所發(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個終端的信號，ρd為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的信號發(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)的長期功率約束方程可表示為：

式中，αmk為代換量，其表達式為：

由數(shù)據(jù)傳輸模型可知，隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)的增大，信號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)傳輸模型的特點可知，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的實際發(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。將標準化共軛波束（Normalized CB）與常規(guī)共軛波束（Conventional CB）條件進行對比分析，可得出短期功率控制和長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士刂品矫妫瑯藴驶墓曹棽ㄊA(yù)編碼明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方案；從具體數(shù)值上分析，標準化共軛波束預(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。這是由于標準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，對應(yīng)的工作周期有著差大的差異性，因此，應(yīng)在確?；拘阅堋⒓嫒菪院推ヅ湫缘那疤嵯?，根據(jù)實際情況擇優(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 長期功率控制特性曲線

通過對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?最小功率分配標準的工況控制前提下，CB預(yù)編碼器的性能受終端數(shù)量的影響較小，因此，不同終端之間不會造成效率干擾。

在最大-最小功率分配標準控制下，可得出不同節(jié)點數(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)點的穩(wěn)定性；標準化共軛波束預(yù)編碼在相同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)下消耗的功率更低，適用于移動性顯著的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。

圖5 不同節(jié)點數(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，為了避免信號交互影響，不同終端天線發(fā)出的信號具有不相關(guān)性，包括量化后的高斯噪聲。為進一步提升系統(tǒng)的譜效率和能量效率，增加項中引入數(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)點傳輸導(dǎo)頻序列，并完成信道的估計，對下行鏈路的標準化共軛波束預(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，在計算時，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)點數(shù)量對頻譜效率的影響，分別在同頻段網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)K為20和10的條件下計算頻譜效率變化，結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯觯弘S著同時段工作的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(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)點數(shù)越多，頻譜效率越大。對于企業(yè)生產(chǎn)而言，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的數(shù)量需要合理的選取范圍，否則難以不利于經(jīng)濟效益的提升。若不同生產(chǎn)線之間的通訊距離較短，則適當(dāng)減小節(jié)點數(shù)量，以功耗為指標優(yōu)化頻譜效率。頻譜效率是衡量通訊系統(tǒng)抗干擾能力的指標之一，其變化規(guī)律是相關(guān)補充設(shè)備選取的重要依據(jù)。

圖7 不同節(jié)點數(shù)量下的頻譜效率

綜合運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，彌補信號的失真問題，同時滿足系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計要求。

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)各個生產(chǎn)線的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點與移動終端均為隨機分布，采用環(huán)繞原理對能量效率進行計算，可得出不同節(jié)點數(shù)量下的能量效率變化規(guī)律如圖8所示?？梢钥闯觯弘S著同時段網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量的增多，能量效率呈衰減趨勢變化；與頻譜效率變化相似，同頻段網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)越多，能量效率越高。

圖8 不同節(jié)點數(shù)量下的能量效率

由于系統(tǒng)引入了ADC功率模型，因此，量化比特數(shù)對能量效率將會產(chǎn)生一定的影響。在不同數(shù)量的同頻段網(wǎng)絡(luò)節(jié)點條件下，可得出能量效率隨數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換量化比特數(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)點數(shù)量K低于30時，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，當(dāng)量化比特數(shù)為4時，能量效率達到極值。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的分配和布置對于頻譜效率和能量效率均有著關(guān)鍵的影響，在隨機分布情況下，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 不同量化比特數(shù)下的能量效率

3 結(jié)語

無線數(shù)據(jù)傳輸是實現(xiàn)多廠房生產(chǎn)線高效、穩(wěn)定運行的基礎(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)值計算方法匹配最佳功率控制方案并驗證系統(tǒng)性能，主要結(jié)論如下：

1）相比傳統(tǒng)的CB預(yù)編碼器，標準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)點的數(shù)量對頻譜效率和能量效率的影響具有單調(diào)性，但對于不同的量化比特數(shù)，能量效率存在峰值。