一種基于改進(jìn)型THP 編碼的需求響應(yīng)信息傳輸優(yōu)化方法

麻呂斌，郝一浩，薛利，李彬，祁兵，陳宋宋

(1. 浙江華云信息科技有限公司，浙江 杭州 310012；2. 華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206；3. 北京國(guó)網(wǎng)普瑞特高壓輸電技術(shù)有限公司，北京 102200；4. 需求側(cè)多能互補(bǔ)優(yōu)化與供需互動(dòng)技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司），北京 100192)

0 引言

需求響應(yīng)（demand response，DR）[1]是客戶側(cè)負(fù)荷資源參與電網(wǎng)互動(dòng)的重要途徑[2]，能充分調(diào)動(dòng)客戶側(cè)負(fù)荷的可調(diào)節(jié)潛力[3]，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性[4]。國(guó)家發(fā)展改革委和國(guó)家能源局在《關(guān)于做好2020 年能源安全保障工作的指導(dǎo)意見(jiàn)》（發(fā)改運(yùn)行〔2020〕900 號(hào)）中明確指出要加強(qiáng)能源需求側(cè)管理，推動(dòng)煤炭清潔高效利用。隨著國(guó)內(nèi)需求響應(yīng)相關(guān)支撐標(biāo)準(zhǔn)的大量研究[5-7]和DR 項(xiàng)目實(shí)踐[8]逐漸趨于常態(tài)化，有必要以提升DR 信息交互質(zhì)量和資源調(diào)度能力為目標(biāo)進(jìn)行研究[9]。在《電力需求響應(yīng)信息交換規(guī)范》[10]中已經(jīng)規(guī)范了DR 信息交換的一般原則和要求。

國(guó)內(nèi)電力通信網(wǎng)采用以光纖通信等有線方式為主、無(wú)線傳輸方式為輔的建設(shè)方針。有線傳輸方式難以有效解決中低壓配電網(wǎng)點(diǎn)多、覆蓋面廣的問(wèn)題。電力無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如靈活組網(wǎng)、建設(shè)成本低、施工周期短等，能夠有效彌補(bǔ)有線通信傳輸不足[11]。因此，無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)成為電力通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)“打通最后一公里”的重要選擇[12]。截至2019 年7 月底，江蘇省建設(shè)的無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)基站已經(jīng)累計(jì)1 257 座，超過(guò)3 000 個(gè)源網(wǎng)荷儲(chǔ)控制類(lèi)業(yè)務(wù)終端通過(guò)無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)等方式接入[13]，無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)初步發(fā)揮了電力通信的核心作用。在此之前的相關(guān)研究大多面向有線通信網(wǎng)或電力通信骨干網(wǎng)層面的DR 優(yōu)化問(wèn)題，如文獻(xiàn)[14]研究了可編程邏輯控制器（PLC）信道下基于不同DR 業(yè)務(wù)等級(jí)和信噪比等級(jí)的需求響應(yīng)業(yè)務(wù)自適應(yīng)編碼調(diào)制策略；文獻(xiàn)[15]基于電力骨干網(wǎng)中DR 業(yè)務(wù)的現(xiàn)狀，提出了一種業(yè)務(wù)均衡優(yōu)化方法。針對(duì)無(wú)線通信下的DR 優(yōu)化問(wèn)題的研究，國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究主要采用高效的編碼技術(shù)如空時(shí)編碼策略來(lái)優(yōu)化DR 業(yè)務(wù)傳輸[16-17]。國(guó)外的研究較為豐富，既有針對(duì)DR 業(yè)務(wù)的無(wú)線頻譜資源劃分[18]，也有探討未來(lái)5G 網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用方式[19]。以上的研究為DR 業(yè)務(wù)在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的優(yōu)化提供了良好的思路和見(jiàn)解。

