基于公平因子的寬帶電力線OFDM系統(tǒng)跨層資源分配

段瑞超，翟 峰，陸 俊，龔鋼軍

(1．華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206；2．中國電力科學(xué)研究院，北京 100192)

基于公平因子的寬帶電力線OFDM系統(tǒng)跨層資源分配

段瑞超1，翟 峰2，陸 俊1，龔鋼軍1

(1．華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206；2．中國電力科學(xué)研究院，北京 100192)

針對寬帶電力線通信OFDM系統(tǒng)的資源優(yōu)化分配問題，在分析低壓寬帶電力線通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，建立資源不足且存在多種實(shí)際約束下多業(yè)務(wù)多用戶在多子載波上的資源分配模型，提出一種基于公平因子及用戶緊急度的跨層資源分配算法，在保證RT用戶最小速率及NRT用戶間公平性的同時最大化系統(tǒng)吞吐量。典型電力線信道環(huán)境下的仿真結(jié)果表明，算法在滿足資源分配模型優(yōu)化目標(biāo)下性能更優(yōu)。

寬帶電力線通信；OFDM；跨層；資源分配；公平性

0 引 言

因具有分布廣、無需重新布線、通信能源一體化等優(yōu)勢，寬帶電力線通信(broadband power line communication,BPLC)已成為寬帶接入的可選技術(shù)之一[1]。但電力線信道具有噪聲大、阻抗變化大、多徑衰落明顯等特點(diǎn)[2]，不適合承載高速可靠的數(shù)據(jù)通信。正交頻分復(fù)用(orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)技術(shù)具有抗干擾能力強(qiáng)、頻譜利用率高等優(yōu)勢[3]，可構(gòu)建寬帶電力線通信OFDM系統(tǒng)，有效改善頻率選擇性衰落及多徑效應(yīng)對高速電力線通信的影響，提高用戶服務(wù)質(zhì)量(quality of service,QoS)。

隨著用戶需求的日益增長，如何高效地利用有限的系統(tǒng)資源成為熱點(diǎn)話題。目前，國內(nèi)外專家學(xué)者提出了多種多用戶資源分配算法。文獻(xiàn)[4]提出了一種功率譜限制下的比特交換算法，但僅考慮了物理信道資源的優(yōu)化分配，而未關(guān)注業(yè)務(wù)QoS需求、實(shí)時信道狀態(tài)。文獻(xiàn)[5]提出的最大載干比(Max C/I)算法是一種速率自適應(yīng)算法，將子載波分配給信道條件最好的用戶來最大化系統(tǒng)吞吐量，其在無約束下是最優(yōu)的。但沒有考慮業(yè)務(wù)的最小速率要求及用戶間公平性。文獻(xiàn)[6]提出了一種基于效用最大最小(utility max-min,UMM)公平性的資源分配算法，兼顧了帶寬利用率和效用公平性，但未考慮混合業(yè)務(wù)、多子載波下的優(yōu)化分配。

本文針對寬帶電力線通信OFDM系統(tǒng)混合業(yè)務(wù)下多用戶的快速公平接入問題，在分析低壓配電網(wǎng)BPLC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，建立資源不足且存在多種實(shí)際約束下的跨層資源分配模型，提出一種基于公平因子和用戶緊急度的跨層資源分配算法。仿真結(jié)果表明本文算法能夠滿足資源優(yōu)化分配的目標(biāo)要求，提高了資源利用效率且系統(tǒng)性能較優(yōu)。

1 BPLC系統(tǒng)資源分配模型

1.1 低壓BPLC系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖1所示為低壓配電網(wǎng)BPLC系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[7]。圖中，局端交換中心向上通過WAN接入點(diǎn)與Internet相連，向下通過電力線在低壓側(cè)與各PLC網(wǎng)關(guān)相連，PLC網(wǎng)關(guān)連接各PLC設(shè)備。在系統(tǒng)中傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流通過耦合電路加載到低壓電力線上。同一PLC網(wǎng)關(guān)下各PLC設(shè)備間的通信需要經(jīng)過共享的網(wǎng)關(guān)來實(shí)現(xiàn)，不同網(wǎng)關(guān)下各PLC設(shè)備間的通信需要經(jīng)過共享的基站或局端交換中心來實(shí)現(xiàn)。

圖1 低壓BPLC系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

BPLC系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃存在資源分配問題[1]，包括同一局端交換中心下各PLC網(wǎng)關(guān)間的資源優(yōu)化分配及同一PLC網(wǎng)關(guān)內(nèi)各PLC設(shè)備間的資源優(yōu)化分配。資源分配時，充分利用電力線信道的時變特性及衰落變化特性，可避免深度衰落對高速數(shù)據(jù)通信的影響，有效提高系統(tǒng)的吞吐量及資源利用率。

