CN105246143A - 一种电力无线专网中的发射功率设置与资源块调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电力无线专网中的发射功率设置与资源块调度方法，其首先根据基站与设备之间的关系为每类业务的设备进行分组，然后进行上行发射功率控制，得到每一个设备的发射功率，并计算得到设备分配一个资源块时的吞吐率，接下来计算每个分组的支持率，代表了为该分组分配给定数量无线资源后数据需求率的满意程度。最后，根据支持率的含义分别计算每类业务以及每个分组的支持率，然后分别进行信道资源分配以及资源块调度。本发明方法针对电力无线专网中的通信需求问题，解决了电力无线专网中的发射功率设置与资源块调度的问题。

Description

一种电力无线专网中的发射功率设置与资源块调度方法

技术领域

本发明涉及电力通信技术领域，特别是一种电力无线专网中的发射功率设置与资源块调度方法。

背景技术

在配用电网中，有开关站、环网柜、配电室、配电变压器、柱上开关、配电线路、分布式能源站点、电动汽车充电站、用电计量器等多种配用电设备。这些设施不断产生各种信息数据，需要被及时、准确、安全地传输至主站，以实现配用电信息采集自动化。

为了实现该类电力信息通信需求，可以采用通信光缆、载波、无线公网、无线专网等多种方法。这些方法各具特点与优缺点。其中，无线专网具有覆盖面广、施工难度较低、实施周期较短、组网灵活等优势，是实现配用电通信的重要手段。

电力无线通信具有如下特点。首先，以上行数据为主，即电力系统设备向主站报告监控、测量等数据为主。第二，电力系统设备的上报数据速率需求一般来说是固定的。第三，电力系统设备的地理位置一般来说是固定的。第四，由于电力系统的特殊性，在配用电设备与基站通信的过程中，安全性要求是一项非常重要的要求。为了保证电力信息数据传输的安全性，需要把不同类型业务的信息传输通道隔开，即为不同类型业务的设备分配不同的物理信道，从而避免利用某一类型业务终端对其他类型的业务进行窃听以及篡改等事件的发生。

基于上述限制，电力无线专网中的资源分配问题成了一个与无线公网中资源分配不同的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：提出一种面向电力无线专网的资源分配方案，其包括发射功率设置与频域调度两方面内容，保证配用电信息的安全传输。

本发明采取的技术方案具体为：一种电力无线专网中的发射功率设置与资源块调度方法，电力无线专网中覆盖有基站和配用电设备，配用电设备运行中产生的电力信息数据通过无线通信传输至基站，基站将接收到的电力信息数据经无线骨干网传输至电力控制中心；

电力无线专网中的发射功率设置与资源块调度方法包括以下步骤：

步骤一，对配用电设备进行分组：

假设共有B个基站，对于其中第b个基站，1≤b≤B，由该基站覆盖的配用电设备的集合为S_b；假设电力无线专网中共有K类业务，每类业务的上行数据传输速率要求不同；对于第i类业务，1≤i≤K，将集合S_b中属于第i类业务的设备抽取出来得到S_i,b；分别从{S_i,1,S_i,2,…,S_i,B}中各选出一个设备作为第一个分组H_i1，然后从剩下的设备中再以同样方法选出第二个分组H_i2，以此类推，直到所有设备都已被选中，从而得到第i类业务的分组集合H_i＝{H_im，1≤m≤M_i}，其中M_i为第i类业务的分组个数；在同一个分组H_im中的设备可以共用同一信道资源；

步骤二，设置发射功率P_j：

记第j个设备的上行发射功率为P_j；根据下列方程决定所有P_j的取值

${\mathrm{\γ}}_j=\frac{P_j{G}_{bj}}{{\mathrm{WN}}_0+{\mathrm{\Σ}}_{k\≠j,k\∈H_{ig}}{P}_k{G}_{bk}}\≥\mathrm{\Γ}$

