基於流量公平性和幹擾約束的電力線網絡子信道分配方法與流程

2023-10-23 19:18:17 4

本發明涉及的是基於流量公平性和幹擾約束的電力線網絡子信道分配方法，屬於電力線通信(powerlinecommunication，plc)領域。

背景技術：

在智能電網範疇內，電力線接入網和智能家庭電力線網絡可以被劃分到局部網絡中。與傳統的無線網絡通信相比，電力線網絡需要不斷提高其頻譜效率，因此許多智能家庭網絡採用了正交頻分復用技術。通過把可用帶寬劃分為多個正交的窄帶子信號，電力線通信(powerlinecommunication，plc)系統可以提高其頻譜利用率，在行動網路中信道分配技術一直被人們廣泛研究，無線通信中獲得的許多經驗被研究者運用到了電力線上。與無線網絡類似，電力線通信中也有兩種信道分配策略，有競爭機制和無競爭機制的。其中，建立在競爭機制下的信道分配算法很多，當前電力線homeplugav標準下，csma/ca在媒體接入控(mac)層是一項非常重要的技術。然而，在基於競爭機制下的分配策略不能很好地滿足實際應用中用戶對服務質量的要求，特別是智能家庭網絡中多負載的情況。

無競爭機制策略下的信道分配算法可以有效保證通信的高質量，它是可以通過時分復用(timedivisionmultipleaccess，tdma)方式實現的,這種方式下可以探索出許多有助於提高系統通信效率的方法，因而被廣泛採用。一個典型的智能家庭plc網絡由一個終端節點和一個中繼節點組成，中繼節點做為核心設備，管理著整個網絡以及信道的分配問題。就是這樣一個高度集中化的拓撲網絡促進了tdma制式下的信道分配問題發展。

無線通信和電力線通信的通信環境和特點存在很大差異，無線信號的衰減是由多路信號的建構和結構複合的結果。電力線中的信號衰落是由分支電網中的信號反射造成的，與系統的拓撲結構有很大的關係。信號會在每個電容和變壓器處存在衰減。在噪聲方面，無線中的噪聲屬於熱噪聲，電力線噪聲被模擬為有色背景噪聲、異步脈衝噪聲。由於電力線中信號衰減非常嚴重，建立在信道狀態信息(channelstateinformation，csi)基礎上的子信道分配算法成為電力線通信中一種有效的調度方法。

近年來相關領域研究的熱點聚焦到提升電力線tdma通信系統中子信道分配算法的表現上。但這些算法有一個最大問題就是忽略了系統的公平性原則。之後一種基於多目標優化(multipleoptimalobjectives，moo)方法被提出，此方法滿足了網絡中用戶的多項要求。但這種方法存在明顯的缺陷，它是一種貪婪算法，該方法可能存在不可接受的複雜性。

本發明將對基於流量和公平性約束以及幹擾約束的電力線網絡子信道分配方法進行說明。

技術實現要素：

發明目的：考慮流量公平性約束和幹擾約束兩種限制條件，為提高用戶公平性和系統吞吐量，本發明設計了一種電力線網絡子信道分配方法。

技術方案：本發明提出的電力線網絡子信道分配方法，主要包括以下幾個階段。

第一階段：定義一個圖標g(v,e)來表示電力線系統的網絡拓撲結構，其中v是n個節點的集合，e是固定通信鏈路的集合。ε(u,v)∈e表示節點u可以和節點v直接通信。系統中，每條信道都有若干子信道，這些可用的子信道組成了子信道集合，表示為c＝{ci},i＝1,2,...,k，k是子信道的最大數量。

第二階段：考慮流量和公平性約束。我們從網絡的拓撲和流量的公平的原則來考慮流量的約束條件。在網絡中，一個節點若不是源節點或目的節點，在這一節點處的流量的流入量和流出量是相等的。因此節點處的限制條件如下

e°(u)是從u發出數據的的所有鏈路的集合，ei(u)是流入u的所有鏈路的集合。fe為鏈路上所有信道吞吐量的總和，信道佔用率xe,k表示了在一段時間內(整數倍時隙)，鏈路e工作在信道k上的時間佔總時間的比例，re,k是鏈路e在信道k上的信道容量。

