CN107733630B - 一种基于宽带plc的载波资源分配方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种基于宽带PLC的载波资源分配方法及装置，该方法包括设置至少一个集中器、N个簇头节点CLs和N个叶子节点LFs；集中器负责分配载波资源给簇头节点，簇头节点之间相互竞争载波资源，并将从集中器获得的部分或全部载波资源中继给叶子节点进行数据传输。该方法提出了一种中继拍卖(RA)的方法，基于拍卖的框架，配备集中器作为拍卖人，与集中器直接连接的簇头结点作为投标人，与簇头结点直接连接且不可以与集中器直接相连的叶子结点通过簇头结点中继获得资源。本方法及装置采用了源结点、中继结点和目的结点间的层级稳健结构，增强了系统的稳健性，与此同时有效地进行资源分配，实现了全网吞吐量的最大化、公平和效率。

Description

一种基于宽带PLC的载波资源分配方法及装置

技术领域

本发明涉及通信领域，具体涉及一种基于宽带PLC电力线通信的载波资源分配方法及装置。

背景技术

宽带PLC是一种以电力线为媒介传输数据信号的通信方式，其无需铺设额外的线路，大幅降低了通信成本。但由于电网的分支结构和结点处阻抗不匹配，使得电力线通信信道具有显著的多径特性，而正交频分复用(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing OFDM)技术可有效克服信道多径时延，且频谱利用率高，适用于电力线通信系统。宽带PLC主要由集中器和电表结点组成，集中器相当于主结点，也即树状逻辑拓扑图中的根结点。系统中的通信主要以上行业务数据为主，由电表结点向集中器报告用电信息、紧急情况报告等，下行则主要发布控制信息，数据流一般较小。由于各级子结点通信距离有限，只能与上下级邻居结点进行通信，因此当主结点要与叶子结点进行通信时则需要通过多跳中继进行，其成功通信依赖于路径中各跳均成功传输。因此，一套灵活有效的路由协议对PLC网络通信成功率的保障至关重要。

在电力线载波通信网络中，由于传输媒介的设计初衷为传输电信号，因此在数据信号传输过程中存在着信道环境不理想的问题，一种能够适应网络拓扑的动态变化的路由方法，是解决制约电力线载波通信可靠性问题的有效手段。传统的OFDM电力线通信采用分簇路由方法，但是在宽带PLC中，缺乏对资源的有效利用。现阶段的宽带PLC载波资源分配中，有基于VCG拍卖的带宽资源分配。但是，基于VCG的方法存在一个严重的缺点，因为它们不考虑公平性能。这在资源分配环境中显然是不希望的，其中集中器应当在公平性方面提供一定程度的QoS保证。之前所考虑的场景模型是针对于窄带通信的，若考虑到宽带PLC，就面临着如何将载波资源进行有效分配的问题。

实际的宽带PLC场景模型如图1所示，其中第一层级为集中器1，第二层级为采集器2，第三层级为电表3。

发明内容

鉴于此，本发明提出了一种用于宽带PLC电力线通信的载波资源分配方法及设备，主要用于解决宽带PLC电力线通信中载波分配的效率与公平性，并且实现较好的连接阻塞概率性能。

本发明具体由以下技术方案来实现：

一种基于宽带PLC的载波资源分配方法，设置至少一个集中器、N个簇头节点CLs和N个叶子节点LFs,每个簇头节点定义为CL_k，k∈{1,2,...,N}，每个叶子节点定义为LF_k，k∈{1,2,...,N}；集中器负责分配载波资源给簇头节点，簇头节点之间相互竞争载波资源，并将从集中器获得的部分或全部载波资源中继给叶子节点进行数据传输；所述载波资源分配方法具体包括：

1)每个簇头节点CL_k向集中器提交标量值b_k，b_k表示簇头节点CL_k传递比特数的能力，并且b_min≤b_k≤b_max，其中b_min、b_max分别为簇头节点传输比特数能力的最小值和最大值；每个叶子节点LF_k提交其误码率

