面向多載荷鏈路通信的自適應(yīng)調(diào)度算法研究?

陳家璘 周 正 馮偉東 賀 易 李靜茹 趙世文

（1.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司信息通信公司 武漢 430077）（2.南京南瑞信息通信科技有限公司 南京 210000）

1 引言

在通信系統(tǒng)中，其根據(jù)不同的通信業(yè)務(wù)（比如傳輸中的信息種類）類型包含有電話通信、電報(bào)通信、傳真、數(shù)據(jù)通信、網(wǎng)絡(luò)通信、無(wú)線通信等［1～3］。通常將信號(hào)分為模擬信號(hào)和數(shù)字信息，模擬信號(hào)在時(shí)間上呈連續(xù)變化狀態(tài)，數(shù)字信號(hào)在時(shí)間上呈離散變化狀態(tài)。通過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元（D/A轉(zhuǎn)換單元）能夠?qū)⒛M信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，通過(guò)數(shù)/模轉(zhuǎn)換單元（A/D轉(zhuǎn)換單元）能夠?qū)?shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，其通常包含采樣、量化和編碼的過(guò)程［4～6］。通過(guò)這種方式實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)以及從數(shù)字信號(hào)到模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)變，隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，通信網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)綜復(fù)雜［7～10］，各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)互相交叉，通信系統(tǒng)在工作時(shí)，通常都存在噪聲干擾等異常事件，干擾信號(hào)比如溫度、振動(dòng)、電網(wǎng)故障、負(fù)荷、濕度、諧波、磁場(chǎng)、電網(wǎng)紋波等［11～13］。如果這信號(hào)的噪聲比較大，則意味著干擾信息較多。干擾信息的增加會(huì)影響信息傳遞的失真，使用戶無(wú)法獲取原始數(shù)據(jù)，影響作出正確判斷，造成決策失誤［14～15］。

因此，本文引出一種自適應(yīng)調(diào)度算法，該算法是一種比較靈活、有效的調(diào)度策略，能夠在多載荷鏈路通信中與動(dòng)態(tài)的環(huán)境相適應(yīng)，同時(shí)與人工設(shè)定的各種工作方式實(shí)施的優(yōu)先級(jí)、工作時(shí)間、通信鏈路中的能量以及應(yīng)用的計(jì)算機(jī)資源量相適應(yīng)，從而大大改善了鏈路通信的質(zhì)量。

2 多載荷鏈路通信的模型

在多載荷鏈路通信中，存在多種通信源，容易出現(xiàn)多種數(shù)據(jù)互相交織、合路、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)管理，本文應(yīng)用自適應(yīng)調(diào)度算法實(shí)現(xiàn)多載荷鏈路通信的平衡，其架構(gòu)示意圖如圖1所示。多載荷鏈路是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的中通信鏈路，在通信中，多種載荷鏈路通過(guò)信源將信號(hào)輸出至通信系統(tǒng)，通信系統(tǒng)將輸入的信號(hào)輸出至信息處理系統(tǒng)，在信息處理系統(tǒng)處，通過(guò)自適應(yīng)調(diào)度算法模型可將輸出信號(hào)輸出至監(jiān)控中心，用戶可識(shí)別、使用。

