CN103605286A - 一种用于调节无线设备发射功率的模糊控制方法 - Google Patents

一种用于调节无线设备发射功率的模糊控制方法 Download PDF

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Abstract

一种用于调节无线设备发射功率的模糊控制方法，涉及无线设备控制方法，该方法确定最低信号强度，构造负反馈控制系统；对模糊控制器各控制变量进行模糊化处理，制定模糊控制规则，根据控制工程学知识结合试验制定模糊控制规则；模糊控制器输出量的反模糊化，将模糊控制器的输入输出表写入无线设备的存储器中，对无线设备嵌入式软件进行适当修改，通过调用模糊控制器的输入输出表的方法，达到依照模糊规则控制设备发射功率的效果。该方法能够控制设备的发射功率使其信号到达接收方后信号强度维持在最低信号强度上下，在保证通讯质量和通讯距离的前提下可以有效节约设备的能耗，该方法具有良好的有效性和鲁棒性。

Description

一种用于调节无线设备发射功率的模糊控制方法
技术领域
本发明涉及一种，特别是涉及一种用于调节无线设备发射功率的模糊控制方法。 
背景技术
对于无线设备来说，设备能耗是一项重要性能指标。而设备的无线发射功率对设备的能耗有很大的影响。目前很多无线设备硬件的发射功率都可以调节，但绝大多数厂商为了确保收发距离都将设备发射功率固定在最大发射功率下。这样的做法制约了设备能耗的降低。尤其对于以电池作为电源的无线设备，直接缩短了设备的正常工作时间。 
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于调节无线设备发射功率的模糊控制方法，该方法能够控制设备的发射功率使其信号到达接收方后信号强度维持在最低信号强度上下，在保证通讯质量和通讯距离的前提下可以有效节约设备的能耗，该方法具有良好的有效性和鲁棒性。 
本发明的目的是通过以下技术方案实现的： 
一种用于调节无线设备发射功率的模糊控制方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1：确定最低信号强度，最低信号强度并非设备信号强度下限；                              
步骤2：构造负反馈控制系统；为了达到控制目标需要建立负反馈控制系统，通过该控制系统的作用可以使接收设备处检测到的发射设备信号功率C始终保持在步骤1得出的“最低信号强度”R附近；
步骤3：对模糊控制器各控制变量进行模糊化处理，模糊控制器有3个控制变量 
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE001
、和
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE003
。其中
Figure 270818DEST_PATH_IMAGE001
为实际信号强度值与给定信号强度值R的偏差，记实际信号强度值为c，则
Figure 955746DEST_PATH_IMAGE004
；
Figure 727393DEST_PATH_IMAGE002
为当前功率值；
Figure 615715DEST_PATH_IMAGE003
为控制器输出；
步骤4:制定模糊控制规则，根据控制工程学知识结合试验制定模糊控制规则；
步骤5:模糊控制器输出量的反模糊化，
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE005
为一模糊子集，实际输出为一个确定值，为保证实时性，采用最大隶属度法对
Figure 685171DEST_PATH_IMAGE005
进行反模糊化处理；
步骤6：依照步骤1到步骤6所述通过MATLAB或C语言编程对模糊控制器进行仿真，运行得出模糊控制器的输入输出表；
步骤7：将模糊控制器的输入输出表写入无线设备的存储器中，对无线设备嵌入式软件进行适当修改，通过调用模糊控制器的输入输出表的方法，达到依照模糊规则控制设备发射功率的效果。
所述的一种用于调节无线设备发射功率的模糊控制方法，所述确定最低信号强度，最低信号强度并非设备信号强度下限；记设备的接收信号强度上限即正常使用时接收到的最强信号强度为RH，设备的接收信号强度下限即设备接收灵敏度下限为RL，根据式（1）计算得出“最低信号强度”； 
Figure 975338DEST_PATH_IMAGE006
                  （1）。
所述的一种用于调节无线设备发射功率的模糊控制方法，所述对模糊控制器各控制变量进行模糊化处理，通过实验方式得到各控制变量的实际变化值域；然后对各个值域进行线性变换得到各个变量的论域并定义合适的模糊集合；最后选取合适的隶属度函数用于各控制变量的模糊化处理，线性变换可遵循式（2），式（2）中
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE007
可由式（3）计算得出；式中为变量
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE009
的实际变化值域，
Figure 480454DEST_PATH_IMAGE010
为该变量模糊化后
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE011
所在的论域； 
Figure 88022DEST_PATH_IMAGE012
   （2）
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE013
                   （3）。
所述的一种用于调节无线设备发射功率的模糊控制方法，所述制定模糊控制规则，模糊规则概括为如式（3）所示： 
Figure 685225DEST_PATH_IMAGE014
                  (3)
对应的模糊蕴含关系矩阵为：
                   (4)
可得模糊推理：
Figure 736358DEST_PATH_IMAGE016
                   (5)
上式中，模糊蕴含关系矩阵，
Figure 848539DEST_PATH_IMAGE018
为输入，
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE019
为偏差，
Figure 10530DEST_PATH_IMAGE005
为输出。
所述的一种用于调节无线设备发射功率的模糊控制方法，所述模糊控制器输出量的反模糊化，设反模糊化处理后得到的输出值为
Figure 253119DEST_PATH_IMAGE020
，再进行反尺度变换即得到目标输出值，反模糊化和反尺度变换分别依照
Figure 887679DEST_PATH_IMAGE003
的隶属度函数和线性尺度变换公式。 
本发明的优点与效果是： 
1.本发明一定程度上降低了无线设备的发射功率，进而减小了能量消耗；
2.本发明尤其对于电池为电源的无线设备，可以有效延长设备的使用时间；
3.本发明基于模糊控制策略，发射功率调节迅速，尤其对于物理位置经常改变的无线设备，可以提高信号强度的稳定性；
4.本发明采用嵌入控制器输入输出表的方法，将大量的模糊运算转移到设计阶段完成，对无线设备运算资源占用很小。
附图说明
图1示出了用于控制设备发射功率的负反馈控制系统结构图； 
图2示出了用于模糊化的隶属度函数；
图3示出了所述算法调节ZigBee无线终端的信号功率变化结果；
图4示出了所述算法调节ZigBee无线终端的电流消耗变化结果。
具体实施方式
下面结合附图所示实施例，对本发明作进一步详述。 
图1中附件：C为接收设备处的发射设备信号强度， C对应的数值即信号强度值作为控制系统的负反馈输入；R为给定信号强度值，即步骤1中得出的“最低信号强度”；e为实际信号强度值与给定信号强度值R的偏差；P为计算得出的待生效的发射功率设定值，用来控制发射设备的发射功率。 
实施例： 
使用所述方法调节ZigBee无线终端的发射功率，ZigBee无线终端使用德州仪器公司的CC2530芯片为核心。
步骤1：经实验，所使用的ZigBee设备的接收信号强度上限为
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE021
，设备的接收信号强度下限为
Figure 40312DEST_PATH_IMAGE022
，故
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE023
 。 
步骤2：构造负反馈控制系统。如图1所示，在本实例中发送设备为ZigBee无线终端，接收设备为其上级路由器。C为上级路由器处终端设备的信号强度，C对应的数值作为控制系统的负反馈输入；R为给定信号强度值，由步骤1计算得出R为-88dB；e为实际信号强度值与给定信号强度值R的偏差；P为计算得出的待生效的发射功率设定值，用来控制终端设备的发射功率。 
步骤3：对模糊控制器各控制变量进行模糊化处理。模糊控制器有3个控制变量
Figure 408845DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 598518DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 436024DEST_PATH_IMAGE003
。控制量
Figure 189085DEST_PATH_IMAGE001
实际变化值域为
Figure 428437DEST_PATH_IMAGE024
，对其进行线性变换得论域
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE025
，遵循的变换公式为式（6）；控制量实际变化值域为
Figure 300764DEST_PATH_IMAGE026
，对其进行线性变换得论域，遵循的变换公式为式（7）；输出量
Figure 857516DEST_PATH_IMAGE003
同
Figure 685795DEST_PATH_IMAGE002
的论域相同，记为Y。 
                 （6） 
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE029
                （7）
分别在U和Y上定义五个模糊子集{弱，中，强，很强，极强}，简记为
Figure 216319DEST_PATH_IMAGE030
，在E上定义五个模糊子集{负大，负中，负小，零，正小}，简记为
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE031
。模糊控制器各个控制变量及其论域和模糊子集如表1所示。
  
