通信實驗數據的分布式智能無線傳輸及共享方案

林昀軒， 劉 超， 包建榮， 姜 斌， 朱 芳， 何劍海

（1.杭州電子科技大學通信工程學院，杭州310018；2.寧波職業技術學院電子信息工程學院，浙江寧波315800）

0 引 言

當今，各高校常把創新型人才培養作為教學目標。但受傳統教育理念影響，高校提供給學生的課內實踐機會相對較少。學生僅掌握書本理論知識，而缺乏創新意識和能力［1］。本文借助大學生創新創業項目，對分布式無線傳輸模塊開展了研制，以培養學生創新和動手能力。

相比有線實驗設備，無線實驗設備因其鋪設簡單、攜帶方便等優點被廣泛應用［2-4］。在實驗教學過程中，因數據共享距離過遠、傳輸過程中存在障礙物干擾等影響，無線設備常存在數據共享傳輸不穩定問題［5］。本文提出了一種通信實驗數據分布式智能無線傳輸與共享方案，無線實驗設備可彼此作為中繼節點，協助傳輸實驗數據［6-7］。對通信實驗箱進行再次開發，增加了分布式無線傳輸模塊。該模塊可根據各無線實驗設備的反饋信息，采用不同數據共享方式，較好地改善系統中斷性能。

1 系統總體結構及硬件

本文設計了如圖1所示的無線數據共享系統。該系統主要包括無線實驗設備、分布式中繼節點和教師監控設備。當學生利用無線實驗設備完成實驗后，教師可通過分布式無線中繼傳輸模塊實時獲取學生的實驗數據，并自動校驗數據是否準確。當某無線實驗設備與教師監控設備之間傳輸鏈路不穩定時，可采用分布式中繼節點協作傳輸信息，使得教師監控設備獲得實時、準確的信息。

圖1 通信實驗無線數據共享系統總體結構

分布式無線傳輸模塊的通信實驗箱硬件結構如圖2所示。采用了帶模擬/數字（A/D）轉換的單片機作為系統核心部分。同時，包含存儲器、無線保真（WiFi）射頻模塊及數據端口輸入/輸出（I/O）等器件。

圖2 通信實驗箱硬件結構示意圖

2 系統傳輸協議改進

在整個無線數據共享系統中，每個無線實驗設備既可作為源節點，又可作為潛在的分布式中繼節點。教師監控設備為目的節點。整個協助傳輸過程分2個時隙完成。在第1時隙，源節點同時傳輸數據給中繼和目的節點。中繼和目的節點接收到的數據為：

式中：PS為源節點發射功率；hSD、hSR分別為源-目的節點（S-D）和源-中繼節點（S-R）鏈路信道系數，服從均值為0、方差分別為δ2和δ2的復高斯隨機分布；

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

在第2時隙，根據S-D和S-R鏈路的信道質量，共有4種傳輸情況（其中門限T=（22R-1）/SNR［8］，R為信息傳輸速率；SNR為發送信噪比）：

第1時隙，目的節點能正確接收源節點發出的數據，采用非協作傳輸方式。

第1時隙，目的節點無法正確接收源節點發出的數據，需在第2時隙對數據重傳。此時目的節點接收到的數據形式與式（1）相同。

第1時隙，目的節點無法正確接收源節點發出的數據，需中繼節點在第2時隙采用譯碼轉發（DF）［9］協作轉發數據給目的節點。此時，目的節點接收到的數據為：

式中：PR為源節點發射功率；hRD為R-D鏈路信道系數，服從均值為0、方差為的復高斯隨機分布；nRD為中繼-目的節點（R-D）鏈路的加性高斯白噪聲，服從均值為0、方差為N0的復高斯隨機。

