CN105721127B - 基于用户最小速率需求的电力线信道通信资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于用户最小速率需求的电力线信道通信资源分配方法，确定UE在子载波信道上的可达传输速率，根据所有子载波信道的衰减对子载波信道进行排序并且根据瞬时速率最大化原则为每个UE分配一个未占用的最优子载波信道；然后根据UE最小速率需求确定所有UE的优先级并且从中选择一个最优UE，为所述最优UE分配一个剩余子载波信道，重复选择最优UE并且分配一个剩余子载波信道直至所有子载波信道分配完毕。本发明能够最大限度的利用系统信道资源，提高系统传输效率；能够保证系统吞吐量最大化，并且同时兼顾用户的公平性。

Description

基于用户最小速率需求的电力线信道通信资源分配方法

技术领域

本发明属于电力线通信抄表技术领域，具体涉及一种基于用户最小速率需求的电力线信道通信资源分配方法。

背景技术

过去几十年电力线通信(powerline communication，PLC)技术巨大的发展，由于电力线拥有不用重新布线、组网简单的优点，相比其他通信方式具有无可比拟的优势。现在，我们不仅能够利用电力线进行自动抄表、智能家居等通信系统的低速传输控制，还能实现数据，图片、音视频等互联网多媒体信息的高速传输。随着5G和物联网技术的飞速发展，电力线载波通信技术作为一种新型的接入网方式必将发挥其重要作用。由于通信技术的高速发展和电力线通信市场的兴起，国内外诸多科研机构都开展了宽带电力线通信技术的研究，包括正交频分复用(OFDM)技术、高效的编码调制技术、鲁棒灵活的帧结构设计、信号处理技术、频谱感知技术等。动态频谱分配是电力线载波通信技术中最受关注的热点之一。

动态频谱分配或动态频谱管理(dynamic spectrum management，DSM)是在多载波传输方式下，根据信道中各个子载波的信噪比(signal to noise ratio，SNR)在满足一定服务质量的前提下，动态选择可用的子载波，对子载波承载的比特数、功率等资源进行优化分配，使传输系统的相关指标达到最优。在PLC通信系统中，原始数据首先经过扰码、级联纠错卷积编码，再经过交织、映射，最后由DSM算法进行子载波和功率分配。而合理的DSM算法是提高系统传输效率和系统容量的关键。

通常，我们利用最优化理论来分析频谱资源管理问题，通过载波分配和功率控制来使整个小区的吞吐量最大化。此方面的研究在资源分配架构方面，既有基于集中式的整体最优化策略，如最优化单目标函数的整体求解；又有基于分布式的有限协作算法，如博弈论。集中式的算法可以求得最优解但是算法计算复杂度高，分布式的算法通过采用博弈论的思想可以简单求解，但是需要符合博弈策略且要进行收敛性证明。在无线频谱资源分配算法中，一种是在满足约束条件的前提下，最大化系统吞吐量的算法；另一种是结合子载波和功率特性的分配算法。M.K.Award等人研究了在满足用户最小速率需求条件下的最优载波分配机制。W.Dang等人提出了一种在载波配对前提下的功率分配算法。I.Ahmed等人研究了多目标的最优载波分配策略。总体而言，大多数研究都偏向于保障系统吞吐量，而此时用户的公平性就无法得到保障，在以往满足用户之间公平性的算法中，最具代表性的有比例公平算法。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于用户最小速率需求的电力线信道通信资源分配方法。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明实施例提供一种基于用户最小速率需求的电力线信道通信资源分配方法，该方法为：确定UE在子载波信道上的可达传输速率，根据所有子载波信道的衰减对子载波信道进行排序并且根据瞬时速率最大化原则为每个UE分配一个未占用的最优子载波信道；然后根据UE最小速率需求确定所有UE的优先级并且从中选择一个最优UE，为所述最优UE分配一个剩余子载波信道，重复选择最优UE并且分配一个剩余子载波信道直至所有子载波信道分配完毕。

