5G 通信技術(shù)下無線自組網(wǎng)自適應(yīng)調(diào)制方法

賀穎姣，趙 君

（1.中國鐵塔股份有限公司重慶市分公司，重慶 401120；2.重慶市信息通信咨詢設(shè)計(jì)院有限公司鐵塔分院，重慶 401120）

0 引 言

現(xiàn)階段，無線自組網(wǎng)在民用、軍用領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用前景十分廣泛，屬于通信網(wǎng)絡(luò)研究中的熱點(diǎn)話題[1]。目前，相關(guān)無線自組網(wǎng)的研究較多，但現(xiàn)有的無線自組網(wǎng)研究成果大多集中在基礎(chǔ)層面，即網(wǎng)絡(luò)之間的節(jié)點(diǎn)連接，尚未有研究成果對無線自組網(wǎng)自適應(yīng)調(diào)制進(jìn)行深入探討[2]。在總結(jié)現(xiàn)有成果中發(fā)現(xiàn)，部分技術(shù)人員提出了要發(fā)揮無線自組網(wǎng)在市場內(nèi)更高的效益與價(jià)值，應(yīng)做好在網(wǎng)絡(luò)使用中的調(diào)制，但現(xiàn)有的無線自組網(wǎng)調(diào)制方法不僅無法滿足網(wǎng)絡(luò)使用中的自適應(yīng)需求，還會出現(xiàn)調(diào)制中網(wǎng)絡(luò)信號中斷、傳輸不暢等方面的問題[3]。因此，文章引進(jìn)5G 通信技術(shù)，對無線自組網(wǎng)自適應(yīng)調(diào)制方法展開全面的設(shè)計(jì)研究，旨在通過此次設(shè)計(jì)發(fā)揮無線自組網(wǎng)的更高的價(jià)值，為新型無線通信網(wǎng)絡(luò)在市場內(nèi)的推廣提供技術(shù)層面的支持。

1 設(shè)定5G 通信下無線自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)信息傳輸協(xié)議與格式

假定無線自組網(wǎng)下每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)唯一的身份標(biāo)識號碼（Identity Document，ID），該ID 可以是媒體存取控制位址（Media Access Control Address，MAC），也可以是節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)際互連協(xié)議（Internet Protocol，IP）地址，但無論任何一個(gè)地址，都應(yīng)當(dāng)在網(wǎng)絡(luò)中以唯一的形式存在[4]。在無線自組網(wǎng)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)中緩存的信息包括IP 地址、節(jié)點(diǎn)ID、全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)ID、競爭者IP、競爭者ID、請求IP 地址的重復(fù)次數(shù)、利用無線自組網(wǎng)發(fā)送報(bào)文信息時(shí)的時(shí)間間隔以及IP 地址的有效時(shí)間等，將緩存的信息作為5G 通信下無線自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)信息傳輸協(xié)議內(nèi)容[5]。

在分配節(jié)點(diǎn)IP 地址時(shí)，可以根據(jù)相關(guān)工作的具體需求進(jìn)行隨機(jī)分配。根據(jù)節(jié)點(diǎn)的傳輸與通信能力，建立無線自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)信息傳輸函數(shù)，函數(shù)表達(dá)式為

式中：C表示無線自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)信息傳輸函數(shù)；α、β、γ、δ以及ε分別表示不同節(jié)點(diǎn)的加權(quán)因子，在計(jì)算中可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定加權(quán)因子的具體取值，取值越大說明此節(jié)點(diǎn)的重要性越高；c表示5G 無線通信接收裝置的中央處理器（Central Processing Unit，CPU）表現(xiàn)能力；m表示5G 無線通信接收裝置的有效內(nèi)存容量；b表示電池容量；M表示無線自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的可移動性；o表示擴(kuò)充函數(shù)，如計(jì)算中不需要擴(kuò)充函數(shù)，設(shè)定o為0。根據(jù)節(jié)點(diǎn)在空間中的可移動性，為其分配對應(yīng)的IP 地址、ID。通過此種方式，實(shí)現(xiàn)對5G 通信下無線自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)信息傳輸協(xié)議與格式的設(shè)定。

