摘要: 寬帶電力線載波基于正交頻分復(fù)用技術(shù)可實(shí)現(xiàn)電力串行通信數(shù)據(jù)的并行傳輸，增強(qiáng)了電力通信系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與高效性。針對(duì)寬帶電力線載波通信資源分配問(wèn)題，文中提出了一種低復(fù)雜度的物理層資源分配算法，首先基于等功率分配方式確定各用戶為滿足其最低速率需求所需的子載波集合，將多用戶資源分配問(wèn)題降維成單用戶資源分配問(wèn)題，之后對(duì)各用戶所分配的子載波集進(jìn)行功率優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)吞吐量的進(jìn)一步提升。實(shí)驗(yàn)表明所提算法在滿足更多用戶并發(fā)業(yè)務(wù)的最低傳輸速率需求的同時(shí)，有效提升了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

　　關(guān)鍵詞: 物理層; 資源分配; 功率優(yōu)化; OFDM

　　Abstract: Based on orthogonal frequeney division multiplexing technology, broadband power line carrier can realize the parallel transmission of power serial communication data, which enhances the real-time and efficiency of power communi-cation system. Aiming at the problem of broadband power line carrier communication resource allocation, this paper proposes a low-complexity physical laver resource allocation algorithm. Firstly, based on the equal power allocation method, the set of subcarriers required by each user to meet their minimum rate requirements is detemined, and the multi-user resource allocation problem is reduced to a single-user resource allocation problem, and then, the power of the sub-carier set allocated by each user is optimized to further improve the system throughput. Experiments show that the algorithm proposed in this paper effectively improves the network throughput while meeting the minimum transmission rate requirements of concurrent services for more users.

　　Keywords: physical laver, resource allocation, power optimization, OEDM

　　0 引 言

　　為實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的萬(wàn)物互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的全面態(tài)勢(shì)感知，需要以堅(jiān)強(qiáng)可靠的電力物聯(lián)和通信技術(shù)作為支撐[1]，依托云計(jì)算、智能物聯(lián)、5G 通信等技術(shù)，構(gòu)建人機(jī)交互、信息高效處理、應(yīng)用便捷靈活特征的智慧服務(wù)系統(tǒng)。作為電力物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)之一的先進(jìn)通信技術(shù)是保證電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)各設(shè)備能夠全面感知的前提[2]，然而隨著大量智能傳感設(shè)備的接入，系統(tǒng) 中無(wú)疑會(huì)出現(xiàn)各類具有不同通信需求的業(yè)務(wù)，同時(shí)必然會(huì)引起數(shù)據(jù)量爆發(fā)式增長(zhǎng)，這就對(duì)現(xiàn)有的通信方式提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[3]。因此如何保證各類數(shù)據(jù)能夠快速準(zhǔn)確可靠的傳輸，避免網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞影響電力系統(tǒng)對(duì)設(shè)備的實(shí)時(shí)控制。

　　電力線載波通信( Power Line Communication，PLC)將數(shù)據(jù)流于電力線路中與能量流并行傳輸，與無(wú)線通信相比具有不受天氣遮蔽物的影響，天然具有電氣設(shè)備互聯(lián)、建設(shè)成本低的特點(diǎn)，是電力物聯(lián)網(wǎng)信息交互的最有效通信方式之一4。電力線載波通信技術(shù)歷經(jīng)傳統(tǒng)窄帶電力線載波通信(Narrow Power Line Communication，NPLC)逐漸發(fā)展成如今寬帶電力線載波通信(High Power Line Communication，HPLC)，從帶寬容量，傳輸速率和穩(wěn)定性方面都有了極大提升0.HPLC利用正交頻分復(fù)用技術(shù)(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技術(shù)將通信速率由原來(lái)的kbps提高到Mbps1，在電力物聯(lián)網(wǎng)中具有廣泛的應(yīng)用前景，例如智能電能表集抄技術(shù)回、電氣設(shè)備物聯(lián)技術(shù)等。然而隨著終端設(shè)備通信業(yè)務(wù)的多樣性以及智能電網(wǎng)對(duì)末端設(shè)備通信需求的不斷增長(zhǎng)，傳統(tǒng)OFDM資源分配算法已然難以滿足信息傳輸和保證多用戶服務(wù)質(zhì)量的需求，為此對(duì)資源按需分配技術(shù)開(kāi)展相關(guān)研究，將提升電力并發(fā)多業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量水平。

