高能效中繼通信在實驗室通信系統中的應用*

劉 瑾

（河南大學實驗室與設備管理處，河南 開封 475001）

0 引 言

從古至今，人類的通信方式出現了巨大的變化，然而通信方式的進化方向一直都是向著低成本、高速度的方向發展[1]。春秋時期有一個烽火相傳的成語典故，講的是利用烽火臺進行信息傳播的故事，某種程度上，這就是一種中繼通信，這種中繼通信方式中的中繼指的就是烽火臺，其通信作用就是實現傳輸速率的提高與通信范圍的擴大。直到今天，實驗室通信系統還是需要克服傳輸速率的提高與通信范圍的擴大這兩個問題，為了解決這兩個問題，就需要在實驗室通信系統中對高能效中繼通信技術進行應用[2]。高能效中繼通信具備能夠提升系統性能、消除通信覆蓋盲點以及擴大通信基站的覆蓋范圍等優點。因此高能效中繼通信已經逐漸在實驗室通信系統中展開了應用并被引入了面向4G的通信標準中。

1 基于高能效中繼通信的實驗室通信系統

1.1 單載波中繼鏈路通信與通信鏈路的鏈接

高能效中繼通信包括單載波的中繼鏈路通信與多載波的中繼鏈路通信。在研究中繼鏈路的通信能效問題時，通常采用比特數作為衡量指標，也就是每單位能耗所發送的比特數，其計算公式如下：

其中，R指的是通信鏈路的數據傳輸率，P指的是通信鏈路信息發送的總功耗，包括接收端、中繼與發送端的功耗。實驗室通信系統的組成結構如圖1所示。

圖1 實驗室通信系統的組成結構

而通信基站、通信鏈路與通信終端的通信主要依靠通信節點來實現[3]。將高能效中繼通信引入實驗室通信系統后，需要利用中繼通信基站將單載波的中繼鏈路通信與實驗室通信系統的通信鏈路相鏈接，單載波的中繼鏈路通信在實驗室通信系統中的應用主要包括在中繼端利用單載波的中繼鏈路通信對載波功率進行分配以及單載波的中繼鏈路通信在中繼鏈路中源端的應用[4]。

利用單載波的中繼鏈路通信對載波功率進行分配可以使鏈路能效最大化，目前這方面的應用還不太普及。而單載波的中繼鏈路通信在中繼鏈路中源端的應用主要是指其在AF（放大-轉發）多載波鏈路中的應用，這主要涉及到AF多載波鏈路通信的能效問題，也就是AF多載波鏈路進行通信時的單位耗能數[5]。未在AF多載波鏈路通信中應用高能效中繼通信時，AF多載波鏈路的中繼端發送功率與源端發送功率都會受到通信系統的限制，并且在鏈路速率一定的時候所需的鏈路能耗較大。而將高能效中繼通信引入AF多載波鏈路中可以將AF多載波鏈路中非凸問題進行中繼轉化并將其轉化為擬凸問題從而得到鏈路的最優配置，降低鏈路能耗。AF多載波鏈路的能耗計算公式如下：

其中，PBS,Macro指的是鏈路能耗，NSoctor指的是基站的扇區數目，NPApSec指的是每個扇區的功放數目，PTX指的是每個功放的發送功率，μPA指的是功放的效率，PSP指的是信號處理的功率，CC指的是空調損耗因子，CPSBB指的是備用電池和電力供應損耗因子。

同時，單載波的中繼鏈路通信在AF多載波鏈路中的應用還可以利用子載波匹配算法將目的端—中繼端中質量較高的子載波與中繼端—源端中質量較高的子載波進行匹配并通過這兩種子載波的匹配實現通信數據的傳輸，從而進一步實現鏈路能效的提升。然而，目前單載波的中繼鏈路通信在實驗室通信系統通信鏈路中的應用只考慮了通信鏈路中繼端與通信鏈路源端的通信傳輸能耗，要全面實現其在實驗室通信系統通信鏈路中的應用需要建立完善的能耗模型對通信鏈路的通信傳輸能耗進行研究，同時還需要對實驗室通信系統的能效問題與中繼轉發策略進行深入的研究。單載波的中繼鏈路通信與實驗室通信系統中的通信鏈路相鏈接的電路如圖2所示。

圖2 單載波中繼鏈路通信與通信鏈路的電路

1.2 多載波中繼鏈路通信與通信基站和通信終端的鏈接

將高能效中繼通信引入實驗室通信系統后，還需要利用中繼通信基站將多載波的中繼鏈路通信與實驗室通信系統的通信基站和通信終端相鏈接，多載波的中繼鏈路通信在通信基站和通信終端中的應用可以使多個中繼參與到實驗室通信系統的通信傳輸中，使通信基站的目的端通過這些中繼向通信基站的源端發送信息，從而達到提升實驗室通信系統通信網絡能效的目的[6]。

