李瑞華，馮治東

(榆林學(xué)院 信息工程學(xué)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(shù)據(jù)對于多徑信道的干擾強(qiáng)度，在實(shí)際應(yīng)用過程中，為避免數(shù)據(jù)信息出現(xiàn)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(shù)據(jù)庫主機(jī)中暫存的文件信息混合起來，以供核心通信體系的調(diào)取與利用[1]。與常規(guī)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(jié)點(diǎn)造成的干擾性影響，并可在不改變通信數(shù)據(jù)原有排列形式的情況下，將這些指標(biāo)參量從一個(gè)存儲(chǔ)單位轉(zhuǎn)移至另外一個(gè)存儲(chǔ)單位中，從而使得通信主機(jī)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(wǎng)絡(luò)不斷“做減法”的處理方式，且隨著數(shù)據(jù)信息累積量的增大，網(wǎng)絡(luò)主機(jī)也不會(huì)再次出現(xiàn)運(yùn)行速度下降的表現(xiàn)情況。

5G通信是同時(shí)具有低時(shí)延、高速率的新一代寬帶移動(dòng)通信技術(shù)，不但能夠維持客戶端與客戶端之間的穩(wěn)定通信關(guān)系，還可以為接入用戶提供虛擬現(xiàn)實(shí)、超高清視頻的服務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)了由語音業(yè)務(wù)到數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)變[3]。隨著5G通信業(yè)務(wù)的開展，信號參量在單幀、多幀、等情況下連接時(shí)長始終不能達(dá)到理想數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)的問題逐漸凸顯出來，這也是導(dǎo)致5G通信信號流暢傳輸能力相對較低的主要原因。傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)無線控制系統(tǒng)遵循CDMA技術(shù)，對5G通信信號進(jìn)行分配，雖然具備用戶容量大、覆蓋范圍廣等應(yīng)用優(yōu)勢，但隨著數(shù)據(jù)流波動(dòng)行為的出現(xiàn)，單幀、多幀、連續(xù)幀信號的物理時(shí)延問題依然存在，這不但不能縮短通信信號的連接時(shí)長，還會(huì)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(fā)生，引入并行干擾抵消算法，并以此為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一種新型的5G通信信道傳輸控制系統(tǒng)，再通過對比實(shí)驗(yàn)的方式，突出該系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 5G通信信道傳輸控制系統(tǒng)的功能方案

5G通信信道傳輸控制系統(tǒng)的主體硬件結(jié)構(gòu)包含電源模塊、信號采集模塊、輸出控制模塊、數(shù)據(jù)處理模塊幾個(gè)部分，本章節(jié)將針對上述模塊結(jié)構(gòu)的應(yīng)用功能展開研究。

1.1 主電源模塊

主電源模塊負(fù)責(zé)對5G通信信道傳輸控制系統(tǒng)提供電量信號，以LM2576驅(qū)動(dòng)芯片作為核心搭建結(jié)構(gòu)。整個(gè)電源模塊同時(shí)包含兩個(gè)VCC正極輸入端和兩個(gè)負(fù)極VDD輸出端，前者負(fù)責(zé)對電量信號進(jìn)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(jī)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(yīng)用結(jié)構(gòu)。

LM2576驅(qū)動(dòng)芯片左側(cè)同時(shí)與兩個(gè)LM117主板和兩個(gè)A3977主板相連。在實(shí)際應(yīng)用過程中，每一個(gè)LM117主板都與一個(gè)觸發(fā)器結(jié)構(gòu)保持對應(yīng)連接關(guān)系，能夠在準(zhǔn)確捕捉電量信號的同時(shí)，對未完全消耗的傳輸電流進(jìn)行二次整合，并將其轉(zhuǎn)存至步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)之中，以供通信主機(jī)的繼續(xù)調(diào)取與利用[5-6]。在RF24L01B元件的作用下，僅有一個(gè)A3977主板能夠與觸發(fā)器結(jié)構(gòu)相連，二者共同維護(hù)5G通信信號的傳輸穩(wěn)定性，并可在收集R電阻內(nèi)剩余電量的同時(shí)，使傳輸電流的數(shù)值水平不出現(xiàn)過度增大的變化趨勢。具體主電源模塊的連接框圖結(jié)構(gòu)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(jìn)電機(jī)必須與RF24L01B元件直接相連，且整條連接通路中應(yīng)同時(shí)包含多個(gè)應(yīng)用電阻結(jié)構(gòu)。

