单载波电力线系统中一种引入偏置量的时间公平调度方法与流程

本发明涉及的是单载波电力线系统中一种引入偏置量的时间公平调度方法，属于电力线通信(Power Line Communication，PLC)领域。

背景技术：

随着智能电网技术及应用的快速发展，电力线通信(Power Line Communication，PLC)应用得越来越广泛。具有高速化和大容量等特性的电力线网络逐渐涌现出来。电力线通信利用已有的电力线作为通信介质，实现电力线网络的互联互通，是将来实现“四网融合”的技术基础。另外，一个电力线通信系统还包括调制解调器、中继等设备。调制器将信息调制到高频信号上，然后将此高频信号加载于电力线的电流上实现信号传输。在接收端，解调器将高频信号从低频电流上分离出来，再将信息从高频载波上解调出来。电力线通信系统可以很好的应用在智能家居系统中。家庭中的电器设备可以作为用户和主PLC调制解调器(基站)进行通信。

电力线通信以其独有的优势朝着高速化和大容量方向快速发展。如何合理地调度与使用电力线通信系统各种有限资源，以及高效率地进行资源分配，是电力线通信系统需要解决的一个重大问题。当前国内对电力线通信系统的资源分配研究还较少，且不够成熟。国外在这方面的研究较多、较成熟，但是仍存在公平性差、效率不高等缺陷。

为了在满足公平性等约束的前提下提高系统效率和资源利用率，一些传统的时间公平和功率最小化算法提出了。最基础的两种调度方法是轮询调度方法和贪婪调度方法，它们是以对用户的满足服务质量要求的满足程度划分的。

(1)轮询调度方法是最好地满足服务时间公平的。对于单载波多用户系统，它的原理是将信道资源，按照时隙的顺序，依次分配给各个用户使用。所以每个用户都能得到均等的服务。但这样的方法是完全不考虑通信的质量的，在这样的通信系统里效非常低。

(2)贪婪算法一般被认为是“最好”、“最优”的解。这种方法根据每个时隙不同用户为系统带来的权重决策该时刻到底调用那个用户，其实贪婪算法做出的最优解是局部最优解，不是整体上的最优解。距离基站近的用户信道条件相对较好，距离远的较差，这样距离近的用户会一直得到服务，而那些远一点的用户几乎就得不到服务了。这仅仅使系统性能最大化，而忽视了用户对公平性等服务质量上的要求。

这些算法主要针对信噪比、延时、等待时间、功率等静态量优化，最终的优化选择是建立在对这些信道条件综合优化的基础上，本发明中的算法是在此基础上引入了虚拟的偏置量在优化选择函数中，这个偏置量是不存在任何物理意义的，它引入的意义是保证每个用户的权重相对均等，以保证整个系统的时间公平性。

本发明将对基于单载波的一种时间公平调度方法进行说明。

技术实现要素：

发明目的：考虑目前电力线通信系统中许多针对时间公平的优化方法是建立在静态基础上的，本发明设计了一种引入动态偏置量的优化方法。

技术方案：本发明提出的单载波电力线中的时间公平机会调度算法，主要包括以下几个阶段。

第一阶段：基站通过下行链路发送导频信号的方法获取每个用户该时隙下的信道状态信息，我们以信噪比为例，在下行链路上，用户可以测量从基站来的接收信号水平和干扰功率，然后该用户就可以根据信道条件和其他因素计算该时隙上的信噪比。让表示在时隙k时的信噪比向量，既表示用户i在时隙k时的信噪比，也表示把时隙k分配给用户i后，系统所获得的等效吞吐量值。本发明中假设是非负的且是有界的。从现在开始，假设是平稳值，所以这个k是可以忽略的。具体来说，可以使用一个新的信噪比向量代表用户i在一个通用时隙时的等效吞吐量值，其中S_i是一个随机变量。

第二阶段：给定S_i后，调度算法需要决定在给定时隙上调度哪个用户。定义调度策略为变量Q，Q是信噪比向量空间的映射。给定S_i后，Q决定哪个用户能被调度到：如果则用户i会去使用给定时隙，系统也将获得一个等效吞吐量值为的回报，即S_i。接下来定义本发明中的最优调度策略：在这里，我们该调度策略Q^*定义如下：

其中是第i个用户的服务权值，就是我们之前提到的偏置量。

第三阶段：确定第i个用户的偏置量这是由每个用户接收服务的时间分数决定的，用r_i表示第i个用户接受服务的时间占总时间的比例，即时间分数，且不同用户的时间分数可以根据系统的要求自由设定。我们希望找到合适的使第i个用户得到分配的概率和之前设定的时间分数相等。把它看成的函数有

当取到理想值时，

第四阶段：迭代法逼近第k次迭代中，用逼近的值可以测得，具体的值并不知道。i＝1，...，N-1。而第k次迭代中，与的误差表达式可以写成：

求误差的期望，有因此，我们用如下的逼近方法估计

$v_i^{(k+1)}=v_i^{\left(k\right)}-{\mathrm{\α}}^{\left(k\right)}(1_{\{Q^k\left(\stackrel{v}{S}\right)=i\}}-r_i)---\left(4\right)$

其中α^(k)的值可以取α^(k)＝1/k，我们设置初始迭代或是一些基于历史的估计值。

此算法下，可以得到是收敛于的。

附图说明

图1为方法流程示意图

图2为三种调度方法下每个用户分配的时间资源

图3为三种调度方法下系统的总功耗

具体实施方式

在每个时隙，基于单载波电力线的时间公平调度方法基本流程如下：

步骤1：

估计可分为上行链路估计和下行链路估计。

上行链路：基站会估计每个用户的信道条件，然后计算信噪比i＝1，...，N。

下行链路：用户i测量自己的信道条件，然后估计自身信噪比最后将估计值发送给基站。

步骤2：

基站根据式的调度策略来决定该时隙应该调用哪个用户来传输。

步骤3：

根据选择好的调度方案进行数据传输。

上行：基站广播被选中的用户ID号，选择该用户在该时隙进行传输。

下行：基站传输消息给被调度到的用户。

步骤4：

基站在可行集合内根据下式更新参数向量

$v_i^{(k+1)}=v_i^{\left(k\right)}-{\mathrm{\α}}^{\left(k\right)}(1_{\{Q^{\left(k\right)}\left(\stackrel{v}{S}\right)=i\}}-r_i)---\left(5\right)$

注意到，以上每个时隙的计算负担是O(N)，其中N是共享信道的用户个数，这说明了在实际应用中该算法计算复杂度较低。

本专利仿真出了轮询调度方法，贪婪调度方法，考虑时间公平的功耗最小调度方法下不同用户分配到的时间比例，如图2所示，与在时间公平这方面表现极好的轮询调度方法相比，本专利提出的方法实现了相对公平，照顾到了所有用户，可以很好地接近了轮询调度方法的绝对公平。图3则对三种算法的总功耗做对比，以贪婪调度方法为标准，这种方法只发送信号给当前信道条件最好的用户，使资源利用率达到极致，过度追求能耗最小化。本专利提出的功耗最小调度方法与之相比在总功耗上高出了大约10％，可以很好地接近理想的能耗。

总之，本专利提出的单载波电力线中基于时间公平的最小功耗方法满足了用户对资源公平性和系统低功耗的双向要求。