2 無線自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)調(diào)制編碼

在確保無線自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)通信的協(xié)議與數(shù)據(jù)傳輸格式符合要求后，引進(jìn)Xilinx IP Core 進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的調(diào)制編碼。Xilinx IP Core 可提供無線自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的碼率為1/3，為獲得另外2/3 的碼率，無線自組網(wǎng)需要在發(fā)送端對完成編碼的1/3 數(shù)據(jù)進(jìn)行交織操作。而接收端在接收數(shù)據(jù)后，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行解交織處理。

完成解交織的數(shù)據(jù)按照順序被劃分為6 個(gè)子模塊，分別將表示為A、B、Y1、Y2、W1以及W2。其中，A、B在無線自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)調(diào)制編碼中可以作為信息位，Y1、Y2、W1、W2在無線自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)調(diào)制編碼中則作為校驗(yàn)位。將6 個(gè)對應(yīng)的子模塊進(jìn)行單獨(dú)交織。交織前進(jìn)行子模塊的比特編址，識別第i個(gè)編碼地址后，使用CTC編碼器進(jìn)行無線自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的調(diào)制編碼，此過程計(jì)算公式為

式中：T表示無線自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)調(diào)制編碼；k表示初始化狀態(tài)下的無線自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)編碼；a表示交織次數(shù)；J表示交織過程中的編碼行為發(fā)生次數(shù)；R表示碼率。完成式（2）計(jì)算后，按照編碼規(guī)則將完成編碼的1/3節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)按照順序輸出，將輸出的數(shù)據(jù)錄入RAM，將解刪余后的數(shù)據(jù)按照查找表以亂序的方式寫入，并按照順序進(jìn)行節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的讀出。至此，完成無線自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)調(diào)制編碼設(shè)計(jì)。

3 無線自組網(wǎng)傳播信號信噪比計(jì)算與自適應(yīng)調(diào)制

完成對無線自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的調(diào)制編碼后，設(shè)計(jì)無線自組網(wǎng)的自適應(yīng)調(diào)制。調(diào)制過程中，可假定5G 通信技術(shù)下無線自組網(wǎng)的傳輸空間為一個(gè)自由無線空間。該條件下，信號的傳播可以用Friis 方程表示，計(jì)算在自由空間傳輸時(shí)，無線自組網(wǎng)單跳鏈路對于信號的接收功率。Friis 計(jì)算公式為

式中：P表示無線自組網(wǎng)單跳鏈路對于信號的接收功率；P0表示無線自組網(wǎng)單跳鏈路對于信號的發(fā)射功率；G1表示信號發(fā)送天線的增益值；G2表示信號接收天線的增益值；λ表示信號在自由空間中傳輸?shù)牟ㄩL；r表示信號在傳輸過程中的損耗系數(shù)；L表示相鄰無線自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的距離。

根據(jù)信號的傳輸需求與承載的信息，信號發(fā)送器將主動發(fā)送信號。發(fā)送時(shí)，前端計(jì)算無線自組網(wǎng)傳播信號信噪比，當(dāng)鏈路信噪比不足時(shí)，發(fā)送器將自動進(jìn)行信號鏈路調(diào)制。其中無線自組網(wǎng)傳播信號信噪比計(jì)算公式為

式中：S表示無線自組網(wǎng)傳播信號信噪比；η表示載波傳播信號的頻率；p表示玻爾茲曼常數(shù)；N0表示傳輸速度。

完成上述計(jì)算后，當(dāng)對應(yīng)的鏈路不滿足需求時(shí)，發(fā)送裝置將主動進(jìn)行鏈路選擇，直到對應(yīng)鏈路的信噪比滿足或符合信號傳輸需求。至此，實(shí)現(xiàn)對無線自組網(wǎng)傳播信號信噪比的計(jì)算與自適應(yīng)調(diào)制，完成5G 通信技術(shù)下無線自組網(wǎng)自適應(yīng)調(diào)制方法的設(shè)計(jì)。

4 調(diào)制前后效果分析

在5G 通信環(huán)境下，使用測試基站與測試終端建立無線自組網(wǎng)有效通信頻段。實(shí)驗(yàn)中，將測試基站放置在汽車上，設(shè)定車輛的最大行駛速度為120 km/h，對汽車行駛過程中的測試終端通信情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。通過此種方式，掌握無線自組網(wǎng)在自適應(yīng)調(diào)制前后的有效通信范圍是否發(fā)生變化。為確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，實(shí)驗(yàn)前設(shè)計(jì)無線自組網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，如表1 所示。