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(shù)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(shù)值都不可能等于“1”(詳細(xì)結(jié)構(gòu)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(dāng)于一個(gè)局域性的通信行為控制裝置，可在核心控制主機(jī)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(shí)存儲(chǔ)于系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫主機(jī)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(qiáng)的限制性作用，特別是在5G通信信號原始放大倍數(shù)較大的情況下，這些信息參量可在不經(jīng)過放大器元件的情況下，直接進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)當(dāng)中，一方面縮短了5G通信信號在特定傳輸過程中的連接時(shí)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(shù)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(zhǔn)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(jìn)行，第一次采集由信號放大器指向AD轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的通信信號，第二次采集由AD轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)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(tǒng)的核心應(yīng)用結(jié)構(gòu)，可在ARINC749總線通路的作用下，配比信道組織內(nèi)控制指令的分布情況，一方面能夠滿足系統(tǒng)主機(jī)對于5G通信信號傳輸行為進(jìn)行按需管控的實(shí)際應(yīng)用需求，另一方面還可以避免信號參量在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫主機(jī)中大量堆積，從而解決現(xiàn)有的信號連接超時(shí)問題[9]。從結(jié)構(gòu)組成的角度來看，輸出控制模塊同時(shí)包含一個(gè)5G通信信號輸出芯片、一個(gè)通信機(jī)載設(shè)備、一個(gè)AGC采集芯片和多個(gè)關(guān)聯(lián)信道組織結(jié)構(gòu)體(具體結(jié)構(gòu)組成形式如圖3所示)。5G通信信號輸出芯片可直接轉(zhuǎn)存ARINC749總線中的信號參量，并可在準(zhǔn)確提取待傳輸信號參量的同時(shí)，將剩余數(shù)據(jù)信息按需配比至關(guān)聯(lián)信道組織結(jié)構(gòu)體之中，以便于系統(tǒng)控制指令的制定與傳輸[10]。通信機(jī)載設(shè)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(fù)載下級FPGA組織連接需求的同時(shí)，計(jì)算系統(tǒng)主機(jī)內(nèi)的信號管控占比率指標(biāo)，從而使得通信信道控制系統(tǒng)能夠長期處于相對穩(wěn)定的連接狀態(tài)。

圖3 輸出控制模塊的連接結(jié)構(gòu)

AGC采集芯片存在于FPGA組織之中，同時(shí)具備信號處理、信號傳輸、信號管控、信號配比等多項(xiàng)執(zhí)行能力。

1.4 數(shù)據(jù)處理模塊

在5G通信信道傳輸控制系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)處理模塊以FSM芯片作為核心搭建結(jié)構(gòu)，能夠在負(fù)載連接電阻元件的同時(shí)，對數(shù)據(jù)庫主機(jī)中累積的5G通信信號進(jìn)行疏導(dǎo)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(jié)構(gòu)體之中，不但實(shí)現(xiàn)了5G通信信號的快速連接，也使得這些數(shù)據(jù)信息在單幀、多幀、連續(xù)幀情況下均能保持流暢且穩(wěn)定的傳輸狀態(tài)[11]。C++處理器作為FSM芯片的輔助應(yīng)用結(jié)構(gòu)，能夠整合處于傳輸狀態(tài)的5G通信信號，并可以借助ASCLL元件，將數(shù)據(jù)包形式的信號參量再次反饋回輸出控制模塊、LM2576驅(qū)動(dòng)芯片等多個(gè)硬件連接結(jié)構(gòu)中。在數(shù)據(jù)處理模塊右端存在兩個(gè)通信數(shù)據(jù)連接觸點(diǎn)，作為信號參量傳輸通路，負(fù)責(zé)對5G通信信號進(jìn)行輸出與輸入處理。

數(shù)據(jù)處理模塊內(nèi)連接電阻的數(shù)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(jié)構(gòu)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(xiàn)時(shí)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(jù)并行干擾抵消算法，分析5G通信信道的內(nèi)部傳輸環(huán)境，再通過設(shè)置控制指令執(zhí)行所需檢測器元件的方式，得到準(zhǔn)確的殘余多址表達(dá)結(jié)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(huán)境分析

5G通信信道的內(nèi)部傳輸環(huán)境分析包含通信數(shù)據(jù)抵消量研究、關(guān)聯(lián)信息干擾強(qiáng)度計(jì)算兩個(gè)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(shù)。

(2)關(guān)聯(lián)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(guān)聯(lián)信息干擾強(qiáng)度指標(biāo)取值越大，則表示主機(jī)元件對于通信信道組織的控制能力相對較弱，反之則較強(qiáng)[14]。設(shè)φs表示編碼系數(shù)為s時(shí)的干擾指標(biāo)定義項(xiàng)，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(biāo)準(zhǔn)。聯(lián)合上述物理量，可將5G通信信道內(nèi)的關(guān)聯(lián)信息干擾強(qiáng)度表達(dá)式定義為：

