多廠房生產線無線網絡系統的功率控制與性能優化

程曉飛

（青島黃海學院，青島 266427）

0 引言

隨著工業化進程的推進，自動化生產線在諸多行業和領域得到廣泛的普及和應用。在無線網絡和通訊技術的支持下，不同廠房或企業生產線之間的數據交互和集中控制得以實現。為有效地提高生產效率，縮短產品制造周期，生產及裝配工序被劃分地更為精細，生產線數量增多，給無線網絡系統帶來更高的性能要求，比如：長距離或偏遠地區網絡數據的傳輸效率高且不可中斷；在不影響網速的前提下拓展更多的網絡設備[1]等。但是，由于多廠房生產線存在距離遠，生產設備對網絡設備干擾強等問題，網絡的穩定性和功率控制成為通訊系統擬解決的關鍵問題。目前，邊界干擾是影響多廠房生產線無線通訊可靠性的關鍵因素之一，當某個生產線位于網絡邊緣區時，發生信號失真的概率相對較高。由于網絡技術在工業生產中的應用和發展具有過渡性[2]，因此，對應的數據傳送標準應具有可替換特點[3-4]，這也是性能優化的前提。

針對以上問題，文中提出一種無線網絡系統優化設計方案，將共軛波束[5]標準化，研究其功率控制效果和對系統的頻譜效率和能量效率的影響。同時，為了降低網絡構架成本，引入復合型的模數轉換功率模型[6]，以實現良好的性價比。此外，系統以移動終端為中心進行網絡結構設計，可有效地與基站建立數據連接，弱化邊界干擾，對于自動化生產技術發展有著積極的促進作用。

1 網絡結構設計

1.1 總體框架

單廠房內的網絡控制原理如圖1所示。根據產品工序特點，確立廠房內的生產線數量與布局，各個通訊設備（管理中心和監控中心）的布置、安裝和指令控制都在廠房內中進行。對于長距離或偏遠的多廠房生產線，無線網絡系統優先采用無蜂窩式大規模多輸入多輸出（MIMO）結構，如圖2所示。在系統中，有效區域的基站以多節點接入的形式實現，每個節點均具有增功率天線，從而有效地實現多區域的靈活布點，并且大大降低部署場地的復雜性，適用于弱信號環境。同時，實現分散特性的基站可全面覆蓋移動終端，在保證通訊質量的前提下，改善宏分集效率。雖然通訊節點的數量以及分布密度可根據實際情況進行調整，但是不同覆蓋范圍內的基站信號仍存在一定的干擾性和疊加性[7]。

圖2 無線網絡系統結構

為了將有效信號準確地剝離，可在系統中引入多點聯合發送技術[8]，即采用分布式的控制策略，將各個基站進行分類和協作，建立合理的通訊連接組合，最終實現弱化干擾信號影響的效果。此外，隨著光纖通訊技術[9]和網絡協作算法[10]的發展與應用，功能完備的控制器能夠靈活地控制發射功率，而且在節能降耗等方面有著良好的效果。為了驗證該種通訊結構的優勢，需要對其頻率效率和能量效率進行分析。

1.2 數據傳輸模型

假設數據傳輸系統有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，在給定的通訊區域內隨機分布。系統內的無線網絡接入點在進行數據返回時，均需要通過CPU單元，確保網絡信息類型的一致性，并合理控制載荷數據與功率系數。從網絡節點到移動終端的數據傳輸主要包括兩部分內容：上行鏈路訓練和下行鏈路傳輸控制。由于終端數據需要導頻序列，因此在下行鏈路中應提前進行預編碼[11]。

設gmk為第k個用戶和第m個網絡節點之間的信道系數，則下行鏈路中的gmk表示為：

式中，βmk為大尺度衰落系數，需要考慮其路徑損耗和陰影效應，數值與天線指數無關。hmk為是小尺度衰落系數，其在特定的時間段內具有獨立性，屬于隨機變量。

在無線通訊系統中，設定數據傳輸的相干間隔長度為T，使其略大于上行鏈路訓練持續時間樣本τup，則第m個節點所接受的導頻向量ym,up可表示為：

式中，ρup為信號發射信噪比，與導頻序列相關，具有歸一化特性；wm,up為導頻序列向量，屬于加性高斯白噪聲矢量。完成導頻傳輸后，第m個網絡節點將獲取導頻向量與信噪比向量的內積，實現上行鏈路訓練。

