宽带电力线载波通信物理层资源分配新算法

　　摘要: 宽带电力线载波基于正交频分复用技术可实现电力串行通信数据的并行传输，增强了电力通信系统的实时性与高效性。针对宽带电力线载波通信资源分配问题，文中提出了一种低复杂度的物理层资源分配算法，首先基于等功率分配方式确定各用户为满足其最低速率需求所需的子载波集合，将多用户资源分配问题降维成单用户资源分配问题，之后对各用户所分配的子载波集进行功率优化，实现系统吞吐量的进一步提升。实验表明所提算法在满足更多用户并发业务的最低传输速率需求的同时，有效提升了网络吞吐量。

　　关键词: 物理层; 资源分配; 功率优化; 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

　　为实现电力系统各环节的万物互联，实现电网的全面态势感知，需要以坚强可靠的电力物联和通信技术作为支撑[1]，依托云计算、智能物联、5G 通信等技术，构建人机交互、信息高效处理、应用便捷灵活特征的智慧服务系统。作为电力物联网核心技术之一的先进通信技术是保证电力系统各环节各设备能够全面感知的前提[2]，然而随着大量智能传感设备的接入，系统 中无疑会出现各类具有不同通信需求的业务，同时必然会引起数据量爆发式增长，这就对现有的通信方式提出了严峻挑战[3]。因此如何保证各类数据能够快速准确可靠的传输，避免网络出现拥塞影响电力系统对设备的实时控制。

　　电力线载波通信( Power Line Communication，PLC)将数据流于电力线路中与能量流并行传输，与无线通信相比具有不受天气遮蔽物的影响，天然具有电气设备互联、建设成本低的特点，是电力物联网信息交互的最有效通信方式之一4。电力线载波通信技术历经传统窄带电力线载波通信(Narrow Power Line Communication，NPLC)逐渐发展成如今宽带电力线载波通信(High Power Line Communication，HPLC)，从带宽容量，传输速率和稳定性方面都有了极大提升0.HPLC利用正交频分复用技术(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技术将通信速率由原来的kbps提高到Mbps1，在电力物联网中具有广泛的应用前景，例如智能电能表集抄技术回、电气设备物联技术等。然而随着终端设备通信业务的多样性以及智能电网对末端设备通信需求的不断增长，传统OFDM资源分配算法已然难以满足信息传输和保证多用户服务质量的需求，为此对资源按需分配技术开展相关研究，将提升电力并发多业务的服务质量水平。

　　现阶段部分学者对电力线载波通信资源分配问题开展了初步研究，其中文献[0]采用等功率分配方式为电力线载波信道中的各子载波加载功率，为各类用户调配信道时以最大化公平偏离度为标准，并通过微调此偏离度维持载波系统可靠性，但该算法没有考虑极端场景下对任务完成时间敏感的用户的影响。文献01]利用功率注水最大吞吐量算法求出各用户的功率注水线后，并在各用户所用子载波上加载相应功率，但是当系统内的用户数量较多时，算法的计算量较大，导致不能及时求出最优分配结果。文献[2]提出了一种基于差额分配原则的低复杂度算法，其在为非实时用户分配资源时基于比例公平原则，并通过对比特进行逐位削减以满足系统功率限制，但是在系统容量不足的情况下非实时用户的服务质量难以得到保证。文献

　　[3]基于信噪比最大的原则为用户分配子载波，然后在满足用户与未满足用户之间交换子载波，最后基于功率增量最小原则交换子载波之间的比特，进而实现各用户的资源配置过程。

　　针对上述宽带电力线载波通信资源分配算法存在的问题，文中提出了一种能够满足系统内各用户服务质量需求的物理层资源分配新方法，首先基于等功率分配方式确定各用户为满足其最低速率需求所需的子载波集合，将多用户资源分配问题降维成单用户最优功率分配问题，之后对各用户所分配的子载波集进行功率优化，实现系统吞吐量的进一步提升。