本文針對(duì)無(wú)線接入的DR 終端進(jìn)行信息交互過(guò)程中面臨的無(wú)線傳輸需求，著手解決電網(wǎng)“最后一公里”的無(wú)線信息傳輸優(yōu)化問(wèn)題，提出一種基于非線性信息編碼的DR 信息傳輸優(yōu)化方案，該方案采用Tomlinson-Harashima(THP)預(yù)編碼方法來(lái)消除無(wú)線基站到用戶終端的信息傳輸過(guò)程中其他用戶信息對(duì)自身的干擾，并基于誤差矢量對(duì)消來(lái)設(shè)計(jì)信息傳輸矩陣來(lái)減少信道噪聲產(chǎn)生的影響。然后通過(guò)仿真驗(yàn)證本文所采用的信息傳輸方案的可行性，及相較于其他信息傳輸方法在通信性能上的提升。

1 DR 通信模型與優(yōu)化思路

在IEC 62746-10-1 中，完成DR 信息交互的雙方使用虛擬頂部節(jié)點(diǎn)（virtual top node，VTN）和虛擬底部節(jié)點(diǎn)（virtual end node，VEN）的定義來(lái)區(qū)分上下級(jí)關(guān)系[20]。在DR 交互過(guò)程中，VTN 充當(dāng)服務(wù)器向VEN 發(fā)布DR 事件，VEN 接收DR 事件并做出響應(yīng)，該DR 事件又可繼續(xù)向下游VEN發(fā)布，這種情況下VEN 將成為新的VTN，即一個(gè)虛擬節(jié)點(diǎn)或設(shè)備所扮演的角色會(huì)根據(jù)交互雙方的上下級(jí)關(guān)系而發(fā)生改變。DR 信息交互服務(wù)共涵蓋5 種業(yè)務(wù)，即事件業(yè)務(wù)、報(bào)告業(yè)務(wù)、注冊(cè)業(yè)務(wù)、選擇業(yè)務(wù)和輪詢業(yè)務(wù)。文獻(xiàn)[21]列出了不同DR 業(yè)務(wù)的凈載荷大小，表1 為不同DR 業(yè)務(wù)的分析，其中M為事件中的信號(hào)數(shù)，N為報(bào)告的數(shù)量。

表1 各類(lèi)DR 業(yè)務(wù)載荷分析Table 1 Payload analysis of different DR services

根據(jù)表1 的分析，可見(jiàn)DR 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量主要源自事件、報(bào)告2 種DR 業(yè)務(wù)，并且其具體的數(shù)據(jù)量與實(shí)際的事件和報(bào)告數(shù)量相關(guān)。

在DR 通信系統(tǒng)中，無(wú)線通信主要存在于客戶側(cè)負(fù)荷的接入端，因此本文的主要研究對(duì)象為電網(wǎng)末端VTN 與VEN 的信息交互，圖1 為DR 無(wú)線信息交互系統(tǒng)示意。DR 無(wú)線通信傳輸?shù)男阅艽蟛糠秩Q于基站到用戶之間的這段無(wú)線信道的環(huán)境，然而DR 無(wú)線傳輸面臨著復(fù)雜的信道環(huán)境，會(huì)受到外部和自身的各種干擾[22]，最終導(dǎo)致信號(hào)的誤碼，使接收端無(wú)法正確收到DR 信息，進(jìn)而影響DR 任務(wù)準(zhǔn)確實(shí)施。在無(wú)線信息傳輸過(guò)程中除了信道噪聲外，在發(fā)往多個(gè)DR 終端的不同DR 數(shù)據(jù)流之間也存在相互干擾。因此，實(shí)現(xiàn)高精準(zhǔn)、細(xì)致化的DR 控制需要利用先進(jìn)的通信技術(shù)，確保信息交互的高質(zhì)量和可靠性。