　　現(xiàn)階段部分學(xué)者對(duì)電力線載波通信資源分配問(wèn)題開(kāi)展了初步研究，其中文獻(xiàn)[0]采用等功率分配方式為電力線載波信道中的各子載波加載功率，為各類用戶調(diào)配信道時(shí)以最大化公平偏離度為標(biāo)準(zhǔn)，并通過(guò)微調(diào)此偏離度維持載波系統(tǒng)可靠性，但該算法沒(méi)有考慮極端場(chǎng)景下對(duì)任務(wù)完成時(shí)間敏感的用戶的影響。文獻(xiàn)01]利用功率注水最大吞吐量算法求出各用戶的功率注水線后，并在各用戶所用子載波上加載相應(yīng)功率，但是當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)的用戶數(shù)量較多時(shí)，算法的計(jì)算量較大，導(dǎo)致不能及時(shí)求出最優(yōu)分配結(jié)果。文獻(xiàn)[2]提出了一種基于差額分配原則的低復(fù)雜度算法，其在為非實(shí)時(shí)用戶分配資源時(shí)基于比例公平原則，并通過(guò)對(duì)比特進(jìn)行逐位削減以滿足系統(tǒng)功率限制，但是在系統(tǒng)容量不足的情況下非實(shí)時(shí)用戶的服務(wù)質(zhì)量難以得到保證。文獻(xiàn)

　　[3]基于信噪比最大的原則為用戶分配子載波，然后在滿足用戶與未滿足用戶之間交換子載波，最后基于功率增量最小原則交換子載波之間的比特，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)各用戶的資源配置過(guò)程。

　　針對(duì)上述寬帶電力線載波通信資源分配算法存在的問(wèn)題，文中提出了一種能夠滿足系統(tǒng)內(nèi)各用戶服務(wù)質(zhì)量需求的物理層資源分配新方法，首先基于等功率分配方式確定各用戶為滿足其最低速率需求所需的子載波集合，將多用戶資源分配問(wèn)題降維成單用戶最優(yōu)功率分配問(wèn)題，之后對(duì)各用戶所分配的子載波集進(jìn)行功率優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)吞吐量的進(jìn)一步提升。

　　1 電力線載波通信問(wèn)題描述

　　電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 1 所示，電力線信道是一個(gè)開(kāi)放共享的信道[14]，在中低壓三相供電系統(tǒng)中，A、B、C 三相各相有獨(dú)立的 PLC 網(wǎng)關(guān)，而各 PLC設(shè)備需要在共享的一相電力信道上競(jìng)爭(zhēng)本相資源。因 此，多用戶動(dòng)態(tài)資源分配問(wèn)題的實(shí)質(zhì)就是根據(jù)電力線信道的狀態(tài)信息，在每個(gè) OFDM 符號(hào)內(nèi)為實(shí)時(shí)( RealTime，RT) 用戶和非實(shí)時(shí)( None Real-Time，NRT) 用戶分配不同的子載波，并在相應(yīng)的子載波上根據(jù)信道增益的大小自適應(yīng)選擇不同的調(diào)制方式，進(jìn)而根據(jù)香農(nóng)公式加載相應(yīng)比特。

　　由于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各個(gè)用戶所在位置、連接的負(fù)載阻抗以及傳輸距離的不同，不同子載波對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的各個(gè)用戶表現(xiàn)出不同的信道衰減情況15)，因此在為用戶分配子載波時(shí)，應(yīng)充分考慮不同子載波之間的信道差異性，充分發(fā)揮多用戶的分集增益。并且由于OFDM技術(shù)的使用，使系統(tǒng)內(nèi)的各個(gè)子載波能夠獨(dú)立進(jìn)行調(diào)制與解調(diào)，其中寬帶電力線載波通信OFDM技術(shù)包含了BPSK.OPSK，8PSK.16QAM，640AM，128QAM 等$?調(diào)制編碼方式[1，系統(tǒng)根據(jù)子載波信道質(zhì)量的大小選擇相應(yīng)的調(diào)制方式。

　　寬帶電力線載波通信多用戶動(dòng)態(tài)資源分配不僅要滿足各類用戶的服務(wù)質(zhì)量速率需求，同時(shí)還要考慮不同用戶之間的公平性[1，均衡信道質(zhì)量較好與較差的用戶資源占用情況，以滿足整體服務(wù)質(zhì)量水平。