给集中器，则LF_k传递比特数的能力

为：

2)假定簇头节点CL_k从集中器获得F_k个子载波，那么它支付给叶子节点LF_k的子载波数量

为：

其中，f(b_k)为随b_k的增加而递增的支付函数，并且有0≤f(b_k)≤1；

3)集中器的分配策略集合为F_*，用

表示：

约束条件为：

和式(2)

其中，f为单个子载波的带宽，F_b为载波总带宽；

最终，集中器将F_*分配给簇头节点，根据式(2)计算出分配给叶子节点的子载波数量，簇头节点将其分配给叶子节点。

优选地，所述的支付函数f(b_k)可设置为：

或

其中，A是一个支付常系数。

优选地，标量值b_k为：

其中，CN_k是每个簇头结点在每个子载波上传递的比特数，

表示簇头节点CL_k的误码率。

优选地，簇头节点CLs对子载波

上接收到的比特数的估值设置为：

叶子节点LFs对子载波

上接收到的比特数的估值设置为：

集中器分配给簇头节点CL_k的子载波的比特数的估值

为：

其中，

为簇头节点传递比特数的能力，有

每一个簇头结点除去分配给叶子节点的子载波数目之后剩下的子载波数目

为：

在本发明的另一个方面，提供一种基于宽带PLC的载波资源分配装置，至少包括一个集中器、N个簇头节点CLs和N个叶子节点LFs,每个簇头节点定义为CL_k，k∈{1,2,...,N}，每个叶子节点定义为LF_k，k∈{1,2,...,N}；集中器负责分配载波资源给簇头节点，簇头节点之间相互竞争载波资源，并将从集中器获得的部分或全部载波资源中继给叶子节点进行数据传输；所述载波资源分配装置包括：

1)每个簇头节点CL_k向集中器提交标量值b_k，b_k表示簇头节点CL_k传递比特数的能力，并且b_min≤b_k≤b_max，其中b_min、b_max分别为簇头节点传输比特数能力的最小值和最大值；每个叶子节点LF_k提交其误码率

给集中器，则LF_k传递比特数的能力

为：

2)假定簇头节点CL_k从集中器获得F_k个子载波，那么它支付给叶子节点LF_k的子载波数量

为：

其中，f(b_k)为随b_k的增加而递增的支付函数，并且有0≤f(b_k)≤1；

3)集中器的分配策略集合为F_*，用

表示：

约束条件为：

和式(2)

其中，f为单个子载波的带宽，F_b为载波总带宽；

最终，集中器将F_*分配给簇头节点，根据式(2)计算出分配给叶子节点的子载波数量，簇头节点将其分配给叶子节点。

优选地，所述的支付函数f(b_k)可设置为：

或

其中，A是一个支付常系数。

优选地，标量值b_k为：

其中，CN_k是每个簇头结点在每个子载波上传递的比特数，

表示簇头节点CL_k的误码率。

优选地，簇头节点CLs对子载波

上接收到的比特数的估值设置为：

叶子节点LFs对子载波

上接收到的比特数的估值设置为：

集中器分配给簇头节点CL_k的子载波的比特数的估值

为：

其中，

为簇头节点传递比特数的能力，有

每一个簇头结点除去分配给叶子节点的子载波数目之后剩下的子载波数目

为：

本发明的方法主要由基于拍卖的框架，其中配备了网络中的集中器作为拍卖人，而簇头结点(即与集中器直接连接)作为投标人，彼此竞争宽带OFDM通信网络中的载波资源，叶子结点(即与簇头结点直接连接且不可以与集中器直接相连)通过簇头结点中继获得资源。本方法采用了源结点、中继结点和目的结点间的层级稳健结构，增强了系统的稳健性，与此同时有效地进行资源分配，实现了全网吞吐量的最大化、公平和效率。

附图说明

图1是实际的宽带PLC场景图；

图2是宽带PLC的载波资源分配模型图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

本发明在假设分簇路由已经选好的前提下，只考虑带宽资源分配问题，将网络中的路由进行拍卖建模，其中：集中器作为拍卖人，而簇头结点作为投标人，叶子结点作为簇头结点的直接获益方。宽带PLC的载波资源分配问题模型如图2所示：层级1是集中器，层级2是簇头节点，层级3是叶子节点。

