本發(fā)明涉及的是基于流量公平性和干擾約束的電力線網(wǎng)絡(luò)子信道分配方法，屬于電力線通信(powerlinecommunication，plc)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在智能電網(wǎng)范疇內(nèi)，電力線接入網(wǎng)和智能家庭電力線網(wǎng)絡(luò)可以被劃分到局部網(wǎng)絡(luò)中。與傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)通信相比，電力線網(wǎng)絡(luò)需要不斷提高其頻譜效率，因此許多智能家庭網(wǎng)絡(luò)采用了正交頻分復(fù)用技術(shù)。通過把可用帶寬劃分為多個正交的窄帶子信號，電力線通信(powerlinecommunication，plc)系統(tǒng)可以提高其頻譜利用率，在移動網(wǎng)絡(luò)中信道分配技術(shù)一直被人們廣泛研究，無線通信中獲得的許多經(jīng)驗(yàn)被研究者運(yùn)用到了電力線上。與無線網(wǎng)絡(luò)類似，電力線通信中也有兩種信道分配策略，有競爭機(jī)制和無競爭機(jī)制的。其中，建立在競爭機(jī)制下的信道分配算法很多，當(dāng)前電力線homeplugav標(biāo)準(zhǔn)下，csma/ca在媒體接入控(mac)層是一項(xiàng)非常重要的技術(shù)。然而，在基于競爭機(jī)制下的分配策略不能很好地滿足實(shí)際應(yīng)用中用戶對服務(wù)質(zhì)量的要求，特別是智能家庭網(wǎng)絡(luò)中多負(fù)載的情況。

無競爭機(jī)制策略下的信道分配算法可以有效保證通信的高質(zhì)量，它是可以通過時分復(fù)用(timedivisionmultipleaccess，tdma)方式實(shí)現(xiàn)的,這種方式下可以探索出許多有助于提高系統(tǒng)通信效率的方法，因而被廣泛采用。一個典型的智能家庭plc網(wǎng)絡(luò)由一個終端節(jié)點(diǎn)和一個中繼節(jié)點(diǎn)組成，中繼節(jié)點(diǎn)做為核心設(shè)備，管理著整個網(wǎng)絡(luò)以及信道的分配問題。就是這樣一個高度集中化的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)促進(jìn)了tdma制式下的信道分配問題發(fā)展。

無線通信和電力線通信的通信環(huán)境和特點(diǎn)存在很大差異，無線信號的衰減是由多路信號的建構(gòu)和結(jié)構(gòu)復(fù)合的結(jié)果。電力線中的信號衰落是由分支電網(wǎng)中的信號反射造成的，與系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系。信號會在每個電容和變壓器處存在衰減。在噪聲方面，無線中的噪聲屬于熱噪聲，電力線噪聲被模擬為有色背景噪聲、異步脈沖噪聲。由于電力線中信號衰減非常嚴(yán)重，建立在信道狀態(tài)信息(channelstateinformation，csi)基礎(chǔ)上的子信道分配算法成為電力線通信中一種有效的調(diào)度方法。

近年來相關(guān)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)聚焦到提升電力線tdma通信系統(tǒng)中子信道分配算法的表現(xiàn)上。但這些算法有一個最大問題就是忽略了系統(tǒng)的公平性原則。之后一種基于多目標(biāo)優(yōu)化(multipleoptimalobjectives，moo)方法被提出，此方法滿足了網(wǎng)絡(luò)中用戶的多項(xiàng)要求。但這種方法存在明顯的缺陷，它是一種貪婪算法，該方法可能存在不可接受的復(fù)雜性。

本發(fā)明將對基于流量和公平性約束以及干擾約束的電力線網(wǎng)絡(luò)子信道分配方法進(jìn)行說明。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：考慮流量公平性約束和干擾約束兩種限制條件，為提高用戶公平性和系統(tǒng)吞吐量，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種電力線網(wǎng)絡(luò)子信道分配方法。

技術(shù)方案：本發(fā)明提出的電力線網(wǎng)絡(luò)子信道分配方法，主要包括以下幾個階段。

第一階段：定義一個圖標(biāo)g(v,e)來表示電力線系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中v是n個節(jié)點(diǎn)的集合，e是固定通信鏈路的集合。ε(u,v)∈e表示節(jié)點(diǎn)u可以和節(jié)點(diǎn)v直接通信。系統(tǒng)中，每條信道都有若干子信道，這些可用的子信道組成了子信道集合，表示為c＝{ci},i＝1,2,...,k，k是子信道的最大數(shù)量。

第二階段：考慮流量和公平性約束。我們從網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浜土髁康墓降脑瓌t來考慮流量的約束條件。在網(wǎng)絡(luò)中，一個節(jié)點(diǎn)若不是源節(jié)點(diǎn)或目的節(jié)點(diǎn)，在這一節(jié)點(diǎn)處的流量的流入量和流出量是相等的。因此節(jié)點(diǎn)處的限制條件如下

e°(u)是從u發(fā)出數(shù)據(jù)的的所有鏈路的集合，eⁱ(u)是流入u的所有鏈路的集合。fe為鏈路上所有信道吞吐量的總和，信道占用率xe,k表示了在一段時間內(nèi)(整數(shù)倍時隙)，鏈路e工作在信道k上的時間占總時間的比例，re,k是鏈路e在信道k上的信道容量。

而對任何的鏈路e來說，為了保證用戶的服務(wù)質(zhì)量，節(jié)點(diǎn)還需要滿足用戶對流量的要求

是節(jié)點(diǎn)u需要的吞吐量，λ0是公平率，代表需求流量跟實(shí)際流量的比值。因此是u節(jié)點(diǎn)實(shí)際的流量。式(2)可以保證用戶的流量公平。

