工業通信論文：工業無線通信的可靠性透析

導語：工業通信論文：工業無線通信的可靠性透析一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創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：蘇州市職業大學電子信息工程系

工業無線通信調度工業無線通信中一般采用時分多址(TimeDivisionMul-tipleAccess，TDMA)調度方式，通信調度周期分為多個時隙(TimeSlot，TS)，通信節點依次進行數據交互。基于TDMA的多跳通信中，實時性要求更具有挑戰。傳統的有線通信和點對點通信中需要1個時隙情況，n跳端到端通信至少需要n個時隙，相應地，重傳也需要更多時隙。在端到端時隙數約束下，時隙分配成為工業多跳無線通信重要的資源調度方法。工業無線通信中一般采用跳－跳重傳方式。網絡調度器為每個節點分配固定次數的重傳時隙，以超幀形式下載到各個通信節點。如前所述，現有的工業無線系統一般是根據實時性約束等，為每跳平均分配重傳時隙。2．2重傳提高可靠性原理考慮基于TDMA調度中子鏈路Li上通信情況。設每個時隙中Li只傳輸數據報和相應的確認信息。由于確認信息數據幀較短，在數據報傳輸后立即接收，一般不考慮數據報傳輸成功而確認信息傳輸失敗情況。此時，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，qGi和pGi分別表示上一個時隙通信成功時，本次通信成功和失敗的概率，Bi表示通信失敗狀態，qBi和pBi分別表示上一個時隙通信失敗時情況。在考慮外界隨機干擾的情況下，有qGi=qBi=qi，pGi=pBi=pi=(1－qi)，此時，Li上通信情況符合貝努力概型，用di表示分配給Li子鏈路的時隙數目(包括重傳時隙數目)，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一步提高鏈路可靠性，工業無線通信中可以利用鄰居節點協作重傳，構成冗余路由。圖3為典型冗余路由形式。r1為冗余中繼，當n0到通信失敗時(如無視距路徑、n1處持續強干擾、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，設其通信成功概率為q1和q2;L11、L12為冗余路由中子鏈路，設其通信成功概率為q11和q12;設R(n0|n2)表示節點n0到節點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。考慮重傳時隙時，可由(1)式計算各個子鏈路通信成功概率，代入(2)式，可計算端到端可靠性。

