一種無線通信發(fā)射功率控制方法設計

安中文 時立鋒 郝曉強

摘 ?要： 近些年來無線通信技術被廣泛應用，然而目前存在的技術難點及不足是移動通信設備功耗較高，設備的續(xù)航能力不足以及對外存在較大的電磁輻射，另外移動通信設備的發(fā)射功率大多不能自動靈活實時配置。本文針對上述問題，基于主設備位置固定而從設備可移動的無線通信系統(tǒng)，設計了一種無線通信發(fā)射功率調節(jié)控制方法，通過將主設備接收信噪比與預期接收信噪比的比較結果反饋給從設備來進行功率調節(jié)，從而實現(xiàn)對從設備的發(fā)射功率調節(jié)控制，使其發(fā)射功率達到最優(yōu)。經測試在同等條件下，采用本文所設計的發(fā)射功率控制方法，從設備平均發(fā)射功率約降低到傳統(tǒng)方法的50%，續(xù)航時間約提高了一倍。

關鍵詞： 無線通信;功率控制;接收信噪比;反饋

中圖分類號： TN929.5 ? ?文獻標識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.04.022

本文著錄格式：安中文，時立鋒，郝曉強，等. 一種無線通信發(fā)射功率控制方法設計[J]. 軟件，2019，40（4）：103-107

【Abstract】： In recent years， wireless communication technology has been widely used. However， the current technical difficulties and shortcomings are that mobile communication equipment consumes a lot of power， the battery life is insufficient， and there is a large external electromagnetic radiation. In addition， the transmission power of mobile communication equipment usually cannot be controlled automatically and flexibly. Aiming at the above problems， this paper designs a power adjustment control method for wireless communication transmission based on the wireless communication system with fixed master device and mobile slave device. The method adjusts transmission power of slave device by feeding back the comparing results between the received signal-to-noise ratio and the expected signal-to-noise ratio of the master device. Therefore the power control of the slave device is realized， and the transmit power is optimized. After testing under the same conditions， using the transmission power control method designed in this paper， the average transmission power of the mobile device is reduced to about 50% of the traditional method， and the battery life is doubled.

【Key words】： Wireless communication; Power control; Receiving signal to noise ratio; Feedback

0 ?引言

目前無線通信技術快速發(fā)展，無線通信系統(tǒng)被廣泛應用[1]。然而傳統(tǒng)無線設備的發(fā)射功率較高且功率控制方法不靈活，導致移動通信設備功耗較高，制約了移動設備的續(xù)航能力，同時存在較大的電磁輻射[2]。本文針對上述不足，基于主設備位置固定而從設備可移動的無線通信系統(tǒng)，設計了一種無線通信發(fā)射功率調節(jié)控制方法，闡述了設計思想、系統(tǒng)組成、控制方法、通信流程及測試結果，通過將主設備接收信噪比與預期接收信噪比的比較結果反饋給從設備來進行功率調節(jié)，從而實現(xiàn)對從設備的發(fā)射功率調節(jié)控制，使其發(fā)射功率達到最優(yōu)[3]，另外本文所設計的控制方法可以實現(xiàn)對無線設備發(fā)射功率的實時控制，增加了無線通信的可靠性。

1 ?設計思想

本文所設計的無線通信發(fā)射功率控制方法可以應用于主設備位置相對固定而從設備可移動的無線通信系統(tǒng)，例如主設備可以是支持各類通信標準的基站而從設備可以是各種類型的無線移動設備，諸如智能手機、膝上型計算機或各種類型的平板電腦等。通過將主設備接收信噪比與預期的接收信噪比比較結果反饋給從設備來進行功率調節(jié)的反饋，從而實現(xiàn)從設備的無線通信發(fā)射功率自動調節(jié)控制，使其發(fā)射功率達到最優(yōu)，具體設計思想如下：

（1）在數(shù)據(jù)傳輸前，從設備查詢其存儲的位置功率信息對應表，并根據(jù)其當前所處的位置，按照與表中最近的位置所對應的功率值來向主設備發(fā)送建立通信連接的請求信息[4];

