工業(yè)通信論文：工業(yè)無線通信的可靠性透析

導(dǎo)語：工業(yè)通信論文：工業(yè)無線通信的可靠性透析一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

本文作者：劉科許洪華工作單位：蘇州市職業(yè)大學(xué)電子信息工程系

工業(yè)無線通信調(diào)度工業(yè)無線通信中一般采用時(shí)分多址(TimeDivisionMul-tipleAccess，TDMA)調(diào)度方式，通信調(diào)度周期分為多個(gè)時(shí)隙(TimeSlot，TS)，通信節(jié)點(diǎn)依次進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。基于TDMA的多跳通信中，實(shí)時(shí)性要求更具有挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的有線通信和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信中需要1個(gè)時(shí)隙情況，n跳端到端通信至少需要n個(gè)時(shí)隙，相應(yīng)地，重傳也需要更多時(shí)隙。在端到端時(shí)隙數(shù)約束下，時(shí)隙分配成為工業(yè)多跳無線通信重要的資源調(diào)度方法。工業(yè)無線通信中一般采用跳－跳重傳方式。網(wǎng)絡(luò)調(diào)度器為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配固定次數(shù)的重傳時(shí)隙，以超幀形式下載到各個(gè)通信節(jié)點(diǎn)。如前所述，現(xiàn)有的工業(yè)無線系統(tǒng)一般是根據(jù)實(shí)時(shí)性約束等，為每跳平均分配重傳時(shí)隙。2．2重傳提高可靠性原理考慮基于TDMA調(diào)度中子鏈路Li上通信情況。設(shè)每個(gè)時(shí)隙中Li只傳輸數(shù)據(jù)報(bào)和相應(yīng)的確認(rèn)信息。由于確認(rèn)信息數(shù)據(jù)幀較短，在數(shù)據(jù)報(bào)傳輸后立即接收，一般不考慮數(shù)據(jù)報(bào)傳輸成功而確認(rèn)信息傳輸失敗情況。此時(shí)，子鏈路Li上通信可以用圖1所示的二維馬爾可夫鏈描述［5］。圖1子鏈路通信二維馬爾可夫鏈圖1中，Gi表示通信成功狀態(tài)，qGi和pGi分別表示上一個(gè)時(shí)隙通信成功時(shí)，本次通信成功和失敗的概率，Bi表示通信失敗狀態(tài)，qBi和pBi分別表示上一個(gè)時(shí)隙通信失敗時(shí)情況。在考慮外界隨機(jī)干擾的情況下，有qGi=qBi=qi，pGi=pBi=pi=(1－qi)，此時(shí)，Li上通信情況符合貝努力概型，用di表示分配給Li子鏈路的時(shí)隙數(shù)目(包括重傳時(shí)隙數(shù)目)，記Ri為其通信成功概率，有:Ri(qi，di)=1－∏dij=1(1－qi)(1)顯然，1－qi＜1，隨著di增加，通信可靠性Ri增大。2．3冗余路由提高可靠性原理為進(jìn)一步提高鏈路可靠性，工業(yè)無線通信中可以利用鄰居節(jié)點(diǎn)協(xié)作重傳，構(gòu)成冗余路由。圖3為典型冗余路由形式。r1為冗余中繼，當(dāng)n0到通信失敗時(shí)(如無視距路徑、n1處持續(xù)強(qiáng)干擾、n1故障等)，啟用n0→r1→n2路由，以提高端到端可靠性。圖2中，L11、L12為主鏈路中子鏈路，設(shè)其通信成功概率為q1和q2;L11、L12為冗余路由中子鏈路，設(shè)其通信成功概率為q11和q12;設(shè)R(n0|n2)表示節(jié)點(diǎn)n0到節(jié)點(diǎn)n2的通信成功概率，則R(n0|n2)=q1q2+(1－q1)q11q12(2)顯然，R(n0|n2)＞q1q2，有冗余路由情況提高了鏈路可靠性。考慮重傳時(shí)隙時(shí)，可由(1)式計(jì)算各個(gè)子鏈路通信成功概率，代入(2)式，可計(jì)算端到端可靠性。