圖1 DR 信息交互系統(tǒng)示意Fig. 1 DR information interaction system diagram

為了提高DR 信息交互的通信技術(shù)水平，可考慮采取2 種方法：（1）生產(chǎn)具有先進(jìn)通信模塊的DR 終端設(shè)備，使其硬軟件設(shè)施具有高可擴(kuò)展性，便于新技術(shù)和功能的擴(kuò)展；（2）采用類(lèi)似文獻(xiàn)[16]中的方式，通過(guò)部署現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的DR 邊端服務(wù)器（如利用邊緣物聯(lián)代理設(shè)備）來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的交匯和中繼，利用此小型電力業(yè)務(wù)專(zhuān)用無(wú)線服務(wù)基站來(lái)實(shí)現(xiàn)DR 終端為提高通信質(zhì)量所需的信道編碼或增益等技術(shù)。后者所提理念被證實(shí)在分布式DR 領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景和應(yīng)用價(jià)值[23]。預(yù)編碼技術(shù)是MIMO 系統(tǒng)中保證信息傳輸質(zhì)量的一項(xiàng)重要技術(shù)[24]，能夠有效提高DR 基站下行鏈路的傳輸效率和質(zhì)量，可用于解決本文場(chǎng)景下DR無(wú)線傳輸中的通信優(yōu)化問(wèn)題。DR 調(diào)度中心通過(guò)無(wú)線基站向DR 終端或負(fù)荷聚合商發(fā)送DR 業(yè)務(wù)信息時(shí)，為了減少信道干擾和外界噪聲的影響，可利用信道狀態(tài)信息（channel state information，CSI）在發(fā)送端對(duì)信號(hào)進(jìn)行編碼優(yōu)化處理，便于更好地在接收端進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，達(dá)到提高DR 信息傳輸速率和系統(tǒng)性能的效果。

2 傳統(tǒng)的THP 編碼技術(shù)

本文采用的預(yù)編碼是指利用無(wú)線信道的狀態(tài)信息，對(duì)發(fā)送信號(hào)進(jìn)行處理，優(yōu)化信號(hào)的空間特性以消除信號(hào)間的干擾。大致可將預(yù)編碼技術(shù)分類(lèi)兩大類(lèi)，即線性編碼和非線性編碼[25]。其中THP 編碼屬于非線性編碼，非線性編碼是指在編碼過(guò)程中將迭代、取模等非線性操作引入進(jìn)來(lái)，一般能夠獲得較線性編碼更加良好的系統(tǒng)性能。THP 算法在發(fā)射端和接收端各進(jìn)行一次取模運(yùn)算，并進(jìn)行串行干擾抵消。定義v為對(duì)原信號(hào)進(jìn)行取模運(yùn)算后的信號(hào)矢量，則算法的接收信號(hào)可表示為

式中：H 表示矩陣的共軛轉(zhuǎn)置，Q為 酉矩陣，R為下三角矩陣。 然后根據(jù)迫零準(zhǔn)則的約束條件即GHcFB-1=I（其中I為單位矩陣），將分解后的信道矩陣Hc代 入后得到新的約束條件GRQFB-1=I。

進(jìn)而可以得到滿足約束條件的編碼矩陣和反饋矩陣：F=QH,B=GR。此時(shí)就可以得到無(wú)信號(hào)間 干 擾 的 接 收 信 號(hào)yi=vi+z?i，其 中z?i=Gzi為 等 效噪聲。

3 基于誤差矢量對(duì)消的THP 編碼優(yōu)化算法設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的THP 算法雖然能夠有效消除數(shù)據(jù)流間的干擾，但是沒(méi)有考慮信道噪聲增強(qiáng)帶來(lái)的影響，因而會(huì)一定程度上影響系統(tǒng)的優(yōu)化性能。本文提出了一種面向DR 業(yè)務(wù)的基于誤差矢量對(duì)消的THP 編碼（preTHP _EVC）。

3.1 preTHP_EVC 算法基本原理

preTHP_EVC 采用對(duì)稱(chēng)模運(yùn)算限制因反饋操作引起的功率放大，同時(shí)避免噪聲的放大。同時(shí)對(duì)發(fā)送信號(hào)與接收信號(hào)進(jìn)行誤差矢量對(duì)消來(lái)減弱信道噪聲的影響。preTHP _EVC 編碼系統(tǒng)主要包括3 部分：線性求模反饋（包括求模運(yùn)算和反饋矩陣）、編碼矩陣、接收矩陣，各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)參數(shù)是基于對(duì)信道特性的獲取和分析得到。如圖2所示，將VTN 發(fā)出的DR 信息流量化為具有多個(gè)子信息流的信號(hào)矢量S={S1,···,SK}，K為DR 終端（VEN）的數(shù)量，每個(gè)子信息流Si,i∈[1,K]對(duì)應(yīng)一個(gè)VEN。虛擬頂部節(jié)點(diǎn)（VTN）發(fā)出的DR 信號(hào)矢量S首先要經(jīng)過(guò)取模運(yùn)算模塊和反饋矩陣得到信號(hào)矢量x?i，然后經(jīng)過(guò)編碼矩陣完成發(fā)射端的處理得到信號(hào)矢量xi并 進(jìn)入DR 信道Hc中傳播得到

