礦井無(wú)線通信系統(tǒng)功率分配優(yōu)化算法

許艷英，包宋建，張　郭

(1.重慶科創(chuàng)職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院， 重慶　永川　402160; 2.重慶文理學(xué)院電子電氣工程學(xué)院， 重慶　永川　402160)

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礦井無(wú)線通信系統(tǒng)功率分配優(yōu)化算法

許艷英1，包宋建2，張郭1

(1.重慶科創(chuàng)職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院， 重慶永川402160; 2.重慶文理學(xué)院電子電氣工程學(xué)院， 重慶永川402160)

針對(duì)礦井無(wú)線通信系統(tǒng)中主、次級(jí)信號(hào)傳輸存在相互干擾等問(wèn)題，提出了集中式功率分配算法，建立了功率分配系統(tǒng)模型，列出了中繼節(jié)點(diǎn)處功率分配的目標(biāo)函數(shù)，以此來(lái)最大化系統(tǒng)加權(quán)速率以及最小化系統(tǒng)加權(quán)功率，并對(duì)集中式系統(tǒng)的功率分配進(jìn)行分析，把問(wèn)題轉(zhuǎn)化為特定的最小化和最大化問(wèn)題求出最優(yōu)解，使信號(hào)間的干擾最小化.算法應(yīng)用于實(shí)際礦井通信測(cè)試并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析，表明該分配方案正確、可行.

礦井通信；功率分配；算法優(yōu)化

煤礦礦井無(wú)線通信系統(tǒng)屬于煤礦通信六大系統(tǒng)之一[1]，用于生產(chǎn)、調(diào)度、管理、救援等各個(gè)環(huán)節(jié)中, 在煤礦作業(yè)中占有非常重要的位置.煤礦通信系統(tǒng)包括有線通信系統(tǒng)與無(wú)線通信系統(tǒng)[2]，其中無(wú)線通信系統(tǒng)早已成為煤礦信息化及生產(chǎn)安全管理的重要途徑.煤礦井下通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)男盘?hào)很多，在此把需要不間斷傳輸?shù)男盘?hào)定為主級(jí)別信號(hào)，而其余信號(hào)定為次級(jí)別信號(hào).井下環(huán)境監(jiān)測(cè)信號(hào)可認(rèn)為是主級(jí)別信號(hào).當(dāng)主、次級(jí)別信號(hào)同時(shí)傳輸時(shí)，為減少二者之間的干擾，需要嚴(yán)格控制各自的發(fā)射功率，而控制功率又會(huì)對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的吞吐量造成一定的影響[3].因此，如何保證主、次級(jí)別信號(hào)的傳輸質(zhì)量與傳輸速率是通信網(wǎng)絡(luò)需要解決的問(wèn)題.

1　功率分配模型建立

煤礦井下的作業(yè)環(huán)境極其惡劣、復(fù)雜，導(dǎo)致礦井內(nèi)的通信具有移動(dòng)速度慢、傳輸衰耗大、設(shè)備體積小、發(fā)射功率小等特點(diǎn).在無(wú)線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)中，傳輸信號(hào)通過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)中轉(zhuǎn)至目的節(jié)點(diǎn)[4].現(xiàn)有的參考文獻(xiàn)中，在中繼節(jié)點(diǎn)處對(duì)接收到的各種信號(hào)主要采用等功率分配方案進(jìn)行信號(hào)中轉(zhuǎn).該方案能夠保證各信號(hào)的傳輸，但對(duì)信號(hào)間的干擾問(wèn)題不能很好地解決.本文提出一種改進(jìn)的功率分配方案，分別來(lái)最大化系統(tǒng)加權(quán)速率以及最小化系統(tǒng)加權(quán)功率，同時(shí)最小化信號(hào)間的干擾.

(1)

其中：i∈{1,2,…,N}，GSi是次級(jí)信號(hào)源節(jié)點(diǎn)Si的發(fā)射功率，GS0代表主級(jí)信號(hào)源節(jié)點(diǎn)S0的發(fā)射功率，CSiRSi代表Si到RSi間即時(shí)信道增益，QS0RSi為S0與RSi間的即時(shí)信道增益.信道增益包括路徑損耗與衰落.usiRSi是RSi處的白高斯噪聲，方差為NsiRSi.