　　1 电力线载波通信问题描述

　　电力线载波通信网络拓扑结构如图 1 所示，电力线信道是一个开放共享的信道[14]，在中低压三相供电系统中，A、B、C 三相各相有独立的 PLC 网关，而各 PLC设备需要在共享的一相电力信道上竞争本相资源。因 此，多用户动态资源分配问题的实质就是根据电力线信道的状态信息，在每个 OFDM 符号内为实时( RealTime，RT) 用户和非实时( None Real-Time，NRT) 用户分配不同的子载波，并在相应的子载波上根据信道增益的大小自适应选择不同的调制方式，进而根据香农公式加载相应比特。

　　由于网络内各个用户所在位置、连接的负载阻抗以及传输距离的不同，不同子载波对系统内的各个用户表现出不同的信道衰减情况15)，因此在为用户分配子载波时，应充分考虑不同子载波之间的信道差异性，充分发挥多用户的分集增益。并且由于OFDM技术的使用，使系统内的各个子载波能够独立进行调制与解调，其中宽带电力线载波通信OFDM技术包含了BPSK.OPSK，8PSK.16QAM，640AM，128QAM 等$ѣ调制编码方式[1，系统根据子载波信道质量的大小选择相应的调制方式。

　　宽带电力线载波通信多用户动态资源分配不仅要满足各类用户的服务质量速率需求，同时还要考虑不同用户之间的公平性[1，均衡信道质量较好与较差的用户资源占用情况，以满足整体服务质量水平。

　　2电力线载波通信资源分配模型

　　假设宽带电力线载波通信系统中有N个子载波，h个 RTP，1NKT户(RT户集合为2，NRT用户集合为a2)。多用户宽带电力线载波通信系统在进行资源分配时，考虑到RT用户对时延更敏感，有明确且较高的要求，系统首先将子载配给RT用户，满足RT用户的速率要求Rr。在为RT用户分配资源满足其服务质量速率要求时，应尽量减少RT用户的资源占用率，以便保留充足的资源满足NKT用户的服务质量速率要求Rr.在满足全部用户的服务质量速率要求后，若系统还有剩余资源，则继续将剩余资源全部分配给用户，以提高系统的整体吞吐量[]。系统在为各用户分配子载波时，并不需要保证各用户在获得子载波资源时的公平性，而是在系统容量一定时保证系统内的多用户并发混合业务均能够满足其传输服务质量速率需求的公平性。通过上述分配思想，宽带电力线载波通信动态资源分配数学模型如下。

　　在该数学模型中目标函数为实现系统吞吐量的最大化。其约束条件说明如下为: C1为子载波分配标志 位; C2为子载波 n 与用户之间一对一的限制; C3为总发 射功率限制; C4为单载波最大发射功率限制; C5 为 RT用户服务质量速率需求限制; C6为 NRT 用户服务质量速率需求限制。

　　3 物理层资源分配算法

　　上述宽带电力线载波通信动态资源分配数学模型为复杂的多约束整数规划问题，直接对其进行求解较为困难。文中为降低电力线载波通信资源分配问题求解的复杂度，在此采用分步法为各用户分配子载波以及系统功率。算法首先为调度用户划分子载波集以保证用户满足其服务质量需求，通过将频段内 N 个子载波等功率分配，各频段载波分配量为[20]:

　　物理层计算在子载波等功率模式下为满足用户服务质量速率要求所需的子载波数量为 nk，则分配给用户 k 的系统功率 pk = nk pn，其中，

　　在确定各用户为满足其业务服务质量速率要求所用子载波后，进一步确定子载波集合与各个用户之间的服务质量速率需求，采用拉格朗日乘子法对子载波以最大化用户吞吐量为目标进行分配[21]，如公式( 5) 所示。

　　由于宽带电力线载波通信系统内接有不同类型的用户，不同用户具有不同的业务优先级，系统应优先保证高优先级用户能够获得充足的系统资源满足其 QoS速率需求，并按照业务优先级的大小依次为用户分配系统资源。下面结合图 2 算法流程图，给出其具体资源分配步骤如下:

　　由于宽带电力线载波通信系统内接有不同类型的用户，不同用户具有不同的业务优先级，系统应优先保证高优先级用户能够获得充足的系统资源满足其服务质量速率需求，并按照业务优先级的大小依次为用户分配系统资源。下面结合图 2 算法流程图，给出其具体资源分配步骤:

　　4 算法性能分析

　　为验证文中所提方法在满足多用户服务质量速率需求上具有的优越性，此处以接入宽带电力线载波通信系统 4 用户为例展开实验分析，参量说明如表1所示。

　　系统内包含了2个RT用户和2个NRT用户，其中信道质量由高到低分别为RT，> RTI，NRT，> NRT2为了验证所提算法的性能，分别在系统容量充足以及系统容量不足两种环境下将所提算法与文献[10]中Gong算法和文献[1]中最大吞吐量算法对RT用户、NRT用户的吞吐量进行对比。

　　图3为系统容量充足时各算法下不同用户的吞吐量对比，从图中可以看出最大吞吐量算法为了追求系统整体吞吐量的最大化，将大量系统资源分配给信道质量较好的用户RT，、RT，该类用户获得了较多的系统资源因而其速率远高于服务质量速率需求，而信道质量较差的用户RT2、NRT，因获得的资源不足导致速率低于服务质量要求的最低速率，系统内用户之间的公平性较差。Gong算法在为各用户分配系统资源时考虑了不同业务的服务质量需求，因此在系统容量充足时4个用户均能满足要求，而整体吞吐量较低，其原因在于此算法采用累计公平偏离度最大的原则。而所提算法通过基于等功率分配方式为系统内各子载波加载功率，使系统内的各用户满足其最低速率需求，当系统内存在剩余资源情况下基于信噪比最大的原则继续为用户分配剩余资源，之后采用拉格朗日乘子法对各用户内的子载波进行最优功率分配，大大提高了各用户的实际 吞 吐 量。对于信道质量较差的用户 RT2、NRT2，所提算法比最大吞吐量算法用户吞吐量分别提高了 16. 94% ，14. 18% ，比 Gong 算法用户吞吐量分别提高了 6. 47% 、4. 97% 。

　　图4为系统容量不足时各算法下不同用户的吞吐量，其中最大吞吐量算法在系统容量不足时依然将大量资源分配给信道质量较好的用户KT，RT，其速率远高于最低速率需求，然而信道质量较差的用户RT2NRT，因获得的资源不足，速率低于服务质量要求的最低速率。Gong算法采用等功率分配方式并基于累计公平偏离度最大的原则首先为RT用户分配系统资源，之后再为NRT用户分配剩余资源，在系统容量不足的环境下，虽然该算法满足了RT用户的服务质量速率要求，但NRT用户获得的速率均低于服务质量速率需求。而所提算法在为各用户分配系统资源时考虑了各用户的服务质量速率要求，通过对各用户子载波进行功率优化，有效提高了各用户的实际吞吐量，在系统容量不足时仅有用户NRT，未满足服务质量速率要求，因此所提算法将宽带电力线载波通信的传输性能进行了有效提升，可以满足系统内更多用户的服务质量需求。

　　5 结束语

　　针对宽带电力线载波通信物理层资源分配问题，文中提出了一种低复杂度的物理层资源分配算法，算法首先基于等功率分配方式确定各用户为满足其服务质量速率需求所需的子载波集合，将多用户资源分配问题降维成单用户最优功率分配问题，之后基于对各子载波集信道进行了优化调配，进一步提升了载波信道吞吐量。通过系统容量充足以及系统容量不足两种仿真环境，验证了所提算法不仅可以提高系统的吞吐量，而且能够满足宽带电力线载波通信系统内更多用户的服务质量需求，有效提高了宽带电力线载波通信传输性能。

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