工業無線通信鏈路可靠性建模不失一般性，考慮N+1個節點組成的N跳鏈路，用N=n0，n1…．n{}N表示鏈路節點，其中，n0表示源節點，nN表示目的節點，Li表示節點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節所述，由式(1)可以計算多跳鏈路中每個子鏈路通信成功概率Ri。對于N跳鏈路，用D={d0，d1…．dN}表示鏈路時隙分配，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)通過工業認知無線電技術可以實時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］。由于工業現場實時通信周期短，可認為感知的鏈路可靠性Q在通信周期內不變，此時有:R(D)=∏Ni=1Ri(di)(4)工業無線通信鏈路可靠性優化工業無線通信鏈路可靠性優化即是最大化(4)式。考慮工業通信實時性約束，設從源節點n0到目的節點nN允許的最大時延為D個時隙，則最大化通信可靠性表示為:MAXDRs．t．∑Ni=1di{=D(5)式(5)優化問題可以采用非線性整數規劃問題求解方法，從而為每個子鏈路分配時隙，在D個時隙時間內實現鏈路端到端可靠性最大化，但一般計算量大，難以應用于現場儀表實時通信中。以下通過轉化，尋求易于應用的求解方法。定義3.1:定義子鏈路增益函數Ki(di)=Ri(di+1)/Ri(di)，其含義表示當前子鏈路Li上分配的時隙數量為di，若再多分配1個時隙，子鏈路的可靠性增益。引理3.1:Ki(di)是di的減函數。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:重傳時隙分配過程中，每個時隙分配給Ki(di)最大的子鏈路，則鏈路可靠性最大。證明:對于N+1個節點的N跳路由，假設允許的最大時延為D個時隙，那么就有m=D－N個可再分配的重傳時隙。考慮Q在通信周期內不變，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可有mN個可能的取值，m個重傳時隙分配對應m個Ki(j)。重傳時隙實際分配中，每個子鏈路j從1到di遞增，而Ki(di)是di的減函數，所以分配中Ki(j)滿足遞減。分配重傳時隙時，取i=argmaxi=1，2…NKi(j)，m個重傳時隙分配過程對應著依次選取子鏈路增益函數mN個可能值中前m個最大值的過程，故R(D)=f(Ki(j))最大，命題得證。基于定理3.1，原資源分配問題可以轉化為如下方法進行求解:1)為每一個子鏈路分配1個時隙作為初始值，既取D(0)=［1，1…1］;2)取1個重傳時隙進行分配，遍歷每個子鏈路，計算每個子鏈路的增益函數值Ki(di);3)搜索增益函數值Ki(di)最大的子鏈路n*，該子鏈路時隙分配值加1;4)所有重傳時隙分配完畢，則輸出最終時隙分配結果D=［d1，d2…di］;否則轉2)步。利用該結果和信道感知情況，應用式(1)可以進一步計算每個子鏈路的可靠性，根據式(2)可以計算整個鏈路的可靠性。在工業無線系統中，由網絡調度器以超幀形式，下傳該結果到鏈路，從而實現鏈路優化。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度上，主鏈路仍然基于傳統的TDMA，但重傳時隙為(D－2N)。當ni節點重傳時隙耗盡仍不能成功通信時，啟用冗余路由ni→ri+1→ni+2，數據從ni傳送到ni+2。主鏈路采用前述方法優化分配時隙，Li1和Li2子鏈路使用Li+1子鏈路的時隙向ni+1傳送數據，視為2跳鏈路進行重傳時隙優化方法分配。設R(ni|nj)表示節點i到節點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)當然，利用無線信道的廣播特性，可以在主鏈路上節點nm(m∈(0，1，…，N－1))發起通信時，nm+1和rm+1同步接收，nm+1接收失敗時，由rm+1將數據傳送給nm+2;也可以設計為nm+2同時接收nm+1和rm+1數據，采用最大比擬合，可以進一步提高鏈路可靠性。這些方案會增加冗余路由節點時隙和能耗開銷，對現場節點時鐘同步等要求較高，與傳統的TD-MA方式兼容也存在困難，在此不作進一步討論。4數值仿真研究工廠環境無線信道一般近似為瑞利衰落［7］。仿真條件中設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，即選取子鏈路數目為1～19情況。在Matlab中對平均分配時隙和優化分配時隙情況進行數值仿真。圖5為D=3N時1000次數值仿真統計情況。圖中可見，優化分配方法較平均分配時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，優化分配方法仍然有較好的可靠性。圖6為N=19時，D=57時(對應平均分配時隙中每子鏈路3個時隙的典型情況)，時隙分配情況統計，可見，優化算法能夠將有限的時隙分配給信道質量較差的子鏈路，具有較好的鏈路自適應能力，避免形成通信瓶頸;圖7中研究算法隨重傳時隙增加時可靠性情況，在圖6基礎上增加時隙，優化算法取D=19～95，平均分配取D=19、38、57、72、95(對應0、1、2、3、4次重傳)，分別進行1000次仿真統計平均。可見，優化分配方案在D=19～72時，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，對有冗余路由情況進行數值仿真。圖8為1000次數值仿真統計情況，與圖5比較，一方面，可圖7多跳鏈路時隙分配統計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，平均分配時隙、優化分配時隙及對應的有無干擾情況，與圖5有類似結論，可見優化方法對有冗余路由情況也可以進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

本文在傳統的工業無線通信調度模式下，通過優化重傳，提高了工業多跳無線通信鏈路可靠性。應用中，將優化的時隙分配結果以超幀形式下載到各個節點即可，具有應用價值。對無冗余路由情況鏈路重傳優化，實際是對鏈路進行了時域上優化;對于有冗余路由的多跳鏈路重傳優化，實際是對鏈路時域和空域資源調度優化。隨著工業認知無線電理論和技術發展，以及現場儀表通信能力和數據處理能力提高，諸如頻域、碼域、功率域等多域資源均可以在通信中得到協同優化，從而可以進一步提高鏈路通信可靠性，為工業無線技術應用推廣提供基礎和空間。