多業(yè)務(wù)電力線通信OFDM系統(tǒng)下行資源分配

摘要：本文在探討了單用戶OFDM電力線資源分配的基礎(chǔ)上，提出了一種多業(yè)務(wù)多用戶在電力線信道動(dòng)態(tài)OFDM系統(tǒng)資源分配方案。在功率受限條件下最大化系統(tǒng)速率。同時(shí)滿足不同業(yè)務(wù)用戶最低速率要求。

關(guān)鍵詞：OFDM 資源分配 電力線通信

0 引言

電力線通信技術(shù)是指利用電力線傳輸數(shù)據(jù)和媒體信號(hào)的一種通信方式。該技術(shù)是把載有信息的高頻加載于電流然后用電線傳輸接受信息的適配器再把高頻從電流中分離出來(lái)并傳送到計(jì)算機(jī)或電話以實(shí)現(xiàn)信息傳遞。

OFDM的英文全稱為Orthogonal Fre-quency Division Multiplexing，中文含義為正交頻分復(fù)用技術(shù)。 這種技術(shù)是HPA聯(lián)盟（HomePlug Powerline Alliance）工業(yè)規(guī)范的基礎(chǔ)，它采用一種不連續(xù)的多音調(diào)技術(shù)，將被稱為載波的不同頻率中的大量信號(hào)合并成單一的信號(hào)，從而完成信號(hào)傳送。由于這種技術(shù)具有在雜波干擾下傳送信號(hào)的能力，因此常常會(huì)被利用在容易受外界干擾或者抵抗外界干擾能力較差的傳輸介質(zhì)中。這種獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)可以應(yīng)用于電力通信。

1 多業(yè)務(wù)多用戶資源分配模型

從系統(tǒng)內(nèi)用戶數(shù)角度，可將電力系統(tǒng)資源分配劃分成單用戶和多用戶系統(tǒng)。單用戶系統(tǒng)中所有子載波都?xì)w一個(gè)用戶使用，資源分配相對(duì)簡(jiǎn)便。由于各個(gè)子載波衰落同，導(dǎo)致不同的載波所發(fā)送的比特不同。在發(fā)射端總功率一定的條件下，以最大化總發(fā)送比特為目標(biāo)，優(yōu)化比特分配和功率分配就變得尤為重要。上述可用數(shù)學(xué)形式表示如下式（1）所示：

max■r■，s.t.■ξ■=Pt （1）

式中r■表示第i子載波所傳輸?shù)谋忍?，ξ■表示第i子載波分配的功率，N表示系統(tǒng)內(nèi)總的子載波數(shù)，Pt為發(fā)送端總功率。

在單用戶系統(tǒng)中，在總發(fā)送比特一定的條件下，以最小化總發(fā)送功率為目標(biāo)，優(yōu)化功率分配就變得非常必要。上述也可用數(shù)學(xué)形式表示如下式（2）所示：

min■ξ■，s.t.■r■=R （2）

式中各個(gè)變量同式（1），其中R是發(fā)送端總的發(fā)送比特。

在對(duì)單用戶的研究基礎(chǔ)上，學(xué)者們主要針對(duì)多用戶資源分配的探討研究。設(shè)系統(tǒng)內(nèi)有N個(gè)子載波K個(gè)用戶，若子載波n分配給用戶k，則可傳輸?shù)谋忍赜胷k，n表示，所對(duì)應(yīng)的功率用ξk，n表示。由于同一個(gè)子載波分配給不同用戶衰落不同，致使同一載波分配給不同的用戶可傳輸?shù)谋忍夭煌?。子載波在某個(gè)用戶上衰落嚴(yán)重甚至無(wú)法傳輸信息，但是在其他用戶上也許還可以傳輸更多的信息，因此，相比單用戶系統(tǒng)，多用戶系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)容量，獲得很高的多用戶分集。本文應(yīng)用摩爾變量子載波的分配情況，如果載波n分配給k用戶，用Ck，n=1表示，令載波n未分配給k用戶，用Ck，n=0，即子載波不被多個(gè)用戶共享。上述可以用優(yōu)化形式如下：

max■■r■ （3）

S，t.■■ξk，n=P （4）

■C■=1 （5）

■■C■=N （6）

如果載波n分配給k用戶，則可以傳送的比特?cái)?shù)：

r■=■log■（1+ξ■g■Γ）■ （7）

上式中■為向下去整，g■為單位功率載噪比（carrier noise rate，CNR），

g■=H2k，n/σ2 （8）

Hk，n表示載波n分配給k用戶的信道傳輸函數(shù)。信道噪聲功率我們記為σ2。

信道理論極限速率減去信道理論實(shí)際速率的差值記為Γ。假設(shè)所有子載波誤碼率是一樣的，且其調(diào)制方式為正交幅度調(diào)制，那么我們可以認(rèn)為各子載波的信噪比差額Γ是大致相同的，且有

