CN110011697A - 多业务电力线通信中的ofdm下行资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多业务电力线通信中的OFDM下行资源分配方法；该资源分配方法将用户的业务类型由单业务扩展到了多业务，建立多业务多用户系统资源分配模型，在功率受限条件下最大化系统速率；将业务类型分为语音用户和数据用户，两种业务同时共存于同一系统，按业务优先级来分配资源，资源分配过程中首先满足优先级高的语音用户，只有语音用户完全满足最低要求后，再为优先级低的数据用户分配资源；本发明满足了多业务多用户对最低速率的要求，提升了系统的整体传输速率。

Description

多业务电力线通信中的OFDM下行资源分配方法

技术领域

本发明涉及一种通信资源分配方法，特别涉及一种多业务电力线通信中的OFDM下行资源分配方法。

背景技术

电力线通信是指利用电力线作为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种通信方式。随着人们对高速率数据、视频、图像等宽带业务需求的增加，电力线通信因具有不需布线、连接方便、容量高等优点而能够在众多通信技术中脱颖而出。但电力线是为传输工频电能而制造的，并非是一种完美的数据传输媒介，因此作为通信线路使用，电力线通信存在许多缺点：衰减严重、噪声和干扰功率较高、且具有突出的时变性和对频率的选择性衰落。

由于电力线通信环境的恶劣，配电网中大多采用正交频分复用OFDM(OrthogonalFrequency Division Multiplexing)技术。OFDM技术把整个信道划分为若干个子信道，将高速串行数据流分解为多路低速子数据流并行地在子信道中传输，由此可有效地对抗多径效应，提高频谱利用率，并且可以使用基带快速傅里叶逆变换/傅里叶变换(IFFT/FFT)处理，复杂度大大低于传统多载波系统。针对电力线信道的时变性，如果能够根据各个子信道的实际情况灵活地分配信息比特和发送功率，则能明显改善通信系统的性能，进一步提高频谱利用率。而这种自适应OFDM技术实现的关键，是子信道、比特和功率的分配。现有的OFDM技术多是针对单用户系统，在总比特一定的条件下，应用贪婪算法，使系统总的发射功率最小，但其迭代次数与总比特数成正比，在高信噪比条件下复杂度太高；或采用一种次优的单用户功率最小化算法；或者是将用户数简单的从单用户变为多用户，用户的业务类型不变。但随着通信业的快速发展要求，单一业务已无法满足用户对通信的需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种多业务电力线通信中的OFDM下行资源分配方法，该方法满足了多业务用户对最低速率的要求，提升了系统的整体传输速率。

本发明的技术方案：

一种多业务电力线通信中的OFDM下行资源分配方法，含有以下步骤：

步骤1、建立多业务多用户系统资源分配模型：从电力线通信系统内用户数角度将电力线通信系统分成多业务单用户系统和多业务多用户系统，多业务单用户系统的资源分配模型如下：

多业务单用户系统中所有子载波都归一个用户使用，资源分配相对简便。由于各个子载波衰落不同，导致不同的子载波所发送的比特不同；在多业务单用户系统中，在发射端总功率一定的条件下，以最大化总发送比特为目标，优化比特分配和功率分配，用数学形式表示如下：

式中r_i表示第i子载波所传输的比特，ε_i表示第i子载波分配的功率，N表示多业务单用户系统内总的子载波数，P_t为发送端总功率；

或在多业务单用户系统中，在总发送比特一定的条件下，以最小化总发送功率为目标，优化功率分配，用数学形式表示如下：

R为发送端总的发送比特。

在多业务单用户的基础上对多业务多用户资源分配进行分析，由于同一个子载波分配给不同用户衰落不同，致使同一子载波分配给不同的用户可传输的比特不同。子载波在某个用户上衰落严重甚至无法传输信息，但是在其他用户上还可以传输更多的信息。