在下行鏈路數據傳輸階段，數據通訊采用的信號要依據用戶的終端信息。在歸一化條件下，第m個節點所發射的數據可表示為：

式中，sk為系統預期發送至第k個終端的信號，ρd為網絡節點的信號發射功率系數，可有效控制和限制峰值功率。

相比常規共軛波束，其相應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：

由數據傳輸模型可知，隨著網絡節點數的增大，信號干擾和噪聲顯著弱化，這一結論與使用規范化預編碼器的下行鏈路情況一致。

1.3 最佳功率控制分析

根據數據傳輸模型的特點可知，每個網絡節點的實際發射功率均受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化控制的關鍵。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]下的累積分布函數值，用于判定功率控制效果。在局部區域，設定相同工作時段上的增功率天線數量為60，相同頻段的數量為20。將標準化共軛波束（Normalized CB）與常規共軛波束（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?，標準化的共軛波束預編碼明顯優于傳統方案；從具體數值上分析，標準化共軛波束預編碼器在低于5%中斷條件下的鏈路速率為2.07（bit/s/Hz），比常規條件高1.15倍。這是由于標準化和歸一化處理后的CB預編碼器能提供更大的增益，使得數據傳輸的最小速率最大化。由于不同的生產線，對應的工作周期有著差大的差異性，因此，應在確?；拘阅?、兼容性和匹配性的前提下，根據實際情況擇優選取無線網絡通訊設備，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，自適應天線系統在強干擾環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預編碼器的性能受終端數量的影響較小，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，可得出不同節點數量下的累積分布函數變化規律如圖5所示?？梢钥闯觯涸摴β史峙浞桨冈诓煌木幋a情況下均能保持網絡節點的穩定性；標準化共軛波束預編碼在相同的網絡節點數下消耗的功率更低，適用于移動性顯著的網絡節點。

圖5 不同節點數量下的累積分布函數值

2 系統性能分析

2.1 頻譜效率分析

在網絡結構中，為了避免信號交互影響，不同終端天線發出的信號具有不相關性，包括量化后的高斯噪聲。為進一步提升系統的譜效率和能量效率，增加項中引入數模轉換（ADC）功率模型，如圖6所示，能夠有效得抑制噪聲影響。網絡系統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絡節點傳輸導頻序列，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設備的干擾，因此，在計算時，根據設備的有效數量選取損耗系數。

圖6 ADC功率模型

為研究網絡節點數量對頻譜效率的影響，分別在同頻段網絡節點數K為20和10的條件下計算頻譜效率變化，結果如圖7所示?？梢钥闯觯弘S著同時段工作的網絡節點數量的增加，系統的頻譜效率明顯增大，但逐漸呈現出暫緩現象；同頻段網絡節點數越多，頻譜效率越大。對于企業生產而言，網絡節點的數量需要合理的選取范圍，否則難以不利于經濟效益的提升。若不同生產線之間的通訊距離較短，則適當減小節點數量，以功耗為指標優化頻譜效率。頻譜效率是衡量通訊系統抗干擾能力的指標之一，其變化規律是相關補充設備選取的重要依據。

圖7 不同節點數量下的頻譜效率

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性價比。但是，隨著ADC分辨率的降低，性能損失越顯著，表現為傳輸速率和頻譜效率降低。若出現該問題，可在一定范圍內增加增功率天線，彌補信號的失真問題，同時滿足系統的優化設計要求。

2.2 能量效率分析

在面積為1×106m2的方形面積區域內，假設各個生產線的網絡節點與移動終端均為隨機分布，采用環繞原理對能量效率進行計算，可得出不同節點數量下的能量效率變化規律如圖8所示?？梢钥闯觯弘S著同時段網絡節點數量的增多，能量效率呈衰減趨勢變化；與頻譜效率變化相似，同頻段網絡節點數越多，能量效率越高。

圖8 不同節點數量下的能量效率

由于系統引入了ADC功率模型，因此，量化比特數對能量效率將會產生一定的影響。在不同數量的同頻段網絡節點條件下，可得出能量效率隨數模/模數轉換量化比特數的變化規律如圖9所示?？梢钥闯觯寒斖l段網絡節點數量K低于30時，能量效率基本不發生改變；隨著K值的增大，能量效率呈現出先增大后減小的變化趨勢，當量化比特數為4時，能量效率達到極值。網絡節點的分配和布置對于頻譜效率和能量效率均有著關鍵的影響，在隨機分布情況下，單區域的能量效率并非隨著網絡節點數量的增大而增大，這是由于服務區內的平均有效傳輸距離隨之增大。

圖9 不同量化比特數下的能量效率

3 結語

無線數據傳輸是實現多廠房生產線高效、穩定運行的基礎，確保無線網絡處于最佳工作狀態是系統設計的核心要素之一。文中基于5G網絡框架，提出一種具有多點聯合發送特性的無線網絡結構，通過數值計算方法匹配最佳功率控制方案并驗證系統性能，主要結論如下：

1）相比傳統的CB預編碼器，標準化和歸一化處理后的CB預編碼器能提供更大的增益，鏈路速率更高，使得數據傳輸的最小速率最大化，在短期功率和長期功率條件下均表現出良好的應用效果。

2）高分辨率與低分辨率ADC的組合不但能夠實現較高的性價比，而且降低系統硬件的復雜程度和功耗；網絡節點的數量對頻譜效率和能量效率的影響具有單調性，但對于不同的量化比特數，能量效率存在峰值。