HNPLC多用戶實時動態(tài)頻譜管理

劉雯靜，張素香，王晨輝

(國家電網(wǎng)有限公司信息通信分公司，北京 100761)

0 引 言

近年來，電力線通信以其傳輸介質(zhì)的“泛在”性成為我國泛在電力物聯(lián)網(wǎng)末端感知終端接入的極佳選擇，其中，高速窄帶電力線通信(High-speed Narrowband Power Line Communication，HNPLC)由于其電磁輻射低、占用帶寬窄和傳輸速率契合接入需求等特點[1-2]，得到了工業(yè)和學術界的一致追捧。服務于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的HNPLC本質(zhì)上是多用戶通信問題，但其所處頻段噪聲繁多、情況復雜[3]，因此利用HNPLC多用戶實時動態(tài)頻譜管理(Dynamic Spectrum Management，DSM)提高了HNPLC網(wǎng)絡的傳輸速率與傳輸可靠性，充分發(fā)揮了HNPLC的通信能力[4]，成為保障泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設穩(wěn)步推進的基礎，具有重要的理論與現(xiàn)實意義。

共享電力線信道中的多用戶頻譜管理問題可用匈牙利算法求解[5]，但其計算復雜度高，已有的改進算法又多是面向?qū)掝l帶應用的[6-7]，實現(xiàn)時需要繁瑣的信令信息，資源開銷體量龐大，不符合HNPLC終端接入應用需求。因此，為滿足時變電力線信道中高可靠性的多用戶通信需求，本文給出一種HNPLC多用戶實時DSM機制，該機制使用分組策略和實時選取最優(yōu)調(diào)制方式的方法，有效減少了信令和資源開銷，可滿足實用化需求。

1 HNPLC多用戶實時DSM機制

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)遠程云平臺通過光纖或5G等大容量通信網(wǎng)將指令或數(shù)據(jù)發(fā)送給HNPLC網(wǎng)關，網(wǎng)關與低壓電力線上的集中器直接通信，而感知終端通過集中器實現(xiàn)指令和數(shù)據(jù)信息交互。本文所述HNPLC多用戶實時DSM機制正是面向泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中感知層終端的集中式接入控制應用場景，充分利用有限資源，有效提升了HNPLC的傳輸速率和傳輸可靠性。

1.1 數(shù)學模型

由現(xiàn)代通信原理基礎可知，差分相位調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率e為傳輸功率、信噪比和調(diào)制階數(shù)的函數(shù)：

式中：下標n為正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing， OFDM)系統(tǒng)第n個子載波；pn為子載波n的分配功率；gn為子載波n的單位功率信噪比；Mn,d為調(diào)制階數(shù)，其中d標識調(diào)制方式且系統(tǒng)共有D種調(diào)制方式，即d=1，2，…，D。

令ρn,x為子載波分配系數(shù)，若子載波n分配給用戶x，則ρn,x=1，否則ρn,x=0，則多用戶DSM優(yōu)化問題可表述為[7]

式中：rn,x為子載波n分配給終端節(jié)點x的傳輸速率；pn,x為第n個子載波分配給第x個用戶時的發(fā)射功率；N為總子載波數(shù)；X為總用戶數(shù)；P為發(fā)射功率上限。

1.2 實現(xiàn)方法

本節(jié)將基于已有的HNPLC物理層規(guī)范和實現(xiàn)架構[8-9]，以下行廣播(Broadcast，BC)信道傳輸為例，闡述HNPLC多用戶實時DSM機制。采用將OFDM子載波分組的配置策略，且每次傳輸中各終端節(jié)點實時選取同一種最優(yōu)調(diào)制方式進行傳輸。這種策略兼顧了HNPLC信道慢時變特性，是開銷與性能的良好折中，滿足HNPLC多用戶實時通信的需求。

由差分相位調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率公式可變換得到子載波n的分配功率pn為

(1)Γ值查找表

系統(tǒng)誤碼率一般根據(jù)需求預先設定，代入HNPLC規(guī)范中各系統(tǒng)參數(shù)可計算得到不同調(diào)制方式下的Γd值，將Γd預先計算并存放于查找表中，硬件實現(xiàn)時通過查表方法調(diào)用Γd以節(jié)省計算開銷。

(2) 子載波組功率表

讀取物理層實時測得的集中器與終端節(jié)點x的信道信息，代入式(3)得到各子載波的功率pd,x,n。按A個一組將N個子載波分成I組(N=A×I)，分別計算每個子載波組的總功率：