1.2 跨層資源分配模型

對于資源受限的寬帶電力線通信OFDM系統(tǒng)而言，其資源分配是在多種實(shí)際約束下，多業(yè)務(wù)的多用戶在多個子載波上的自適應(yīng)優(yōu)化分配。

本文提出的跨層資源分配算法以最大化系統(tǒng)總吞吐量為優(yōu)化目標(biāo)，在系統(tǒng)總資源不足且存在多種實(shí)際約束下，每時隙內(nèi)優(yōu)先滿足各RT用戶的最小速率要求；在保證用戶間公平性的基礎(chǔ)上將系統(tǒng)剩余資源分配給NRT用戶，充分挖掘多用戶分集增益，使其總比特數(shù)盡可能地增大。資源分配模型如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

上述模型中，式(1)為本文算法的優(yōu)化目標(biāo)，即系統(tǒng)總吞吐量最大；式(2)～式(9)為多種實(shí)際約束條件。其中，式(2)為系統(tǒng)總功率限制；式(3)為用戶獨(dú)享子載波約束[9]，為減小用戶間干擾、提高效率，本文規(guī)定每個子載波最多只能分配給一個用戶；式(4)為子載波功率上限約束；式(5)為子載波可加載比特上限約束；式(6)為比特數(shù)在一定范圍內(nèi)取整約束，即各子載波分配的比特數(shù)應(yīng)取[0，rmax]范圍內(nèi)的非負(fù)整數(shù)[10]；式(7)為系統(tǒng)總資源不足約束，即系統(tǒng)的最大吞吐量小于所有用戶業(yè)務(wù)QoS要求的最小速率之和；式(8)為RT用戶最小傳輸速率約束，即資源分配后各RT用戶需達(dá)到業(yè)務(wù)QoS要求的最小傳輸速率；式(9)為NRT用戶間公平約束，即在為NRT用戶分配系統(tǒng)剩余資源的過程中盡量保證用戶間公平性，使資源分配后各用戶的傳輸速率近似相等，從而避免個別用戶占用大量系統(tǒng)資源的情況。本文算法優(yōu)化了NRT業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分組的公平性調(diào)度，保證了系統(tǒng)資源不足下的用戶間公平性。

2 基于公平性的跨層資源分配算法

式(1)～(9)所描述的跨層資源分配模型是一個多目標(biāo)混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題，其特點(diǎn)使得在目標(biāo)尋優(yōu)過程中的計算復(fù)雜度較大。針對上述問題，本文提出了一種優(yōu)化的跨層資源分配算法，其通過引入公平因子并結(jié)合用戶緊急度來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源的優(yōu)化分配?？鐚淤Y源分配算法步驟如下：

Step1：定義用戶的公平因子

定義用戶k的公平因子F為其當(dāng)前速率Rk與業(yè)務(wù)QoS需求速率Rk，QoS的比值，即

(10)

Step2：確定各用戶的緊急度

當(dāng)用戶k的速率不滿足業(yè)務(wù)QoS需求時，其F小于1，故應(yīng)以除的方式將公平因子引入用戶緊急度函數(shù)中，以使該用戶的緊急度增大。

首先，判斷到來數(shù)據(jù)分組的業(yè)務(wù)類型。若為RT業(yè)務(wù)，則其緊急度函數(shù)定義為

(11)

式中：Dk,max為用戶k業(yè)務(wù)QoS要求的時延上限，Dk,Cur為用戶k隊列數(shù)據(jù)包已等待時間。

若為NRT業(yè)務(wù)，則其緊急度函數(shù)定義為

(12)

式中：Qmax為用戶隊列最大緩沖數(shù)據(jù)包數(shù)；Qk為用戶k當(dāng)前隊列中緩沖的數(shù)據(jù)包數(shù)；β為協(xié)調(diào)因子(0<β<1)。

將某時刻用戶k的時延、隊列長度及公平因子的值帶入相應(yīng)緊急度函數(shù)中，即可得到用戶k的緊急度ηk。

Step3：確定各用戶的調(diào)度順序

設(shè)定合適的閾值，通過式(13)由緊急度判斷用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包的緊急性，并將用戶調(diào)度優(yōu)先級劃分為高優(yōu)先級和普通兩個等級[11]。

(13)