（2）主設備收到請求后進行確認反饋同意其建立連接，接下來開始進行功率調節(jié)過程。即主設備通過將從設備發(fā)射信號的接收信噪比與預期接收信噪比進行比較，并將比較結果通過信令反饋給從設備進行功率調節(jié)。當主設備接收信噪比大于其預期接收信噪比，則從設備降低其發(fā)射功率并通過信令向所述主設備反饋已調節(jié)功率，當主設備接收信噪比小于其預期接收信噪比，則從設備提高其發(fā)射功率并通過信令向所述主設備反饋已調節(jié)功率[5];

（3）從設備根據(jù)主設備的反饋結果執(zhí)行如上的反復調節(jié)過程，當主設備接收信噪比達到其預期值或達到最接近值的比較結果后，從設備執(zhí)行與所述主設備的數(shù)據(jù)通信，同時將其最終所處位置及發(fā)射功率值存儲在其位置與功率信息對應表中，以便在下次建立通信連接時根據(jù)其所處的位置查詢初始發(fā)射功率值;

（4）主設備按此方式對其接收信噪比進行實時反饋，從設備按照反饋結果對發(fā)射功率進行實時調節(jié)，直到通信結束，以保證通信傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

2 ?系統(tǒng)設計及模塊組成

本文針對所設計的無線通信發(fā)射功率控制方法進行了詳細系統(tǒng)設計及對應模塊說明，該無線通信系統(tǒng)由主設備和從設備組成，其中主設備由無線接收模塊、無線發(fā)射模塊和通信控制模塊組成，從設備由無線接收模塊、無線發(fā)射模塊、GPS模塊、位置功率存儲模塊和功率調節(jié)及控制模塊組成。

本文所設計的無線通信發(fā)射功率控制方法的整體系統(tǒng)設計框圖如圖1所示。

圖1示出了系統(tǒng)整體設計框圖，包括模塊組成以及模塊間的數(shù)據(jù)處理流程，下面結合圖1對系統(tǒng)各組成模塊功能進行詳細說明。

2.1 ?主設備各模塊說明

（1）無線接收模塊：負責接收來自從設備的無線發(fā)射信號，將其按照無線通信協(xié)議解析出數(shù)據(jù)及信令信息，并計算出接收信號的信噪比，最后將從設備發(fā)送的信令信息及計算出的接收信噪比反饋給通信控制模塊;

（2）無線發(fā)射模塊：負責將數(shù)據(jù)及通信控制模塊發(fā)來的信令信息按照無線通信協(xié)議轉換為無線信號，并發(fā)射給從設備;

（3）通信控制模塊：

①負責對無線接收模塊解析出的來自從設備的信令信息進行反饋，并根據(jù)從設備發(fā)來的信令信息與無線接收模塊計算出的接收信噪比，通過信令信息對通信及從設備功率調節(jié)過程進行控制及反饋;

②信令信息包括同意從設備進行通信連接，將接收信噪比結果反饋從設備用于功率調節(jié)，同意從設備開始進行數(shù)據(jù)傳輸，在數(shù)據(jù)傳輸時實時反饋接收信噪比結果，以便超過預期值范圍時通知從設備重新進行功率調節(jié)過程;

③通信控制模塊將反饋的信令信息發(fā)送給無線發(fā)射模塊，無線發(fā)射模塊按照無線通信協(xié)議將其轉換為無線信號后再發(fā)射給從設備。

2.2 ?從設備各模塊說明

（1）無線接收模塊：負責接收來自主設備的無線發(fā)射信號，并將其按照無線通信協(xié)議解析出數(shù)據(jù)及信令信息，最后將主設備發(fā)送的信令信息反饋給功率調節(jié)及控制模塊;

（2）無線發(fā)射模塊：負責將數(shù)據(jù)及功率調節(jié)及控制模塊發(fā)來的信令信息按照無線通信協(xié)議轉換為無線信號，并發(fā)射給主設備，另外可以根據(jù)功率調節(jié)及控制模塊發(fā)來的功率控制信號對其無線發(fā)射信號功率進行調節(jié)，同時可以根據(jù)功率調節(jié)及控制模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)發(fā)送信號對是否發(fā)送數(shù)據(jù)信號進行控制;

（3）GPS模塊：負責獲取從設備當前所處的GPS位置信息，并將位置信息反饋給功率調節(jié)及控制模塊[6];