表1各模糊变量的定义
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE033
以
Figure 514445DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 717937DEST_PATH_IMAGE003
为例，其对应的隶属度函数如图2所示。
步骤4:制定模糊控制规则。根据控制工程学知识结合试验制定模糊控制规则。模糊控制规则如表2所示。 
表2 模糊控制规则表 
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE035
上述控制规则可概括为
Figure 623576DEST_PATH_IMAGE036
，可得对应的模糊推理：
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE037
。
步骤5:模糊控制器输出量的反模糊化。
Figure 844342DEST_PATH_IMAGE038
为一模糊子集，实际输出为一个确定值，为保证实时性，采用最大隶属度法对
Figure 555946DEST_PATH_IMAGE038
进行反模糊化处理。设反模糊化处理后得到的输出值为，再进行反尺度变换即得到目标输出值
Figure 545767DEST_PATH_IMAGE003
。反模糊化依照隶属度函数图即图2，反尺度变换依照式（7）的反函数式（8）。 
                 （8） 
步骤6：依照步骤1到步骤6所述通过MATLAB或C语言编程对模糊控制器进行仿真，运行得出模糊控制器的输入输出表。由于篇幅所限表3为模糊控制器的输入输出表的局部表。
表3 模糊控制器的输入输出表的局部表 
Figure 455003DEST_PATH_IMAGE042
步骤7：将模糊控制器的输入输出表写入无线设备的存储器中。对无线设备嵌入式软件进行适当修改，通过调用模糊控制器的输入输出表的方法，达到依照模糊规则控制设备发射功率的效果。
实施效果：分别在固定最大发射功率、固定最小发射功率和模糊控制发射功率情况下做实验，通过实验观察设备信号强度和能量消耗情况，分析控制效果。 
由图3可以看出，随收发距离增加，最大发射功率情况下，收发距离为1到70m范围内上级路由器处信号强度大于给定值，存在能量浪费；最小发射功率情况下，收发距离大于5m范围内上级路由器处信号强度小于给定值，通信质量受到影响；发射功率模糊控制的情况下，上级路由器处信号强度在1到5m内近似于最小发射功率情况下曲线，5m到70m范围内，通过调节使发射功率稳定在给定值附近，即保证通信质量前提下的最小发射功率。 
从图4可以进一步看出，收发距离从1m增加到70m，最大发射功率下，电流始终保持在34mA；最小发射功率下电流始终保持在23mA；模糊控制器作用下，电流由23mA逐渐增加到34mA。 