在中繼很多的情況下，還可以在眾多中繼中選擇較好的甚至最好的幾個中繼來進行通信傳輸。較好的甚至最好的中繼能夠更加迅速的破譯目的端與源端的信息譯碼，并以波束賦形的形式將破譯成功的信息譯碼在目的端與源端之間傳輸。但是高能效中繼通信在通信基站中的應用需要對通信信道狀態信息的反饋開銷與通信信道狀態信息的訓練加以考慮，并根據通信信道狀態信息的反饋開銷與通信信道狀態信息的訓練來選擇網絡的能效與中繼的數量之間的折中關系。如果從能效的角度來考慮多載波的中繼鏈路通信在通信基站和通信終端中的應用，中繼的數量以居中為佳，過多的中繼數量容易加大通信的功耗。中繼的發送功率可分為靜態部分與動態部分，即：

其中，pdynamic是動態部分，即與傳輸速率有關的可變發送功率，而pstatic是靜態部分，即通常設定為常數的、與傳輸速率無關的線路功耗。

在通信基站和通信終端中應用多載波中繼鏈路通信還需要對AF多載波中繼網絡的加權能耗問題進行考慮，利用加權能耗模型可以對AF多載波中繼網絡的加權能耗進行模擬，在加權能耗模型中，不同的通信節點擁有著不同的能耗權重[7]。在實驗室通信系統的蜂窩網中，主要是通過供電線路來連接中繼與基站，由于蜂窩網中的手機終端會受到一定的限制，因此手機終端往往擁有更大的能耗權重。在應用多載波中繼鏈路通信后，不需要對發送功耗進行考慮就可以利用比特數據消耗最小的中繼傳輸單位來調整AF多載波中繼網絡的加權能耗，從而實現實驗室通信系統通信網絡的能耗最優化。AF多載波中繼網絡的最大化鏈路能耗的計算公式如下：

其中，PS是AF多載波中繼網絡的鏈路能耗，Pr是用戶對鏈路速率的需求，而PS與Pr必須滿足如下條件：

式（7）中，ηth代表中繼端與源端的發送功率約束。

多載波中繼鏈路通信與實驗室通信系統中的通信基站和通信終端相鏈接的電路如圖3所示。

圖3 多載波中繼鏈路通信與通信基站和終端的電路

1.3 基于高能效中繼通信的實驗室通信系統的實現

在完成單載波的中繼鏈路通信與實驗室通信系統的通信鏈路的鏈接，以及多載波的中繼鏈路通信與實驗室通信系統的通信基站和通信終端的鏈接后，利用信號發射器部署實驗室通信系統的蜂窩網絡，并利用這個高能效的蜂窩網絡解決中繼通信的資源分配問題。考慮到實驗室通信系統的網絡通信業務吞吐量問題，需要布設相應數量的信號發射器，并且布設位置需要考慮該地區的業務流量特征與拓撲結構。在布設好信號發射器后，利用混合中繼通信傳輸策略，進行基于高能效中繼通信的實驗室通信系統的中繼通信傳輸策略，也就是把通信數據從整體上分成兩大部分來進行通信傳輸，其中一部分利用單向中繼通信傳輸網絡來傳輸，而另一部分則利用雙向中繼通信傳輸網絡來進行傳輸。相較于單純的利用單向中繼通信傳輸網絡或雙向中繼通信傳輸網絡來進行傳輸，這種混合中繼通信傳輸策略的傳輸能效明顯更高。而其需要注意的問題如表1所示。

表1 混合中繼通信傳輸策略需要注意的問題

2 實驗結果與討論

為了保證基于高能效中繼通信的實驗室通信系統的有效性，設計仿真實驗。實驗過程中，以某實驗室通信系統為實驗對象，將高能效中繼通信與實驗室通信系統相鏈接。為了保證實驗的有效性，使用傳統實驗室通信系統與本文設計的基于高能效中繼通信的實驗室通信系統進行比較，觀察實驗結果。

2.1 實驗過程

由于在實驗室通信系統中的網絡數據業務具有強烈的動態變化性，因此在不同時間段，實驗室通信系統的網絡數據業務量具有很大的差異，通常其網絡通信數據業務量的變化曲線都呈現出擬正弦圖形的形狀。在基于高能效中繼通信的實驗室通信系統中也是一樣，工作日的網絡通信數據業務量通常要小于周末，也就是網絡通信數據業務量會隨時間的變化而產生動態的變化。因此在實驗中，使基于高能效中繼通信的實驗室通信系統與傳統實驗室通信系統的基站都采用一種動態休眠的方式，也就是在業務量較少的時候允許一些基站進行休眠。在基于高能效中繼通信的實驗室通信系統中，由于將單載波中繼鏈路通信與多載波中繼鏈路通信引入到了實驗室通信系統中，并且鄰基站與中繼站是利用回程鏈路進行鏈接的。因此在業務量較低的時候，需要讓中心基站進入休眠狀態，并開啟一些低功耗的中繼站。這些低功耗的中繼站通常是與基站部署在一起的，因此可以最大程度的降低實驗室通信系統的網絡能耗。

2.2 實驗結果

基于高能效中繼通信的實驗室通信系統與傳統實驗室通信系統的網絡能耗對比如圖4、圖5所示。

圖4 傳統實驗室通信系統的網絡能耗

圖5 基于高能效中繼通信的實驗室通信系統的網絡能耗

通過圖4與圖5可知，基于高能效中繼通信的實驗室通信系統的網絡能耗要遠低于傳統實驗室通信系統的網絡能耗。

3 結 語

基于高能效中繼通信的實驗室通信系統能夠實現通信能效的提升與通信的節能，是未來實驗室通信系統的發展趨勢。