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)絡可以被劃分到局部網(wǎng)絡中。與傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡通信相比，電力線網(wǎng)絡需要不斷提高其頻譜效率，因此許多智能家庭網(wǎng)絡采用了正交頻分復用技術(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)驗被研究者運用到了電力線上。與無線網(wǎng)絡類似，電力線通信中也有兩種信道分配策略，有競爭機制和無競爭機制的。其中，建立在競爭機制下的信道分配算法很多，當前電力線homeplugav標準下，csma/ca在媒體接入控(mac)層是一項非常重要的技術(shù)。然而，在基于競爭機制下的分配策略不能很好地滿足實際應用中用戶對服務質(zhì)量的要求，特別是智能家庭網(wǎng)絡中多負載的情況。

無競爭機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用(timedivisionmultipleaccess，tdma)方式實現(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)絡由一個終端節(jié)點和一個中繼節(jié)點組成，中繼節(jié)點做為核心設(shè)備，管理著整個網(wǎng)絡以及信道的分配問題。就是這樣一個高度集中化的拓撲網(wǎng)絡促進了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)的拓撲結(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優(yōu)化(multipleoptimalobjectives，moo)方法被提出，此方法滿足了網(wǎng)絡中用戶的多項要求。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)絡子信道分配方法進行說明。

技術(shù)實現(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)計了一種電力線網(wǎng)絡子信道分配方法。

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g(v,e)來表示電力線系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，其中v是n個節(jié)點的集合，e是固定通信鏈路的集合。ε(u,v)∈e表示節(jié)點u可以和節(jié)點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)絡的拓撲和流量的公平的原則來考慮流量的約束條件。在網(wǎng)絡中，一個節(jié)點若不是源節(jié)點或目的節(jié)點，在這一節(jié)點處的流量的流入量和流出量是相等的。因此節(jié)點處的限制條件如下

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質(zhì)量，節(jié)點還需要滿足用戶對流量的要求

是節(jié)點u需要的吞吐量，λ0是公平率，代表需求流量跟實際流量的比值。因此是u節(jié)點實際的流量。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，背景噪聲由許多強度不大的噪聲源疊加而成，一般認為它們是時不變的。而由電源開關(guān)等其他復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，當節(jié)點u發(fā)送信號給節(jié)點v時，節(jié)點v處的接收信號的信干比sinr可以表示為

pv(u)表示節(jié)點u發(fā)送給節(jié)點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立調(diào)度的。圖2為最優(yōu)子信道分配的算法流程圖。當每個集合中的鏈路的接收模塊的顏色相同時，就可以實現(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m＝1鏈路間相互影響的示意圖。

當情況下的循環(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

具體實施方式

基于流量公平性和干擾約束的電力線網(wǎng)絡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)點若不是源節(jié)點或目的節(jié)點，在這一節(jié)點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質(zhì)量，節(jié)點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。當節(jié)點u發(fā)送信號給節(jié)點v時，節(jié)點v處的接收信號的信干比sinr應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)計子信道分配算法，對電力線網(wǎng)絡進行信道分配。

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。滿足服務要求的用戶的數(shù)量也可以反映出服務的質(zhì)量，所有的方法中，csma/ca的方法下的用戶的服務情況是最糟的，tdma和moo的其次，本專利提出的子信道分配算法最好?？傊?，仿真結(jié)果表明電力線網(wǎng)絡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。