此层级网络结构适用于宽带PLC全网络，本发明中仅以三层为例。

在上图的问题模型中，我们假设有一个集中器负责分配载波资源，有N个簇头结点CLs，由CL_k定义，k∈N＝{1,2,...,N}，彼此之间相互竞争载波资源，有N个叶子结点LFs，由LF_k定义，k∈N＝{1,2,...,N}，通过CLs中继进行数据传输。对于在宽带PLC网络中，假设载波总带宽为F_bMHz，对于每一个簇头结点来说，由于载波资源少，需要彼此竞争来获取传输机会。定义一个子载波的带宽为fMHz，每个簇头结点在每个子载波上传递的比特数是CN_k，但是每个簇头结点实际上在每个子载波上具有不同的传输能力。我们分别用

和

表示CL_k和LF_k的误码率来表征这种能力，然后可以分别得到簇头结点和叶子结点传递比特数的能力

和

表示如下：

在提出的拍卖方法的框架中，每个CLs需要通过拍卖竞争子载波资源，估值函数可以通过标量估值参数进行充分的表征。具体来说，每一个CL_k计算估值参数

然后基于个人理性，提交一个竞标价格b_k给集中器，来表示自己的估值参数，由于拍卖的真实性b_k会等于真正的估值参数，即：

每个CL_k的误码率

每个LF_k的误码率

估值参数

以及竞价集合B＝{b₁,b₂,...,b_N}会通过带外控制信道传送到集中器。然后集中器会计算相应的分配F(B)＝{F₁,F₂,...,F_k,...,F_N}，其代表分配给每个CLs的子载波数目。在典型的拍卖中，投标人的效用是该投标人收到的价值减去拍卖人分配的付款。然而，在模型中，为了提供付款的实际意义，将付款与实际的无线电资源(即子载波数目)相关联。所以，计算支付

其代表被用来作为叶子结点通信中继的子载波数目，以此作为支付的费用，所以每一个簇头结点最终被分配的子载波数目为

表示如下。

拍卖结束后，分配和支付结果会传送给每一个簇头结点。因此，每一个簇头结点和叶子结点的最终收益函数可以表示如下。

考虑用一个对数函数来表示CLs对子载波

上接收到的比特数的估值。即

类似的，LFs对子载波

上接收到的比特数的估值为：

因此，将公式(6)和(7)分别带入公式(4)和(5)中，可以推出它们最终的收益函数表达式为：

一般来说，投标人要求的资源越多，应付给拍卖人的付款越高。因此，将支付f(b_k)定义为随投标标量b_k增加的支付函数，并提出了一种中继拍卖(RA)方法，其具体实施方案如下：

(1)竞价投标：

簇头节点CL_k向集中器提交标量值b_k，并且b_min≤b_k≤b_max，其中b_min、b_max分别为簇头节点传输比特数能力的最小值和最大值；叶子节点LF_k提交其误码率

给集中器；然后，集中器知道LF_k传递比特数的能力

为：

(2)支付：

如果CL_k获得F_k个子载波，那么它就必须支付

个子载波来为LF_k提供中继。其中，f(b_k)随b_k的增加递增，并且0≤f(b_k)≤1。在这里，可以考虑两种不同的支付函数：

和

其中，A是一个支付常系数。

(3)分配：

定义最优的分配策略集合为F_*，用

表示，集中器进行分配执行：

约束条件为：

其中，f为单个子载波的带宽，F_b为载波总带宽；最终，集中器将F_*分配给簇头节点，根据式(11)计算出分配给叶子节点的子载波数量，簇头节点将其分配给叶子节点。

通过本发明提出的基于拍卖框架的载波资源分配方法，可以有效地解决宽带PLC的载波资源分配问题，使得各叶子结点更好地获得子载波进行数据传输。这种新颖的RA方法在资源分配效率方面可以获得竞争性，同时通过调整支付函数，并且能够在效率和公平性之间达到适当的平衡。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (8)