(3)

(4)

其中，

(5)

(6)

結(jié)合(4)—(6)式可以看出，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)的發(fā)出功率GSi固定時(shí)，ri是關(guān)于GRSi單調(diào)遞增的.當(dāng)GRSi固定時(shí)，ri關(guān)于GRSi單調(diào)遞增.ri的單調(diào)性為礦井功率分配方案的優(yōu)化提供了一定的基礎(chǔ).

2　集中式功率分配算法

礦井無(wú)線通信系統(tǒng)同時(shí)傳輸著實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)、周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)甚至重復(fù)的低等待數(shù)據(jù)等[5].為簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)類型，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)定為主級(jí)別信號(hào)，其余各類定為次級(jí)信號(hào).當(dāng)主級(jí)信號(hào)與次級(jí)信號(hào)通過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，如何有效進(jìn)行功率分配使得相互之間的干擾最小，并且最大化系統(tǒng)的加權(quán)速率是首要任務(wù).集中式功率分配方案是指統(tǒng)一用一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)主次信號(hào)，并且將系統(tǒng)的加權(quán)速率最大化及系統(tǒng)的加權(quán)功率最小化，使不同的信號(hào)相互之間干擾最小.

2.1最小化系統(tǒng)加權(quán)功率

當(dāng)?shù)V井無(wú)線通信系統(tǒng)傳輸著N個(gè)次級(jí)信號(hào)時(shí)，各自的源節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率GSi存在差異.維護(hù)礦井通信系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)比較困難[6].因此，合理分配不同權(quán)重的中繼功率、最小化系統(tǒng)加權(quán)功率的目標(biāo)是非常必要的.(7)式是最小化系統(tǒng)加權(quán)功率的目標(biāo)函數(shù).約束條件如(8)—(11)式.

(7)

s.t. ri≥rith

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

進(jìn)一步化簡(jiǎn)得

ri,th·(λi-1GSi-1γi-1GRSi-1+ γi-1GRSi-1+

λi-1GSi-1)≤1

(13)

其余的約束條件也都是標(biāo)準(zhǔn)多項(xiàng)式.因此，集中式的最小化系統(tǒng)加權(quán)功率分配方案可以通過(guò)集中規(guī)劃給出最優(yōu)解.

2.2最大化系統(tǒng)加權(quán)速率

礦井中的各種信號(hào)的傳輸速率是非常重要的通信指標(biāo)[7].節(jié)點(diǎn)的功率分配應(yīng)該盡可能最大化系統(tǒng)的加權(quán)速率，從而獲得較高的網(wǎng)絡(luò)吞吐量，可以保證不同發(fā)射功率的源節(jié)點(diǎn)的傳輸公平性.在2.1中已經(jīng)定義wi是源節(jié)點(diǎn)Si的功率權(quán)重系數(shù)，所有次級(jí)信號(hào)的即時(shí)加權(quán)速率為

(14)

集中式最大化加權(quán)速率功率分配方案可表示為

(15)

(16)

由可導(dǎo)函數(shù)的一階泰勒估計(jì)以及函數(shù)f(y)=logf(ey)在點(diǎn)y=logx附近的展開(kāi)可得

(17)

在此定義ki=eSi，則上式可以轉(zhuǎn)化為

(18)

(19)

通過(guò)泰勒公式的一階展開(kāi)，把上式看成單項(xiàng)式，可變換為

(20)

其中，ai(j)、bi(j)、ci(j)分別為

(21)

(22)

(23)

此外，加權(quán)速率的其他約束條件(8)—(11)式及(16)式也可以轉(zhuǎn)換為單項(xiàng)式.因此，第n次迭代最優(yōu)化問(wèn)題就轉(zhuǎn)化為

(24)

約束條件為(8)—(11)式.因此，加權(quán)速率最大化的最終解可以通過(guò)迭代收斂準(zhǔn)則得出，具體步驟如下:

(1)初始化功率G0，然后計(jì)算(15)式；

(2)由(21)—(23)式，可以計(jì)算出ai(j)、bi(j)、ci(j)，再分別通過(guò)(20)式，得到相應(yīng)的計(jì)算式；

(3)利用線性規(guī)劃求解(23)式；

(5)利用得出的G返回步驟(2)中.