式中γ_j为第j个设备在对应基站处的信噪比值，G_bj为从设备j到基站b的路径损耗，G_bj＝6+42.68lom₁₀(d)dB，d为从设备j到基站b的距离，单位为米，W为每个信道的带宽，取值为180KHz，N₀＝-174dBm/Hz为噪声功率谱密度，Γ为最小信干噪比；

步骤三，计算支持率：

根据公式C_j＝W×log₁₀(1+γ_j)/L

计算第j个设备分配一条信道时的吞吐率，其中L为一条信道中包含的资源块个数；

计算F_i,m(n)，含义为分配n条信道给分组H_im后该分组中所有设备的支持率的平均值；

计算f_i,m,n(l)，含义为分配n-1条信道和第n条信道中的l个资源块给分组H_im后该分组中所有设备的支持率的平均值；

上述f_i,m,n(0)＝F_i,m(n-1)；

步骤四，采用单步递增的方式进行信道分配：

首先计算第i类业务中所有分组被分配前n-1条信道时的支持率的和为

$Q_i\left(n\right)={\mathrm{\Σ}}_{m=1}^{M_i}{F}_{i,m}(n-1)$

从n＝1开始，将第n条信道分配给具有最低支持率的一类业务，然后更新每类业务分配完该信道后的所获得的支持率，以同样的方法分配第2条信道，直到所有的信道被分配完毕；

步骤五，采用单步递增的方式进行资源块调度：

对于第n条信道中的第一个资源块即l＝1，选取分配该信道的相应业务类型中支持率f_i,m,n(1)最低的一个分组，将该资源块分配给该分组内的设备，之后更新该分组在分配完该资源块后的支持率f_i,m,n(2)，

重复上述资源块分配步骤，依次对该信道中其他各资源块进行分配，直到该信道中所有的资源块被分配完毕。按照上述分配方法，继续对其他信道进行资源块分配，直至所有信道中的所有资源块被分配完毕。

本发明的有益效果为：针对电力无线专网的特点，即用户设备的位置是固定的，并且各类业务设备的数据传输速率要求也是已知的，从而有助于简化计算复杂度。通过对业务设备进行分组，降低了共用同一信道资源的设备之间的干扰，并且通过引进每个分组的支持率来指导信道分配过程的进行，增加了方案的有效性。

附图说明

图1所示为电力无线专网结构示意图；

图2所示为电力无线专网中发射功率设置与资源块调度实施例结构示意图；

图3所示为发射功率设置与资源块调度方法流程示意图；

图4所示为信道分配过程流程示意图；

图5所示为资源块调度过程流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例进一步描述。

如图1所示，在无线专网的覆盖范围内，分布着许多配用电设备2。这些设备要不断地产生各种电力信息数据，配用电设备2需要将这些信息数据承载在无线信号中然后发送给基站1，最后经由光纤骨干网传输至控制中心对数据进行处理。

在电力无线专网中，信道、资源块的含义与所采用的空中接口标准紧密相关。以目前先进的第四代LTE无线空中接口规范为例。根据相关标准，LTE中的无线资源由时域与频域二维平面上定义的栅格图来表示，其中时域上每帧长度为10毫秒，被划分为20个时隙；频域上系统带宽被划分为若干个子载波组，每个子载波组占据180000赫兹的带宽。因此，在LTE系统中，一条信道对应于频域上的一个子载波组，而一个资源块就对应于时域上的一个时隙与频域上的一个子载波组。

如图3，本发明的电力无线专网中的发射功率设置与资源块调度方法包括以下步骤：

步骤一，对配用电设备进行分组：

假设共有B个基站，对于其中第b个基站，1≤b≤B，由该基站覆盖的配用电设备的集合为S_b；假设电力无线专网中共有K类业务，每类业务的上行数据传输速率要求不同；对于第i类业务，1≤i≤K，将集合S_b中属于第i类业务的设备抽取出来得到S_i,b；分别从{S_i,1,S_i,2,…,S_i,B}中各选出一个设备作为第一个分组H_i1，然后从剩下的设备中再以同样方法选出第二个分组H_i2，以此类推，直到所有设备都已被选中，从而得到第i类业务的分组集合H_i＝{H_im，1≤m≤M_i}，其中M_i为第i类业务的分组个数；在同一个分组H_im中的设备可以共用同一信道资源；

