摘要: 寬帶電力線載波基于正交頻分復用技術可實現電力串行通信數據的并行傳輸，增強了電力通信系統的實時性與高效性。針對寬帶電力線載波通信資源分配問題，文中提出了一種低復雜度的物理層資源分配算法，首先基于等功率分配方式確定各用戶為滿足其最低速率需求所需的子載波集合，將多用戶資源分配問題降維成單用戶資源分配問題，之后對各用戶所分配的子載波集進行功率優化，實現系統吞吐量的進一步提升。實驗表明所提算法在滿足更多用戶并發業務的最低傳輸速率需求的同時，有效提升了網絡吞吐量。

　　關鍵詞: 物理層; 資源分配; 功率優化; OFDM

　　Abstract: Based on orthogonal frequeney division multiplexing technology, broadband power line carrier can realize the parallel transmission of power serial communication data, which enhances the real-time and efficiency of power communi-cation system. Aiming at the problem of broadband power line carrier communication resource allocation, this paper proposes a low-complexity physical laver resource allocation algorithm. Firstly, based on the equal power allocation method, the set of subcarriers required by each user to meet their minimum rate requirements is detemined, and the multi-user resource allocation problem is reduced to a single-user resource allocation problem, and then, the power of the sub-carier set allocated by each user is optimized to further improve the system throughput. Experiments show that the algorithm proposed in this paper effectively improves the network throughput while meeting the minimum transmission rate requirements of concurrent services for more users.

　　Keywords: physical laver, resource allocation, power optimization, OEDM

　　0 引 言

　　為實現電力系統各環節的萬物互聯，實現電網的全面態勢感知，需要以堅強可靠的電力物聯和通信技術作為支撐[1]，依托云計算、智能物聯、5G 通信等技術，構建人機交互、信息高效處理、應用便捷靈活特征的智慧服務系統。作為電力物聯網核心技術之一的先進通信技術是保證電力系統各環節各設備能夠全面感知的前提[2]，然而隨著大量智能傳感設備的接入，系統 中無疑會出現各類具有不同通信需求的業務，同時必然會引起數據量爆發式增長，這就對現有的通信方式提出了嚴峻挑戰[3]。因此如何保證各類數據能夠快速準確可靠的傳輸，避免網絡出現擁塞影響電力系統對設備的實時控制。

　　電力線載波通信( Power Line Communication，PLC)將數據流于電力線路中與能量流并行傳輸，與無線通信相比具有不受天氣遮蔽物的影響，天然具有電氣設備互聯、建設成本低的特點，是電力物聯網信息交互的最有效通信方式之一4。電力線載波通信技術歷經傳統窄帶電力線載波通信(Narrow Power Line Communication，NPLC)逐漸發展成如今寬帶電力線載波通信(High Power Line Communication，HPLC)，從帶寬容量，傳輸速率和穩定性方面都有了極大提升0.HPLC利用正交頻分復用技術(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技術將通信速率由原來的kbps提高到Mbps1，在電力物聯網中具有廣泛的應用前景，例如智能電能表集抄技術回、電氣設備物聯技術等。然而隨著終端設備通信業務的多樣性以及智能電網對末端設備通信需求的不斷增長，傳統OFDM資源分配算法已然難以滿足信息傳輸和保證多用戶服務質量的需求，為此對資源按需分配技術開展相關研究，將提升電力并發多業務的服務質量水平。

　　現階段部分學者對電力線載波通信資源分配問題開展了初步研究，其中文獻[0]采用等功率分配方式為電力線載波信道中的各子載波加載功率，為各類用戶調配信道時以最大化公平偏離度為標準，并通過微調此偏離度維持載波系統可靠性，但該算法沒有考慮極端場景下對任務完成時間敏感的用戶的影響。文獻01]利用功率注水最大吞吐量算法求出各用戶的功率注水線后，并在各用戶所用子載波上加載相應功率，但是當系統內的用戶數量較多時，算法的計算量較大，導致不能及時求出最優分配結果。文獻[2]提出了一種基于差額分配原則的低復雜度算法，其在為非實時用戶分配資源時基于比例公平原則，并通過對比特進行逐位削減以滿足系統功率限制，但是在系統容量不足的情況下非實時用戶的服務質量難以得到保證。文獻

　　[3]基于信噪比最大的原則為用戶分配子載波，然后在滿足用戶與未滿足用戶之間交換子載波，最后基于功率增量最小原則交換子載波之間的比特，進而實現各用戶的資源配置過程。

