基于软决策驱动和协作MIMO的数据采集系统设计

景妮琴

（北京电子科技职业学院 北京 100176）

基于软决策驱动和协作MIMO的数据采集系统设计

景妮琴

（北京电子科技职业学院 北京 100176）

为了提高远距离和恶劣信道环境下数据采集终端工作效率和精度，设计了一种基于软决策驱动和协作MIMO的数据采集系统。该系统，通过软决策驱动数据采集终端，根据软决策驱动输出强度和信道质量实现软决策因子漫游，同时架构协作MIMO信道矩阵实现数据采集的协作控制。实验结果表明，所设计的数据采集系统在50 m以内距离工作效率可以达到85%以上，信噪比大于30 dB后数据精度可以达到85%以上，表明该系统不仅具有高工作效率而且数据采集精度提高显著。

数据采集；软判决驱动；多输入多输出；协作控制

随着数据采集和检测技术的快速发展[1]，各种领域的数据调度和智能控制越来越依赖于数据采集系统，并在各种多应用业务中得到实施和应用[2]。但是，面临实时大数据采集和处理，数据采集的能耗和效率成为工业界关注热点[3]。

文献[4]开发一个原型系统的远程数据采集的环境变量。文献[5]研发了适用于电站管理的实时远程数据采集系统。文献[6]研发了原型控制和数据采集的ITER中性束测试设备。文献[7]研究了事件触发模拟数据采集使用指数移动平均线。文献[8]研究了适用轴向细长舞台的点数据采集磁性粒子成像技术。在上述已有研究成果基础上，基于软决策驱动和协作MIMO机制设计了一种新型的数据采集系统。

1 软决策驱动模型

数据采集系统中一般采用硬判决进行采集、检测和控制等决策，使得数据采集对于硬件平台具有较强依赖性，而且容易抑制数据采集效率和精度。

采集信号y与发射功率PS之间存在公式（1）所示的关系[9-12]。

其中，α表示数据采集过程中信号损耗，β表示检测过程中信号损耗，γ表示数据传输过程中信号控制损耗。h表示信道增益。n表示数据采集节点规模。函数f（t）用于计算数据采集过程中信号功率。在计算信道增益h时，通过统计n个数据采集终端的发射Pi，再结合数据发射端发射功率，可以更好感知信号传输过程。

软决策驱动输出强度SDD定义如公式（2）所示。

其中，σ表示基于数据采集和检测的软决策驱动权重，η表示数据采集和传输控制中队软决策的抑制因子。

数据采集过程中软决策因子随时间和信噪比的漫游如图1所示。其中，横坐标表示时间，纵坐标表示信道信噪比，X表示软决策驱动因子，两条虚线分别表示两次数据采集。从中可以看出，软决策可以很好地平滑数据采集时间抖动，消除信噪比的变化对数据采集信号的干扰。在时间上，软决策因子漫游以降低邻居数据采集终端之间的信号检测干扰为目的。通过选择信号检测冲突较弱的邻居终端作为下一跳漫游目标，可以达到该目的。在信噪比上，以数据采集终端的天线角频率和天线指向为依据，选择信道质量较为一致的数据采集终端为下一跳漫游目标，不仅可以缩短漫游延迟，提高数据采集终端工作效率，而且可以减少漫游次数，避免长时间漫游延长数据传输延迟和增大失真概率。在图1中，给出了两条软决策因子漫游路径。其中向上凸起的虚线漫游路径，表示第一阶段数据发送中软决策因子漫游路径。该路径避开了X1终端。这是因为在时间上该终端处于下游，容易导致数据传输延迟增大，在信噪比上，该终端的信道质量较差[13-15]。向下凸起的虚线漫游路径，表示第二阶段据发送中软决策因子漫游路径。该路径避开了X2终端。这是因为虽然在时间上该终端处于上游，但抖动较为严重容易增大数据采集终端工作负荷，降低数据采集终端工作效率，而且在信噪比上，该终端的信道质量很差。

图1 软决策因子漫游图

2 协作MIMO的数据采集系统

为了进一步改善数据采集效率和精确度，更好地发挥软决策驱动模块工作效率，在数据采集终端设计如图 2所示的协作 MIMO （Multiple-Input Multiple-Output）架构。其中，将软决策模块外置，是为了更好地感知数据采集过程中驱动因子漫游情况。外置模块可以提高漫游效率和数据采集精度。当时间序列改变时，该模块可以选择最佳角度寻找协作数据采集终端；当端到端信噪比发生抖动时，该模块能够感应信道质量，实时改变漫游进程，优化图2中的协作信道矩阵。驱动模块内置在终端内部，一方面可以提高对外界干扰抗毁性，保护数据采集终端，另一方面可以缩短软决策与数据采集终端处理器的命令响应延迟。

图2 协作MIMO数据采集终端

假设数据采集终端布设N根天线，协作数据采集终端部署M根天线，协作数据采集信道形成一个N*M的信号矩阵，该矩阵信号向量如公式（3）所示。

其中，hi→j表示数据采集终端第i根天线与协作数据采集终端第j根天线的信号强度。

此外，图2中的协作数据采集终端与发送数据的数据采集终端结构相同，只是增加了协作MIMO模块。该模块用于感知协作信道矩阵，检测信号传输过程，统计协作传输信号强度。数据采集终端的N根发射天线，线性部署在终端外部。N根天线之间保持一定距离，避免内部干扰和信号重叠。协作数据采集终端的M根天线线性部署在外部，同样保持一定距离，避免接收信号的融合干扰和内部噪声对数据精度的影响。N根发射天线与M根接收天线之间的信号通过非线性方式传递，组成N*M种无序信号序列，通过协作数据采集终端的软决策驱动模块进行滤波和整流。此处注意，在协作数据采集终端，驱动模块必须外置在终端外部，这样主要是为了避免数据发送终端的软决策的延迟干扰噪声数据接收信号失真，从而降低数据采集精度。