步骤二，设置发射功率P_j：

记第j个设备的上行发射功率为P_j；根据下列方程决定所有P_j的取值

${\mathrm{\γ}}_j=\frac{P_j{G}_{bj}}{{\mathrm{WN}}_0+{\mathrm{\Σ}}_{k\≠j,k\∈H_{ig}}{P}_k{G}_{bk}}\≥\mathrm{\Γ}$

式中γ_j为第j个设备在对应基站处的信噪比值，G_bj为从设备j到基站b的路径损耗，G_bj＝6+42.68lom₁₀(d)dB，d为从设备j到基站b的距离，单位为米，W为每个信道的带宽，取值为180KHz，N₀＝-174dBm/Hz为噪声功率谱密度，Γ为最小信干噪比；

步骤三，计算支持率：

根据公式C_j＝W×log₁₀(1+γ_j)/L

计算第j个设备分配一条信道时的吞吐率，其中L为一条信道中包含的资源块个数；

计算F_i,m(n)，含义为分配n条信道给分组H_im后该分组中所有设备的支持率的平均值；

计算f_i,m,n(l)，含义为分配n-1条信道和第n条信道中的l个资源块给分组H_im后该分组中所有设备的支持率的平均值；

上述f_i,m,n(0)＝F_i,m(n-1)；

步骤四，采用单步递增的方式进行信道分配，请参考图4：

首先计算第i类业务中所有分组被分配前n-1条信道时的支持率的和为

$Q_i\left(n\right)={\mathrm{\Σ}}_{m=1}^{M_i}{F}_{i,m}(n-1)$

从n＝1开始，将该信道分配给具有最低支持率的一类业务，然后更新每类业务分配完该信道后的所获得的支持率，以同样的方法分配第2条信道，直到所有的信道被分配完毕；

步骤五，采用单步递增的方式进行资源块调度，请参考图5：

对于第n条信道中的第一个资源块即l＝1，选取与该信道相应的业务类型中支持率f_i,m,n(1)最低的一个分组，将该资源块分配给该分组内的设备，之后更新该分组在分配完该资源块后的支持率f_i,m,n(2)，

重复上述资源块分配步骤，依次对该信道中其他各资源块进行分配，直到该信道中所有的资源块被分配完毕。

实施例

参见图2，本实施例中，电力无线专网中总共分布了8个设备，其中设备11、12、13、14属于第一类业务设备，设备21、22、23、24属于第二类业务设备，在其中部署了2个基站BS1、BS2来满足设备的通信需求。出于安全角度的考虑，要为这两类业务分配不同的信道资源。定义S_b表示基站b覆盖的设备的集合，其中b＝1或2。针对图2中的实例，S₁＝{11,12,21,22}，S₂＝{13,14,23,24}。

首先进行设备分组操作1。根据{S₁,S₂,S_b,…,S_B}得到第i类业务的设备与基站的对应关系{S_i,1,S_i,2,S_i,b,…,S_i,B}，其中S_i,b为基站b覆盖的第i类业务的设备集合。针对图2中的实例，对于第1类业务，可以得到S_1,1＝{11,12}，S_1,2＝{13,14}。首先，分别从S_1,1和S_1,2中各选出一个设备作为第一个分组H₁₁＝{11,13}，然后从剩下的设备中以同样方法选出第二个分组H₁₂＝{12,14}，则得到了第1类业务的设备分组集合H₁＝{H₁₁,H₁₂}，以此类推，用同样的方法可以得到所有第2类业务的分组集合H₂。

