基于并行干擾抵消的5G通信信道傳輸控制系統設計

李瑞華，馮治東

(榆林學院 信息工程學院，陜西 榆林 719000)

0 引言

并行干擾抵消算法可以通過估算用戶接入行為的方式，確定通信數據對于多徑信道的干擾強度，在實際應用過程中，為避免數據信息出現明顯的堆積行為，可從已接收信號中剔除非必要的信息參量，并將剩余信息參量與數據庫主機中暫存的文件信息混合起來，以供核心通信體系的調取與利用[1]。與常規并行干擾消除手段相比，并行干擾抵消算法能夠逐步減輕信號參量對用戶節點造成的干擾性影響，并可在不改變通信數據原有排列形式的情況下，將這些指標參量從一個存儲單位轉移至另外一個存儲單位中，從而使得通信主機所面臨的信息共享壓力得到有效緩解[2]。簡單來說，并行干擾抵消算法就是對通信網絡不斷“做減法”的處理方式，且隨著數據信息累積量的增大，網絡主機也不會再次出現運行速度下降的表現情況。

5G通信是同時具有低時延、高速率的新一代寬帶移動通信技術，不但能夠維持客戶端與客戶端之間的穩定通信關系，還可以為接入用戶提供虛擬現實、超高清視頻的服務，從而實現了由語音業務到數據業務的轉變[3]。隨著5G通信業務的開展，信號參量在單幀、多幀、等情況下連接時長始終不能達到理想數值標準的問題逐漸凸顯出來，這也是導致5G通信信號流暢傳輸能力相對較低的主要原因。傳統動態無線控制系統遵循CDMA技術，對5G通信信號進行分配，雖然具備用戶容量大、覆蓋范圍廣等應用優勢，但隨著數據流波動行為的出現，單幀、多幀、連續幀信號的物理時延問題依然存在，這不但不能縮短通信信號的連接時長，還會對信號參量的傳輸流暢性造成影響[4]。為避免上述情況的發生，引入并行干擾抵消算法，并以此為基礎，設計一種新型的5G通信信道傳輸控制系統，再通過對比實驗的方式，突出該系統的實際應用價值。

1 5G通信信道傳輸控制系統的功能方案

5G通信信道傳輸控制系統的主體硬件結構包含電源模塊、信號采集模塊、輸出控制模塊、數據處理模塊幾個部分，本章節將針對上述模塊結構的應用功能展開研究。

1.1 主電源模塊

主電源模塊負責對5G通信信道傳輸控制系統提供電量信號，以LM2576驅動芯片作為核心搭建結構。整個電源模塊同時包含兩個VCC正極輸入端和兩個負極VDD輸出端，前者負責對電量信號進行整合與處理，可以從中提取帶電量水平較低的傳輸信號，并將其反饋回輸出端主機之中；后者能夠以極低的電量水平，將電量信號反饋給下級硬件應用結構。

LM2576驅動芯片左側同時與兩個LM117主板和兩個A3977主板相連。在實際應用過程中，每一個LM117主板都與一個觸發器結構保持對應連接關系，能夠在準確捕捉電量信號的同時，對未完全消耗的傳輸電流進行二次整合，并將其轉存至步進電機結構之中，以供通信主機的繼續調取與利用[5-6]。在RF24L01B元件的作用下，僅有一個A3977主板能夠與觸發器結構相連，二者共同維護5G通信信號的傳輸穩定性，并可在收集R電阻內剩余電量的同時，使傳輸電流的數值水平不出現過度增大的變化趨勢。具體主電源模塊的連接框圖結構如圖1所示。

