一种基于比特交换的多用户电力线通信系统资源分配方法与流程

本发明涉及一种电力线通信系统资源分配技术，尤其是涉及一种基于比特交换的多用户电力线通信系统资源分配方法。

背景技术：

电力线通信(Power Line communications，PLC)技术是在现有的电力线网络的基础上，再加装一些附属装置，变成的电力线通信网络。因此，电力线通信技术具有覆盖面积广、实现成本低、即插即用等特点。目前，电力线通信已成为当前通信领域的一个研究热点。

然而，电力线网络并不是专门为传输数据而设计的，其基本上不具备有线通信网所必备的通信线路特性。电力线信道具有频率选择性、时变性、多径性、阻抗失配及噪声干扰强等特点，这使得电力线通信仍有许多问题亟待解决。要实现高速可靠的电力线通信必须合理利用其资源，因此电力线通信系统中的资源分配问题便显得尤为重要。OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access，正交频分多址接入)技术具有良好的抗多径及噪声特性，不仅可以提高频谱利用率，而且还能抵抗电力线信道的频率选择性。自适应OFDMA可根据信道增益变化和用户需求不同等对子载波进行动态分配，更适应于实际的通信中。因而，自适应OFDMA技术与动态资源优化技术相结合已被广泛应用于电力线通信系统中的资源分配问题。

电力线通信系统中的资源分配主要分为单用户资源分配和多用户资源分配。单用户电力线通信系统中的子载波、比特和功率等资源为一个用户所有，因此不存在子载波分配问题，只需在每个子载波上进行最优的比特及功率分配。多用户电力线通信系统必须在为各用户进行子载波分配的基础上，进行比特及功率分配，其实质是如何为用户最优的分配子载波以及为子载波分配功率，且可以引入用户间公平性、子载波工作和不同业务类型等问题，因此，多用户电力线通信系统资源分配方法研究在电力线通信领域具有非常重要的意义。有研究人员提出了一种多用户电力线通信系统资源分配算法，该算法先根据用户目标速率及合目标速率要求进行子载波数目分配，然后将子载波分配给信道条件最佳的用户，最后得到次优化比特分配的闭式解，该算法研究了在合目标速率约束下的系统功率最小化问题，且推导出了次优化比特分配的表达式，但是该算法并未得到最优的比特分配结果。也有研究人员提出了另一种多用户电力线通信系统资源分配算法，该算法先把子载波按需和信道条件预分配给用户，再根据遗传算法最优地分配比特及功率，并减少其计算量，该算法研究了不同业务下的多目标资源分配问题，在保证实时(Real Time，RT)用户固定速率下最小化其占用的资源，再在系统剩余资源下最大化非实时(Non Real Time，NRT)用户的速率。这两种算法的缺点就是都没有考虑用户之间的公平性。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于比特交换的多用户电力线通信系统资源分配方法，其不仅能够保证用户间的公平性，而且能够有效地降低多用户电力线通信系统的能耗。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于比特交换的多用户电力线通信系统资源分配方法，其特征在于包括以下步骤：

①设定多用户电力线通信系统中有K个用户，并设定多用户电力线通信系统采用OFDM调制技术，每个OFDM符号内有N个子载波，其中，K>1，N≥1；

②根据信息论知识，获取多用户电力线通信系统中的每个用户在其所占用的每个子载波上达到的速率的理论值，假设第n个子载波被第k个用户所占用，则将第k个用户在第n个子载波上达到的速率记为rk,n，rk,n的理论值为其中，1≤k≤K，1≤n≤N，Hk,n表示第k个用户在第n个子载波上的信道增益，Pk,n表示第k个用户在第n个子载波上分配的功率，表示第k个用户在第n个子载波上的噪声功率，Γ表示第n个子载波上的信噪比差额；

接着构建多用户电力线通信系统中的功率最小化问题，表述为：

③为每个用户分配子载波数目，并为每个用户分配子载波，具体过程为：③_1、根据所有用户各自对应的目标速率比例约束系数，为每个用户初步分配子载波数目，将初步分配给第k个用户的子载波数目记为cmk，其中，符号为向下取整符号，γk表示第k个用户对应的目标速率比例约束系数；③_2、在优先把子载波分配给使其信道增益最大的用户的原则下，为每个用户分配信道条件最好的子载波，直至每个用户分配到的子载波的总数达到初步分配给该用户的子载波数目；③_3、将剩余的未被分配的每个子载波以子载波选择用户的形式分配给使其信道增益最大的用户，然后统计最终分配给每个用户的子载波的总数，将最终分配给第k个用户的子载波的总数记为mk；