第1時隙，目的節點無法正確接收源節點發出的數據，需中繼節點在第2時隙采用放大轉發（AF）協作［10］轉發信號給目的節點。此時，目的節點接收信號為：

2.1 分布式傳輸目標函數分析

誤符號率，即誤碼率，用于衡量協作傳輸系統數據傳輸的可靠性［11］。根據上述分析，增強選擇混合譯碼放大轉發協作（ISHDAF）的誤符號率（SER）可用下式表示：

式中：PDT（e）、PDRT（e）、PDF（e）和PAF（e）分別為直傳、源節點重傳、采用DF和AF協作時的SER；Pr（|hSD|2＞T）為|hSD|2＞T時的概率。

因為|hSD|2、|hSR|2和|hRD|2服從參數為的指數分布，且相互統計獨立，故有：

當調制方式為多（如M）進制相移鍵控（M-PSK）時，接收端的誤符號率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，實驗數據由源節點直接傳輸，系統SER可用式（7）表示。當采用協作傳輸方式時，只有中繼節點在第1時隙正確接收源節點發出的數據時采用DF協作，否則采用AF協作。所以，系統SER也可用式（7）表示。而且，已知4種模式下的目的節點接收信噪比分別為：

將式（8）代入式（7），得到：

因rSD、rDF和rAF均服從指數分布，根據指數分布的矩量母函數，得到：

因在高信噪比時，有：

將式（10）、（11）代入式（9），并計算可得：

將式（6）、（12）代入式（5），即可得到ISHDAF協作的SER表達式。

在總功率約束下，即PS+PR=P（P為固定值），ISHDAF協作最優功率分配問題，可轉為以下優化問題：

因門限T隨PS而改變，將其代入式（13），并使用拉格朗日乘數法，無法得到PS和PR的閉式解析式。故本文采用改進的遺傳算法［14-15］解決這一問題。

在我們的課后輔導中必須要強調重點的突出，如果不突出重點，沒有充分地體現出分層教學的特點，那么會導致很多學習弱的學生還是對學習的知識一知半解，不能夠有效的吸收，從而產生厭學情緒。對于學習強的學生會感覺學習內容沒有任何的難度，失去學習的激情。那么在小學數學的課后輔導中應該注重哪些重點呢？

2.2 改進的分布式傳輸遺傳算法實現

設源、中繼節點的發射功率分別為：

式（13）中的功率分配問題可轉化為求解最優功率分配因子α 的值。將式（14）、（15）代入式（5），則其轉變成只擁有單一未知數α的復雜多項式?？刹捎眠z傳算法來求解最優功率分配因子α。同時，算法中個體自適應度函數為式（5）的倒數。

為減少算法耗時，對傳統遺傳算法進行了改進。在優化算法中，種群中個體染色體長度隨當前總功率自適應改變，初代個體數目與染色體長度成正比。當功率分配最大偏差固定為t時，為求得最優功率分配因子α，個體染色體長度l應滿足：

根據式（16），當總功率P較小時，l不需太長即可達到所需功率分配最大偏差。當總功率較大時，為驗證微小功率分配偏差θ對系統SER影響不大，可假設此時源、中繼節點處的功率為：

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SER影響不大。為提高算法總體性能，當總功率較大時，功率分配最大偏差t可稍降低。當系統誤符號率的最大誤差c受限時，功率分配最大偏差t可由以下優化方程給出：

式中，PISHDAF（P）為源節點功率為P時的SER。

根據式（19），不同總功率下的功率分配最大偏差t見表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 實驗數據傳輸流程

本文所提無線數據共享系統的傳輸流程如下：

（1）教師在完成實驗任務布置后，在后臺系統錄入本次實驗可能的數據范圍，以便對學生傳送過來的數據進行自動校驗；

（2）學生完成部分實驗后，點擊“保存”按鈕，將實驗數據緩存至存儲器中，以防實驗設備斷電等突發情況發生導致實驗數據丟失；

（3）數據保存完成后，無線傳輸模塊將自動同步數據傳給教師端，校驗數據的正確性。此時，正在傳輸數據的無線實驗設備可作為源節點，其余未在傳輸數據的設備節點均可作為中繼節點，教師端監控設備作為目的節點；