由此，子載波組功率表如表1所示。

表1 子載波組功率表

(3) 排序及子載波組的選擇

(4) 調(diào)制方式的選擇

設ΔB為相鄰子載波的頻率間隔，則當前信道環(huán)境下調(diào)制方式d的傳輸速率為

取傳輸速率最大的調(diào)制方式argmaxrd為選用的調(diào)制方式。最后，將剩余功率平均分配給選定的子載波，以使系統(tǒng)的誤碼性能達到最優(yōu)，未被選用的子載波功率置零。

2 實驗驗證

結合實時信道估計方法對所提HNPLC多用戶實時DSM機制進行驗證，使用圖1所示的實驗儀器平臺進行線上實驗。其中，使用羅德-施瓦茨的R&S SMU200A矢量信號發(fā)生器模擬集中器，其受控于計算機，用于產(chǎn)生模擬的發(fā)送數(shù)據(jù)幀，通過模擬前端(Analog Front End，AFE)接入實際的電力線環(huán)境中；使用安捷倫DSO8104A數(shù)字示波器對通過電力線信道的數(shù)據(jù)信號進行采集并送回計算機中，數(shù)字示波器的3個接收通道分別模擬3個泛在感知終端；計算機通過網(wǎng)口實現(xiàn)對矢量信號發(fā)生器和數(shù)字示波器的控制與交互，計算機運行程序并調(diào)用相關控制函數(shù)完成幀生成、幀發(fā)送及接收、解調(diào)和分析等任務。同時，電力線中接有各種用電器，產(chǎn)生各類窄帶噪聲及異步/同步?jīng)_擊噪聲。實驗平臺的主要系統(tǒng)參數(shù)如表2所示[8-9]。

圖1 實驗平臺架構圖

表2 實驗平臺的主要系統(tǒng)參數(shù)

圖2所示為工作日上午9:30左右實驗室用電高峰期單次傳輸獲得的實驗結果。圖2(a)為不使用本文所述多用戶DSM的接收數(shù)據(jù)星座圖，其解調(diào)誤碼率高達40%；圖2(b)～(d)為使用了HNPLC多用戶實時DSM機制后各終端節(jié)點的解調(diào)星座圖，且解調(diào)誤碼率為0。顯而易見，本文所述HNPLC多用戶實時DSM機制能有效改善傳輸可靠性，顯著提升誤碼率性能。圖2(e)～(g)為實時估計的集中器與3個終端節(jié)點的實時信道情況，按此時的信道情況，HNPLC多用戶實時DSM機制給出的下次傳輸時子載波和調(diào)制方式的選擇及功率分配情況如圖2(h)所示。實際上，圖2(e)～(h)也同時驗證了DSM的物理意義，即：在確保一定誤碼率的前提下，信道條件越好的子載波所需的發(fā)射功率越小，信道條件太差的頻段/子載波將被棄用。

圖2 實驗室用電高峰時單次傳輸實驗結果圖

基于圖1所示實驗驗證平臺，分別關閉/開啟實時DSM并運行一周時間，記錄接收到的有效數(shù)據(jù)量，并與幀總數(shù)和幀時長作比值，進而測量HNPLC多用戶實時DSM機制使用前后系統(tǒng)的有效平均傳輸速率。這里有效數(shù)據(jù)指正確解調(diào)的FCH和載荷數(shù)據(jù)，不包括前導序列，有效數(shù)據(jù)量達1011數(shù)量級。實驗結果表明，關閉HNPLC多用戶實時DSM機制時，由于誤碼率高，系統(tǒng)的有效平均傳輸速率僅為103 kbit/s，開啟HNPLC多用戶實時DSM機制后速率高達675 kbit/s，提升了558.25%，即：速率是關閉HNPLC多用戶實時DSM機制的傳統(tǒng)方法的5倍多，速率提升效果顯著。

3 結束語

本文設計了一種HNPLC多用戶實時DSM機制，采用將OFDM子載波分組配置且每次傳輸中各終端節(jié)點實時選取同一種最優(yōu)調(diào)制方式的策略，有效確保了傳輸性能，減少了傳輸信令和資源開銷?；趯嶒瀮x器平臺的線上實驗證明，本文所述HNPLC多用戶實時DSM機制能充分利用有限的HNPLC資源顯著提升傳輸可靠性，且系統(tǒng)傳輸速率較傳統(tǒng)方法提升了5倍多，可滿足我國泛在電力物聯(lián)網(wǎng)末端感知接入控制的實用化需求。