1.一种基于宽带PLC电力线通信的载波资源分配方法，其特征在于，设置至少一个集中器、N个簇头节点CLs和N个叶子节点LFs,每个簇头节点定义为CL_k，k∈{1,2,...,N}，每个叶子节点定义为LF_k，k∈{1,2,...,N}；集中器负责分配载波资源给簇头节点，簇头节点之间相互竞争载波资源，并将从集中器获得的部分或全部载波资源中继给叶子节点进行数据传输；所述载波资源分配方法具体包括：

1)每个簇头节点CL_k向集中器提交标量值b_k，b_k表示竞标价格，并且b_min≤b_k≤b_max，其中b_min、b_max分别为簇头节点传输比特数能力的最小值和最大值；每个叶子节点LF_k提交其误码率

给集中器，则LF_k传递比特数的能力

为：

2)假定簇头节点CL_k从集中器获得F_k个子载波，那么它支付给叶子节点LF_k的子载波数量

为：

其中，f(b_k)为随b_k的增加而递增的支付函数，并且有0≤f(b_k)≤1；

3)集中器的分配策略集合为F_*，用

表示：

约束条件为：

和式(2)

其中，f为单个子载波的带宽，F_b为载波总带宽；

最终，集中器将F_*分配给簇头节点，根据式(2)计算出分配给叶子节点的子载波数量，簇头节点将其分配给叶子节点。

2.根据权利要求1所述的载波资源分配方法，其特征在于：所述的支付函数f(b_k)可设置为：

或

其中，A是一个支付常系数。

3.根据权利要求1所述的载波资源分配方法，其特征在于：竞标价格b_k为：

其中，CN_k是每个簇头结点在每个子载波上传递的比特数；

为簇头节点CL_k的误码率。

4.根据权利要求1所述的载波资源分配方法，其特征在于：簇头节点CLs对子载波

上接收到的比特数的估值设置为：

叶子节点LFs对子载波

上接收到的比特数的估值设置为：

集中器分配给簇头节点CL_k的子载波的比特数的估值

为：

其中，

为簇头节点传递比特数的能力，有

每一个簇头结点除去分配给叶子节点的子载波数目之后剩下的子载波数目

为：

5.一种基于宽带PLC电力线通信的载波资源分配装置，其特征在于，至少包括一个集中器、N个簇头节点CLs和N个叶子节点LFs,每个簇头节点定义为CL_k，k∈{1,2,...,N}，每个叶子节点定义为LF_k，k∈{1,2,...,N}；集中器负责分配载波资源给簇头节点，簇头节点之间相互竞争载波资源，并将从集中器获得的部分或全部载波资源中继给叶子节点进行数据传输；所述载波资源分配装置包括：

1)每个簇头节点CL_k向集中器提交标量值b_k，b_k表示竞标价格，并且b_min≤b_k≤b_max，其中b_min、b_max分别为簇头节点传输比特数能力的最小值和最大值；每个叶子节点LF_k提交其误码率

给集中器，则LF_k传递比特数的能力

为：

2)假定簇头节点CL_k从集中器获得F_k个子载波，那么它支付给叶子节点LF_k的子载波数量

为：

其中，f(b_k)为随b_k的增加而递增的支付函数，并且有0≤f(b_k)≤1；

3)集中器的分配策略集合为F_*，用

表示：

约束条件为：

和式(2)

其中，f为单个子载波的带宽，F_b为载波总带宽；

最终，集中器将F_*分配给簇头节点，根据式(2)计算出分配给叶子节点的子载波数量，簇头节点将其分配给叶子节点。

6.根据权利要求5所述的载波资源分配装置，其特征在于：所述的支付函数f(b_k)可设置为：

或

其中，A是一个支付常系数。

7.根据权利要求5所述的载波资源分配装置，其特征在于：竞标价格b_k为：

其中，CN_k是每个簇头结点在每个子载波上传递的比特数；

为簇头节点CL_k的误码率。

8.根据权利要求5所述的载波资源分配装置，其特征在于：簇头节点CLs对子载波

上接收到的比特数的估值设置为：

叶子节点LFs对子载波

上接收到的比特数的估值设置为：

集中器分配给簇头节点CL_k的子载波的比特数的估值

为：

其中，

为簇头节点传递比特数的能力，有

每一个簇头结点除去分配给叶子节点的子载波数目之后剩下的子载波数目

为：

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