接下来进行发射功率设置操作2。根据操作1得到的设备分组，由每个设备在对应基站处的信噪比满足一个最小信噪比需求的条件，根据下列方程计算每个设备的上行发射功率：

${\mathrm{\γ}}_j=\frac{P_j{G}_{bj}}{{\mathrm{WN}}_0+{\mathrm{\Σ}}_{k\≠j,k\∈H_{im}}{P}_k{G}_{bk}}\≥\mathrm{\Γ}$

其中P_j为设备j的发射功率，G_bj＝6+42.68log(d)dB为从设备j到基站b的路径损耗，d为从设备j到基站b的距离，单位为米，W＝180KHz为每个信道的带宽，N₀＝-174dBm/Hz为噪声功率谱密度，Γ为满足基站设备之间通信需求的最小信噪比要求，例如可以设置为3dB。可以采用一种迭代更新算法来求解上述方程，即在给定了第t-1代的发射功率值之后，第t代的发射功率P_j(t)可以由下式求得：

$\frac{P_j\left(t\right)G_{bj}}{{\mathrm{WN}}_0+{\mathrm{\Σ}}_{k\≠j,k\∈H_{im}}{P}_k(t-1)G_{bk}}=\mathrm{\Γ}$

其中P_k(t-1)为第t-1代的发射功率值。上式中功率值的具体求解方法可以采用二分法得到，即首先给出P_j(t)的一个上限值和一个下限值，然后利用二分法原理迭代求解P_j(t)的值。每个设备的发射功率值不断地进行迭代更新直到功率收敛为止。得到设备发射功率之后，可以由公式C_j＝W×log(1+γ_j)/L计算出每个设备分配一个资源块时的吞吐率，其中L为一个信道中包含的资源块个数。

然后进行确定分组支持率的含义操作3。在电力系统中，每类业务都有一个固定的吞吐率需求，每个设备所能达到的吞吐率与吞吐率需求之间的比值反映该设备的支持度，称为该设备的支持率。然后取所有第i类业务的第m个分组H_im中的设备的支持率的平均值作为第i类业务的第m个分组H_im的支持率取值。共有信道和资源块两个级别上的支持率，信道级支持率F_i,m(n)为描述第i类业务设备的第m个分组分配总共n条信道时所获得的支持率，资源块级支持率f_i,m,n(l)为描述第i类业务设备的第m个分组分配总共n-1条信道以及第n条信道上的l个资源块时所获得的支持率，其中i代表业务的类型，m代表设备分组的类型，n代表分配给该类业务的信道数，l代表分配给该分组的资源块个数。f_i,m,n(0)＝F_i,m(n-1)，F_i,m(0)＝0。

接下来进行信道分配操作：首先计算第i类业务中所有分组分配总共n-1条信道时支持率的和表示第i类业务分配总共n-1条信道时获得的支持率，该值用来指引信道分配工作的进行。当n＝1时，只有一条信道，将该信道分配给具有最小支持率Q_i(1)的那一类业务，然后在该类业务中进行资源块的具体调度工作43，具体流程见图4所示。接下来考虑n＝2，此时，增加了一条新的信道，更新计算分配完该信道后每类业务新的支持率Q_i(2)，将该新增加的信道分配给当前Q_i(2)值最小的那一类业务，重复以上操作，直到n＝N，其中N为电力无线专网的信道总数。

再进行资源块调度：在图4中的操作42选定分配信道的业务类型之后，需要进行资源块的调度操作43。当l＝1时，即对于第一个资源块，将该资源块分配给具有最低支持率f_i,m,n(1)的那一个分组的设备，然后根据分配结果进行该分组的支持率f_i,m,n(2)的更新，然后用同样的方法进行第二个资源块的分配，以此类推直到l＝L为止，L为一个信道包含的资源块个数。

