基于用户最小速率需求的电力线信道通信资源分配方法

文档序号:9931073阅读:506来源:国知局
基于用户最小速率需求的电力线信道通信资源分配方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电力线通信抄表技术领域,具体涉及一种基于用户最小速率需求的电 力线信道通信资源分配方法。
【背景技术】
[0002] 过去几十年电力线通信(powerline communication,PLC)技术巨大的发展,由于 电力线拥有不用重新布线、组网简单的优点,相比其他通信方式具有无可比拟的优势。现 在,我们不仅能够利用电力线进行自动抄表、智能家居等通信系统的低速传输控制,还能实 现数据,图片、音视频等互联网多媒体信息的高速传输。随着5G和物联网技术的飞速发展, 电力线载波通信技术作为一种新型的接入网方式必将发挥其重要作用。由于通信技术的高 速发展和电力线通信市场的兴起,国内外诸多科研机构都开展了宽带电力线通信技术的研 究,包括正交频分复用(CFDM)技术、高效的编码调制技术、鲁棒灵活的帧结构设计、信号处 理技术、频谱感知技术等。动态频谱分配是电力线载波通信技术中最受关注的热点之一。 [0003] 动态频谱分配或动态频谱管理(dynamic spectrum management,DSM)是在多载波 传输方式下,根据信道中各个子载波的信噪比(signal to noise ratio,SNR)在满足一定 服务质量的前提下,动态选择可用的子载波,对子载波承载的比特数、功率等资源进行优化 分配,使传输系统的相关指标达到最优。在PLC通信系统中,原始数据首先经过扰码、级联纠 错卷积编码,再经过交织、映射,最后由DSM算法进行子载波和功率分配。而合理的DSM算法 是提高系统传输效率和系统容量的关键。
[0004]通常,我们利用最优化理论来分析频谱资源管理问题,通过载波分配和功率控制 来使整个小区的吞吐量最大化。此方面的研究在资源分配架构方面,既有基于集中式的整 体最优化策略,如最优化单目标函数的整体求解;又有基于分布式的有限协作算法,如博弈 论。集中式的算法可以求得最优解但是算法计算复杂度高,分布式的算法通过采用博弈论 的思想可以简单求解,但是需要符合博弈策略且要进行收敛性证明。在无线频谱资源分配 算法中,一种是在满足约束条件的前提下,最大化系统吞吐量的算法;另一种是结合子载波 和功率特性的分配算法。M.K.Award等人研究了在满足用户最小速率需求条件下的最优载 波分配机制。W.Dang等人提出了一种在载波配对前提下的功率分配算法。I.Ahmed等人研究 了多目标的最优载波分配策略。总体而言,大多数研究都偏向于保障系统吞吐量,而此时用 户的公平性就无法得到保障,在以往满足用户之间公平性的算法中,最具代表性的有比例 公平算法。