上述方案中，所述确定UE在子载波信道上的可达传输速率，具体通过下式确定：

其中B是PLC通信系统的子载波带宽，

和/>

分别表示UE m到集中器在子载波n上的信道特性和传输功率，N₀为噪声功率。

上述方案中，所述根据所有子载波信道的衰减对子载波信道进行排序并且根据瞬时速率最大化原则为每个UE分配一个未占用的最优子载波信道，具体通过以下步骤实现：

步骤3.1，集中器根据收集到的所有子载波信道的衰减对子载波进行排序，同时收集所有子载波信道的噪声功率信息；

步骤3.2，根据

计算所有UE和子载波信道组合的传输速率，选出传输速率最大的组合，进行子信道分配，使该UE的瞬时速率最大化，具体选择方式如下：

其中，M＝{1,2,...,M}和N＝{1,2,...,N}分别表示用户电表UE和子载波的集合，

表示UE m到集中器在子载波n上的传输速率；

步骤3.3，更新未占用子载波集合和为分配子载波UE集合。

上述方案中，根据UE最小速率需求确定所有UE的优先级并且从中选择一个最优UE，具体通过以下步骤实现：

步骤4.1，计算UE m的最小需求速率q_m，具体计算公式如下：

其中，λ_m到泊松分布的达速率为(包/时隙)，F为UE m的排队系统中数据包的大小，单位为bit。

代表UEm所能容忍的最大时延，/>

表示UE m的数据包在集中器的平均计算等待时间；

步骤4.2，根据UE m的最小需求速率和其步骤二中最大化瞬时速率的差值大小，来确定UE的用户优先级，UE m优先级ω_m的计算公式如下：

ω_m＝q_m-R_m；

步骤4.3，根据优先级的大小选出一个最优用户UE m，具体选择策略如下：

其中，ω_m为用户UE m优先级，γ_m为非负的拉格朗日乘子，R_m为用户在已分配子载波信道的总传输速度。

上述方案中，所述为所述最优UE分配一个剩余子载波信道，具体为：根据所述最优UE是否满足了最小速率需求公平分配剩余子载波，如果是则随机分配一个剩余子载波信道给能够使系统吞吐量最大的UE；若所述最佳UE的传输速率没有满足最小速率需求，则选择最优的剩余子载波信道使其瞬时速率最大。

上述方案中，其特征在于，所述步骤4.3中选择策略，具体方法如下：

(1)假设M＝{1,2,...,M}，N＝{1,2,...,N}，分别表示用户电表UE和子载波的集合，定义上述问题的目标函数为

其中，ω_m为用户UE m优先级，q_m表示UE m在N个子载波上单位时隙所需要传输的总比特数，同时最后变量

意味着子载波n被分配给UE m使用，/>

表示UE m到集中器在子载波信道n上的传输速率，约束条件(3)式表示UE m总的传输速度必须小于等于最小传输速度，其和时延相联系，表示在一个时隙内的数据传输速率不能小于此时隙内用户缓存中的数据量，以保持排队系统的稳定性，如果传输速率不能达到要求值，则会产生传输中断；

(2)求解最优的子载波分配策略问题，使用松弛条件将上述原问题转换为线性规划问题，然后采用拉格朗日方法来求解最优的频谱资源分配问题，让约束条件中的载波分配指示符

属于(0,1]区间内的任意值，则/>

表示子载波n分配给UE_m的概率，定义α_n、β_m,n和γ_m为一组非负的拉格朗日乘子，则原问题的拉格朗日公式表示为：

(3)为了得到最优的子载波信道分配策略，对上式中

求导，利用KKT条件计算可得：

为了通过第一个式子求解最优的频谱资源分配并减少复杂度，我们直接由第二个式子式估计γ_m的值，假设条件已经限制γ_m非负，若

小于0，则此时传输速率大于其最小需求速率，取γ_m为0，否则，γ_m取正值。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、从场景角度，本发明考虑了电力线通信自动抄表系统中电力线信道通信资源公平分配问题，总的目标是在满足用户电表UE最小传输速率的约束下，提高竞拍资源的公平性，不仅适用于电力线窄带自动抄表系统和电力线宽带抄表系统，还可以应用于宽窄带混合的电力线抄表系统。

2、本发明考虑了多载波传输方式，每个UE动态选择可用的子载波，能够对子载波承载的比特数、功率等资源进行优化分配，扩大了UE的传输速率范围。

3、本发明创新性的引入了UE优先级，为每个UE设定一个优先级来限制其得到资源的级别，例如：当UE信道条件较差时，设置为高优先级。

4、最小速率需求变量考虑得非常全面，UE在一个时隙内的数据传输速率不能小于此时隙内用户缓存中的数据量，更真实地反映抄表网络中电表负载差异大的问题，减小了电表传输中断和网络拥塞的概率。

5、本发明同时兼顾了系统吞吐量和UE公平性，在UE公平性和系统吞吐量之间取得了平衡，实现了最优的频谱资源分配，保证了系统整体性能。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于用户最小速率需求的电力线信道通信资源分配方法资源公平分配流程图；