所述的步骤②中设多用户电力线通信系统中的所有子载波都采用正交幅度调制且误码率相同，则每个子载波上的信噪比差额相同，即Q^-1()为Q()的反函数，Q()为标准正态分布的右尾函数，Pe表示每个子载波的误码率。

所述的步骤③_2的具体过程为：

③_2a、令Ω表示所有子载波的序号构成的集合，Ω＝{1,2,…,N}；并令Ωk表示第k个用户分配到的子载波的序号构成的集合，Ωk的初始值为空集，1≤k≤K；令ck表示第k个用户已分配到的子载波的总数，ck的初始值为0；

③_2b、令将第n*个子载波分配给第k个用户，其中，n^*∈[1,N]，表示取使得Hk,n的值最大的n值；

③_2c、将第n^*个子载波的序号n^*从Ω中删除，并令Ωk＝Ωk∪{n^*}，令ck＝ck+1，其中，“∪”为集合并运算符号，ck＝ck+1中的“＝”为赋值符号；

③_2d、如果ck与cmk相等，则表明第k个用户已分配到的子载波的总数已达到初步分配给第k个的子载波数目，结束第k个用户的子载波分配过程；如果ck小于cmk，则返回步骤③_2b继续执行。

所述的步骤③_3中假设第n^*个子载波为剩余的未被分配的其中一个子载波，则令确定将第n^*个子载波分配给第k^*个用户，其中，n^*∈[1,N]，k^*∈[1,K]，表示第k个用户在第n^*个子载波上的信道增益，表示取使得的值最大的k值。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明方法在保证用户间公平性的情况下，引入目标速率比例约束条件，并分步进行子载波分配及比特和功率分配，即首先根据所有用户各自对应的目标速率比例约束系数进行子载波分配；然后根据每个用户的目标速率要求，对每个用户所占用的所有子载波进行等比特分配；接着根据功率最小化准则，将剩余比特分配给增加1比特所需额外功率最小的子载波；最后在各用户分配总比特不变情况下，根据比特交换准则在子载波间进行比特交换，本发明方法不仅保证了用户间的公平性，而且根据比特交换准则，使得功率分配达到最优，从而使多用户电力线通信系统的总发射功率达到最小。

附图说明

图1为多用户电力线通信系统的拓扑结构框图；

图2为在不同合目标速率下采用本发明方法与现有的资源分配方法的资源分配性能比较示意图；

图3为在不同用户数量下采用本发明方法与现有的资源分配方法的资源分配性能比较示意图；

图4为本发明方法的总体实现框图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

图1给出了多用户电力线通信系统的拓扑结构框图，本发明在此基础上提出了一种基于比特交换的多用户电力线通信系统资源分配方法，其总体实现框图如图4所示，其包括以下步骤：

①设定多用户电力线通信系统中有K个用户，并设定多用户电力线通信系统采用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiple)调制技术，每个OFDM符号内有N个子载波，其中，K>1，N≥1。

②根据信息论知识，获取多用户电力线通信系统中的每个用户在其所占用的每个子载波上达到的速率的理论值，假设第n个子载波被第k个用户所占用，则将第k个用户在第n个子载波上达到的速率记为rk,n，rk,n的理论值为其中，1≤k≤K，1≤n≤N，Hk,n表示第k个用户在第n个子载波上的信道增益，Pk,n表示第k个用户在第n个子载波上分配的功率，Pk,n的值由多用户电力线通信系统给定，表示第k个用户在第n个子载波上的噪声功率，Γ表示第n个子载波上的信噪比差额，Γ的值与调制方式及误码率有关。

在此具体实施例中，步骤②中设多用户电力线通信系统中的所有子载波都采用正交幅度调制且误码率相同，则每个子载波上的信噪比差额相同，即Q^-1()为Q()的反函数，Q()为标准正态分布的右尾函数，Pe表示每个子载波的误码率。

