基于ofdm的plc系统的吞吐量优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电力线通信（PLC,PowerLineCommunication)技术领域，具体为基于 正交频分复用（OFDM，OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)技术的电力线通信 系统吞吐量优化方案设计。
【背景技术】
[0002] 近年来，信息技术的迅猛发展给现代通信的发展提出了更高的要求。目前，我国互 联网的接入存在如下瓶颈问题，即主干网具有相当容量的带宽，但是用户接入使用的线路 带宽很窄，从而大大限制了传输速率。而电力线通信却被视作解决这一问题的有力方案。 电力线通信是指利用电力线传输数据和媒体信号的一种通信方式。PLC技术正以其高覆盖 率、低通信铺设成本等优势，在建设智能电网的道路上中起到了非常重要的作用。
[0003] 电力线通信采用的调制技术主要有0FDM、扩频以及常规的QPSK，FSK等。而QPSK， FSK等常规调制技术频带利用率不高，只适用于低速传输，扩频技术在宽带受限的情况下， 最大数据传输速率受到限制，同样很难适应高速传输。因此，为适应高速的传输要求，0FDM 技术是解决传输频带利用率低这一问题的最有效方法之一，该技术目前已被广泛采用。
[0004] 在电力线0FDM系统中，载波间干扰（ICI，Inter-carrierInterference)和符号 间干扰（ISI，Inter-SymbolInterference)ICI和ISI会显著降低OFDM系统的性能，使 得在理想情况下设计的资源管理优化方法在实际使用时效率降低。基于此目的，。本发明 的目的是将重点研究电力线0FDM系统下的存在干扰，即载波间干扰（ICI，Inter-carrier Interference)和符号间干扰（ISI，Inter-SymbolInterference)时的功率分配问题，旨 在优化系统吞吐量优化问题，旨在通过优化子载波的传输功率从而提高系统性能。众所周 知，而功率约束下的吞吐量优化问题是非凸非线性问题，很难直接求解。，因此本发明通过 巧妙构思，构建了一个虚拟平坦衰落实信道模型，将功率约束下的吞吐量优化问题该问题 等价为加权最小均方差问题，。虽然此问题仍然非凸，但是却可以利用结合简单的块坐标下 降法和二分法迭代求解，而且同时该方法可以保证优化目标函数，即系统吞吐量在迭代过 程中单调不减，从而达到优化系统吞吐量的目的。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于0FDM的PLC系统的吞吐量 优化方法。
[0006] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于0FDM的PLC系统的吞吐量 优化方法，该方法包括以下步骤：
[0007] 步骤1 :发送端确定所使用的子载波集合AUSE，并求出L= |AUSE|，L表示集合AUSE的 元素个数，同时设定每个子载波允许最大传输功率约束值？^^!!!)，!!!eAuss以及总传输功率 约束值Ptotal;
[0008] 步骤2 :引入权重值{tj，将功率约束下的连续型吞吐量优化问题等价为加权最小 化均方差问题，即：
[0009]
[0010] 其中F。表不子载波间隔，
_表不 丽SE误差估计值，
a(m)表示第m个子载波的信道增益，p(m) 表示第m个子载波的发射功率，Uni表示第m个子载波的MMSE均衡器，Γ表示信噪比差额，W表不干扰矩阵，其中W(mQ，m)表不第m个子载波对第m。个子载波的干扰，'
为噪声功率向量，其中$σ42 (m丨表不第m个子载波的噪声功 率；
[0011] 步骤3 :利用块坐标下降算法和二分法迭代求解该问题，S卩：初始化：迭代次数η =1、MMSE均衡器和相应的^"卜权重其中：#和分别表示第m个 子载波的第η次迭代所求的MMSE均衡器、MMSE误差估计值和权重值，然后计算加权最小化 均方误差问题的目标{
[0012] 步骤4 :更新迭代次数η=η+1，利用二分法求解子载波传输功率集合{P(n) (m)}， P(n) (m)表示第m个子载波第η次迭代所求传输功率值；
[0013] 步骤5:首先求解MMSE均衡器和相应的估计 、'Ξ"
'' 1 误I
然后求出权重=4，从而求出相应的加权最小化 均方差问题的目标值其弓
[0014] 步骤6:判断
Q是否成立，其中ε为判定阈值，满足则输 出{P(n)(m)}，即为原问题的最终解，即v . .