图2是本发明实施例提供的PLC通信系统结构图；

图3是本发明实施例提供的仿真所用15径信道传输特性图；

图4是本发明实施例提供的不同子载波分配算法下，系统的平均吞吐量比较图；

图5是本发明实施例提供的不同子载波分配算法下，系统公平指数比较图；

图6是本发明实施例提供的系统用户平均传输速率的与平均最小速率需求的关系图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的通信系统架构如图1所示，电表或集中器的有效数据经过扰码、级联纠错编码、交织、映射，由DSM算法进行比特和功率分配后进行传输。系统的数据单元帧结构由3部分级联而成，包括前导序列(Preamble)、帧控制头(frame control header，FCH)和有效数据(DATA)。其中：前导序列应按一定原则预先选好，用于接收同步及信道和初始相位的估计；FCH包含本次传输所使用的调制方式、子载波的利用情况及传输的符号数等，即信令开销。

本发明是基于集中式的资源分配架构方面，要求集中器有获取所有系统信息的能力，这样的好处是可以掌握全局信息，进行资源的整体调度和分配，从而获得最优子载波分配方案。例如，集中器可以通过集中控制来估计子信道状态条件(CSI)。同时在每一次的传输中，每个UE可以选择不同的子载波，但是不允许多于子载波数目的UE接入信道。

如图1所示，本发明实施例提供一种基于用户最小速率需求的电力线信道通信资源分配方法，该方法包括以下步骤：

S101，确定UE在子载波信道上的可达传输速率。

具体的，由于子信道的窄带特性，信道响应具有平坦特性，可以看作一个理想信道，子载波信道上的传输速率用下式表示：

其中B是PLC通信系统的子载波带宽，

和/>

分别表示UE m到集中器在子载波n上的信道特性和传输功率，N₀为噪声功率。

S102，集中器初始化所有可用的子载波信道；

S103，对每个子载波信道的衰减排序，为每个UE分配一个未占用的最优子载波，使所有UE的瞬时速率最大化；

步骤3.1，集中器根据收集到的所有子信道的衰减对子载波进行排序，同时收集所有子信道的噪声功率信息；

步骤3.2，根据步骤一的公式，计算所有UE和子信道组合的传输速率，选出传输速率最大的组合，进行子信道分配，使该UE的瞬时速率最大化。具体选择方式如下：

其中，M＝{1,2,...,M}和N＝{1,2,...,N}分别表示用户电表UE和子载波的集合，

表示UE m到集中器在子载波n上的传输速率；

步骤3.3，更新未占用子载波集合和为分配子载波UE集合；

S104，根据UE最小速率需求计算每个UE的优先级，按公平策略选出一个最优的UE；

步骤4.1，计算UE m的最小需求速率q_m，具体计算公式如下：

其中，λ_m到泊松分布的达速率为(包/时隙)，F为UE m的排队系统中数据包的大小，单位为bit。

代表UEm所能容忍的最大时延，/>

表示UE m的数据包在集中器的平均计算等待时间(用户时延涉及两方面，一个是用户的传输时延，另一个是集中器的计算等待时延)；

步骤4.2，根据UE m的最小需求速率和S102中最大化瞬时速率的差值大小，来确定UE的用户优先级，UE m优先级ω_m的计算公式如下：

ω_m＝q_m-R_m

其中，q_m为UE m的最小需求速率，R_m为UE m在已分配子信道的总传输速度；

步骤4.3，根据优先级的大小选出一个最优用户UE m，具体选择策略如下：

其中，ω_m为用户UE m优先级，γ_m为非负的拉格朗日乘子，R_m为用户在已分配子信道的总传输速度；

在步骤4.3中公平的资源分配问题是一种基于合作的纳什均衡问题，利用集中式分配算法进行频谱资源的整体调度和分配，同时加入了纳什均衡思想，采用博弈论来分析公平的资源分配问题。具体方法如下

(1)假设M＝{1,2,...,M}，N＝{1,2,...,N}，分别表示用户电表UE和子载波的集合，那么可以定义上述问题的目标函数为

其中，ω_m为用户UE m优先级，q_m表示UE m在N个子载波上单位时隙所需要传输的总比特数。同时最后变量

意味着子载波n被分配给UE m使用。/>

表示UE m到集中器在子载波信道n上的传输速率。约束条件(3)表示UE m总的传输速度必须小于等于最小传输速度，其和时延相联系，表示在一个时隙内的数据传输速率不能小于此时隙内用户缓存中的数据量，以保持排队系统的稳定性。如果传输速率不能达到要求值，则会产生传输中断。