而對任何的鏈路e來說，為了保證用戶的服務質量，節點還需要滿足用戶對流量的要求

是節點u需要的吞吐量，λ0是公平率，代表需求流量跟實際流量的比值。因此是u節點實際的流量。式(2)可以保證用戶的流量公平。

第三階段：考慮幹擾約束。電力線中噪聲主要來自背景噪聲和脈衝噪聲。其中，背景噪聲由許多強度不大的噪聲源疊加而成，一般認為它們是時不變的。而由電源開關等其他複合源引起的脈衝噪聲對系統信幹比威脅很大。此外，在同一時隙下，其他處於工作狀態的鏈路也會影響到鏈路e的信息傳輸。假設所有節點的發射功率為p0，g(u,v)為從發送端到接收端v的增益，j表示此時正在發送信號的其他節點的集合，這樣其他鏈路的帶來的噪聲可以表示為

由於信號能否被成功接收很大程度上取決於接收信號的sinr，當節點u發送信號給節點v時，節點v處的接收信號的信幹比sinr可以表示為

pv(u)表示節點u發送給節點v信號的接收功率。γ為接收端成功接收信號的sinr的最低要求。

第四階段：求滿足約束條件的解。在以上基礎上，我們就可以建立起以流量公平和抗幹擾為約束，以追求系統總吞吐量最大化為目標的子信道優化模型。

根據以上條件解出的xε,k可以從整體性上保證子信道間基本無幹擾和系統總流量最大化。它給每一條鏈路一個傳輸時刻表，根據這個時刻表，我們可以清楚每條鏈路的可用時隙和相關子信道。

第五階段：子信道分配算法描述。本方法引入長度類的標記方法，讓lj表示長度在[j,j+1)範圍內的鏈路集合。這樣，所有的鏈路就可以被分成互不重複的長度類的集合了，l＝{l0,l1,…,ldmax}，dmax是所有鏈路中最長的鏈路的長度。其中的所有子集合都是分開獨立調度的。圖2為最優子信道分配的算法流程圖。當每個集合中的鏈路的接收模塊的顏色相同時，就可以實現同時調度。假設t是調度的時隙間隔，該算法把信道k分配給鏈路ε，總的時隙為t·x(ε,k)。因此，本算法的基本思想是儘量分配時隙給(ε,k)。

圖3展示了對於鏈路集合lj，算法的內部循環鏈路影響示意圖，算法先選中一種色塊，然後在其中選擇鏈路，並為它分配時隙。算法通過m依次選擇圖中的正方形塊，圖中所示為當m＝1鏈路間相互影響的示意圖。

當情況下的循環結構對w中的所有長度類集合都適用。在選定的色塊選擇的顏色是m時，算法根據當前x(ε,k)，多信道被分配給所有的鏈路。在下一個判斷的語句k∈c中，每對鏈路和信道的組合都可以在調度階段獲得t·x(ε,k)個時隙。此外，ε是否屬於集合e這個判斷語句是用來設計鏈路和信道組合的，信道間必須是滿足幹擾條件的，所以我們需要在不同的方塊中塗上相同的顏色，以保證信道間無幹擾。

附圖說明

圖1為方法流程圖

圖2為子信道分配算法流程圖

圖3為算法內循環鏈路影響示意圖

圖4為不同公平因子下子信道流量變化圖

圖5為滿足要求的用戶數量變化圖

具體實施方式

基於流量公平性和幹擾約束的電力線網絡子信道分配方法基本流程如下：

(1)步驟1：

分析流量和公平性約束問題。具體可分為流量約束和公平性約束。

流量約束：一個節點若不是源節點或目的節點，在這一節點處的流量的流入量和流出量相等。根據此原則建立流量約束模型。

公平性約束：對任何的鏈路e來說，它為了保證用戶的服務質量，節點需要滿足用戶對流量的要求。所以

(2)步驟2：

根據幹擾約束建立模型。當節點u發送信號給節點v時，節點v處的接收信號的信幹比sinr應大於滿足接收端成功接收信號的sinr的最低值。

(3)步驟3：

由以上步驟可解出xε,k。在滿足xε,k的前提下，設計子信道分配算法，對電力線網絡進行信道分配。

圖4為不同流量公平因子λ0下的子信道的平均流量變化情況圖。從圖中可以明顯看出，公平因子對平均流量有很大的限制作用。與單純的tdma和moo算法相比，可以看出plc子信道最優算法在λ0變化的全過程裡都具有很大的優勢。圖5為不同機制分配策略下，滿足要求的用戶數量隨著流量變化因子變化的折線圖。滿足服務要求的用戶的數量也可以反映出服務的質量，所有的方法中，csma/ca的方法下的用戶的服務情況是最糟的，tdma和moo的其次，本專利提出的子信道分配算法最好。總之，仿真結果表明電力線網絡子信道分配算法可以提供比傳統算法均衡的用戶公平和更高的系統總流量。