(2)

為準(zhǔn)確控制5G通信信道內(nèi)的信息傳輸行為，并行干擾抵消算法的應(yīng)用必須同時(shí)參考通信數(shù)據(jù)抵消量、關(guān)聯(lián)信息干擾強(qiáng)度兩項(xiàng)物理系數(shù)指標(biāo)。

2.2 并行干擾抵消檢測器設(shè)置

并行干擾抵消檢測器能夠準(zhǔn)確分辨信號參量在5G通信信道環(huán)境內(nèi)的傳輸情況，并可以根據(jù)控制主機(jī)所下達(dá)的判決指令，剔除影響能力較強(qiáng)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(yīng)用穩(wěn)定性造成的影響[15]。

在已知5G通信信道內(nèi)部傳輸環(huán)境的前提下，并行干擾抵消檢測器的連接能力會(huì)受到數(shù)據(jù)并行標(biāo)度、信息參量干擾消除權(quán)限兩項(xiàng)指標(biāo)參量的直接影響[16]。數(shù)據(jù)并行標(biāo)度可表示為λ，在5G通信信道傳輸控制系統(tǒng)中，由于并行干擾抵消算法的作用強(qiáng)度并不能始終維持穩(wěn)定，所以該項(xiàng)物理指標(biāo)的取值結(jié)果也會(huì)不斷發(fā)生變化。信息參量干擾消除權(quán)限可表示為ω，作為與5G通信信號相關(guān)的唯一定值指標(biāo)，該項(xiàng)物理系數(shù)的取值結(jié)果始終處在自然數(shù)1與e之間。

在上述物理量的支持下，聯(lián)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(quán)限為ω時(shí)的5G通信信號并行傳輸量，jω表示既定時(shí)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(shè)備相關(guān)的信號干擾項(xiàng)定標(biāo)值。出于實(shí)用性考慮，并行干擾抵消檢測器元件的設(shè)置可行性應(yīng)以符合控制系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用情況為判別標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 殘余多址表達(dá)

殘余多址表達(dá)是并行干擾抵消算法構(gòu)建的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)，能夠屏蔽大量的非常規(guī)5G通信信號，使其長期存儲(chǔ)于信道組織當(dāng)中，使得已發(fā)生執(zhí)行錯(cuò)誤的控制指令不會(huì)表達(dá)處理，從而縮減系統(tǒng)控制主機(jī)所需執(zhí)行的指令地址分揀任務(wù)量[17-18]。對于系統(tǒng)控制主機(jī)而言，殘余多址表達(dá)也可以叫做剩余通信地址的表達(dá)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(zhǔn)確表達(dá)，此時(shí)剩余地址信息的物理數(shù)值量越少，并行干擾抵消算法的作用能力也就越強(qiáng)。

(4)

(5)

一般來說，殘余多址信息的剩余量越大，表達(dá)定義式對于系統(tǒng)控制主機(jī)的約束作用也就越強(qiáng)，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(tǒng)中，為保證并行干擾抵消算法的順利應(yīng)用，要求現(xiàn)有控制行為表達(dá)式必須同時(shí)滿足干擾方差與傳輸誤碼率計(jì)算結(jié)果，本章節(jié)將針對上述問題展開研究。

3.1 干擾方差計(jì)算

干擾方差決定了并行干擾抵消算法的作用強(qiáng)度，在5G通信信道傳輸控制系統(tǒng)中，該項(xiàng)指標(biāo)參量的數(shù)值結(jié)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(qiáng)[19]。設(shè)q1、q2、…、qm表示m個(gè)互補(bǔ)干擾的通信信號抵消標(biāo)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(gè)標(biāo)度值不完全相等的物理?xiàng)l件恒成立。φ表示控制主機(jī)所遵循的通信信號提取權(quán)限，θ表示并行性控制系數(shù)，聯(lián)立上述物理量，可將5G通信信道傳輸控制系統(tǒng)中的信號干擾方差計(jì)算結(jié)果表示為：

(6)