第三階段：考慮干擾約束。電力線中噪聲主要來自背景噪聲和脈沖噪聲。其中，背景噪聲由許多強(qiáng)度不大的噪聲源疊加而成，一般認(rèn)為它們是時不變的。而由電源開關(guān)等其他復(fù)合源引起的脈沖噪聲對系統(tǒng)信干比威脅很大。此外，在同一時隙下，其他處于工作狀態(tài)的鏈路也會影響到鏈路e的信息傳輸。假設(shè)所有節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率為p0，g(u,v)為從發(fā)送端到接收端v的增益，j表示此時正在發(fā)送信號的其他節(jié)點(diǎn)的集合，這樣其他鏈路的帶來的噪聲可以表示為

由于信號能否被成功接收很大程度上取決于接收信號的sinr，當(dāng)節(jié)點(diǎn)u發(fā)送信號給節(jié)點(diǎn)v時，節(jié)點(diǎn)v處的接收信號的信干比sinr可以表示為

pv(u)表示節(jié)點(diǎn)u發(fā)送給節(jié)點(diǎn)v信號的接收功率。γ為接收端成功接收信號的sinr的最低要求。

第四階段：求滿足約束條件的解。在以上基礎(chǔ)上，我們就可以建立起以流量公平和抗干擾為約束，以追求系統(tǒng)總吞吐量最大化為目標(biāo)的子信道優(yōu)化模型。

根據(jù)以上條件解出的xε,k可以從整體性上保證子信道間基本無干擾和系統(tǒng)總流量最大化。它給每一條鏈路一個傳輸時刻表，根據(jù)這個時刻表，我們可以清楚每條鏈路的可用時隙和相關(guān)子信道。

第五階段：子信道分配算法描述。本方法引入長度類的標(biāo)記方法，讓lj表示長度在[j,j+1)范圍內(nèi)的鏈路集合。這樣，所有的鏈路就可以被分成互不重復(fù)的長度類的集合了，l＝{l0,l1,…,ldmax}，dmax是所有鏈路中最長的鏈路的長度。其中的所有子集合都是分開獨(dú)立調(diào)度的。圖2為最優(yōu)子信道分配的算法流程圖。當(dāng)每個集合中的鏈路的接收模塊的顏色相同時，就可以實(shí)現(xiàn)同時調(diào)度。假設(shè)t是調(diào)度的時隙間隔，該算法把信道k分配給鏈路ε，總的時隙為t·x(ε,k)。因此，本算法的基本思想是盡量分配時隙給(ε,k)。

圖3展示了對于鏈路集合lj，算法的內(nèi)部循環(huán)鏈路影響示意圖，算法先選中一種色塊，然后在其中選擇鏈路，并為它分配時隙。算法通過m依次選擇圖中的正方形塊，圖中所示為當(dāng)m＝1鏈路間相互影響的示意圖。

當(dāng)情況下的循環(huán)結(jié)構(gòu)對w中的所有長度類集合都適用。在選定的色塊選擇的顏色是m時，算法根據(jù)當(dāng)前x(ε,k)，多信道被分配給所有的鏈路。在下一個判斷的語句k∈c中，每對鏈路和信道的組合都可以在調(diào)度階段獲得t·x(ε,k)個時隙。此外，ε是否屬于集合e這個判斷語句是用來設(shè)計(jì)鏈路和信道組合的，信道間必須是滿足干擾條件的，所以我們需要在不同的方塊中涂上相同的顏色，以保證信道間無干擾。

附圖說明

圖1為方法流程圖

圖2為子信道分配算法流程圖

圖3為算法內(nèi)循環(huán)鏈路影響示意圖

圖4為不同公平因子下子信道流量變化圖

圖5為滿足要求的用戶數(shù)量變化圖

具體實(shí)施方式

基于流量公平性和干擾約束的電力線網(wǎng)絡(luò)子信道分配方法基本流程如下：

(1)步驟1：

分析流量和公平性約束問題。具體可分為流量約束和公平性約束。

流量約束：一個節(jié)點(diǎn)若不是源節(jié)點(diǎn)或目的節(jié)點(diǎn)，在這一節(jié)點(diǎn)處的流量的流入量和流出量相等。根據(jù)此原則建立流量約束模型。

公平性約束：對任何的鏈路e來說，它為了保證用戶的服務(wù)質(zhì)量，節(jié)點(diǎn)需要滿足用戶對流量的要求。所以

(2)步驟2：

根據(jù)干擾約束建立模型。當(dāng)節(jié)點(diǎn)u發(fā)送信號給節(jié)點(diǎn)v時，節(jié)點(diǎn)v處的接收信號的信干比sinr應(yīng)大于滿足接收端成功接收信號的sinr的最低值。

(3)步驟3：

由以上步驟可解出xε,k。在滿足xε,k的前提下，設(shè)計(jì)子信道分配算法，對電力線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信道分配。

圖4為不同流量公平因子λ0下的子信道的平均流量變化情況圖。從圖中可以明顯看出，公平因子對平均流量有很大的限制作用。與單純的tdma和moo算法相比，可以看出plc子信道最優(yōu)算法在λ0變化的全過程里都具有很大的優(yōu)勢。圖5為不同機(jī)制分配策略下，滿足要求的用戶數(shù)量隨著流量變化因子變化的折線圖。滿足服務(wù)要求的用戶的數(shù)量也可以反映出服務(wù)的質(zhì)量，所有的方法中，csma/ca的方法下的用戶的服務(wù)情況是最糟的，tdma和moo的其次，本專利提出的子信道分配算法最好。總之，仿真結(jié)果表明電力線網(wǎng)絡(luò)子信道分配算法可以提供比傳統(tǒng)算法均衡的用戶公平和更高的系統(tǒng)總流量。