3　算法性能測(cè)試

3.1最小化系統(tǒng)加權(quán)功率

無(wú)線通信信號(hào)在井下的傳輸距離非常受限.實(shí)踐證明，在2個(gè)節(jié)點(diǎn)間的傳輸距離小于15 m時(shí)，能夠保證數(shù)據(jù)的基本傳輸.為了驗(yàn)證本文算法的可靠性，選擇項(xiàng)目合作企業(yè)永川區(qū)某煤礦的典型礦井進(jìn)行測(cè)試，并將測(cè)試結(jié)果進(jìn)行仿真分析.在仿真分析時(shí)，將本方案與等功率分配方案同時(shí)進(jìn)行仿真比較，如圖1所示.

圖1　系統(tǒng)加權(quán)功率對(duì)信噪比門限r(nóng)i,th

通過(guò)圖1仿真曲線可以看出，本文的功率分配方案在目的節(jié)點(diǎn)處的確得到了更大的等效信噪比門限閾值.此外，等權(quán)重系數(shù)情況下的功率分配性能優(yōu)于權(quán)重不同時(shí)的分配方案.圖2為在固定等效信噪比門限值的情況下，系統(tǒng)加權(quán)功率隨著中繼節(jié)點(diǎn)處的傳輸功率的變化情況.相比等功率分配方案，本文的方法可以得到較小的功率損耗.

圖2　系統(tǒng)加權(quán)功率對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)最大傳輸功率

3.2最大化系統(tǒng)加權(quán)速率

圖3　系統(tǒng)加權(quán)速率對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)最大傳輸功率

4　結(jié)論

本文提出的集中式功率分配算法不僅能保證數(shù)據(jù)傳輸速率，又使系統(tǒng)的消耗功率得到保障，而速率和功率又是影響網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和可靠性的主要因素.集中式功率分配算法對(duì)小型礦井通信設(shè)備非常適用.該算法運(yùn)用統(tǒng)一中心節(jié)點(diǎn)對(duì)功率進(jìn)行分配計(jì)算，然后將分配結(jié)果傳送給各個(gè)節(jié)點(diǎn).該算法已在永川區(qū)某煤礦進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了方案的可行性和正確性，同時(shí)極大地降低了計(jì)算冗余和開(kāi)銷.

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(責(zé)任編輯穆剛)

Algorithm of allocation optimization of mine wireless communication system power

XU Yanying1, BAO Songjian2, ZHANG Guo1

(1. College of Electronic and Mechanical Engineering, Chongqing Creation Vocational College, Yongchuan Chongqing 402160, China；2. College of Electronic and Electrical Engineering, Chongqing University of Arts and Sciences, Yongchuan Chongqing 402160, China)

In terms of the problems such as the mutual interference existing in the communication of major and minor signals in the mine wireless communication, centralized power allocation algorithm was proposed. The power allocation system model was established, and the object function of power allocation at the relay node was listed, in order to maximize and minimize the system weighted rate. Also analysis was made on the power allocation of centralized system, turning the issue into the special minimized and maximized ones to get the optimized solutions, to minimize the interference of mutual signals. The algorithm was used in the actual mine communication test, and the simulation analysis was made on the test data, showing the allocation method is correct and practicable.

mine communication; power distribution; algorithm to optimize

2015-12-17

重慶市教育委員會(huì)自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (KJ131208)；重慶市永川區(qū)科技計(jì)劃基金項(xiàng)目(Ycstc,2014ac3001).

許艷英(1974—)，女，內(nèi)蒙赤峰人，副教授，主要從事電氣工程與智能監(jiān)控方面的研究.

TN923

A

1673-8004(2016)05-0041-04