多业务多用户系统的资源分配模型如下：

设多业务多用户系统内有N个子载波和K个用户，若第n个子载波分配给第k个用户，则可传输的比特用r_k,n表示，所对应的功率用ε_k,n表示；

应用布尔变量表示子载波的分配情况，如果第n个子载波分配给第k个用户，用c_k,n＝1表示，如果第n个子载波未分配给第k个用户，用c_k,n＝0表示，即子载波不被多个用户共享，用数学形式表示如下：

P为基站的总功率；

如果第n个子载波分配给第k个用户，则可以传送的比特数：

上式中为向下取整，g_k,n为单位功率载噪比(carrier noise rate，CNR)，

H_k,n表示第n个子载波分配给第k个用户的信道传输函数，σ²表示信道噪声功率；

Γ表示信道理论极限速率与实际速率的差额，与调制方式和误码率有关；如果所有子载波采用正交幅度调制且误码率一致，则各子载波的信噪比差额Γ相等，且有

式中，P_e为误码率，Q^-1(x)为错误概率Q函数的逆函数，Q函数为

步骤2、将多业务多用户系统中的用户分为两类：语音用户和数据用户。语音用户最低速率要求低，但其误码率要求高；相比语音用户，数据用户最低速率要求高，但其误码率要求相对较低，语音用户的优先级高于数据用户的优先级，设语音用户优先级为1，数据用户优先级为2；

步骤2.1、把基站的总功率P等分到每个子载波上，

即令ε_k,n＝P/N，计算出每个用户在每个子载波上所能发送的比特数：

步骤2.2、为所有优先级别为1的语音用户分配子载波和比特，直到所有优先级别为1的语音用户的速率得到满足为止；为每个优先级别为1的语音用户分配子载波和比特的方法如下：

即根据式为其选择子载波n^*，并把n^*分配给该用户，直到优先级为1用户的速率要求得到满足为止；

n^*＝argmaxr_k,n(k＝1,2…K,n＝1,2…N)；

如果第n个子载波已经分配给了第k个用户，令c_k,n＝1，否则，c_k,n＝0；同时根据式也确定了在子载波n^*上的比特数；

步骤2.3、把剩余的c_k,n＝0的子载波分配给优先级别为2的数据用户k^*：

k^*＝argmaxr_k,n(k＝1,2…K,n＝1,2…N)；

如果第n个子载波已经分配给了第k个用户，令c_k,n＝1，否则，c_k,n＝0。

步骤2.3中，由于信道的随机性，可能出现有些用户间对于速率的不公平。为了保证数据用户的最小速率要求，把数据速率高于最小速率r_k要求的用户占用的子载波重新分配给最小速率r_k还没有得到满足的用户，

把的用户记作k′，把的用户占用的子载波记作n′，把子载波n′重分配给k′；分配的原则是使下式中的代价函数最小，

也就是说，把子载波n′^*重新分配给用户k′，

n′^*＝agrmine_k′,n′。

本发明的有益效果：

1、本发明将用户的业务类型由单业务扩展到了多业务，在功率受限条件下最大化电力线通信系统速率，实现了不同业务用户对最低速率的要求，满足了用户对通信的多业务需求。

2、本发明可动态的选择可用的子信道，并对子信道所承载的比特数等资源进行优化配置，相比单用户系统，可获得很高的多用户分集，最大化频谱利用效率，不仅明显改善了电力线通信系统的性能，提升了系统的整体传输速率，而且降低了下行系统资源分配的复杂度。

具体实施方式

多业务电力线通信中的OFDM下行资源分配方法含有以下步骤：

步骤1、建立多业务多用户系统资源分配模型：从电力线通信系统内用户数角度将电力线通信系统分成多业务单用户系统和多业务多用户系统，多业务单用户系统的资源分配模型如下：

多业务单用户系统中所有子载波都归一个用户使用，资源分配相对简便。由于各个子载波衰落不同，导致不同的子载波所发送的比特不同；在多业务单用户系统中，在发射端总功率一定的条件下，以最大化总发送比特为目标，优化比特分配和功率分配，用数学形式表示如下：