Claims (5)

1.一种用于调节无线设备发射功率的模糊控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤1：确定最低信号强度，最低信号强度并非设备信号强度下限；                              
步骤2：构造负反馈控制系统；为了达到控制目标需要建立负反馈控制系统，通过该控制系统的作用可以使接收设备处检测到的发射设备信号功率C始终保持在步骤1得出的“最低信号强度”R附近；
步骤3：对模糊控制器各控制变量进行模糊化处理，模糊控制器有3个控制变量                                                、
Figure 560829DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 201310569827X100001DEST_PATH_IMAGE003
；
其中
Figure 293293DEST_PATH_IMAGE001
为实际信号强度值与给定信号强度值R的偏差，记实际信号强度值为c，则；
Figure 13042DEST_PATH_IMAGE002
为当前功率值；
Figure 58358DEST_PATH_IMAGE003
为控制器输出；
步骤4:制定模糊控制规则，根据控制工程学知识结合试验制定模糊控制规则；
步骤5:模糊控制器输出量的反模糊化，
Figure 201310569827X100001DEST_PATH_IMAGE005
为一模糊子集，实际输出为一个确定值，为保证实时性，采用最大隶属度法对
Figure 328934DEST_PATH_IMAGE005
进行反模糊化处理；
步骤6：依照步骤1到步骤6所述通过MATLAB或C语言编程对模糊控制器进行仿真，运行得出模糊控制器的输入输出表；
步骤7：将模糊控制器的输入输出表写入无线设备的存储器中，对无线设备嵌入式软件进行适当修改，通过调用模糊控制器的输入输出表的方法，达到依照模糊规则控制设备发射功率的效果。
2.根据权利要求1所述的一种用于调节无线设备发射功率的模糊控制方法，其特征在于，所述确定最低信号强度，最低信号强度并非设备信号强度下限；记设备的接收信号强度上限即正常使用时接收到的最强信号强度为RH，设备的接收信号强度下限即设备接收灵敏度下限为RL，根据式（1）计算得出“最低信号强度”；
Figure 189311DEST_PATH_IMAGE006
                  （1）。
3.根据权利要求1所述的一种用于调节无线设备发射功率的模糊控制方法，其特征在于，所述对模糊控制器各控制变量进行模糊化处理，通过实验方式得到各控制变量的实际变化值域；然后对各个值域进行线性变换得到各个变量的论域并定义合适的模糊集合；最后选取合适的隶属度函数用于各控制变量的模糊化处理，线性变换可遵循式（2），式（2）中
Figure 201310569827X100001DEST_PATH_IMAGE007
可由式（3）计算得出；式中
Figure 339670DEST_PATH_IMAGE008
为变量
Figure 201310569827X100001DEST_PATH_IMAGE009
的实际变化值域，为该变量模糊化后
Figure 201310569827X100001DEST_PATH_IMAGE011
所在的论域；
Figure 992554DEST_PATH_IMAGE012
   （2）
Figure 201310569827X100001DEST_PATH_IMAGE013
                   （3）。
4.根据权利要求1所述的一种用于调节无线设备发射功率的模糊控制方法，其特征在于，所述制定模糊控制规则，模糊规则概括为如式（3）所示：
Figure 458171DEST_PATH_IMAGE014
                  (3)
对应的模糊蕴含关系矩阵为：
                   (4)
可得模糊推理：
Figure 530163DEST_PATH_IMAGE016
                   (5)
上式中，
Figure 201310569827X100001DEST_PATH_IMAGE017
模糊蕴含关系矩阵，
Figure 664253DEST_PATH_IMAGE018
为输入，
Figure 201310569827X100001DEST_PATH_IMAGE019
为偏差，
Figure 463582DEST_PATH_IMAGE005
为输出。
5.根据权利要求1所述的一种用于调节无线设备发射功率的模糊控制方法，其特征在于，所述模糊控制器输出量的反模糊化，设反模糊化处理后得到的输出值为
Figure 986967DEST_PATH_IMAGE020
，再进行反尺度变换即得到目标输出值，反模糊化和反尺度变换分别依照
Figure 268224DEST_PATH_IMAGE003
的隶属度函数和线性尺度变换公式。
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