（4）位置功率存儲模塊：負責存儲功率調節(jié)結束時從設備所處的位置信息與最終發(fā)射功率值的對應關系，生成對應關系表，以便在下次建立通信連接時，從設備根據(jù)其所處的位置查詢初始發(fā)射功率值，即根據(jù)其當前所處的位置，按照與表中最近的位置所對應的功率值進行信號發(fā)送;

（5）功率調節(jié)及控制模塊：

①負責通過信令信息發(fā)送從設備建立通信連接請求，能夠對無線接收模塊解析出的來自主設備的信令信息進行反饋，根據(jù)主設備發(fā)來的信令信息解析出同意建立通信連接請求后開始功率調節(jié)過程;

②在建立通信連接時，能夠根據(jù)GPS模塊所提供的位置信息，從位置功率存儲模塊中讀取位置功率對應表，并按照與表中最近的位置所對應的功率值通過功率控制信號對無線發(fā)射模塊進行初始發(fā)射功率配置;

③通過主設備發(fā)來的信令信息解析出其接收信噪比與預期值的比較結果，并根據(jù)反饋結果通過功率控制信號來控制無線發(fā)射模塊的發(fā)射功率，同時通過信令反饋給主設備已調節(jié)功率，在無線發(fā)射模塊的發(fā)射功率配置區(qū)間采用二分查找法，即折半查找的方法通過功率控制信號對其發(fā)射功率進行調節(jié)[7];

④根據(jù)主設備發(fā)來的信令信息解析出同意開始傳輸數(shù)據(jù)時，能夠進行反饋，并通過數(shù)據(jù)發(fā)送信號控制無線發(fā)射模塊開始發(fā)送數(shù)據(jù)信號;

⑤通過主設備發(fā)來的信令信息解析出完成功率調節(jié)時，能夠將最終所處位置及發(fā)射功率值發(fā)送給位置功率存儲模塊，存儲在其位置與功率信息對應表中;

⑥在傳輸數(shù)據(jù)時，能夠對主設備發(fā)來的信令信息進行反饋，并按照主設備發(fā)來的信令信息通過功率控制信號控制無線發(fā)射模塊按照原發(fā)射功率進行通信或者重新進行功率調節(jié)過程;

⑦能夠將反饋的信令信息發(fā)送給無線發(fā)射模塊，無線發(fā)射模塊按照無線通信協(xié)議將其轉換為無線信號后再發(fā)射給主設備[8]。

3 ?控制方法設計

針對主設備位置固定，從設備可移動的應用場景，可按如下方法及步驟對從設備的發(fā)射功率進行自動實時地調節(jié)控制：

（1）在數(shù)據(jù)傳輸前，從設備首先通過信令向主設備發(fā)送建立通信連接的請求信息，從設備的初始發(fā)射功率設定方法是查詢其存儲的位置與功率信息對應表，并根據(jù)其當前所處的位置，按照與表中最近的位置所對應的功率值進行信號發(fā)送。若主設備在規(guī)定的時間內未回應則代表主設備未接收成功，則從設備再逐漸提高其發(fā)射功率直至主設備反饋確認。

（2）主設備收到請求后進行確認反饋同意其建立連接，接下來開始進行功率調節(jié)過程。即主設備通過將從設備發(fā)射信號的接收信噪比與預期接收信噪比進行比較，并將比較結果通過信令反饋給從設備進行功率調節(jié)。若主設備接收信噪比大于其預期接收信噪比，則從設備降低其發(fā)射功率并通過信令反饋給主設備已調節(jié)功率，若主設備接收信噪比小于其預期接收信噪比，則從設備提高其發(fā)射功率并通過信令反饋給主設備已調節(jié)功率，從設備依據(jù)主設備反饋結果進行反復調節(jié)，直到主設備接收信噪比達到其預期值或達到最接近值，則主設備通過信令通知從設備可以開始通信，接下來從設備進行反饋并正式傳輸數(shù)據(jù)，同時將最終所處位置及發(fā)射功率值存儲在其位置與功率信息對應表中，以便在下次建立通信連接時根據(jù)其所處的位置查詢初始發(fā)射功率值?？紤]到功率調節(jié)效率的高效性，在從設備的發(fā)射功率配置區(qū)間采用二分查找法，即折半查找的方法對其發(fā)射功率進行調節(jié)。