圖1 主電源模塊的連接框圖

在主電源模塊中，步進電機必須與RF24L01B元件直接相連，且整條連接通路中應同時包含多個應用電阻結構。

1.2 通信信號采集模塊

在主電源模塊的作用下，5G通信信號的放大倍數已被初步確定，因此信道組織中所有滿足傳輸需求信號參量的放大倍數值都不可能等于“1”(詳細結構框圖如圖2所示)[7]。從功能性角度來看，通信信號采集模塊的作用能力相當于一個局域性的通信行為控制裝置，可在核心控制主機的作用下，篩選傳輸信號中的可利用成分，并可將這些信息參量暫時存儲于系統數據庫主機之中。由于FPGA元件的存在，AD506模擬器的連接行為始終受到較強的限制性作用，特別是在5G通信信號原始放大倍數較大的情況下，這些信息參量可在不經過放大器元件的情況下，直接進入AD轉換結構當中，一方面縮短了5G通信信號在特定傳輸過程中的連接時長，另一方面可以將信號參量在信道組織中的消耗情況控制在相對較低的數值水平[8]。

圖2 通信信號采集模塊示意圖

為使5G通信信號得到準確辨別，采集模塊對這些信號參量的采集指令必須分兩次進行，第一次采集由信號放大器指向AD轉換結構的通信信號，第二次采集由AD轉換結構指向AD7502芯片的通信信號。

1.3 輸出控制模塊

輸出控制模塊作為5G通信信道傳輸控制系統的核心應用結構，可在ARINC749總線通路的作用下，配比信道組織內控制指令的分布情況，一方面能夠滿足系統主機對于5G通信信號傳輸行為進行按需管控的實際應用需求，另一方面還可以避免信號參量在系統數據庫主機中大量堆積，從而解決現有的信號連接超時問題[9]。從結構組成的角度來看，輸出控制模塊同時包含一個5G通信信號輸出芯片、一個通信機載設備、一個AGC采集芯片和多個關聯信道組織結構體(具體結構組成形式如圖3所示)。5G通信信號輸出芯片可直接轉存ARINC749總線中的信號參量，并可在準確提取待傳輸信號參量的同時，將剩余數據信息按需配比至關聯信道組織結構體之中，以便于系統控制指令的制定與傳輸[10]。通信機載設備作為5G通信信號輸出芯片與AGC采集芯片之間的過渡裝置，可在負載下級FPGA組織連接需求的同時，計算系統主機內的信號管控占比率指標，從而使得通信信道控制系統能夠長期處于相對穩定的連接狀態。

圖3 輸出控制模塊的連接結構

AGC采集芯片存在于FPGA組織之中，同時具備信號處理、信號傳輸、信號管控、信號配比等多項執行能力。

1.4 數據處理模塊

在5G通信信道傳輸控制系統中，數據處理模塊以FSM芯片作為核心搭建結構，能夠在負載連接電阻元件的同時，對數據庫主機中累積的5G通信信號進行疏導處理，并可借助已連接的通信信道組織，將這些信號參量反饋至既定硬件結構體之中，不但實現了5G通信信號的快速連接，也使得這些數據信息在單幀、多幀、連續幀情況下均能保持流暢且穩定的傳輸狀態[11]。C++處理器作為FSM芯片的輔助應用結構，能夠整合處于傳輸狀態的5G通信信號，并可以借助ASCLL元件，將數據包形式的信號參量再次反饋回輸出控制模塊、LM2576驅動芯片等多個硬件連接結構中。在數據處理模塊右端存在兩個通信數據連接觸點，作為信號參量傳輸通路，負責對5G通信信號進行輸出與輸入處理。

數據處理模塊內連接電阻的數值水平相對較低，在考慮通信信號并行干擾抵消作用的情況下，電阻結構可為幫助模塊體系分得較低水平的傳輸電壓與電流，這也是信號連接表現時長能夠得到較好控制的主要原因[12]。

2 基于并行干擾抵消的5G通信信道配置

根據并行干擾抵消算法，分析5G通信信道的內部傳輸環境，再通過設置控制指令執行所需檢測器元件的方式，得到準確的殘余多址表達結果，從而完成基于并行干擾抵消的通信信道配置。

2.1 5G通信信道環境分析

5G通信信道的內部傳輸環境分析包含通信數據抵消量研究、關聯信息干擾強度計算兩個方面。

(1)