　　2電力線載波通信資源分配模型

　　假設(shè)寬帶電力線載波通信系統(tǒng)中有N個(gè)子載波，h個(gè) RTP，1NKT戶(RT戶集合為2，NRT用戶集合為a2)。多用戶寬帶電力線載波通信系統(tǒng)在進(jìn)行資源分配時(shí)，考慮到RT用戶對(duì)時(shí)延更敏感，有明確且較高的要求，系統(tǒng)首先將子載配給RT用戶，滿足RT用戶的速率要求Rr。在為RT用戶分配資源滿足其服務(wù)質(zhì)量速率要求時(shí)，應(yīng)盡量減少RT用戶的資源占用率，以便保留充足的資源滿足NKT用戶的服務(wù)質(zhì)量速率要求Rr.在滿足全部用戶的服務(wù)質(zhì)量速率要求后，若系統(tǒng)還有剩余資源，則繼續(xù)將剩余資源全部分配給用戶，以提高系統(tǒng)的整體吞吐量[]。系統(tǒng)在為各用戶分配子載波時(shí)，并不需要保證各用戶在獲得子載波資源時(shí)的公平性，而是在系統(tǒng)容量一定時(shí)保證系統(tǒng)內(nèi)的多用戶并發(fā)混合業(yè)務(wù)均能夠滿足其傳輸服務(wù)質(zhì)量速率需求的公平性。通過(guò)上述分配思想，寬帶電力線載波通信動(dòng)態(tài)資源分配數(shù)學(xué)模型如下。

　　在該數(shù)學(xué)模型中目標(biāo)函數(shù)為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)吞吐量的最大化。其約束條件說(shuō)明如下為: C1為子載波分配標(biāo)志 位; C2為子載波 n 與用戶之間一對(duì)一的限制; C3為總發(fā) 射功率限制; C4為單載波最大發(fā)射功率限制; C5 為 RT用戶服務(wù)質(zhì)量速率需求限制; C6為 NRT 用戶服務(wù)質(zhì)量速率需求限制。

　　3 物理層資源分配算法

　　上述寬帶電力線載波通信動(dòng)態(tài)資源分配數(shù)學(xué)模型為復(fù)雜的多約束整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題，直接對(duì)其進(jìn)行求解較為困難。文中為降低電力線載波通信資源分配問(wèn)題求解的復(fù)雜度，在此采用分步法為各用戶分配子載波以及系統(tǒng)功率。算法首先為調(diào)度用戶劃分子載波集以保證用戶滿足其服務(wù)質(zhì)量需求，通過(guò)將頻段內(nèi) N 個(gè)子載波等功率分配，各頻段載波分配量為[20]:

　　物理層計(jì)算在子載波等功率模式下為滿足用戶服務(wù)質(zhì)量速率要求所需的子載波數(shù)量為 nk，則分配給用戶 k 的系統(tǒng)功率 pk = nk pn，其中，

　　在確定各用戶為滿足其業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量速率要求所用子載波后，進(jìn)一步確定子載波集合與各個(gè)用戶之間的服務(wù)質(zhì)量速率需求，采用拉格朗日乘子法對(duì)子載波以最大化用戶吞吐量為目標(biāo)進(jìn)行分配[21]，如公式( 5) 所示。

　　由于寬帶電力線載波通信系統(tǒng)內(nèi)接有不同類型的用戶，不同用戶具有不同的業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)，系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先保證高優(yōu)先級(jí)用戶能夠獲得充足的系統(tǒng)資源滿足其 QoS速率需求，并按照業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)的大小依次為用戶分配系統(tǒng)資源。下面結(jié)合圖 2 算法流程圖，給出其具體資源分配步驟如下:

　　由于寬帶電力線載波通信系統(tǒng)內(nèi)接有不同類型的用戶，不同用戶具有不同的業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)，系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先保證高優(yōu)先級(jí)用戶能夠獲得充足的系統(tǒng)資源滿足其服務(wù)質(zhì)量速率需求，并按照業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)的大小依次為用戶分配系統(tǒng)資源。下面結(jié)合圖 2 算法流程圖，給出其具體資源分配步驟:

　　4 算法性能分析

　　為驗(yàn)證文中所提方法在滿足多用戶服務(wù)質(zhì)量速率需求上具有的優(yōu)越性，此處以接入寬帶電力線載波通信系統(tǒng) 4 用戶為例展開(kāi)實(shí)驗(yàn)分析，參量說(shuō)明如表1所示。

