E的传输速率范围。
[0042] 3、本发明创新性的引入了 UE优先级，为每个UE设定一个优先级来限制其得到资源 的级别，例如：当UE信道条件较差时，设置为高优先级。
[0043] 4、最小速率需求变量考虑得非常全面，UE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，更真实地反映抄表网络中电表负载差异大的问题，减小了 电表传输中断和网络拥塞的概率。
[0044] 5、本发明同时兼顾了系统吞吐量和UE公平性，在UE公平性和系统吞吐量之间取得 了平衡，实现了最优的频谱资源分配，保证了系统整体性能。
【附图说明】
[0045] 图1是本发明实施例提供的基于用户最小速率需求的电力线信道通信资源分配方 法资源公平分配流程图；
[0046] 图2是本发明实施例提供的PLC通信系统结构图；
[0047] 图3是本发明实施例提供的仿真所用15径信道传输特性图；
[0048] 图4是本发明实施例提供的不同子载波分配算法下，系统的平均吞吐量比较图；
[0049] 图5是本发明实施例提供的不同子载波分配算法下，系统公平指数比较图；
[0050] 图6是本发明实施例提供的系统用户平均传输速率的与平均最小速率需求的关系 图。
【具体实施方式】
[0051] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0052] 本发明的通信系统架构如图1所示，电表或集中器的有效数据经过扰码、级联纠错 编码、交织、映射，由DSM算法进行比特和功率分配后进行传输。系统的数据单元帧结构由3 部分级联而成，包括前导序列(Preamble)、帧控制头(frame control header，FCH)和有效 数据(DATA)。其中：前导序列应按一定原则预先选好，用于接收同步及信道和初始相位的估 计;FCH包含本次传输所使用的调制方式、子载波的利用情况及传输的符号数等，即信令开 销。
[0053]本发明是基于集中式的资源分配架构方面，要求集中器有获取所有系统信息的能 力，这样的好处是可以掌握全局信息，进行资源的整体调度和分配，从而获得最优子载波分 配方案。例如，集中器可以通过集中控制来估计子信道状态条件(CSI)。同时在每一次的传 输中，每个UE可以选择不同的子载波，但是不允许多于子载波数目的UE接入信道。
[0054]如图1所示，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，该方法包括以下步骤：
[0055] S101，确定UE在子载波信道上的可达传输速率。
[0056]具体的，由于子信道的窄带特性，信道响应具有平坦特性，可以看作一个理想信 道，子载波信道上的传输速率用下式表示：
[0058]其中B是PLC通信系统的子载波带宽，<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。
[0059] S102，集中器初始化所有可用的子载波信道；
[0060] S103，对每个子载波信道的衰减排序，为每个UE分配一个未占用的最优子载波，使 所有UE的瞬时速率最大化；
[0061] 步骤3.1，集中器根据收集到的所有子信道的衰减对子载波进行排序，同时收集所 有子信道的噪声功率信息；
[0062] 步骤3.2，根据步骤一的公式，计算所有UE和子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：
[0063] (??*, ?*) = ：arg max , m e M,? e mfn
[0064]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；
[0065]步骤3.3，更新未占用子载波集合和为分配子载波UE集合；
[0066] S104,根据UE最小速率需求计算每个UE的优先级，按公平策略选出一个最优的UE;
[0067] 步骤4.1，计算UE m的最小需求速率qm，具体计算公式如下：
[0069] 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，？表示UE m的数据包在集中器的平均计算 等待时间（用户时延涉及两方面，一个是用户的传输时延，另一个是集中器的计算等待时 延)；
[0070] 步骤4.2,根据UE m的最小需求速率和S102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：
[0071] com=qm-Rm
[0072]其中，qmSUE m的最小需求速率，心为1? m在已分配子信道的总传输速度；
[0073] 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：
[0074] ?* = argmaX(0m+rm)i?w m
[0075] 其中，为用户UE m优先级，为非负的拉格朗日乘子，Rm为用户在已分配子信 道的总传输速度；
[0076] 在步骤4.3中公平的资源分配问题是一种基于合作的纳什均衡问题，利用集中式 分配算法进行频谱资源的整体调度和分配，同时加入了纳什均衡思想，采用博弈论来分析 公平的资源分配问题。具体方法如下
[0077] (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，那么可以定义上述问题的目标函数为
[0082]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。iC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)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。
[0083] (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P：：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 anUPym为一组非负的拉格朗日乘子，则原问题的拉格朗日公式可以表示为：
[0085] (3)为了得到最优的子载波分配策略，对上式中求导，利用KKT条件计算可得：
[0088]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y m的值。假设条件已经限制y m非负，若l - 小于0，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。
[0089] S105,根据该最优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给能够使系统吞吐量最大的UE。若该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使其瞬时速率最大；
[0090] S106,更新子载波信道占用状态。重复S104和S105,直至所有子载波分配完毕直。 [0091]本发明使用Jain' S公平指数F测试UE间的公平性，衡量算法的性能。F的计算公式 如下：
[0093]其中1是现m的传输速率，M是总的用户数，F是一个属于(0，1]之间的数，F越大代 表算法的公平性就越好。
[0094]下面结合仿真对本发明的应用效果做进一步的说明：
[0095] 1、仿真条件：
[0096] (1)本发明的仿真具体仿真参数设置如表1所示：
[0097]表1.具体仿真参数设置
[0099] (2)仿真采用的电力线信道频域响应模型：
[0101 ] 其中，N:多径数；gi:加权因子；:衰落部分；e-延迟部分；
co=3xl〇V/s， erS相对介电常数，目为我国一般电力电缆所用PVC材