(2)求解最优的子载波分配策略问题，使用松弛条件将上述原问题转换为线性规划问题，然后采用拉格朗日方法来求解最优的频谱资源分配问题。让约束条件中的载波分配指示符

属于(0,1]区间内的任意值，则/>

表示子载波n分配给UE_m的概率。定义α_n、β_m,n和γ_m为一组非负的拉格朗日乘子，则原问题的拉格朗日公式可以表示为：

(3)为了得到最优的子载波分配策略，对上式中

求导，利用KKT条件计算可得：

为了通过第一个式子求解最优的频谱资源分配并减少复杂度，我们直接由第二个式子式估计γ_m的值。假设条件已经限制γ_m非负，若

小于0，则此时传输速率大于其最小需求速率，取γ_m为0。否则，γ_m取正值。

S105，根据该最优UE是否满足了最小速率需求公平分配剩余子载波，如果是则随机分配一个剩余子载波给能够使系统吞吐量最大的UE。若该UE的传输速率没有满足最小速率需求，则选择最优的剩余子载波使其瞬时速率最大；

S106，更新子载波信道占用状态。重复S104和S105,直至所有子载波分配完毕直。

本发明使用Jain’s公平指数F测试UE间的公平性，衡量算法的性能。F的计算公式如下：

其中R_m是UE m的传输速率，M是总的用户数，F是一个属于(0,1]之间的数，F越大代表算法的公平性就越好。

下面结合仿真对本发明的应用效果做进一步的说明：

1、仿真条件：

(1)本发明的仿真具体仿真参数设置如表1所示：

表1.具体仿真参数设置

仿真参数	数值
		电表距离集中器范围	200-1200m
频带范围	3KHz-20MHz
		子载波数目	400
载波带宽	48kHz
		UE传输功率	10dBm
UE数目	300
		子信道增益	表2信道
噪声功率	-50dBm

(2)仿真采用的电力线信道频域响应模型：

其中，N：多径数；g_i：加权因子；

衰落部分；/>

延迟部分；

c₀＝3×10⁸m/s，ε_r为相对介电常数，目为我国一般电力电缆所用PVC材料的相对介电常数为4。

表2 模型H(f)的参数说明

表2. 15径衰落信道的仿真参数设置

根据信道频域传输模型和表2的15径信道模型参数，仿真实现的15径电力线信道传输特性如图3所示，其中信道幅频响应的频率分辨率为1/4τ_max，脉冲响应的时延分辨率为4τ_max/N(N为频域仿真长度)。

2、仿真内容与仿真结果：

使用轮循(Round Robin，RR)算法和最大化系统吞吐量(Maximum Sum Rate,MSR)算法与之进行比较，验证所提方法的性能。RR算法轮循的分配子载波，所以能够严格保证UE间的公平性，系统中所有UE具有相同的优先级，子载波以相等的概率的分配给UE。MSR算法以最大化吞吐量为目标，并不保证UE间的公平性。仿真结果如下：

2a)图4描述的是不同算法下系统平均吞吐量的变化。随着UE数的增加系统平均吞吐量会下降，这是由于系统中子信道数目的约束。可以从图中看到，MSR算法由于一直把载波分配给信道条件好的UE，所以是系统吞吐量的上界。而RR算法由于保证公平性而不得不降低系统性能。提出的算法吞吐量几乎和MSR一致，近似重合，这意味着它可以在保证系统吞吐量的前提下合理的分配子载波，并且说明提出的方法更适合多UE的情况。

2b)图5显示了公平指数随着UE数增加的变化情况。从图中可以得到，随着UE数的增加，提出的算法较MSR算法有较大的提高，这说明无论UE的位置在哪里，本算法都可以保证UE之间的速率公平性。由于RR算法是等概率分配子载波，每个UE得到的载波数是一致的，因此曲线能一直保证在1左右的位置。MSR为了系统吞吐量最大化，会一直给信道好的UE分配子载波，而忽略其余UE，自然公平性最差。结合图4和图5可知，提出的算法在168UE以上的系统中，可以在不降低系统吞吐量的前提下，有效地提高UE间的公平性。

2c)图6显示的是在提出的算法中，UE平均最小需求速率和实际达到的UE平均速率的比较。由于仿真中UE的最大可容忍时延是变化的，根据前面的推导可知UE的最小需求速率也会波动。从图中可以看到，本仿真假设环境下，系统最多可以满足287个UE的最小速率需求。这是由UE固定的传输功率和子载波数的限制导致的，如果提高UE的传输功率或者增加系统的载波数就能满足更多UE的需求。因此，当UE数为287的时候，系统的中断概率是一个值得关注的点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于用户最小速率需求的电力线信道通信资源分配方法，其特征在于，该方法为：确定UE在子载波信道上的可达传输速率，根据所有子载波信道的衰减对子载波信道进行排序并且根据瞬时速率最大化原则为每个UE分配一个未占用的最优子载波信道；然后根据UE最小速率需求确定所有UE的优先级并且从中选择一个最优UE，为所述最优UE分配一个剩余子载波信道，重复选择最优UE并且分配一个剩余子载波信道直至所有子载波信道分配完毕。