式中r_i表示第i子载波所传输的比特，ε_i表示第i子载波分配的功率，N表示多业务单用户系统内总的子载波数，P_t为发送端总功率；

或在多业务单用户系统中，在总发送比特一定的条件下，以最小化总发送功率为目标，优化功率分配，用数学形式表示如下：

R为发送端总的发送比特。

在多业务单用户的基础上对多业务多用户资源分配进行分析，由于同一个子载波分配给不同用户衰落不同，致使同一子载波分配给不同的用户可传输的比特不同。子载波在某个用户上衰落严重甚至无法传输信息，但是在其他用户上还可以传输更多的信息。

多业务多用户系统的资源分配模型如下：

设多业务多用户系统内有N个子载波和K个用户，若第n个子载波分配给第k个用户，则可传输的比特用r_k,n表示，所对应的功率用ε_k,n表示；

应用布尔变量表示子载波的分配情况，如果第n个子载波分配给第k个用户，用c_k,n＝1表示，如果第n个子载波未分配给第k个用户，用c_k,n＝0表示，即子载波不被多个用户共享，用数学形式表示如下：

P为基站的总功率；

如果第n个子载波分配给第k个用户，则可以传送的比特数：

上式中为向下取整，g_k,n为单位功率载噪比(carrier noise rate，CNR)，

H_k,n表示第n个子载波分配给第k个用户的信道传输函数，σ²表示信道噪声功率；

Γ表示信道理论极限速率与实际速率的差额，与调制方式和误码率有关；如果所有子载波采用正交幅度调制且误码率一致，则各子载波的信噪比差额Γ相等，且有

式中，P_e为误码率，Q^-1(x)为错误概率Q函数的逆函数，Q函数为

步骤2、将多业务多用户系统中的用户分为两类：语音用户和数据用户。语音用户最低速率要求低，但其误码率要求高；相比语音用户，数据用户最低速率要求高，但其误码率要求相对较低，语音用户的优先级高于数据用户的优先级，设语音用户优先级为1，数据用户优先级为2；

步骤2.1、把基站的总功率P等分到每个子载波上，

即令ε_k,n＝P/N，计算出每个用户在每个子载波上所能发送的比特数：

步骤2.2、为所有优先级别为1的语音用户分配子载波和比特，直到所有优先级别为1的语音用户的速率得到满足为止；为每个优先级别为1的语音用户分配子载波和比特的方法如下：

即根据式为其选择子载波n^*，并把n^*分配给该用户，直到优先级为1用户的速率要求得到满足为止；

n^*＝argmaxr_k,n(k＝1,2…K,n＝1,2…N)；

如果第n个子载波已经分配给了第k个用户，令c_k,n＝1，否则，c_k,n＝0；同时根据式也确定了在子载波n^*上的比特数；

步骤2.3、把剩余的c_k,n＝0的子载波分配给优先级别为2的数据用户k^*：

k^*＝argmaxr_k,n(k＝1,2…K,n＝1,2…N)；

如果第n个子载波已经分配给了第k个用户，令c_k,n＝1，否则，c_k,n＝0。

步骤2.3中，由于信道的随机性，可能出现有些用户间对于速率的不公平。为了保证数据用户的最小速率要求，把数据速率高于最小速率r_k要求的用户占用的子载波重新分配给最小速率r_k还没有得到满足的用户，

把的用户记作k′，把的用户占用的子载波记作n′，把子载波n′重分配给k′；分配的原则是使下式中的代价函数最小，

也就是说，把子载波n′^*重新分配给用户k′，

n′^*＝agrmine_k′,n′。

资源分配方法仿真与分析：

在电力线信道环境下验证本发明的分配方法，子载波数为128，用户数为8，其中语音用户数为4，数据用户数为4，频带范围为0～20MHz，噪声为色噪声，语音用户误码率为10^-6，最低速率要求64bits/symbol，数据用户误码率为10^-4，最低速率要求为128bits/symbol，系统总发射功率上限为10mW，分配结果如表1：