　　系統(tǒng)內(nèi)包含了2個(gè)RT用戶和2個(gè)NRT用戶，其中信道質(zhì)量由高到低分別為RT，> RTI，NRT，> NRT2為了驗(yàn)證所提算法的性能，分別在系統(tǒng)容量充足以及系統(tǒng)容量不足兩種環(huán)境下將所提算法與文獻(xiàn)[10]中Gong算法和文獻(xiàn)[1]中最大吞吐量算法對(duì)RT用戶、NRT用戶的吞吐量進(jìn)行對(duì)比。

　　圖3為系統(tǒng)容量充足時(shí)各算法下不同用戶的吞吐量對(duì)比，從圖中可以看出最大吞吐量算法為了追求系統(tǒng)整體吞吐量的最大化，將大量系統(tǒng)資源分配給信道質(zhì)量較好的用戶RT，、RT，該類用戶獲得了較多的系統(tǒng)資源因而其速率遠(yuǎn)高于服務(wù)質(zhì)量速率需求，而信道質(zhì)量較差的用戶RT2、NRT，因獲得的資源不足導(dǎo)致速率低于服務(wù)質(zhì)量要求的最低速率，系統(tǒng)內(nèi)用戶之間的公平性較差。Gong算法在為各用戶分配系統(tǒng)資源時(shí)考慮了不同業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量需求，因此在系統(tǒng)容量充足時(shí)4個(gè)用戶均能滿足要求，而整體吞吐量較低，其原因在于此算法采用累計(jì)公平偏離度最大的原則。而所提算法通過(guò)基于等功率分配方式為系統(tǒng)內(nèi)各子載波加載功率，使系統(tǒng)內(nèi)的各用戶滿足其最低速率需求，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)存在剩余資源情況下基于信噪比最大的原則繼續(xù)為用戶分配剩余資源，之后采用拉格朗日乘子法對(duì)各用戶內(nèi)的子載波進(jìn)行最優(yōu)功率分配，大大提高了各用戶的實(shí)際 吞 吐 量。對(duì)于信道質(zhì)量較差的用戶 RT2、NRT2，所提算法比最大吞吐量算法用戶吞吐量分別提高了 16. 94% ，14. 18% ，比 Gong 算法用戶吞吐量分別提高了 6. 47% 、4. 97% 。

　　圖4為系統(tǒng)容量不足時(shí)各算法下不同用戶的吞吐量，其中最大吞吐量算法在系統(tǒng)容量不足時(shí)依然將大量資源分配給信道質(zhì)量較好的用戶KT，RT，其速率遠(yuǎn)高于最低速率需求，然而信道質(zhì)量較差的用戶RT2NRT，因獲得的資源不足，速率低于服務(wù)質(zhì)量要求的最低速率。Gong算法采用等功率分配方式并基于累計(jì)公平偏離度最大的原則首先為RT用戶分配系統(tǒng)資源，之后再為NRT用戶分配剩余資源，在系統(tǒng)容量不足的環(huán)境下，雖然該算法滿足了RT用戶的服務(wù)質(zhì)量速率要求，但NRT用戶獲得的速率均低于服務(wù)質(zhì)量速率需求。而所提算法在為各用戶分配系統(tǒng)資源時(shí)考慮了各用戶的服務(wù)質(zhì)量速率要求，通過(guò)對(duì)各用戶子載波進(jìn)行功率優(yōu)化，有效提高了各用戶的實(shí)際吞吐量，在系統(tǒng)容量不足時(shí)僅有用戶NRT，未滿足服務(wù)質(zhì)量速率要求，因此所提算法將寬帶電力線載波通信的傳輸性能進(jìn)行了有效提升，可以滿足系統(tǒng)內(nèi)更多用戶的服務(wù)質(zhì)量需求。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　針對(duì)寬帶電力線載波通信物理層資源分配問(wèn)題，文中提出了一種低復(fù)雜度的物理層資源分配算法，算法首先基于等功率分配方式確定各用戶為滿足其服務(wù)質(zhì)量速率需求所需的子載波集合，將多用戶資源分配問(wèn)題降維成單用戶最優(yōu)功率分配問(wèn)題，之后基于對(duì)各子載波集信道進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)配，進(jìn)一步提升了載波信道吞吐量。通過(guò)系統(tǒng)容量充足以及系統(tǒng)容量不足兩種仿真環(huán)境，驗(yàn)證了所提算法不僅可以提高系統(tǒng)的吞吐量，而且能夠滿足寬帶電力線載波通信系統(tǒng)內(nèi)更多用戶的服務(wù)質(zhì)量需求，有效提高了寬帶電力線載波通信傳輸性能。

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文章名稱： 寬帶電力線載波通信物理層資源分配新算法

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