2.根据权利要求1所述的基于用户最小速率需求的电力线信道通信资源分配方法，其特征在于，所述确定UE在子载波信道上的可达传输速率，具体通过下式确定：

其中B是PLC通信系统的子载波带宽，

和/>

分别表示UE m到集中器在子载波n上的信道特性和传输功率，N₀为噪声功率。

3.根据权利要求1所述的基于用户最小速率需求的电力线信道通信资源分配方法，所述根据所有子载波信道的衰减对子载波信道进行排序并且根据瞬时速率最大化原则为每个UE分配一个未占用的最优子载波信道，具体通过以下步骤实现：

步骤3.1，集中器根据收集到的所有子载波信道的衰减对子载波进行排序，同时收集所有子载波信道的噪声功率信息；

步骤3.2，根据

计算所有UE和子载波信道组合的传输速率，选出传输速率最大的组合，进行子信道分配，使该UE的瞬时速率最大化，具体选择方式如下：

其中，M和N分别表示UE和子载波的集合，

表示UE m到集中器在子载波n上的传输速率；

步骤3.3，更新未占用子载波集合和为分配子载波UE集合。

4.根据权利要求1所述的基于用户最小速率需求的电力线信道通信资源分配方法，根据UE最小速率需求确定所有UE的优先级并且从中选择一个最优UE，具体通过以下步骤实现：

步骤4.1，计算UE m的最小需求速率q_m，具体计算公式如下：

其中，λ_m为泊松分布的到达速率，单位为(包/时隙)，F为UE m的排队系统中数据包的大小，单位为bit，

代表UEm所能容忍的最大时延，/>

表示UE m的数据包在集中器的平均计算等待时间；

步骤4.2，根据UE m的最小需求速率和最大化瞬时速率的差值大小，来确定UE的用户优先级，UE m优先级ω_m的计算公式如下：

ω_m＝q_m-R_m；

步骤4.3，根据优先级的大小选出一个最优用户UE m，具体选择策略如下：

其中，ω_m为用户UE m优先级，γ_m为非负的拉格朗日乘子，R_m为用户在已分配子载波信道的总传输速度。

5.根据权利要求1所述的基于用户最小速率需求的电力线信道通信资源分配方法，所述为所述最优UE分配一个剩余子载波信道，具体为：根据所述最优UE是否满足了最小速率需求公平分配剩余子载波，如果是则随机分配一个剩余子载波信道给能够使系统吞吐量最大的UE；若所述最优UE的传输速率没有满足最小速率需求，则选择最优的剩余子载波信道使其瞬时速率最大。

6.根据权利要求4所述的基于用户最小速率需求的电力线信道通信资源分配方法，其特征在于，所述步骤4.3中选择策略，具体方法如下：

(1)假设M，N分别表示UE和子载波的集合，定义用户最小速率需求的电力线信道通信资源分配问题的目标函数为

其中，ω_m为用户UE m优先级，q_m表示UE m在N个子载波上单位时隙所需要传输的总比特数，同时最后变量

意味着子载波n被分配给UE m使用，/>

表示UE m到集中器在子载波信道n上的传输速率，/>

表示UE m总的传输速度必须小于等于最小传输速度，其和时延相联系，表示在一个时隙内的数据传输速率不能小于此时隙内用户缓存中的数据量，以保持排队系统的稳定性，如果传输速率不能达到要求值，则会产生传输中断；

(2)求解最优的子载波分配策略问题，使用松弛条件将用户最小速率需求的电力线信道通信资源分配问题转换为线性规划问题，然后采用拉格朗日方法来求解最优的频谱资源分配问题，让约束条件中的载波分配指示符

属于(0,1]区间内的任意值，则/>

表示子载波n分配给UE_m的概率，定义α_n、β_m,n和γ_m为一组非负的拉格朗日乘子，则原问题的拉格朗日公式表示为：

(3)为了得到最优的子载波信道分配策略，对上式中ρ_mn求导，利用KKT条件计算可得：

为了通过第一个式子求解最优的频谱资源分配并减少复杂度，我们直接由第二个式子式估计γ_m的值，假设条件已经限制γ_m非负，若

小于0，则此时传输速率大于其最小需求速率，取γ_m为0，否则，γ_m取正值。/>

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