式中，ΔH表示5G通信信號的單位傳輸量，ε表示假性覆蓋系數。

(2)關聯信息干擾描述了假性通信信號對于5G通信信號的影響能力，在考慮并行干擾抵消算法的情況下，關聯信息干擾強度指標取值越大，則表示主機元件對于通信信道組織的控制能力相對較弱，反之則較強[14]。設φs表示編碼系數為s時的干擾指標定義項，f表示假性通信信號與5G通信信號之間的抵消行為定義標準。聯合上述物理量，可將5G通信信道內的關聯信息干擾強度表達式定義為：

(2)

為準確控制5G通信信道內的信息傳輸行為，并行干擾抵消算法的應用必須同時參考通信數據抵消量、關聯信息干擾強度兩項物理系數指標。

2.2 并行干擾抵消檢測器設置

并行干擾抵消檢測器能夠準確分辨信號參量在5G通信信道環境內的傳輸情況，并可以根據控制主機所下達的判決指令，剔除影響能力較強的假性通信信號，從而使得原通信信號暴露出來，并最終抵消這種不合理傳輸行為，對通信信道應用穩定性造成的影響[15]。

在已知5G通信信道內部傳輸環境的前提下，并行干擾抵消檢測器的連接能力會受到數據并行標度、信息參量干擾消除權限兩項指標參量的直接影響[16]。數據并行標度可表示為λ，在5G通信信道傳輸控制系統中，由于并行干擾抵消算法的作用強度并不能始終維持穩定，所以該項物理指標的取值結果也會不斷發生變化。信息參量干擾消除權限可表示為ω，作為與5G通信信號相關的唯一定值指標，該項物理系數的取值結果始終處在自然數1與e之間。

在上述物理量的支持下，聯立公式(1)、公式(2)，可將并行干擾抵消檢測器的連接條件定義為：

(3)

其中:bω表示消除權限為ω時的5G通信信號并行傳輸量，jω表示既定時刻通信信道承載的信號并行傳輸行為量，γ表示與檢測器設備相關的信號干擾項定標值。出于實用性考慮，并行干擾抵消檢測器元件的設置可行性應以符合控制系統實際應用情況為判別標準。

2.3 殘余多址表達

殘余多址表達是并行干擾抵消算法構建的重要實踐環節，能夠屏蔽大量的非常規5G通信信號，使其長期存儲于信道組織當中，使得已發生執行錯誤的控制指令不會表達處理，從而縮減系統控制主機所需執行的指令地址分揀任務量[17-18]。對于系統控制主機而言，殘余多址表達也可以叫做剩余通信地址的表達性譯碼，在不考慮5G通信信號傳輸量的條件下，只要信道組織足夠長，所有通信地址就都能得到準確表達，此時剩余地址信息的物理數值量越少，并行干擾抵消算法的作用能力也就越強。

(4)

(5)

一般來說，殘余多址信息的剩余量越大，表達定義式對于系統控制主機的約束作用也就越強，在此情況下，也就有越多的不合理通信信號參量能夠得到并行抵消處理。

3 控制行為分析

在5G通信信道傳輸控制系統中，為保證并行干擾抵消算法的順利應用，要求現有控制行為表達式必須同時滿足干擾方差與傳輸誤碼率計算結果，本章節將針對上述問題展開研究。

3.1 干擾方差計算

干擾方差決定了并行干擾抵消算法的作用強度，在5G通信信道傳輸控制系統中，該項指標參量的數值結果越精確，就表示信道組織對于5G信號參量的承載能力越強[19]。設q1、q2、…、qm表示m個互補干擾的通信信號抵消標度值，且在考慮并行干擾抵消算法作用行為的情況下，上述m個標度值不完全相等的物理條件恒成立。φ表示控制主機所遵循的通信信號提取權限，θ表示并行性控制系數，聯立上述物理量，可將5G通信信道傳輸控制系統中的信號干擾方差計算結果表示為：

(6)

方差指標的取值結果越趨近真實應用情況，就表示系統主機對于5G通信信道傳輸行為的控制能力越強，因此在完成系統設計時，應將干擾方差計算表達式作為核心判別條件[20]。