　　針對上述寬帶電力線載波通信資源分配算法存在的問題，文中提出了一種能夠滿足系統內各用戶服務質量需求的物理層資源分配新方法，首先基于等功率分配方式確定各用戶為滿足其最低速率需求所需的子載波集合，將多用戶資源分配問題降維成單用戶最優功率分配問題，之后對各用戶所分配的子載波集進行功率優化，實現系統吞吐量的進一步提升。

　　1 電力線載波通信問題描述

　　電力線載波通信網絡拓撲結構如圖 1 所示，電力線信道是一個開放共享的信道[14]，在中低壓三相供電系統中，A、B、C 三相各相有獨立的 PLC 網關，而各 PLC設備需要在共享的一相電力信道上競爭本相資源。因 此，多用戶動態資源分配問題的實質就是根據電力線信道的狀態信息，在每個 OFDM 符號內為實時( RealTime，RT) 用戶和非實時( None Real-Time，NRT) 用戶分配不同的子載波，并在相應的子載波上根據信道增益的大小自適應選擇不同的調制方式，進而根據香農公式加載相應比特。

　　由于網絡內各個用戶所在位置、連接的負載阻抗以及傳輸距離的不同，不同子載波對系統內的各個用戶表現出不同的信道衰減情況15)，因此在為用戶分配子載波時，應充分考慮不同子載波之間的信道差異性，充分發揮多用戶的分集增益。并且由于OFDM技術的使用，使系統內的各個子載波能夠獨立進行調制與解調，其中寬帶電力線載波通信OFDM技術包含了BPSK.OPSK，8PSK.16QAM，640AM，128QAM 等$?調制編碼方式[1，系統根據子載波信道質量的大小選擇相應的調制方式。

　　寬帶電力線載波通信多用戶動態資源分配不僅要滿足各類用戶的服務質量速率需求，同時還要考慮不同用戶之間的公平性[1，均衡信道質量較好與較差的用戶資源占用情況，以滿足整體服務質量水平。

　　2電力線載波通信資源分配模型

　　假設寬帶電力線載波通信系統中有N個子載波，h個 RTP，1NKT戶(RT戶集合為2，NRT用戶集合為a2)。多用戶寬帶電力線載波通信系統在進行資源分配時，考慮到RT用戶對時延更敏感，有明確且較高的要求，系統首先將子載配給RT用戶，滿足RT用戶的速率要求Rr。在為RT用戶分配資源滿足其服務質量速率要求時，應盡量減少RT用戶的資源占用率，以便保留充足的資源滿足NKT用戶的服務質量速率要求Rr.在滿足全部用戶的服務質量速率要求后，若系統還有剩余資源，則繼續將剩余資源全部分配給用戶，以提高系統的整體吞吐量[]。系統在為各用戶分配子載波時，并不需要保證各用戶在獲得子載波資源時的公平性，而是在系統容量一定時保證系統內的多用戶并發混合業務均能夠滿足其傳輸服務質量速率需求的公平性。通過上述分配思想，寬帶電力線載波通信動態資源分配數學模型如下。

　　在該數學模型中目標函數為實現系統吞吐量的最大化。其約束條件說明如下為: C1為子載波分配標志 位; C2為子載波 n 與用戶之間一對一的限制; C3為總發 射功率限制; C4為單載波最大發射功率限制; C5 為 RT用戶服務質量速率需求限制; C6為 NRT 用戶服務質量速率需求限制。

　　3 物理層資源分配算法

　　上述寬帶電力線載波通信動態資源分配數學模型為復雜的多約束整數規劃問題，直接對其進行求解較為困難。文中為降低電力線載波通信資源分配問題求解的復雜度，在此采用分步法為各用戶分配子載波以及系統功率。算法首先為調度用戶劃分子載波集以保證用戶滿足其服務質量需求，通過將頻段內 N 個子載波等功率分配，各頻段載波分配量為[20]:

　　物理層計算在子載波等功率模式下為滿足用戶服務質量速率要求所需的子載波數量為 nk，則分配給用戶 k 的系統功率 pk = nk pn，其中，

　　在確定各用戶為滿足其業務服務質量速率要求所用子載波后，進一步確定子載波集合與各個用戶之間的服務質量速率需求，采用拉格朗日乘子法對子載波以最大化用戶吞吐量為目標進行分配[21]，如公式( 5) 所示。