综上，本发明首先根据基站与设备之间的关系为每类业务的设备进行分组，只有位于相同分组的设备才可以共用同一信道。然后，进行上行发射功率控制，得到每一个设备的发射功率，并计算得到设备分配一个资源块时的吞吐率。接下来，计算每个分组的支持率，代表了为该分组分配给定数量无线资源后数据需求率的满意程度。最后，根据支持率的含义分别计算每类业务以及每个分组的支持率，然后分别进行信道资源分配以及资源块调度。本发明方法针对电力无线专网中的通信需求问题，解决了电力无线专网中的发射功率设置与资源块调度的问题。

Claims (1)

1.一种电力无线专网中的发射功率设置与资源块调度方法，电力无线专网中覆盖有基站和配用电设备，配用电设备运行中产生的电力信息数据通过无线通信传输至基站，基站将接收到的电力信息数据经无线骨干网传输至电力控制中心；

其特征是，电力无线专网中的发射功率设置与资源块调度方法包括以下步骤：

步骤一，对配用电设备进行分组：

假设共有B个基站，对于其中第b个基站，1≤b≤B，由该基站覆盖的配用电设备的集合为S_b；假设电力无线专网中共有K类业务，每类业务的上行数据传输速率要求不同；对于第i类业务，1≤i≤K，将集合S_b中属于第i类业务的设备抽取出来得到S_i,b；分别从{S_i,1,S_i,2,…,S_i,B}中各选出一个设备作为第一个分组H_i1，然后从剩下的设备中再以同样方法选出第二个分组H_i2，以此类推，直到所有设备都已被选中，从而得到第i类业务的分组集合H_i＝{H_im，1≤m≤M_i}，其中M_i为第i类业务的分组个数；在同一个分组H_im中的设备可以共用同一信道资源；

步骤二，设置发射功率γ_j：

记第j个设备的上行发射功率为P_j；根据下列方程决定所有P_j的取值

${\mathrm{\γ}}_j=\frac{P_j{G}_{bj}}{{\mathrm{WN}}_0+{\mathrm{\Σ}}_{k\≠j,k\∈H_{ig}}{P}_k{G}_{bk}}\≥\mathrm{\Γ}$

式中G_bj为从设备j到基站b的路径损耗，G_bj＝6+42.68lom₁₀(d)dB，d为从设备j到基站b的距离，单位为米，W为每个信道的带宽，取值为180KHz，N₀＝-174dBm/Hz为噪声功率谱密度，Γ为最小信干噪比；

步骤三，计算支持率：

根据公式C_j＝W×log₁₀(1+γ_j)/L

计算第j个设备分配一条信道时的吞吐率，其中L为一条信道中包含的资源块个数；

计算F_i,m(n)，含义为分配n条信道给分组H_im后该分组中所有设备的支持率的平均值；

计算f_i,m,n(l)，含义为分配n-1条信道和第n条信道中的l个资源块给分组H_im后该分组中所有设备的支持率的平均值；

上述f_i,m,n(0)＝F_i,m(n-1)；

步骤四，采用单步递增的方式进行信道分配：

首先计算第i类业务中所有分组被分配n-1条信道时的支持率的和为

$Q_i\left(n\right)={\mathrm{\Σ}}_{m=1}^{M_i}{F}_{i,m}(n-1)$

从n＝1开始，将该信道分配给具有最低支持率的一类业务，然后更新每类业务分配完该信道后的所获得的支持率，以同样的方法分配第2条信道，直到所有的信道被分配完毕；

步骤五，采用单步递增的方式进行资源块调度：

对于第n条信道中的第一个资源块即l＝1，选取与该信道相应的业务类型中支持率f_i,m,n(1)最低的一个分组，将该资源块分配给该分组内的设备，之后更新该分组在分配完该资源块后的支持率f_i,m,n(2)，

重复上述资源块分配步骤，依次对该信道中其他各资源块进行分配，直到该信道中所有的资源块被分配完毕。