③为每个用户分配子载波数目，并为每个用户分配子载波，具体过程为：③_1、根据所有用户各自对应的目标速率比例约束系数，为每个用户初步分配子载波数目，将初步分配给第k个用户的子载波数目记为cmk，其中，符号为向下取整符号，γk表示第k个用户对应的目标速率比例约束系数；③_2、在优先把子载波分配给使其信道增益最大的用户的原则下，为每个用户分配信道条件最好的子载波，直至每个用户分配到的子载波的总数达到初步分配给该用户的子载波数目，在分配过程中，必须保证每个子载波只能分配给一个用户；③_3、一般情况下在进行步骤③_2的子载波的分配后，仍有个子载波剩余，将剩余的未被分配的每个子载波以子载波选择用户的形式分配给使其信道增益最大的用户，然后统计最终分配给每个用户的子载波的总数，将最终分配给第k个用户的子载波的总数记为mk，mk≥cmk。

在此具体实施例中，步骤③_2的具体过程为：

③_2a、令Ω表示所有子载波的序号构成的集合，Ω＝{1,2,…,N}；并令Ωk表示第k个用户分配到的子载波的序号构成的集合，Ωk的初始值为空集，1≤k≤K；令ck表示第k个用户已分配到的子载波的总数，ck的初始值为0；

③_2b、令将第n^*个子载波分配给第k个用户，其中，n^*∈[1,N]，表示取使得Hk,n的值最大的n值；

③_2c、将第n^*个子载波的序号n^*从Ω中删除，并令Ωk＝Ωk∪{n^*}，令ck＝ck+1，其中，“∪”为集合并运算符号，ck＝ck+1中的“＝”为赋值符号；

③_2d、如果ck与cmk相等，则表明第k个用户已分配到的子载波的总数已达到初步分配给第k个的子载波数目，结束第k个用户的子载波分配过程；如果ck小于cmk，则返回步骤③_2b继续执行。

在此具体实施例中，步骤③_3中假设第n^*个子载波为剩余的未被分配的其中一个子载波，则令确定将第n^*个子载波分配给第k^*个用户，其中，n^*∈[1,N]，k^*∈[1,K]，表示第k个用户在第n^*个子载波上的信道增益，表示取使得的值最大的k值。

以下通过计算机仿真，进一步说明本发明方法的可行性和有效性。

为了获得比较稳定可靠的仿真结果，仿真结果经1000次Monte-Carlo(蒙特卡洛)仿真取平均得到。

图2给出了不同合目标速率下本发明方法与算法(1)(该算法先根据用户目标速率及合目标速率要求进行子载波数目分配，然后将子载波分配给信道条件最佳的用户，最后得到次优化比特分配的闭式解)、算法(2)(该算法先把子载波按需和信道条件预分配给用户，再根据遗传算法最优地分配比特及功率，并减少其计算量)的资源分配性能比较。该仿真过程中，用户数量为6，即K＝6，且其对应的目标速率比例约束系数为γ1:γ2:γ3:γ4:γ5:γ6＝2:2:3:3:5:5。从图2中可以看出，对于一个固定的合目标速率，采用本发明方法的总发射功率消耗最小；随着合目标速率的不断增加，采用各方法的总发射功率消耗都有所增加，但是采用本发明方法的总发射功率曲线一直位于最下方。这表明了在不同合目标速率下，相比现有的方法，采用本发明方法的总发射功率消耗一直是最小的。

图3给出了不同用户数量下本发明方法与算法(1)(该算法先根据用户目标速率及合目标速率要求进行子载波数目分配，然后将子载波分配给信道条件最佳的用户，最后得到次优化比特分配的闭式解)、算法(2)(该算法先把子载波按需和信道条件预分配给用户，再根据遗传算法最优地分配比特及功率，并减少其计算量)的资源分配性能比较。该仿真过程中，合目标速率为500bits/s/Hz，且其对应的目标速率比例约束系数为γ1:γ2:…:γK＝1:1:…:1。从图3中可以看出，对于一个固定的用户数量，采用本发明方法的总发射功率消耗最小；随着用户数量的不断增加，采用各方法的总发射功率消耗都呈上升趋势，但是，相对而言，采用本发明方法的总发射功率消耗增长幅度最小。

上述仿真分析充分表明了本发明方法是可行且有效的。