工業(yè)無線通信鏈路可靠性建模不失一般性，考慮N+1個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的N跳鏈路，用N=n0，n1…．n{}N表示鏈路節(jié)點(diǎn)，其中，n0表示源節(jié)點(diǎn)，nN表示目的節(jié)點(diǎn)，Li表示節(jié)點(diǎn)ni－1和ni之間的子鏈路，i∈{1，2，…}N。多跳無線通信鏈路如圖3所示。如2.2節(jié)所述，由式(1)可以計(jì)算多跳鏈路中每個(gè)子鏈路通信成功概率Ri。對(duì)于N跳鏈路，用D={d0，d1…．dN}表示鏈路時(shí)隙分配，用Q={q0，q1…．qN}表示各子鏈路可靠性情況，則整條鏈路的可靠性表示為:R(Q，D)=∏Ni=1Ri(qi，di)(3)通過工業(yè)認(rèn)知無線電技術(shù)可以實(shí)時(shí)感知通信信道信噪比等，從而獲得各子鏈路通信可靠性情況［6］［7］。由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)通信周期短，可認(rèn)為感知的鏈路可靠性Q在通信周期內(nèi)不變，此時(shí)有:R(D)=∏Ni=1Ri(di)(4)工業(yè)無線通信鏈路可靠性優(yōu)化工業(yè)無線通信鏈路可靠性優(yōu)化即是最大化(4)式?？紤]工業(yè)通信實(shí)時(shí)性約束，設(shè)從源節(jié)點(diǎn)n0到目的節(jié)點(diǎn)nN允許的最大時(shí)延為D個(gè)時(shí)隙，則最大化通信可靠性表示為:MAXDRs．t．∑Ni=1di{=D(5)式(5)優(yōu)化問題可以采用非線性整數(shù)規(guī)劃問題求解方法，從而為每個(gè)子鏈路分配時(shí)隙，在D個(gè)時(shí)隙時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)鏈路端到端可靠性最大化，但一般計(jì)算量大，難以應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)儀表實(shí)時(shí)通信中。以下通過轉(zhuǎn)化，尋求易于應(yīng)用的求解方法。定義3.1:定義子鏈路增益函數(shù)Ki(di)=Ri(di+1)/Ri(di)，其含義表示當(dāng)前子鏈路Li上分配的時(shí)隙數(shù)量為di，若再多分配1個(gè)時(shí)隙，子鏈路的可靠性增益。引理3.1:Ki(di)是di的減函數(shù)。證明:Ki(di)=Ri+(1－Ri)RiRi=2－Ri，同理Ki(di+1)=2－Ri+(1－Ri[)R]i=2－2Ri+R2i∴Ki(di+1)－Ki(di)=Ri(Ri－1)＜0命題得證。定理3.1:重傳時(shí)隙分配過程中，每個(gè)時(shí)隙分配給Ki(di)最大的子鏈路，則鏈路可靠性最大。證明:對(duì)于N+1個(gè)節(jié)點(diǎn)的N跳路由，假設(shè)允許的最大時(shí)延為D個(gè)時(shí)隙，那么就有m=D－N個(gè)可再分配的重傳時(shí)隙?？紤]Q在通信周期內(nèi)不變，由式(2)和定義3.1，鏈路可靠性可表示為:R(D)=∏Ni=1Ri(1)∏Ni=1∏di－1j=1Ri(1)Ki(j)(4)即R(D)=f(Ki(j))鏈路中各子鏈路增益函數(shù)可有mN個(gè)可能的取值，m個(gè)重傳時(shí)隙分配對(duì)應(yīng)m個(gè)Ki(j)。重傳時(shí)隙實(shí)際分配中，每個(gè)子鏈路j從1到di遞增，而Ki(di)是di的減函數(shù)，所以分配中Ki(j)滿足遞減。分配重傳時(shí)隙時(shí)，取i=argmaxi=1，2…NKi(j)，m個(gè)重傳時(shí)隙分配過程對(duì)應(yīng)著依次選取子鏈路增益函數(shù)mN個(gè)可能值中前m個(gè)最大值的過程，故R(D)=f(Ki(j))最大，命題得證?；诙ɡ?.1，原資源分配問題可以轉(zhuǎn)化為如下方法進(jìn)行求解:1)為每一個(gè)子鏈路分配1個(gè)時(shí)隙作為初始值，既取D(0)=［1，1…1］;2)取1個(gè)重傳時(shí)隙進(jìn)行分配，遍歷每個(gè)子鏈路，計(jì)算每個(gè)子鏈路的增益函數(shù)值Ki(di);3)搜索增益函數(shù)值Ki(di)最大的子鏈路n*，該子鏈路時(shí)隙分配值加1;4)所有重傳時(shí)隙分配完畢，則輸出最終時(shí)隙分配結(jié)果D=［d1，d2…di］;否則轉(zhuǎn)2)步。利用該結(jié)果和信道感知情況，應(yīng)用式(1)可以進(jìn)一步計(jì)算每個(gè)子鏈路的可靠性，根據(jù)式(2)可以計(jì)算整個(gè)鏈路的可靠性。在工業(yè)無線系統(tǒng)中，由網(wǎng)絡(luò)調(diào)度器以超幀形式，下傳該結(jié)果到鏈路，從而實(shí)現(xiàn)鏈路優(yōu)化。3．3有冗余路由情況有冗余路由的多跳無線通信鏈路如圖4所示。