Γ=■Q■（P■4）■ （9）

式中，P■為誤碼率，Q■（x）為錯(cuò)誤概率Q函數(shù)的逆函數(shù)，Q函數(shù)為

Q（x）=■■e■dy （10）

2 多業(yè)務(wù)資源分配算法

以往文獻(xiàn)僅是將用戶從單用戶變成多用戶，只是數(shù)量上增加，業(yè)務(wù)種類沒有發(fā)生變化。本文在前人的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合電力通信的多媒體業(yè)務(wù)，將多用戶分為兩類：語(yǔ)音用戶和數(shù)據(jù)用戶。語(yǔ)音用戶最低速率要求低，但其誤碼率要求高；相比語(yǔ)音用戶，數(shù)據(jù)用戶，最低速率要求高，但其誤碼率要求相對(duì)較低。所以本文從這個(gè)角度將多用戶分為兩類。另外，本文將兩類用戶進(jìn)行優(yōu)先級(jí)的分類，暫定1為語(yǔ)音用戶的優(yōu)先級(jí)，而2是數(shù)據(jù)用戶的優(yōu)先級(jí)。

下面對(duì)本文的算法進(jìn)行詳細(xì)推導(dǎo)：

2.1 等分基站的總功率，ξk，n=P/N。

這樣可以方便快捷地計(jì)算出每個(gè)用戶在每個(gè)子載波上所能發(fā)送的比特?cái)?shù)：

r■=■log■（1+ξ■g■Γ）■ （11）

其中，ξ■、g■、Γ的含義同上一章相同，不在贅述。

2.2 首先根據(jù)式（11）對(duì)語(yǔ)音用戶分配比特和子載波。那么n*為它的子載波，把其分配給語(yǔ)音用戶，直到它的速率符合要求為止。

n*=argmaxr■ （k=1，2，…K，n=1，2，…N） （12）

如果第n個(gè)子載波已經(jīng)分配給了第k個(gè)用戶，令Ck，n=1，否則，Ck，n=0。同時(shí)根據(jù)式（11）也確定了在子載波n*上的比特?cái)?shù)。

2.3 假如存在多個(gè)語(yǔ)音用戶，那么對(duì)步驟進(jìn)行重復(fù)，直到全部的語(yǔ)音用戶的速率符合要求為止。

2.4 把剩余的Ck，n=0的子載波分配給優(yōu)先級(jí)別為2的數(shù)據(jù)用戶k*：

k*=argmaxr■（k=1，2，…K） （13）

如果第n個(gè)子載波已經(jīng)分配給了第k個(gè)用戶，令Ck，n=1，否則，Ck，n=0。

2.5 由于信道的隨機(jī)性，可能出現(xiàn)有些用戶間對(duì)于速率的不公平。我們將高于最小數(shù)據(jù)速率要求的用戶的子載波進(jìn)行重新的分配，分配的對(duì)象為最小速率還沒有達(dá)到要求的用戶。為了簡(jiǎn)便計(jì)算，把■r■Ck，n

ek'，n'=■ （14）

也就是說(shuō)，把子載波n'*重新分配給用戶 k'

n'*=argminek'，n' （15）

3 算法仿真及分析

在電力線通信的環(huán)境下驗(yàn)證該算法的正確性及合理性，我們假設(shè)有8個(gè)用戶數(shù)，其中數(shù)據(jù)用戶及語(yǔ)音用戶各一半。設(shè)置有128個(gè)子載波，其頻帶為0～20 MHz，語(yǔ)音用戶誤碼率為10-6，最低速率要求64bits/symbol，噪聲是色噪聲，數(shù)據(jù)用戶誤碼率為10-4，最低速率要求為128bits/symbol。系統(tǒng)總發(fā)射功率上限為10 mW?？梢园l(fā)現(xiàn)，僅為優(yōu)先級(jí)高的用。

戶分配后語(yǔ)音用戶的最低速率已經(jīng)滿足，在以提高容量為目標(biāo)的前提又為所有用戶分配，數(shù)據(jù)用戶7最低速率要求沒有達(dá)到要求，經(jīng)過(guò)調(diào)整后用戶7的最低速率要求達(dá)到滿足，但用戶8有所降低。從系統(tǒng)總傳輸速率看，經(jīng)過(guò)調(diào)整速率略微有所降低，降低幅度幾乎可以忽略不計(jì)。

為進(jìn)行對(duì)比，本文將單業(yè)務(wù)多用戶也進(jìn)行了仿真，設(shè)其所有用戶的誤碼率要求為10-4，而且沒有最低速率限制。子載波每次都選擇傳輸速率最大的用戶，這樣可以充分提高系統(tǒng)整體傳輸速率。

4 結(jié)論

隨著電力通信的發(fā)展，用戶對(duì)多業(yè)務(wù)需求更加迫切。正是基于此，本文將業(yè)務(wù)擴(kuò)展為兩種業(yè)務(wù)同時(shí)共存于同一系統(tǒng)，分為語(yǔ)音用戶和數(shù)據(jù)用戶；同時(shí)將業(yè)務(wù)按優(yōu)先級(jí)來(lái)分，資源分配過(guò)程中首先滿足優(yōu)先級(jí)高的語(yǔ)音用戶，只有語(yǔ)音用戶完全滿足最低要求后，再為優(yōu)先級(jí)低的數(shù)據(jù)用戶分配資源。在典型電力線通信環(huán)境下仿真了本文所提算法。得到很好的效果。

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