表1 無線自組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)

完成實(shí)驗(yàn)環(huán)境的部署與實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)計(jì)后，對5G 通信技術(shù)下無線自組網(wǎng)自適應(yīng)調(diào)制方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。設(shè)定5G 通信下無線自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)信息傳輸協(xié)議與格式，對無線自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)制編碼，通過計(jì)算無線自組網(wǎng)傳播信號信噪比，實(shí)現(xiàn)無線自組網(wǎng)的自適應(yīng)調(diào)制。將調(diào)制前、后5G 通信技術(shù)下無線自組網(wǎng)的最大傳輸距離作為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，記錄裝載測試基站的汽車在移動過程中，通信信號發(fā)生中斷的時(shí)刻，得到無線自組網(wǎng)自適應(yīng)調(diào)制后的信號最大傳輸距離，將其作為本次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。對比無線自組網(wǎng)自適應(yīng)調(diào)制前、后的信號中斷距離，其結(jié)果如圖1 與圖2 所示。

圖1 無線自組網(wǎng)自適應(yīng)調(diào)制前的信號中斷距離

圖2 無線自組網(wǎng)自適應(yīng)調(diào)制后的信號中斷距離

從圖1 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，無線自組網(wǎng)自適應(yīng)調(diào)制前，信號在2.75 km 位置時(shí)，對應(yīng)的信號幅值為0，說明此時(shí)無線自組網(wǎng)的信號發(fā)生中斷，證明5G 通信技術(shù)下無線自組網(wǎng)自適應(yīng)調(diào)制前的傳輸距離為2.75 km。從圖2 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，無線自組網(wǎng)自適應(yīng)調(diào)制后，信號在6.35 km 位置時(shí)，對應(yīng)的信號幅值為0，說明此時(shí)無線自組網(wǎng)的信號發(fā)生中斷，證明5G 通信技術(shù)下無線自組網(wǎng)自適應(yīng)調(diào)制前的傳輸距離為6.35 km。

按照上述方式進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)無線自組網(wǎng)自適應(yīng)調(diào)制前、后的信號最大傳輸距離，將其中作為本次實(shí)驗(yàn)的最終的結(jié)果，統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 無線自組網(wǎng)自適應(yīng)調(diào)制前后的信號最大傳輸距離對比

從表2 中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，調(diào)制前無線自組網(wǎng)的信號最大傳輸距離在多次實(shí)驗(yàn)中結(jié)果十分不穩(wěn)定，最遠(yuǎn)距離為5.23 km，最近距離為1.96 km。而調(diào)制后無線自組網(wǎng)的信號最大傳輸距離在多次實(shí)驗(yàn)中結(jié)果相對穩(wěn)定，基本在6 ～7.5 km 范圍內(nèi)。且在相同的條件下，調(diào)制后無線自組網(wǎng)的信號最大傳輸距離大于調(diào)制前無線自組網(wǎng)的信號最大傳輸距離，說明使用5G 通信技術(shù)下無線自組網(wǎng)自適應(yīng)調(diào)制方法進(jìn)行無線自組網(wǎng)自適應(yīng)調(diào)制后，可以有效提高無線自組網(wǎng)的通信與信號傳輸范圍。

5 結(jié) 論

為發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)更高的價(jià)值，通過設(shè)定5G 通信下無線自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)信息傳輸協(xié)議與格式、無線自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)調(diào)制編碼、無線自組網(wǎng)傳播信號信噪比計(jì)算與自適應(yīng)調(diào)制，對無線自組網(wǎng)自適應(yīng)調(diào)制方法展開全面的設(shè)計(jì)研究。該方法在完成設(shè)計(jì)后，通過實(shí)驗(yàn)證明可以有效提高無線自組網(wǎng)的通信與信號傳輸范圍，通過此種方式，發(fā)揮無線自組網(wǎng)的更高經(jīng)濟(jì)效益與產(chǎn)業(yè)價(jià)值。