协作数据采集终端信号检测精度如公式（4）所示。

3 实验分析

为了验证所设计的软决策驱动的协作MIMO数据采集系统在不同距离和信道质量下对数据采集效率和精度的保障能力，设计了如表1所示的一组实验。从通信距离对数据采集终端工作效率和信噪比对数据精度的影响，两个方面进行了分析，结果如图3和4所示。

表1 实验参数

从图3可以看出，随着距离的增大数据采集终端工作效率开始下降，当距离大于40 m后，工作效率下降较为明显，但下降幅度小于0.05%，此时工作效率大于85%，表明数据采集终端依然可以正常采集数据。这是因为采用了软决策驱动，数据采集终端在数据感知、检测和决策等方面表现出高工作效率。

从图4发现，随着信道质量的改善，数据精度越来越高。当信噪比大于30 dB后，数据精度几乎以线性方式递增。这是因为采用了协作MIMO数据采集终端的协助，在低信噪比情况下依然保持高于75%的高精度数据采集。

图3 数据采集终端工作效率

图4 数据采集精度

4 结束语

针对在远距离和恶劣信道环境下数据采集终端工作效率低下和精度下降的问题，设计了一种基于软决策驱动和协作MIMO的数据采集系统。该系统首先通过软决策驱动数据采集终端，根据信道质量漫游软决策因子提高数据采集终端工作效率，然后架构协作MIMO信道矩阵，提高数据精度。实验结果可以看出，所设计的数据采集系统在50 m以内距离工作效率可以达到85%以上，信噪比大于30 dB后数据精度可以达到85%以上。

[1]Martin Christian H，Svetoslav Ivanov N，Mads M Ller P，et al.Implementation of a versatile research data acquisition system using a commercially available medical ultrasound scanner[J].IEEE Transactions on Ultrasonics Ferroelectrics & Frequency Control，2012，59（7）:1487-1499.

[2]Lin Y C，Yang D N，Shuai H H，et al.Dataacquisition for probabilistic nearest-neighbor query [J].Knowledge&Data Engineering IEEE Transactions on，2015，27（2）:410-427.

[3]Patauner C，Marchioro A，Bonacini S，et al.A lossless data compression system for a real-time application in HEP data acquisition[J].IEEE Transactions on Nuclear Science，2011，58（4）: 1738-1744.

[4]Chase A O，Sampaio M H K，Almeida J F，et al. Data acquisition system:an approach to the amazonian environment[J].Latin America Transactions IEEE，2012，10（2）:1616-1621.

[5]Ogiboski L，Bravo Pariente C A，Magrini L C，et al.Real-time system for remote data acquisition in power station equipments[J].IEEE Latin America Transactions，2013，11（2）:865-869.

[6]Luchetta A，Manduchi G，Taliercio C，et al. Prototyping control and data acquisition for the ITER neutral beam test facility[J].IEEE Transactions on Nuclear Science，2013，60（5）:3454-3460.

[7]Wilson A R.Event triggered analog data acquisition using the exponential moving average[J]. Sensors Journal IEEE，2014，14（6）:2048-2055.

[8]Christian K，Mandy A，Gael B，et al.Axially elongated field-free pointdata acquisition in magnetic particle imaging[J].IEEE Transactions on Medical Imaging，2015，34（2）:381-387.

[9]张荣.基于DAQmx驱动与LABVIEW的数据采集系统设计 [J].计算机应用与软件，2011，28（3）: 180-181.

[10]杨一嫚.基于PXI的MIMO信道测量平台软件架构与数据处理算法研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013.

[11]张艳，仰枫帆.基于非规则LDPC码的协作MIMO系统性能分析 [J].数据采集与处理，2013，28（6）:714-718.

[12]冯彬彬.基于FMCW的MIMO超声液位测量方法关键问题的研究 [D].南京：南京信息工程大学，2013.

[13]窦冬冬，曹文魁，李兆训.基于后验信息迭代的分布式MIMO信号软检测算法 [J].数据采集与处理，2012（S2）:304-309.

[14]付春琳.4G移动通信室内覆盖MIMO移频系统的设计与实现[D].北京：北京邮电大学，2015.

[15]谭子尤，梁平元，黄国盛.一种新的无线传感器网络高能效协作路由算法 [J].计算机工程与应用，2012，48（36）:100-104.

Design of data acquisition system based on soft decision driven and collaborative MIMO

JING Ni-qin
（Beijing Polytechnic，Beijing 100176，China）

In order to improve the remote and poor channel environment data acquisition efficiency and accuracy of the terminal，designed a data acquisition system of soft decision driven and collaboration based on MIMO.The system，through the soft decision driven data acquisition terminal，according to the soft decision drive strength of the output and quality of channel to achieve soft decision factor roaming，also architecture cooperative MIMO channel matrix achieve cooperative control of data acquisition.The experimental results show that the design of the data acquisition system of less than 50 meters distance work efficiency can reach more than 85%，signal to noise ratio greater than 30dB data accuracy can reach more than 85%，indicating that the system not only has high work efficiency and data acquisition accuracy improved significantly.

data acquisition；soft decision driven；multiple-input multiple-output；cooperative control

TN124

：A

：1674－6236（2017）06-0092-04

2016-03-24稿件编号：201603324

景妮琴（1979—），女，山西临汾人，硕士。研究方向：应用电子方向。