3.2 傳輸誤碼率

傳輸誤碼率描述了系統控制指令傳輸錯誤行為的出現幾率，由于并行干擾抵消算法的存在，誤碼率指標的取值必須同時參考信道組織內的信號感應權限、最小抵消參量等多項物理系數[21-22]。信號感應權限可表示為?，作為一項矢量化指標，該項物理系數的取值結果具有一定的方向性，其中小于零的系數指標表示5G通信信號在信道組織內保持負方向傳輸行為，而大于零的系數指標則表示5G通信信號在信道組織內保持正方向傳輸行為。最小抵消參量可表示為u，該項系數指標的取值結果將直接影響傳輸誤碼率的最終計算數值，一般來說，抵消參量取值越大，當前情況下的信號傳輸誤碼率水平也就越高，反之則越低[23-24]。在上述物理量的支持下，聯立公式(6)，可將5G通信信道傳輸控制系統的傳輸誤碼率計算式定義為：

(7)

式中，Ru表示最小抵消參量取值為u時的控制指令行為向量，Ou表示最小抵消參量取值為u時的控制指令干擾向量。

4 實例分析

選取圖4所示5G通信信號塔作為實驗對象，借助相同型號的信道組織建立實驗組、對照組系統主機與信號塔之間的通信連接關系，其中實驗組主機搭載基于并行干擾抵消的5G通信信道傳輸控制系統，對照組主機搭載傳統動態無線控制系統。

圖4 5G通信信號塔

5G通信信號的連接時長能夠反映信號參量的傳輸流暢水平，一般來說，通信信號連接所需耗時越短，表示信號參量的傳輸行為越流暢，即信道傳輸控制系統的作用能力較強。

圖5反映了5G通信信號在單幀、多幀、連續幀情況下所需連接耗時的理想數值水平。

圖5 通信信號的理想連接時長

分析圖5可知，在單幀、多幀情況下，5G通信信號的連接時長均呈現不斷增大的數值變化狀態；在連續幀情況下，5G通信信號的連接時長則呈現出先增大、再持續趨于穩定的變化狀態。

表1記錄了實驗組、對照組5G通信信號在單幀情況下所需的連接耗時。

表1 單幀情況下的連接耗時

分析表1可知，在單幀情況下，實驗組、對照組信號連接時長與理想連接時長之間的物理差值水平始終較小，但對照組均值水平略高于實驗組。

表2記錄了實驗組、對照組5G通信信號在多幀情況下所需的連接耗時。

表2 多幀情況下的連接耗時

分析表2可知，在多幀情況下，實驗組信號連接時長與理想連接時長之間的物理差值水平依然較?。粚φ战M信號連接時長與理想連接時長之間的物理差值水平則大于實驗組，整體均值水平也高于實驗組。

表3記錄了實驗組、對照組5G通信信號在連續幀情況下所需的連接耗時。

表3 連續幀情況下的連接耗時

分析表3可知，在連續幀情況下，實驗組信號連接時長與理想連接時長數值的變化趨勢基本保持一致，但實驗組均值水平卻明顯更低；對照組信號連接時長則始終保持相對穩定的數值存在狀態，但其均值水平遠高于理想數值與實驗組數值。

綜上可知，在基于并行干擾抵消的控制系統的作用下，5G通信信號在單幀、多幀、連續幀情況下的連接時長均出現了一定程度的下降趨勢，這就表示信號參量在上述情況下始終可以維持較為流程的傳輸行為，對于凸顯信道傳輸控制系統的應用價值能夠起到適當的促進性影響作用。

5 結束語

與動態無線控制系統相比，新型5G通信信道傳輸控制系統在并行干擾抵消算法的作用下，重新規劃了主電源模塊、通信信號采集模塊、輸出控制模塊等硬件應用結構的連接行為，又借助檢測器結構，確定干擾方差的具體數值，從而得到最終的傳輸誤碼率計算結果。從實用性角度來看，在這種新型控制系統的作用下，5G通信信號的連接時長確實出現了明顯下降的變化趨勢，不但能夠促進信號參量的流暢傳輸，也可以增強信道組織對于信號參量的承載能力，具備較強的實際應用可行性。