（3）通過此功率調節(jié)方法可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸前的功率調節(jié)“握手”過程[9-10]，使從設備按照主設備預期的接收信噪比控制其發(fā)射功率，使其發(fā)射功率達到最優(yōu)，這樣既不會因為發(fā)射功率過高而增加從設備功耗，減小其續(xù)航能力，增大其對外電磁輻射，又不會因為從設備的發(fā)射功率過低而影響到主設備的信號接收，從而影響通信傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

（4）由于從設備的位置變化或天氣、突發(fā)遮擋等原因均可能造成主設備接收信噪比變化，因此在通信過程中傳輸數(shù)據(jù)的同時仍然需要交互信令信息。主設備依據(jù)其接收信噪比進行實時反饋，若其接收信噪比處于預期值附近，則反饋從設備按照原發(fā)射功率進行通信，若主設備接收信噪比超過了其預期值范圍，則反饋給從設備按照上述方法進行調節(jié)直至滿足要求。這樣既可以保證通信傳輸?shù)目煽啃?，又實現(xiàn)了對從設備發(fā)送功率的實時優(yōu)化配置。主設備按此方式對其接收信噪比進行實時反饋，從設備按照反饋結果對發(fā)射功率進行實時調節(jié)[11]，直到通信結束。

4 ?通信流程設計

本文所設計的主設備和從設備之間通信交互流程如圖2所示，下面具體說明。

圖2示出本文所設計發(fā)射功率控制方法的主設備和從設備之間通信交互流程。如圖2所示，在步驟S1處，在數(shù)據(jù)傳輸前，從設備首先通過信令向主設備發(fā)送建立通信連接的請求信息，從設備的初始發(fā)射功率設定方法是查詢其存儲的位置功率信息表，并根據(jù)其當前所處的位置，按照與表中最近的位置所對應的功率值進行信號發(fā)送。若主設備在規(guī)定的時間內未回應則代表主設備未接收成功，則從設備再逐漸提高其發(fā)射功率直至主設備反饋確認。

在步驟S2處，當主設備收到請求后進行確認反饋同意建立連接，接下來開始進行功率調節(jié)過程。即主設備通過將從設備發(fā)射信號的接收信噪比與預期接收信噪比進行比較，并將接收信噪比結果通過信令反饋給從設備進行功率調節(jié)。在步驟S3處，當主設備接收信噪比并不滿足預期要求時，則從設備按相應的結果來調節(jié)發(fā)射功率并向主設備反饋已調節(jié)的發(fā)射功率。例如，若主設備接收信噪比大于其預期接收信噪比，則從設備降低其發(fā)射功率并通過信令反饋給主設備已調節(jié)功率，若主設備接收信噪比小于其預期接收信噪比，則從設備提高其發(fā)射功率并通過信令反饋給主設備已調節(jié)功率[12]。

在步驟S4處，主設備再次將接收信噪比的比較結果反饋給從設備。并且在步驟S5處，從設備依據(jù)主設備反饋結果再次進行調節(jié)，直到主設備接收信噪比達到其預期值或達到最接近值。接著，在步驟S6處，主設備通過信令通知從設備同意開始正式通信。接下來，在步驟S7處，從設備進行確認反饋并開始正式傳輸數(shù)據(jù)，同時將最終所處位置及發(fā)射功率值存儲在其位置功率信息表中，以便在下次建立通信連接時根據(jù)其所處的位置查詢初始發(fā)射功率值?？紤]到功率調節(jié)效率的高效性，在從設備的發(fā)射功率配置區(qū)間可以采用二分查找法，即折半查找的方法對其發(fā)射功率進行調節(jié)。

在通信過程中傳輸數(shù)據(jù)的同時仍然需要交互信令信息直到通信結束。主設備依據(jù)其接收信噪比進行實時反饋，若其接收信噪比處于預期值或范圍內或附近，則在步驟S8處，主設備通過反饋來通知從設備按照原發(fā)射功率進行通信，在步驟S9處從設備收到指令后確認執(zhí)行，并按原功率發(fā)送。若主設備接收信噪比超過了其預期值范圍，則在步驟S10處，主設備通知從設備按照前述方法進行調節(jié)直至滿足要求。在步驟S11處，從設備確認執(zhí)行發(fā)射功率的調節(jié)，并且重新執(zhí)行功率調節(jié)。按此調節(jié)控制方法，主設備按此方式對其接收信噪比進行實時反饋，從設備按照反饋結果對發(fā)射功率進行實時調節(jié)，直到通信結束，從而實現(xiàn)了實時功率控制，同時又增加了通信的可靠性。