j1中Ρ?表示第m个 子载波最终传输功率，从而求出最终吞吐量
其中
表示最终传输功率 分配向量；否则，重复步骤4到步骤6 ;
[0015] 步骤7 :发送端按照最终功率分配方案设定每个子载波传输功率，从而实现PLC系 统的业务传输。
[0016] 进一步地，所述步骤4具体包括以下子步骤：
[0017] 步骤4. 1 :设拉格朗日乘子λ= 〇,根据式子：
[0018] Ι_ *
[0019] 求出传输功2
,判断是否满足总功率约束，s
,·，如 果满足，则4
并输出该解，其中：
[0020]
否则 执行下一步；
[0021] 步骤4.2 :设λ=λ+U，其中U为步长，同理得到对应的
I，重复该步 骤直至找到满足总功率约束条件的拉格朗日乘子λ，输出拉格朗日乘子上界Xu=λ; JL-/L
[0022] 步骤4. 3 :利用二分法思想求解拉格朗日乘子，即令2 = ，其中λ1= 〇为拉 2 格朗日乘子下界，求解得到μ#}，判断是否满足总功率约束条件，如满足则令λu =λ，否则令λ1=λ，重复该步骤直至其中ε为判定阈值，得到 冷
并输出该解。
[0023] 本发明有益效果：基于0FDM的PLC系统的吞吐量优化问题是一个非凸非线性的复 杂问题，很难直接求解，而本发明通过构建虚拟的平坦衰落实信道模型，将功率约束下的吞 吐量优化问题等价为加权最小均方误差问题，然后采用简单的块坐标下降法和二分法思想 迭代求解该问题，该方法可以保证吞吐量在迭代过程不断增大直至收敛，从而达到优化系 统性能的目的。
【附图说明】
[0024] 图1是本发明所述实施例的基于OFDM的PLC系统吞吐量优化方法流程图。
[0025] 图2是本发明所述实施例二分法求解传输功率方案流程图。
[0026]图3是本发明所述实施例吞吐量优化方法收敛图。
[0027]图4是本发明所述实施例性能仿真比较图。
【具体实施方式】
[0028] 为了使本发明的目的和效果更加清楚，下面对电力线0FDM通信系统模型及本文 发明方法进行详细描述。
[0029] 与传统的0FDM系统不同，本文考虑一个单用户加窗型0FDM系统。假设系统共有 U个子载波，占用的总带宽为BMHz，0FDM系统的循环前缀长度为s(此处，s代表单位： 秒）：Tep=GI+RI，其中GI为保护间隔，RI为滚降长度。在传统0FDM系统中，一般有RI= 0,而在PLC系统中却不等于零。另外，0FDM符号长度为Ts，其中T=TQ+GI，T。为FFT窗口 周期，巧为子载波间隔。假设在U个子载波中使用L个子载波来传输数据，根据多载 丨U. 波通信系统原理知识，第η。个0FDM符号中的第m。个子载波的解调样本y(m。，η。）可以表示 为：
[0030]
<13
[0031]其中：a(m。，n。)、、ICI(m。，n。)、ISI(m。，η。）和b(m。，η。）分别表示第η。个 0FDM 符号中的第m。个子载波的信道增益，调制符号，载波间干扰、符号间干扰和循环复高斯型系 统噪声。
[0032] 不生一般件，考虎时不夺信道，0I丨等忒Π)可以简化为：
[0033]
C2)
[0034] 由于实际PLC系统中使用的子载波数L比较大，根据中心极限定理可以假设干扰 在L个子载波上是服从正态分布的。因此，第m。个子载波上的信干噪比（SINR，Signalto interferenceplusnoiseratio)可以表不为：
[0035]
(3)
[0036] 其中：P(m。）是载波m。的传输功率，) %载波m。上的噪声功率。
[0037]相应地，载波m。上容量函数可以表示为：
[0038]
(4)
[0039] 其中：Γ表不彳目噪比差额。
[0040] 为了方便，定义AUSE为L个使用的子载波集合，S卩|AUS1 =L，其中|AUS1表示集 合Ause的元素个数。根据文献[ThanhNhanVo,KarineAmis,ThierryChonavel,Pierre Siohan，"AchievableThroughputOptimizationinOFDMSystemsinthePresenceof InterferenceanditsApplicationtoPowerLineNetworks"IEEETransactionsOn Communications，Vol. 62,No. 5,May2014]可以知道，有如下等式：
[0041]
(5}
[0042] 其中：W(mQ，m)表示第m个子载波对第m。个子载波的干扰，并且mQ，mGAu'
[0043] 根据（5)式，定义p全为功率分配向量，N⑴ 噪声功率向量，矩阵W为干扰矩阵，BP
[0044]
[0045] 因此，（5)式和⑶式可以分别等价为：
[0046]
[0047]
[0048] 对于电力线0FDM通信系统，系统性能的重要度量标尺为吞吐量，因此在满足功率 约束下的吞吐量最大化设计问题可描述为：
[0049]
[0050] 其中：Ptotal表示总功率约束值，P_(m)为子载波m允许最大传输功率。
[0051] 分析模型，知道问题（9)是非凸非线性问题，很难直接求解，因此我们根据凹凸转 化思想将问题（9)等价为一个加权最小均方差（WMMSE)问题，然后通过优化该问题达到优 化问题（9)的目的。
[0052]首先，定义|?(m)|","，，构建虚拟的平坦衰落实信道模型有：
[0053]
(10)
[0054] 其中：sm~N(0, 1)表不第m个发射机虚拟发射符号，~ ~?/λ「W(";"和 \~:V(0,I?)表示加性高斯白噪声。
[0055] 在第m，…，Z.}个子载波，我们用MMSE均衡器Uni对Sni进行最小均方误差估 计（MMSE，min-mean-square-error)，相应的估计误差em可表示为：
[0056]
C11)
[0057]引入权重{tj，根据虚拟信道模型可知，问题（9)等价为如下问题：
[0058]
[0059] 从（12)知道该问题仍然非凸，但是却可以采用简单的块坐标下降法，即固定一个 或者多个变量求解另一个变量的思想迭代求解该问题，基于此想法，当固定t"，qj寸，可由 (11)得到IV即丽SE均衡器：
[0060]
[0061] 从而求解得到em= 1-umhmqm，然后再固定qm，em求得tm，即：
[0062]
[0063] 最后固定em，tm，求解qm，具体如下：
[0064]