基于中继的矿井无线通信系统功率分配算法

朱飞燕

(西安航空职业技术学院，陕西 西安 710089)

矿井无线通信系统在煤矿作业中发挥着重要的作用，广泛应用于煤矿生产、管理、调度等环节，是煤矿通信六大系统之一。煤矿通信系统有无线通信系统、有线通信系统。煤矿在生产安全管理中以及信息化发展的进程中，都需要发挥无线通信系统的作用。煤矿井下许多工作需要通过无线传输信号进行传输，协助各项工作的开展。其中不间断传输的通常是主级别信号，在矿井中是井下环境监测信号。其他为次级别信号。无线传输系统的主级别、次级别信号同时开展传输工作时，需要对各自的发射功率进行严格的控制，防止或者减少两种级别信号间的干扰。对发射功率进行控制时，也会影响无线网络系统的吞吐量。因此在通信网络中，需要解决的重要问题是，同时保证主级别信号、次级别信号的传输质量、传输速率。

1 构建功率分配模型

矿井下的作业环境复杂又恶劣，矿井下的通信发射功效小，传输的消耗大，移动速度慢，并且设备体积小。无线mesh网络中的传输信号，能够到达目的节点，主要是通过中继节点的中转。目前信号中转的方式，主要是各种信号被中继节点接收以后，实行等功率分配方案，使各信号能够顺利传输。但是这种分配方案不能解决信号间的干扰问题，影响信号传输的质量。本文对功率分配方案进行改进，最小化系统加权功率、最大化系统加权速率，使信号间的干扰最小化。

以xSi表示次级信号，xSo表示主级信号，次级信号通信分为两个时期，第一是从Si传输到RSi，第二是在中继节点处归一化，传输到目的节点。在第一阶段，白高斯噪音、主级信号xSo、次级信号xSi都由RSi接收。信号传输的表达式为：

主级信号源节点S0的发射功率为GS0。次级信号源节点Si的发射功率为GSi。路径损耗和衰落都在信道增益内。S0和RSi之间的即时信道增益为QSoRSi。Si和RSi之间的即时信道增益为CSoRSi。RSi的白高斯噪声是μSiRSi，方差是NSiRSi。

S0和Di间的即时信道增益为DSoiDi，RSi和Di的即时信道增益为CRSiiDi，i∈{1,2,…,N}，在第二阶段传输到目的节点的信号为：

RSi中继信号后，以ri表示为源节点和目标节点的等效信噪比，计算方式为：

通过以上公式可知，当源节点发射功率GSi固定，随着GRSi的变化，ri呈单调递增的趋势。根据ri的单调性，可以帮助优化矿井功率分配方案。

2 集中式功率分配算法[1-4]

2.1 系统加权速率的最大化

矿井无线通信系统传输的数据有间歇性数据、周期性数据、实时性数据、低等待数据等。将实时数据作为主级别信号，其余各类数据作为次级信号，简化数据的类型。通过中继转发主级信号和次级信号时，需要考虑系统加权速率的最大化，实现功率分配间相互干扰的最小化。集中式功率分配的方案是，主次信号统一用一个中心节点，最小化不同信号的干扰，最大化系统的加权速率，最小化系统的加权功率。矿井中的信号传输速率十分重要，是一项通信指标。为提高网络吞吐量，需要实现系统加权速率的最大化，公平传输不同发射功率的源节点信号。

以wi表示源节点Si的功率权重系数，下公式表示次级信号的即时加权速率：

在点y=logx附近展开，函数为f(y)=logf(ey)，通过可导函数的一阶泰勒可以变换，以单项式的形式转换。解决第n次迭代的最优化问题即可。通过迭代收敛准则可以获得最大化系统加权速率的最优解。

定义ki=eSi，转化公式为：

将上式看作单项式，通过泰勒公式一阶展开，可得：

2.2 系统加权功率的最小化

3 功率分配算法测试[5-6]

图1 系统加权速率对中继节点最大传输功率

对于系统加权功率的最小化。由于矿井的实际情况，在井下的无线通信信号传输距离有限。数据基本上能够正常传输，要求在两个节点之间，传输距离需要低于15 m。本次选择某煤矿的典型矿井进行检测，验证矿井无线通信系统功率分配算法。对仿真结果进行分析比较，比较等功率分配方案和本次提出的分配方案。

如下图2仿真曲线所示，在目的节点处，本次研究使用的算法分配方案，等效信噪比门限阀值更大。与不同权重时的分配方案相比，等权重系数下的功率分配性能更佳。

图2 系统加权功率对信噪比门限ri，th

如下图3所示，等效信噪比门限值固定时，中继节点处传输功率变化，系统加权功率随之改变。与等功率分配方案相比，本次算法方案能够有效减少损耗。

图3 系统加权功率对中继节点最大传输功率

4 结 论

传统有线通信是采用光纤、铜线等作为传输介质，无线通信是仅仅利用电磁波进行传输的通信方式。早在十九世纪，人们就可以脱离固体导线通信。随着无线通信的发展，无线通信技术逐渐成为各行各业中不可或缺的一部分。近年来，无线自组织网在许多低功耗的小型场景中广泛应用。在无线通信中，无线通道、位置和距离都会影响发射机和接收机间的通信质量。为改善通信质量，通常利用中继节点，布置多个中继节点在通信源节点和目的节点之间。依照译码转发、放大转发等方式，可以向目的节点转发来自源节点的数据信息。从源节点和中继节点的数据信息，可以在目的节点适当处理，减少无线通信系统的中断率和误码率。多个中继节点可以组合在一起。源节点信号达到目的节点，是中继节点的主要目的。中继节点联合可以形成一个虚拟天线阵列，对输入输出天线技术应用条件进行模拟，促进数据传输。在资源有限的条件下，科学合理的分配功率，能够减少无线资源的浪费，提高通信系统的性能。功率分配的核心问题就是要高效利用资源。目前等功率分配方案不能充分利用现有的紧缺资源，无线通信的每个节点的链路不断变换。为优化通信系统数据传输性能，提高整个通信系统网络的容量，减少计算的复杂度，需要重视各节点功率资源配置问题，采用有效的功率分配算法。在有中继的无线网络中，每个节点可能需要不同的功率，中继节点的能量消耗不同，功率需求也有差异，需要合理分配频谱资源，不能等功率分配。

经过检测显示，本次研究提出的集中式功率分配算法，可以保证系统的功率消耗在一定的范围内，提高数据传输速率和质量。网络的稳定性和可靠性受功率、速率的影响。小型矿井的通信设备系统中，可以应用集中式功率分配算法，运用统一中心节点分配计算功率，然后向各个节点传输分配的结果，可以减少计算，并且准确可行。