【发明内容】

[0005]有鉴于此,本发明的主要目的在于提供一种基于用户最小速率需求的电力线信道 通信资源分配方法。
[0006]为达到上述目的,本发明的技术方案是这样实现的:
[0007]本发明实施例提供一种基于用户最小速率需求的电力线信道通信资源分配方法, 该方法为:确定UE在子载波信道上的可达传输速率,根据所有子载波信道的衰减对子载波 信道进行排序并且根据瞬时速率最大化原则为每个UE分配一个未占用的最优子载波信道; 然后根据UE最小速率需求确定所有UE的优先级并且从中选择一个最优UE,为所述最优UE分 配一个剩余子载波信道,重复选择最优UE并且分配一个剩余子载波信道直至所有子载波信 道分配完毕。
[0008] 上述方案中,所述确定UE在子载波信道上的可达传输速率,具体通过下式确定:
[0009] 其中B是PLC通信系统的子载波带宽,巧和巧分别表示UE m到集中器在子载波n 上的信道特性和传输功率,No为噪声功率。
[0010] 上述方案中,所述根据所有子载波信道的衰减对子载波信道进行排序并且根据瞬 时速率最大化原则为每个UE分配一个未占用的最优子载波信道,具体通过以下步骤实现:
[0011] 步骤3.1,集中器根据收集到的所有子载波信道的衰减对子载波进行排序,同时收 集所有子载波信道的噪声功率信息;
[0012] 步骤3.2,根据
计算所有UE和子载波信道组合的传输速 率,选出传输速率最大的组合,进行子信道分配,使该UE的瞬时速率最大化,具体选择方式 如下:
[0013] ?*): = argmaxi?*, m e.M, n e N-, ni,n
[0014]其中,M={1,2,.. .,M}和N={1,2,. . .,N}分别表示用户电表UE和子载波的集合, 表不UE m到集中器在子载波n上的传输速率;
[0015]步骤3.3,更新未占用子载波集合和为分配子载波UE集合。
[0016]上述方案中,根据UE最小速率需求确定所有UE的优先级并且从中选择一个最优 UE,具体通过以下步骤实现:
[0017] 步骤4.1,计算UE m的最小需求速率qm,具体计算公式如下:
[0019] 其中,\到泊松分布的达速率为(包/时隙),F为UE m的排队系统中数据包的大小, 单位为bit。代表UEm所能容忍的最大时延,歹表示UE m的数据包在集中器的平均计算 等待时间;
[0020] 步骤4.2,根据UE m的最小需求速率和其步骤二中最大化瞬时速率的差值大小,来 确定UE的用户优先级,UE m优先级〇m的计算公式如下:
[0021] com=qm-Rm;
[0022]步骤4.3,根据优先级的大小选出一个最优用户UE m,具体选择策略如下:
[0023] 故* = arg ma.x(w", + )心; m
[0024] 其中,com为用户UE m优先级,ym为非负的拉格朗日乘子,Rm为用户在已分配子载 波信道的总传输速度。
[0025]上述方案中,所述为所述最优UE分配一个剩余子载波信道,具体为:根据所述最优 UE是否满足了最小速率需求公平分配剩余子载波,如果是则随机分配一个剩余子载波信道 给能够使系统吞吐量最大的UE;若所述最佳UE的传输速率没有满足最小速率需求,则选择 最优的剩余子载波信道使其瞬时速率最大。
[0026]上述方案中,其特征在于,所述步骤4.3中选择策略,具体方法如下:
[0027] (1)假设M={1,2,. . .,M},N={1,2,. . .,N},分别表示用户电表UE和子载波的集 合,定义上述问题的目标函数为
[0032]其中,为用户UE m优先级,qm表示UE m在N个子载波上单位时隙所需要传输的总 比特数,同时最后变量/^=1意味着子载波n被分配给UE m使用,表示UE m到集中器在 子载波信道n上的传输速率,约束条件(3)式表示UE m总的传输速度必须小于等于最小传输 速度,其和时延相联系,表示在一个时隙内的数据传输速率不能小于此时隙内用户缓存中 的数据量,以保持排队系统的稳定性,如果传输速率不能达到要求值,则会产生传输中断;
[0033] (2)求解最优的子载波分配策略问题,使用松弛条件将上述原问题转换为线性规 划问题,然后采用拉格朗日方法来求解最优的频谱资源分配问题,让约束条件中的载波分 配指示符#::属于(〇,1 ]区间内的任意值,则< e (0,1]表示子载波n分配给UEm的概率,定义 an、0m,"和^为一组非负的拉格朗日乘子,则原问题的拉格朗日公式表示为:
[0035] (3)为了得到最优的子载波信道分配策略,对上式中 < 求导,利用KKT条件计算可 得:
[0038] 为了通过第一个式子求解最优的频谱资源分配并减少复杂度,我们直接由第二个 式子式估计丫 m的值,假设条件已经限制丫 m非负,若知-小于〇,则此时传输速率大 于其最小需求速率,取为〇,否则,ym取正值。
[0039] 与现有技术相比,本发明的有益效果:
[0040] 1、从场景角度,本发明考虑了电力线通信自动抄表系统中电力线信道通信资源公 平分配问题,总的目标是在满足用户电表UE最小传输速率的约束下,提高竞拍资源的公平 性,不仅适用于电力线窄带自动抄表系统和电力线宽带抄表系统,还可以应用于宽窄带混 合的电力线抄表系统。
[0041] 2、本发明考虑了多载波传输方式,每个UE动态选择可用的子载波,能够对子载波 承载的比特数、功率等资源进行优化分配,扩大了 U
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