圖4有冗余路由的多跳無線通信鏈路通信調(diào)度上，主鏈路仍然基于傳統(tǒng)的TDMA，但重傳時(shí)隙為(D－2N)。當(dāng)ni節(jié)點(diǎn)重傳時(shí)隙耗盡仍不能成功通信時(shí)，啟用冗余路由ni→ri+1→ni+2，數(shù)據(jù)從ni傳送到ni+2。主鏈路采用前述方法優(yōu)化分配時(shí)隙，Li1和Li2子鏈路使用Li+1子鏈路的時(shí)隙向ni+1傳送數(shù)據(jù)，視為2跳鏈路進(jìn)行重傳時(shí)隙優(yōu)化方法分配。設(shè)R(ni|nj)表示節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j的通信成功概率，可按如下方法求取鏈路可靠性:R(nN－1|nN)=RLNR(nN－2|nN)=RLN－1R(nN－1|nN)+(1－RLN－1)RLN1RLN2R(nN－3|nN)=RLN－2R(nN－2|nN)+(1－RLN－2)RL(N－2)1RL(N－2)2R(nN－1|nN)……R(n0|nN)=RL1R(n1|nN)+(1－RL1)RL11RL12R(n2|nN)當(dāng)然，利用無線信道的廣播特性，可以在主鏈路上節(jié)點(diǎn)nm(m∈(0，1，…，N－1))發(fā)起通信時(shí)，nm+1和rm+1同步接收，nm+1接收失敗時(shí)，由rm+1將數(shù)據(jù)傳送給nm+2;也可以設(shè)計(jì)為nm+2同時(shí)接收nm+1和rm+1數(shù)據(jù)，采用最大比擬合，可以進(jìn)一步提高鏈路可靠性。這些方案會(huì)增加冗余路由節(jié)點(diǎn)時(shí)隙和能耗開銷，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘同步等要求較高，與傳統(tǒng)的TD-MA方式兼容也存在困難，在此不作進(jìn)一步討論。4數(shù)值仿真研究工廠環(huán)境無線信道一般近似為瑞利衰落［7］。仿真條件中設(shè)鏈路信道衰落服從瑞利分布，取σ=0．2瑞利序列作為各子鏈路一次通信失敗概率，依次取N=1～19，即選取子鏈路數(shù)目為1～19情況。在Matlab中對(duì)平均分配時(shí)隙和優(yōu)化分配時(shí)隙情況進(jìn)行數(shù)值仿真。圖5為D=3N時(shí)1000次數(shù)值仿真統(tǒng)計(jì)情況。圖中可見，優(yōu)化分配方法較平均分配時(shí)隙明顯提高鏈路可靠性。在子鏈路L5、L10、L15施加干擾(失敗概率增加30%)時(shí)，優(yōu)化分配方法仍然有較好的可靠性。圖6為N=19時(shí)，D=57時(shí)(對(duì)應(yīng)平均分配時(shí)隙中每子鏈路3個(gè)時(shí)隙的典型情況)，時(shí)隙分配情況統(tǒng)計(jì)，可見，優(yōu)化算法能夠?qū)⒂邢薜臅r(shí)隙分配給信道質(zhì)量較差的子鏈路，具有較好的鏈路自適應(yīng)能力，避免形成通信瓶頸;圖7中研究算法隨重傳時(shí)隙增加時(shí)可靠性情況，在圖6基礎(chǔ)上增加時(shí)隙，優(yōu)化算法取D=19～95，平均分配取D=19、38、57、72、95(對(duì)應(yīng)0、1、2、3、4次重傳)，分別進(jìn)行1000次仿真統(tǒng)計(jì)平均?？梢?，優(yōu)化分配方案在D=19～72時(shí)，即無重傳到3次重傳都可比較明顯提高鏈路可靠性，覆蓋了典型通信情況。在圖5仿真條件下，對(duì)有冗余路由情況進(jìn)行數(shù)值仿真。圖8為1000次數(shù)值仿真統(tǒng)計(jì)情況，與圖5比較，一方面，可圖7多跳鏈路時(shí)隙分配統(tǒng)計(jì)見有冗余路由的多跳無線通信鏈路較明顯改善了可靠性;另一方面，平均分配時(shí)隙、優(yōu)化分配時(shí)隙及對(duì)應(yīng)的有無干擾情況，與圖5有類似結(jié)論，可見優(yōu)化方法對(duì)有冗余路由情況也可以進(jìn)一步提高鏈路可靠性。圖8有冗余路由的1～19跳鏈路可靠性仿真

本文在傳統(tǒng)的工業(yè)無線通信調(diào)度模式下，通過優(yōu)化重傳，提高了工業(yè)多跳無線通信鏈路可靠性。應(yīng)用中，將優(yōu)化的時(shí)隙分配結(jié)果以超幀形式下載到各個(gè)節(jié)點(diǎn)即可，具有應(yīng)用價(jià)值。對(duì)無冗余路由情況鏈路重傳優(yōu)化，實(shí)際是對(duì)鏈路進(jìn)行了時(shí)域上優(yōu)化;對(duì)于有冗余路由的多跳鏈路重傳優(yōu)化，實(shí)際是對(duì)鏈路時(shí)域和空域資源調(diào)度優(yōu)化。隨著工業(yè)認(rèn)知無線電理論和技術(shù)發(fā)展，以及現(xiàn)場(chǎng)儀表通信能力和數(shù)據(jù)處理能力提高，諸如頻域、碼域、功率域等多域資源均可以在通信中得到協(xié)同優(yōu)化，從而可以進(jìn)一步提高鏈路通信可靠性，為工業(yè)無線技術(shù)應(yīng)用推廣提供基礎(chǔ)和空間。