　　由于寬帶電力線載波通信系統內接有不同類型的用戶，不同用戶具有不同的業務優先級，系統應優先保證高優先級用戶能夠獲得充足的系統資源滿足其 QoS速率需求，并按照業務優先級的大小依次為用戶分配系統資源。下面結合圖 2 算法流程圖，給出其具體資源分配步驟如下:

　　由于寬帶電力線載波通信系統內接有不同類型的用戶，不同用戶具有不同的業務優先級，系統應優先保證高優先級用戶能夠獲得充足的系統資源滿足其服務質量速率需求，并按照業務優先級的大小依次為用戶分配系統資源。下面結合圖 2 算法流程圖，給出其具體資源分配步驟:

　　4 算法性能分析

　　為驗證文中所提方法在滿足多用戶服務質量速率需求上具有的優越性，此處以接入寬帶電力線載波通信系統 4 用戶為例展開實驗分析，參量說明如表1所示。

　　系統內包含了2個RT用戶和2個NRT用戶，其中信道質量由高到低分別為RT，> RTI，NRT，> NRT2為了驗證所提算法的性能，分別在系統容量充足以及系統容量不足兩種環境下將所提算法與文獻[10]中Gong算法和文獻[1]中最大吞吐量算法對RT用戶、NRT用戶的吞吐量進行對比。

　　圖3為系統容量充足時各算法下不同用戶的吞吐量對比，從圖中可以看出最大吞吐量算法為了追求系統整體吞吐量的最大化，將大量系統資源分配給信道質量較好的用戶RT，、RT，該類用戶獲得了較多的系統資源因而其速率遠高于服務質量速率需求，而信道質量較差的用戶RT2、NRT，因獲得的資源不足導致速率低于服務質量要求的最低速率，系統內用戶之間的公平性較差。Gong算法在為各用戶分配系統資源時考慮了不同業務的服務質量需求，因此在系統容量充足時4個用戶均能滿足要求，而整體吞吐量較低，其原因在于此算法采用累計公平偏離度最大的原則。而所提算法通過基于等功率分配方式為系統內各子載波加載功率，使系統內的各用戶滿足其最低速率需求，當系統內存在剩余資源情況下基于信噪比最大的原則繼續為用戶分配剩余資源，之后采用拉格朗日乘子法對各用戶內的子載波進行最優功率分配，大大提高了各用戶的實際 吞 吐 量。對于信道質量較差的用戶 RT2、NRT2，所提算法比最大吞吐量算法用戶吞吐量分別提高了 16. 94% ，14. 18% ，比 Gong 算法用戶吞吐量分別提高了 6. 47% 、4. 97% 。

　　圖4為系統容量不足時各算法下不同用戶的吞吐量，其中最大吞吐量算法在系統容量不足時依然將大量資源分配給信道質量較好的用戶KT，RT，其速率遠高于最低速率需求，然而信道質量較差的用戶RT2NRT，因獲得的資源不足，速率低于服務質量要求的最低速率。Gong算法采用等功率分配方式并基于累計公平偏離度最大的原則首先為RT用戶分配系統資源，之后再為NRT用戶分配剩余資源，在系統容量不足的環境下，雖然該算法滿足了RT用戶的服務質量速率要求，但NRT用戶獲得的速率均低于服務質量速率需求。而所提算法在為各用戶分配系統資源時考慮了各用戶的服務質量速率要求，通過對各用戶子載波進行功率優化，有效提高了各用戶的實際吞吐量，在系統容量不足時僅有用戶NRT，未滿足服務質量速率要求，因此所提算法將寬帶電力線載波通信的傳輸性能進行了有效提升，可以滿足系統內更多用戶的服務質量需求。

　　5 結束語

　　針對寬帶電力線載波通信物理層資源分配問題，文中提出了一種低復雜度的物理層資源分配算法，算法首先基于等功率分配方式確定各用戶為滿足其服務質量速率需求所需的子載波集合，將多用戶資源分配問題降維成單用戶最優功率分配問題，之后基于對各子載波集信道進行了優化調配，進一步提升了載波信道吞吐量。通過系統容量充足以及系統容量不足兩種仿真環境，驗證了所提算法不僅可以提高系統的吞吐量，而且能夠滿足寬帶電力線載波通信系統內更多用戶的服務質量需求，有效提高了寬帶電力線載波通信傳輸性能。

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文章名稱： 寬帶電力線載波通信物理層資源分配新算法

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