5 ?測試結果

基于本文所設計的無線通信發(fā)射功率控制方法進行了測試驗證，具體測試結果如下：

從設備首先向主設備通過信令發(fā)送建立通信連接的請求，從設備此時所處的位置為北緯39度42分50秒，東經115度26分43秒，經查詢其存儲的位置功率信息對應表，表中與所處位置距離最近的位置所對應的發(fā)射功率值為31dBm，則從設備按此功率向主設備發(fā)送建立通信連接的請求。主設備收到請求信息后通過信令進行反饋同意從設備的連接請求，主設備設定的預期接收信噪比為8 dB，可接受的接收信噪比范圍為7～9 dB，而此時主設備接收信噪比為12 dB，則主設備通過信令將比較結果反饋給從設備。而從設備的發(fā)射功率范圍為25～35 dBm，即功率配置區(qū)間為10 dB，功率可調整步進為0.5 dB。從設備收到反饋結果后，根據(jù)二分查找法降低其發(fā)射功率，即按照28 dBm的發(fā)射功率再次發(fā)送并反饋已調節(jié)，此時主設備接收信噪比為9 dB，滿足其預期接收信噪比范圍，則主設備通過信令反饋從設備開始正式傳輸數(shù)據(jù)，從設備收到信令后反饋確認執(zhí)行，并開始發(fā)送數(shù)據(jù)，同時從設備將此時所處的位置北緯39度42分16秒，東經115度26分5秒及發(fā)射功率值28 dBm存儲在其位置功率信息對應表中，更新后的位置功率信息對應表如表1所示。

在數(shù)據(jù)傳輸過程中，主設備依據(jù)其接收信噪比進行實時反饋，當其接收信噪比滿足7～9 dB要求時，則反饋從設備按照原發(fā)射功率28 dBm進行通信，通信期間因為從設備位置變化，在某一時刻其被高層建筑遮擋，導致主設備接收信噪比降到了6 dB，不滿足其預期值范圍，則反饋給從設備重新進行功率調節(jié)。從設備收到反饋結果后，根據(jù)二分查找法提高其發(fā)射功率，即按照31.5 dBm的發(fā)射功率再次發(fā)送，此時主設備接收信噪比為8 dB，滿足其預期接收信噪比范圍，通過信令反饋從設備按此功率發(fā)送。從設備收到信令后反饋確認執(zhí)行，同時從設備將此時所處的位置北緯39度41分25秒，東經115度25分16秒及發(fā)射功率值31.5 dBm存儲在其位置功率信息對應表中，更新后的位置功率信息對應表如表2所示。

主設備按此方式對其接收信噪比進行實時反饋，從設備按照反饋結果對發(fā)射功率進行實時調節(jié)，直到通信結束。

為了對比本文所設計無線通信發(fā)射功率控制方法的優(yōu)勢，采用同樣的主設備與從設備，按照同樣的測試環(huán)境及同樣的從設備移動路線，從設備采用傳統(tǒng)的最高發(fā)射功率的控制方法與主設備進行通信，最終從設備平均發(fā)射功率與續(xù)航時間對比如表3所示，采用本文所設計的發(fā)射功率控制方法平均發(fā)射功率約為傳統(tǒng)方法的50%，在從設備采用同容量電池的情況下續(xù)航時間約提高了一倍。

6 ?結論

本文設計了一種無線通信發(fā)射功率控制方法，通過將主設備接收信噪比與預期的接收信噪比比較結果反饋給從設備來進行功率調節(jié)的反饋機制，實現(xiàn)了從設備的無線通信發(fā)射功率自動調節(jié)控制，使其發(fā)射功率達到最優(yōu)，從而解決了目前無線通信設備發(fā)射功率高的問題。采用本文所設計的無線通信發(fā)射功率控制方法可以有效的減小移動通信設備功耗，節(jié)省設備耗電，提升續(xù)航能力，減小無線設備對外電磁輻射，另外通過實時功率調節(jié)，也實現(xiàn)了無線發(fā)射功率靈活配置以及增加了無線通信的可靠性。

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