圖1 自適應(yīng)調(diào)度算法體系構(gòu)架圖

在上述系統(tǒng)中，無(wú)線鏈路能夠?qū)?lái)自模擬信源的信息經(jīng)過(guò)模擬無(wú)線傳輸信道傳到模擬信宿，并將模擬信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，從而增加鏈路信息傳輸?shù)目煽啃?，例如?duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行語(yǔ)音編碼。在通信系統(tǒng)中，尤其是在數(shù)字通信系統(tǒng)中，如圖2所示，比如采用諸如數(shù)字發(fā)射機(jī)、數(shù)字接收機(jī)和模擬傳輸信道的無(wú)線鏈路的數(shù)字通信系統(tǒng)中，信源將模擬信號(hào)輸出至A/D轉(zhuǎn)換模塊，然后數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)可輸入至信源編碼器，然后借助于信源編碼器，基于信源的先驗(yàn)信息，來(lái)進(jìn)一步減小信源信號(hào)的冗余度，從而減少待傳輸?shù)男旁磾?shù)據(jù)的量。通過(guò)增加冗余信息來(lái)保護(hù)數(shù)據(jù)，進(jìn)而減小傳輸錯(cuò)誤的影響。其中信令是一種控制信息，其主要作用是建立、終止連接、與爭(zhēng)取用戶聯(lián)系信息、同步等。通常采用糾錯(cuò)碼來(lái)嚴(yán)格保護(hù)信令信息［16］，借助于多路復(fù)用器來(lái)合并用戶的數(shù)據(jù)和信令信息。在上述系統(tǒng)中，基帶調(diào)制器將總數(shù)據(jù)比特對(duì)輸出到基帶的復(fù)發(fā)送符號(hào)進(jìn)行分配。從而確定頻譜性質(zhì)、符號(hào)間干擾、峰均比和發(fā)送信號(hào)等其他性質(zhì)?；鶐д{(diào)制器的輸出信息以過(guò)采樣形式提供關(guān)于時(shí)間和幅度以離散方式發(fā)送的信號(hào)。其中，過(guò)采樣信息和量化技術(shù)決定了混疊和量化的噪聲和信號(hào)干擾。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有較高的分辨率，并且基帶調(diào)制器輸出端的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于輸入端的數(shù)據(jù)率。

圖2 無(wú)線鏈路示意圖

3 自適應(yīng)調(diào)度算法

假設(shè)鏈路通信系統(tǒng)的發(fā)射天線的個(gè)數(shù)為MT，天線接收的個(gè)數(shù)為MR，在進(jìn)行信息轉(zhuǎn)遞時(shí)，通過(guò)發(fā)射天線發(fā)射信號(hào)，由接收天線接收信號(hào)，則在發(fā)射天線與接收天線之間的子信道有MT*MR個(gè)，假設(shè)鏈路通信系統(tǒng)用矩陣D表示，則：

其中，D表示接收天線所接收到的信號(hào)組成的列矢量。將該矢量用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為

在式（1）中，H表示組成鏈路通信系統(tǒng)信道信息的列矢量，用公式表示為

在式（1）中，x表示發(fā)射端的天線發(fā)出的信號(hào)組成的列矢量，用公式表示為

在式（1）中，n表示MR*1的列矩陣表示的加性高斯白噪聲。

當(dāng)評(píng)估第i個(gè)發(fā)射天線發(fā)射信號(hào)的估計(jì)值時(shí)，用以下公式表示：

在下列公式中：

通過(guò)式（7），可以計(jì)算出發(fā)射端信息發(fā)射出的時(shí)間，由于存在噪聲的列矢量的表達(dá)式。在評(píng)估時(shí)，由于估計(jì)值受到MR個(gè)接收信號(hào)的天線的加性噪聲的影響相同，假設(shè)平均功率為N0，則第i個(gè)發(fā)射信號(hào)的天線的信噪比SNRi為

其中，Pi是第i個(gè)發(fā)射天線的信號(hào)平均功率。

基于上述公式，在進(jìn)行自適應(yīng)計(jì)算時(shí)，按照以下步驟進(jìn)行：

1）系統(tǒng)開(kāi)機(jī)；

2）對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行初始化，各個(gè)節(jié)點(diǎn)獲得接收天線和發(fā)射天線的信息節(jié)點(diǎn)；

3）輸出信道矩陣的計(jì)算公式，根據(jù)接收天線信道和發(fā)射天線信道個(gè)數(shù)和種類計(jì)算信道矩陣；

4）計(jì)算出發(fā)射天線輸出的信噪比，在該步驟中，利用式（8）和（9）進(jìn)行計(jì)算；

5）功率分配，然后分配功率，并選擇編碼方式，并且不斷根據(jù)變化的CSI重復(fù)上述過(guò)程，直到使系統(tǒng)的資源得到有效地利用為止。

圖3 自適應(yīng)調(diào)度算法流程圖

在選擇編碼調(diào)制方式并進(jìn)行功率分配時(shí)，對(duì)通信鏈路進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，在傳輸信道上，首先接收待功率分配的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行檢錯(cuò)編碼、糾錯(cuò)編碼操作，再進(jìn)行自適應(yīng)子信道的比特、功率分配。在進(jìn)行擴(kuò)頻。由于不同的調(diào)制方式，其傳輸方式和速率不同，在相同誤碼率性能要求的前提下，所需要的發(fā)射功率不相同［17］。因此，自適應(yīng)調(diào)制需要根據(jù)信道的時(shí)間、頻率和空間等來(lái)選擇不同的特性，然后將時(shí)、頻、空域劃分成多個(gè)子信道，再根據(jù)不同信道的條件的差異，為其各個(gè)信道分配不同數(shù)目的比特，然后進(jìn)一步按照不同的調(diào)制方式進(jìn)行映射，如圖4所示。