式中：ηk為用戶k的緊急度，ηc為劃分等級閾值，其可依據(jù)用戶業(yè)務(wù)QoS要求(如用戶吞吐量或公平性期望值)加以設(shè)定。

再根據(jù)調(diào)度優(yōu)先級與用戶緊急度最終確定各用戶的調(diào)度順序。其原則為：不同調(diào)度優(yōu)先級間的用戶，其調(diào)度順序由優(yōu)先級高低確定，優(yōu)先調(diào)度優(yōu)先級高的用戶；相同調(diào)度優(yōu)先級下，優(yōu)先調(diào)度緊急度較大的用戶。

上述調(diào)度原則的實(shí)質(zhì)為始終調(diào)度緊急度高的用戶，其好處在于有效避免了個別用戶占用大量系統(tǒng)資源，保證了用戶間的公平性調(diào)度。

Step4：QoS滿足程度判決

定義QoS滿意度因子gama來表征某業(yè)務(wù)下用戶k的速率滿足業(yè)務(wù)QoS需求的程度，如下式所示：

gama=1-F

(14)

式中：F為用戶k的公平因子。gama>0說明該用戶的傳輸速率未滿足業(yè)務(wù)QoS要求，轉(zhuǎn)Step5繼續(xù)完成MAC層調(diào)度操作。gama≤0說明該用戶的傳輸速率已達(dá)到或超過了業(yè)務(wù)QoS需求速率，轉(zhuǎn)Step6進(jìn)行PHY層信道資源分配。

Step5：確定用戶需要發(fā)送的數(shù)據(jù)分組數(shù)

為了達(dá)到業(yè)務(wù)QoS需求速率，用戶k仍需要發(fā)送的數(shù)據(jù)分組數(shù)Nk如下式所示：

Nk=Rk，QoS×gama

(15)

式中：Rk，QoS為用戶k業(yè)務(wù)QoS需求速率。

值得說明的是，Step1～Step5屬于MAC層調(diào)度操作，其最終確定了各用戶的調(diào)度順序及需要發(fā)送的數(shù)據(jù)分組數(shù)。

Step6：根據(jù)MAC層調(diào)度結(jié)果進(jìn)行PHY層信道資源的優(yōu)化分配

由于在信噪比較高的情況下采用等功率資源分配方法可降低功率損失及計算復(fù)雜度。因此，本文算法在PHY層采用等功率資源分配方法，結(jié)合MAC層調(diào)度結(jié)果對子載波、功率等物理信道資源進(jìn)行優(yōu)化分配，使達(dá)到資源分配模型所述目標(biāo)要求。

3 算法仿真與分析

3.1 仿真環(huán)境

在典型電力線信道環(huán)境下，應(yīng)用Matlab軟件對文章提出的跨層資源分配算法進(jìn)行仿真分析。仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

3.2 系統(tǒng)性能仿真分析

3.2.1 系統(tǒng)整體性能對比分析

由表2可以看出，本文算法的總吞吐量最大，且使用的總功率最小，可見本文算法在整體性能上要優(yōu)于對比算法。而且，本文算法下，發(fā)送1bit數(shù)據(jù)使用的功率僅為6.39mW，是3種算法中最小的，充分體現(xiàn)了本文提出的跨層資源分配算法有效地提高了資源受限系統(tǒng)的資源利用效率。

表2 各算法資源分配結(jié)果對比

3.2.2 吞吐量性能對比分析

圖2表示了不同算法下各用戶的平均吞吐量。可見，對比算法1中個別用戶的吞吐量較高，而其他用戶的吞吐量卻嚴(yán)重不滿足業(yè)務(wù)QoS要求。這是由于其將信道質(zhì)量較優(yōu)的子載波分配給了個別用戶(如用戶1、3)，造成了資源的浪費(fèi)。上述現(xiàn)象在對比算法2中更加明顯，RT用戶的吞吐量均較業(yè)務(wù)QoS要求速率大很多，而NRT用戶的吞吐量卻極低，說明對比算法未關(guān)注用戶間公平性，且資源利用率較低。本文算法下，RT用戶的吞吐量均為96kbit/s，滿足RT業(yè)務(wù)最小速率要求，NRT用戶的吞吐量分別為[30.62, 29.96]kbit/s，與其業(yè)務(wù)QoS需求速率的比值分別為0.638和0.624，相差很小且高于對比算法，說明本文算法有效地保證了用戶間公平性，達(dá)到了系統(tǒng)資源優(yōu)化分配的目的。