（4）作為中繼節點的無線試驗設備根據接收鏈路的信道質量，選擇不同協作方式轉發數據給目的節點；

（5）目的節點接收到源、中繼節點發送過來的數據后，對數據進行譯碼，得到學生傳輸過來的實驗數據；

（6）教師端監控設備接收到實驗數據后，在后臺與預先設定好的實驗數據自動比對，并將比對結果顯示在前臺頁面供教師查看。根據比對結果，教師可實時了解學生實驗情況，并為與預期實驗結果相差甚遠的學生提供針對性指導。

3 仿真測試

為驗證教師端監控設備接收數據的準確性，進行以下仿真。在仿真測試中，設置數據傳輸速率R=1 bit/s，加性高斯白噪聲方差N0=1。實驗數據采用2PSK調制，海明距離L為2，罰函數為0.1。若無特殊說明，有

本系統所采用功率分配算法收斂性如圖3所示。

圖3 改進遺傳算法迭代次數與最優α取值關系

設置系統總功率P=1 W，種群大小分別為30、60和100。由圖3可見：當種群大小為30時，因群體多樣性偏低，算法在迭代次數為31次時才收斂。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生最優個體，即最優功率分配因子α。當種群大小為60和100時，算法分別在第6和第4次得到收斂。在每次迭代中，經選擇、交叉、變異等操作，算法將保留自適應度最高的個體作為下一次迭代父代。這一代個體繼承了上一代的優良特性，逐步朝著最優解方向進化，故無論種群為30、60還是100，算法終將收斂于同一最優α值。

在不同總功率下3種算法的耗時如圖4所示。由圖4可見，為實現同精度功率分配，總功率較低時，遺傳算法耗時略大于枚舉法，但相差不大。隨著總功率提高，枚舉法耗時大幅上升，遠大于遺傳算法耗時?？偣β蕿?0 W時，相比枚舉法，遺傳算法可減少約65 s耗時。隨著總功率提高，為實現同精度功率分配，傳統遺傳算法個體染色體長度增大，算法耗時增加。但據式（5）、（17）、（18）計算得：這種染色體長度的增大并不必要，微小功率偏差分配對SER影響不大。

圖4 3種算法運行時間對比

如圖5所示，在不同總功率P約束下，3種算法獲得的最優α取值。

圖5 3種算法最優α值對比

因個體染色體長度較低，改進遺傳算法功率分配最大偏差小于傳統遺傳算法，故最優α取值存在微小偏差。但據式（5）、（14）、（15）計算得：微小α 偏差對SER影響不大。結合圖4、5得：相比傳統遺傳算法，改進算法可實現等效功率分配，耗時更少。

圖6所示為等功率分配時ISHDAF、增強選擇放大轉發（ISAF）［16］、增強選擇譯碼轉發（ISDF）數據共享系統與自適應功率分配時ISHDAF數據共享系統的SER性能。

由圖6可見：等功率分配時，因ISDF協作在中繼處存在錯誤解碼傳播問題，SER最高；相比ISAF協作，ISHDAF協作的SER有明顯降低，在SER為10-4時，ISHDAF協作可得約1.03 dB功率增益。當總功率提高時，ISHDAF協作的門限值T降低，的概率增大，信號主要靠源節點傳輸和重傳。根據式（13），將更多功率分配給源節點，可顯著降低SER。自適應功率分配時，ISHDAF協作的SER可進一步降低。在SER為10-4時，相對等功率分配，自適應功率分配可得約0.62 dB功率增益。

圖6 4種不同數據共享通信系統SER仿真

4 結 語

為提升當代大學生實踐能力，借助大學生創新創業項目，指導學生對分布式無線傳輸模塊進行優化，并提出一種通信數據分布式智能無線傳輸與共享方案。經測試，該方案滿足實驗室數據傳輸與共享要求，可有效解決無線實驗設備因數據共享距離過遠、傳輸過程中存在障礙物干擾等原因導致數據傳輸及共享的不穩定問題。