圖2 preTHP_EVC 算法原理框圖Fig. 2 Block diagram of preTHP_EVC algorithm

然后在接收端進(jìn)行處理還原出等效DR 信息S?并發(fā)送到VEN 節(jié)點(diǎn)，完成需求響應(yīng)信息傳輸過(guò)程。

3.2 基于preTHP_EVC 的需求響應(yīng)業(yè)務(wù)傳輸矩陣設(shè)計(jì)

在進(jìn)行DR 業(yè)務(wù)信息傳輸優(yōu)化過(guò)程中不僅僅要考慮消除信號(hào)間的干擾，也要重視信道噪聲導(dǎo)致的不良后果。為了傳統(tǒng)THP 算法中噪聲增強(qiáng)帶來(lái)的影響，可以在此基礎(chǔ)上采用最小均方誤差準(zhǔn)則來(lái)減小DR 信道噪聲的影響。其基本思想為將發(fā)送端與接收端的矢量信號(hào)的誤差矢量最小化。定義誤差矢量的表達(dá)式為

4 仿真及結(jié)果分析

本文結(jié)合實(shí)際的需求響應(yīng)業(yè)務(wù)需求，對(duì)本文所列的3 種編碼算法進(jìn)行了詳細(xì)的分析。仿真過(guò)程采用DL/T 1867—2018《電力需求響應(yīng)信息交互規(guī)范》中各項(xiàng)規(guī)范。測(cè)試平臺(tái)支持包含PULL和PUSH 在內(nèi)的多種交互模式，DR 報(bào)文和字段的格式與生成機(jī)制嚴(yán)格按照DL/T 1867—2018 中的要求。

本文統(tǒng)計(jì)DR 數(shù)據(jù)流在不同編碼方案下的系統(tǒng)誤碼率（BER）性能。隨機(jī)仿真4×200 組DR 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流，涵蓋DR 事件、DR 報(bào)告等標(biāo)準(zhǔn)信息交互業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，并將DR 業(yè)務(wù)流劃分為若干子信息流發(fā)送到不同DR 終端，取Nt=4。統(tǒng)計(jì)信噪比（SNR）在區(qū)間[0, 30 dB]時(shí)的3 種預(yù)編碼方案的BER 性能，其中preZF 采用文獻(xiàn)[26]的編碼方案，preTHP 表示文獻(xiàn)[27] 中所采用的編碼方案，preTHP_EVC 為第3 節(jié)中基于誤差矢量對(duì)消的THP 編碼方案。3 種編碼方案隨著信噪比的逐漸增大均呈現(xiàn)出愈加良好的誤碼率性能，其中preTHP_EVC 在不同信道條件下都呈現(xiàn)出較另外2 種編碼方案更好的BER 性能，在信噪比為28 dB 時(shí)的誤碼率就已經(jīng)低于0.1%。不同編碼方式的誤碼率性能對(duì)比如圖3 所示。

圖3 不同編碼方案的BER 性能對(duì)比Fig. 3 BER performance comparison of different coding schemes

為了分析本文算法在不同編碼矩陣規(guī)模下的表現(xiàn)，仿真不同編碼矩陣規(guī)模下的THP-EVC 算法的BER 性能。發(fā)現(xiàn)不同的編碼矩陣在低信噪比情況下的性能表現(xiàn)差別不大；在信噪比高于10 dB之后，伴隨著信噪比的增大，三者的BER 性能產(chǎn)生了差異化，并且編碼矩陣規(guī)模越大其表現(xiàn)出的差錯(cuò)率越低。在信噪比λSNR=25 dB 時(shí)，Nt=16和Nt=8的BER 性能提升達(dá)到近三倍。圖4 所示為改進(jìn)型THP 在不同編碼矩陣下的BER 性能分析。