圖2 用戶平均吞吐量對比

3.2.3 延遲性能對比分析

圖3表示了不同算法下各用戶的平均延遲?？梢?，各算法下RT用戶的平均延遲均較低，且滿足RT業(yè)務(wù)延遲小于2ms的要求。而對比算法中，個別用戶(如用戶1及對比算法1中的用戶3)由于得到了大量優(yōu)秀的系統(tǒng)資源，故其延遲較本文算法低，但其他用戶(尤其是NRT用戶)的延遲卻很高，其是由缺乏有效的系統(tǒng)資源、用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包長時間在隊列中等待調(diào)度導(dǎo)致的，進(jìn)一步說明了對比算法未能保證用戶間公平性及業(yè)務(wù)QoS。而本文算法下，由于系統(tǒng)剩余資源不足，NRT用戶的平均延遲有小幅度增加，分別為[1.667, 2.056]ms?？梢?，本文算法下，雖然用戶1的延遲較大，但整體延遲性能較優(yōu)。

圖3 用戶平均延遲對比

3.2.4 NRT用戶公平因子對比分析

圖4表示了本文算法下NRT用戶30～60ms內(nèi)公平因子的值?？梢姡粼谀硶r刻，用戶3的公平因子較大，則在下一時刻減小，而用戶4的公平因子增加，二者交替增減，說明本文算法考慮了NRT用戶間公平性。而且，用戶3、4的公平因子均在一定范圍內(nèi)波動，且均值近似相等，分別為0.608與0.629，充分表明本文算法保證了用戶(尤其是NRT用戶)間公平性，有效避免了個別用戶占用大量優(yōu)秀的系統(tǒng)資源而其他用戶卻完全得不到調(diào)度的情況。

圖4 本文算法下NRT用戶公平因子對比

3.2.5 計算復(fù)雜度對比分析

本文算法綜合考慮了用戶傳輸速率、時延、使用功率等多方面因素，在此基礎(chǔ)上增加了公平因子F的計算并引入用戶緊急度函數(shù)中，同時增加了QoS滿足程度判決，提出了一種優(yōu)化的跨層資源分配調(diào)度策略，保證了有限系統(tǒng)資源的公平性分配。故本文算法的計算復(fù)雜度較高于對比算法，但仿真結(jié)果表明系統(tǒng)各方面性能均較優(yōu)，且考慮了用戶間公平性，達(dá)到了資源優(yōu)化分配的目標(biāo)要求。

綜上所述，本文算法在優(yōu)先滿足RT業(yè)務(wù)最小速率要求下，盡量提高NRT用戶吞吐量并保證用戶間公平性，系統(tǒng)總吞吐量較高，使用功率較少，且系統(tǒng)延遲性能較優(yōu)。可見，文章通過采用優(yōu)化的調(diào)度策略，有效地提高了資源利用效率。

4 結(jié)束語

文章首先分析了低壓配電網(wǎng)BPLC系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，建立了資源不足且存在多種實(shí)際約束條件下多業(yè)務(wù)的多用戶在多子載波上的跨層資源分配模型；提出了一種基于公平因子和用戶緊急度的跨層資源分配算法，仿真結(jié)果表明算法高效地利用了有限的系統(tǒng)資源。

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(責(zé)任編輯：楊秋霞)

Cross-layer Resource Allocation for Broadband Power LineOFDM System Based on Fairness Factor

DUAN Ruichao1，ZHAI Feng2，LU Jun1，GONG Gangjun1

(1.School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China; 2.China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China)

For the optimal resources allocation of broadband power line communication OFDM system, the network structure of low-voltage broadband power line communication system is analyzed in this paper, based on which the resources allocation model of multiple sub-carriers for multi-users and multi-services is built under such cases as lack resources and many application constraints, and a cross-layer resource allocation algorithm based on fairness factor and user emergency is proposed to maximize system throughput by both meeting the minimum rate demand of RT business and ensuring fairness among NRT users. The simulation is implemented in a typical power line channel environment, and results show that proposed algorithm has better performance with the target of satisfying resource allocation model.

broadband power line communication, OFDM, cross-layer, resource allocation, fairness

1007-2322(2015)04-0079-06

A

TM734

2014-09-15

段瑞超(1989—)，男，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)通信及其資源分配，E-mail:duanrc501@163.com；

翟 峰(1979—)，男，工程師，研究方向為電力系統(tǒng)通信與電力計量，E-mail:zhaifeng@epri.sgcc.com.cn；

陸 俊(1976—)，男，副教授，研究方向為電力系統(tǒng)通信與資源分配，E-mail:lujun@ncepu.edu.cn；

龔鋼軍(1974—)，男，副教授，研究方向為電力系統(tǒng)通信與資源分配，E-mail：gonggangjun@126.com。