圖4 自適應(yīng)調(diào)度算法流程圖

4 評(píng)估與分析

通過(guò)上述自適應(yīng)調(diào)度算法，下面對(duì)計(jì)算的性能評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估調(diào)度算法的性能及其有效性的參數(shù)主要包括調(diào)度成功率（Schedule Sccess Ratio，SSR）、時(shí)間利用率（Time Utilization Ratio，TUR）以及平均時(shí)間偏移率（Average Time Shift Ra?tio，ATSR）［18］。下面引入評(píng)價(jià)公式：

調(diào)度成功率（SSR）公式為

在上述公式中，N表示自適應(yīng)調(diào)度通信鏈路的個(gè)數(shù)，Ntotal為對(duì)應(yīng)調(diào)度通信鏈路的總個(gè)數(shù)。該公式用以說(shuō)明不同通信鏈路調(diào)度狀況，以便于評(píng)估調(diào)度算法對(duì)優(yōu)先級(jí)原則的遵循度。通過(guò)仿真，以6條不同的通信信道作為試驗(yàn)，得出曲線圖如圖5所示。

時(shí)間利用率（TUR）公式為

式中：T為總時(shí)間，lti表示調(diào)度成功任務(wù)的駐留時(shí)間長(zhǎng)度。采用此參數(shù)能夠描述調(diào)度算法對(duì)天線通信時(shí)間的利用狀況，并且能夠評(píng)估其對(duì)時(shí)間的利用原則的遵循度。通過(guò)仿真，以6條不同的通信信道作為試驗(yàn)，得出曲線圖如圖6所示。

圖5 SSR曲線圖

圖6 TUR曲線圖

平均時(shí)間偏移率（ATSR）公式為

在上述公式中，N表示調(diào)度成功通信鏈路的個(gè)數(shù)，sti為通信鏈路實(shí)際執(zhí)行的時(shí)刻，dti為通信鏈路信息期望發(fā)射時(shí)刻，wi為通信時(shí)間窗長(zhǎng)度。通過(guò)該技術(shù)指標(biāo)，能夠描述自適應(yīng)任務(wù)實(shí)際執(zhí)行時(shí)刻與期望執(zhí)行時(shí)刻的偏移程度［19］。通過(guò)仿真，以6條不同的通信信道作為試驗(yàn)，得出曲線圖如圖7所示。

圖7 ATSR曲線圖

通過(guò)上述計(jì)算，在35s內(nèi)，調(diào)度成功率（SSR）的平均數(shù)在70%左右，時(shí)間利用率（TUR）的平均數(shù)在72%左右，平均時(shí)間偏移率（ATSR）的平均數(shù)在13%左右，因此，調(diào)度成功率（SSR）、時(shí)間利用率（TUR）的平均數(shù)均超過(guò)了60%，均時(shí)間偏移率（ATSR）的平均數(shù)低于15%，該算法穩(wěn)定性較好。

5 結(jié)語(yǔ)

本文在多載荷鏈路通信中增加自適應(yīng)調(diào)度算法，解決了多載荷鏈路通信中多種數(shù)據(jù)互相交織、合路、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)管理而造成的通信狀態(tài)不佳的問(wèn)題。通過(guò)自適應(yīng)調(diào)度算法平衡實(shí)現(xiàn)多載荷鏈路通信，通過(guò)調(diào)度成功率（Schedule Sccess Ratio，SSR）、時(shí)間利用率（Time Utilization Ratio，TUR）以及平均時(shí)間偏移率等參數(shù)進(jìn)行評(píng)估與分析本文的算法，得出本文設(shè)計(jì)的方案穩(wěn)定性較好，正確率較高，為智能電網(wǎng)的健康、綠色運(yùn)行提供較為有價(jià)值的技術(shù)參考，同時(shí)也具有較好的學(xué)術(shù)研究意義以及工程應(yīng)用價(jià)。