圖4 改進(jìn)型THP 在不同編碼矩陣下的BER 性能分析Fig. 4 BER performance analysis of improved THP under different coding matrices

隨著編碼矩陣的增加，雖然能夠獲得較好的BER 性能，但是同樣引入了更多的計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)。圖5為preTHP_EVC 算法在不同編碼矩陣下的系統(tǒng)處理時(shí)延，統(tǒng)計(jì)100 組在相同信道條件下傳輸?shù)攘啃畔⑶闆r下的時(shí)延數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)隨著編碼矩陣的增加，算法的開(kāi)銷(xiāo)也響應(yīng)的增加，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)處理時(shí)延的增加。Nt=8時(shí) 比Nt=4的情況下大約增加了2.7 ms 處理時(shí)延，而Nt=16的 情況比Nt=8的情況下增加了約3.1 ms 處理時(shí)延。

圖5 改進(jìn)型THP 在不同編碼矩陣下的處理時(shí)延Fig. 5 Processing delay of improved THP in different coding matrices

需求響應(yīng)業(yè)務(wù)的信息載荷具有不固定性，5 種DR 信息交互業(yè)務(wù)的服務(wù)數(shù)量和信息載荷大小各不相同，每種業(yè)務(wù)具體凈載荷的大小還與報(bào)告項(xiàng)數(shù)和事件中承載的信號(hào)數(shù)有關(guān)。為了仿真DR 傳輸中的實(shí)際情況，本文根據(jù)不同的DR 信道狀況分析了傳輸2 種主流DR 業(yè)務(wù)信號(hào)，即報(bào)告業(yè)務(wù)和事件業(yè)務(wù)時(shí)的平均誤碼率性能。本文將信道狀況分為3 個(gè)等級(jí)即A、B、C，其中A 表示信道的信噪比處于0～10 dB，B 表示信道的信噪比處于11～20 dB，C 表示信道的信噪比處于21～30 dB?？梢园l(fā)現(xiàn)，在不同的信道環(huán)境下，preTHP_EVC算法的誤碼率明顯低于另外2 種算法，并且在DR 信道狀況較好的情況下的性能更加明顯。圖6為信道傳輸事件業(yè)務(wù)時(shí)不同信道狀況的誤碼率分析對(duì)比。

圖6 傳輸事件業(yè)務(wù)時(shí)不同信道狀況的誤碼率分析Fig. 6 Bit error rate analysis of different channel conditions in transmitting event services

為了分析不同編碼方案下完成需求響應(yīng)通信優(yōu)化效果所需要的時(shí)間，本文統(tǒng)計(jì)了不同編碼算法的計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)。如表2 所示為不同編碼方式的計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)每個(gè)算法的計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)都在100 ms 的范圍內(nèi)波動(dòng)，其中preZF 算法平均計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)為0.002 297 s，preTHP 算法的平均計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)為0.002 398 s，preTHP_EVC 算法的平均計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)為0.002 449 s。非線性編碼相較于線性編碼的計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)有所增高，增加幅度大約在1.01 ms，而基于誤差矢量對(duì)消的THP 算法相較于THP 算法的計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)的增幅在0.51 ms 左右。相較于該算法誤碼率性能上的提升，其引入的額外計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)在可接受范圍之內(nèi)。

表2 不同編碼算法的計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)Table 2 Computing overhead of different coding algorithms s

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種面向DR 業(yè)務(wù)傳輸?shù)幕谡`差矢量對(duì)消的THP 編碼方式，該方法提供了良好的誤碼率性能，能夠有效優(yōu)化DR 無(wú)線傳輸系統(tǒng)性能。未來(lái)可以考慮不同應(yīng)用場(chǎng)景及具體DR 業(yè)務(wù)的需求進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)具體需求側(cè)業(yè)務(wù)特點(diǎn)采用自適應(yīng)編碼策略，或者聯(lián)合考慮信道傳輸質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)擁塞情況進(jìn)行跨層聯(lián)合優(yōu)化，最終使客戶側(cè)DR 設(shè)備與電網(wǎng)側(cè)實(shí)現(xiàn)高可靠的信息交互與高質(zhì)量DR 控制。