方差指標(biāo)的取值結(jié)果越趨近真實(shí)應(yīng)用情況，就表示系統(tǒng)主機(jī)對于5G通信信道傳輸行為的控制能力越強(qiáng)，因此在完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)將干擾方差計(jì)算表達(dá)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(tǒng)控制指令傳輸錯(cuò)誤行為的出現(xiàn)幾率，由于并行干擾抵消算法的存在，誤碼率指標(biāo)的取值必須同時(shí)參考信道組織內(nèi)的信號感應(yīng)權(quán)限、最小抵消參量等多項(xiàng)物理系數(shù)[21-22]。信號感應(yīng)權(quán)限可表示為?，作為一項(xiàng)矢量化指標(biāo)，該項(xiàng)物理系數(shù)的取值結(jié)果具有一定的方向性，其中小于零的系數(shù)指標(biāo)表示5G通信信號在信道組織內(nèi)保持負(fù)方向傳輸行為，而大于零的系數(shù)指標(biāo)則表示5G通信信號在信道組織內(nèi)保持正方向傳輸行為。最小抵消參量可表示為u，該項(xiàng)系數(shù)指標(biāo)的取值結(jié)果將直接影響傳輸誤碼率的最終計(jì)算數(shù)值，一般來說，抵消參量取值越大，當(dāng)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(lián)立公式(6)，可將5G通信信道傳輸控制系統(tǒng)的傳輸誤碼率計(jì)算式定義為：

(7)

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

4 實(shí)例分析

選取圖4所示5G通信信號塔作為實(shí)驗(yàn)對象，借助相同型號的信道組織建立實(shí)驗(yàn)組、對照組系統(tǒng)主機(jī)與信號塔之間的通信連接關(guān)系，其中實(shí)驗(yàn)組主機(jī)搭載基于并行干擾抵消的5G通信信道傳輸控制系統(tǒng)，對照組主機(jī)搭載傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)無線控制系統(tǒng)。

圖4 5G通信信號塔

5G通信信號的連接時(shí)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(shí)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(tǒng)的作用能力較強(qiáng)。

圖5反映了5G通信信號在單幀、多幀、連續(xù)幀情況下所需連接耗時(shí)的理想數(shù)值水平。

圖5 通信信號的理想連接時(shí)長

分析圖5可知，在單幀、多幀情況下，5G通信信號的連接時(shí)長均呈現(xiàn)不斷增大的數(shù)值變化狀態(tài)；在連續(xù)幀情況下，5G通信信號的連接時(shí)長則呈現(xiàn)出先增大、再持續(xù)趨于穩(wěn)定的變化狀態(tài)。

表1記錄了實(shí)驗(yàn)組、對照組5G通信信號在單幀情況下所需的連接耗時(shí)。

表1 單幀情況下的連接耗時(shí)

分析表1可知，在單幀情況下，實(shí)驗(yàn)組、對照組信號連接時(shí)長與理想連接時(shí)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(shí)驗(yàn)組。

表2記錄了實(shí)驗(yàn)組、對照組5G通信信號在多幀情況下所需的連接耗時(shí)。

表2 多幀情況下的連接耗時(shí)

分析表2可知，在多幀情況下，實(shí)驗(yàn)組信號連接時(shí)長與理想連接時(shí)長之間的物理差值水平依然較小；對照組信號連接時(shí)長與理想連接時(shí)長之間的物理差值水平則大于實(shí)驗(yàn)組，整體均值水平也高于實(shí)驗(yàn)組。

表3記錄了實(shí)驗(yàn)組、對照組5G通信信號在連續(xù)幀情況下所需的連接耗時(shí)。

表3 連續(xù)幀情況下的連接耗時(shí)

分析表3可知，在連續(xù)幀情況下，實(shí)驗(yàn)組信號連接時(shí)長與理想連接時(shí)長數(shù)值的變化趨勢基本保持一致，但實(shí)驗(yàn)組均值水平卻明顯更低；對照組信號連接時(shí)長則始終保持相對穩(wěn)定的數(shù)值存在狀態(tài)，但其均值水平遠(yuǎn)高于理想數(shù)值與實(shí)驗(yàn)組數(shù)值。

綜上可知，在基于并行干擾抵消的控制系統(tǒng)的作用下，5G通信信號在單幀、多幀、連續(xù)幀情況下的連接時(shí)長均出現(xiàn)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(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值能夠起到適當(dāng)?shù)拇龠M(jìn)性影響作用。

5 結(jié)束語

與動(dòng)態(tài)無線控制系統(tǒng)相比，新型5G通信信道傳輸控制系統(tǒng)在并行干擾抵消算法的作用下，重新規(guī)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(yīng)用結(jié)構(gòu)的連接行為，又借助檢測器結(jié)構(gòu)，確定干擾方差的具體數(shù)值，從而得到最終的傳輸誤碼率計(jì)算結(jié)果。從實(shí)用性角度來看，在這種新型控制系統(tǒng)的作用下，5G通信信號的連接時(shí)長確實(shí)出現(xiàn)了明顯下降的變化趨勢，不但能夠促進(jìn)信號參量的流暢傳輸，也可以增強(qiáng)信道組織對于信號參量的承載能力，具備較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用可行性。