表1

从表1中可以看到，仅为优先级高的语音用户分配后语音用户的最低速率已经满足，在以提高容量为目标的前提下又为所有用户分配，数据用户7的速率没有达到最低速率要求，经过调整后用户7的最低速率要求达到满足，但用户8有所降低；从系统总传输速率看，经过调整后的速率略微有所降低，降低幅度几乎可以忽略不计。

为进行对比，本发明将单业务多用户也进行了仿真，设其所有用户的误码率要求为10^-4，而且没有最低速率限制；子载波每次都选择传输速率最大的用户，这样可以充分提高系统整体传输速率；仿真结果如表2：

表2

从表2中可以看到如果按照多个用户同一种业务分配，资源分配复杂度大大降低，而且系统传输速率也有较大优势。

Claims (2)

1.一种多业务电力线通信中的OFDM下行资源分配方法，其特征是：含有以下步骤：

步骤1、建立多业务多用户系统资源分配模型：从电力线通信系统内用户数角度将电力线通信系统分成多业务单用户系统和多业务多用户系统，多业务多用户系统的资源分配模型如下：

设多业务多用户系统内有N个子载波和K个用户，若第n个子载波分配给第k个用户，则可传输的比特用r_k,n表示，所对应的功率用ε_k,n表示；

应用布尔变量表示子载波的分配情况，如果第n个子载波分配给第k个用户，用c_k,n＝1表示，如果第n个子载波未分配给第k个用户，用c_k,n＝0表示，即子载波不被多个用户共享，用数学形式表示如下：

P为基站的总功率；

如果第n个子载波分配给第k个用户，则可以传送的比特数：

上式中为向下取整，g_k,n为单位功率载噪比，

H_k,n表示第n个子载波分配给第k个用户的信道传输函数，σ²表示信道噪声功率；

Γ表示信道理论极限速率与实际速率的差额，与调制方式和误码率有关；如果所有子载波采用正交幅度调制且误码率一致，则各子载波的信噪比差额Γ相等，且有

式中，P_e为误码率，Q^-1(x)为错误概率Q函数的逆函数，Q函数为

步骤2、将多业务多用户系统中的用户分为两类：语音用户和数据用户，语音用户的优先级高于数据用户的优先级，设语音用户优先级为1，数据用户优先级为2；

步骤2.1、把基站的总功率P等分到每个子载波上，

即令ε_k,n＝P/N，计算出每个用户在每个子载波上所能发送的比特数：

步骤2.2、为所有优先级别为1的语音用户分配子载波和比特，直到所有优先级别为1的语音用户的速率得到满足为止；为每个优先级别为1的语音用户分配子载波和比特的方法如下：

即根据式为其选择子载波n^*，并把n^*分配给该用户，直到优先级为1用户的速率要求得到满足为止；

n^*＝arg max r_k,n(k＝1,2…K,n＝1,2…N)；

如果第n个子载波已经分配给了第k个用户，令c_k,n＝1，否则，c_k,n＝0；同时根据式也确定了在子载波n^*上的比特数；

步骤2.3、把剩余的c_k,n＝0的子载波分配给优先级别为2的数据用户k^*：

k^*＝arg max r_k,n(k＝1,2…K,n＝1,2…N)；

如果第n个子载波已经分配给了第k个用户，令c_k,n＝1，否则，c_k,n＝0。

2.根据权利要求1所述的多业务电力线通信中的OFDM下行资源分配方法，其特征是：所述步骤2.3中，把数据速率高于最小速率r_k要求的用户占用的子载波重新分配给最小速率r_k还没有得到满足的用户，

把的用户记作k′，把的用户占用的子载波记作n′，把子载波n′重分配给k′；分配的原则是使下式中的代价函数最小，

也就是说，把子载波n′^*重新分配给用户k′，

n′^*＝agr min e_k′,n′。