萬正兵,鄧 奕

(1. 漢口學院電子信息工程學院,湖北 武漢 430212;2. 武漢紡織大學電子與電氣工程學院,湖北 武漢 430200)

1 引言

現(xiàn)階段電力線通信呈現(xiàn)出高速化發(fā)展趨勢[1],大多數(shù)電力線通信均已經(jīng)應用了OFDM技術[2]。但由于電力線通信信道本身的信道特性存有缺陷,當前的OFDM技術已無法保證通信服務質量,導致電力線通信資源分配過程出現(xiàn)失衡和耗時過長的問題。利用電力線通信資源的子載波合理地對各個子載波分配是保障電力線通信系統(tǒng)服務性能的關鍵。

針對這一問題,已經(jīng)有很多學者得到了一些優(yōu)秀的研究成果。魏紹亮[3]等人提出電力線通信帶寬自適應分配策略研究方法。以PLC通信質量評估值為主,利用建立的模型對帶寬實行訓練,并以數(shù)據(jù)篩選的方式簡化帶寬訓練方式,其訓練結果就是最終分配結果。楊立豎[4]等人提出面向負載-時間窗口的基于PSO-GA的云軟件服務自適應資源分配方法。主要以QoS預測模型為主,并基于面向負載時間窗口方法將未來負載全部引入到資源分配策略計算過程內,以此實現(xiàn)通信資源的自適應分配。饒寧[5]等人提出基于最大策略熵深度強化學習的通信干擾資源分配方法。利用構建的剪枝孿生結構對通信干擾詳細評估,并以策略熵最大化用作訓練目標,決策出最佳資源分配方案,實現(xiàn)了電力線通信資源的最優(yōu)分配。

但是由于電力通信過程是動態(tài)的,通信信道是多路徑的,其衰減和時變具有不規(guī)律性,因此上述已有方法在應用過程中無法適應這一特征,導致電力通信資源分配的均衡性仍然較差。為解決該問題,提出寬帶OFDM電力線通信資源自適應分配方法。

2 通信資源特性建模

在電力線通信寬帶信道中,OFDM技術屬于多載波并行調制形式,可以有效對并行數(shù)據(jù)流調制,令其在正交子載波內傳輸通信資源,避免出現(xiàn)子載波干擾的問題,有效的提升了電力線通信寬帶信道的利用率。

多載波通信系統(tǒng)中[6,7],通常會將寬帶劃分成不同頻率的M個窄帶子信道,通信數(shù)據(jù)資源輸入到信道時,會以串并轉換的形勢,將原始數(shù)據(jù)碼流速率轉換成1/M的并行碼流,以此抗拒外界干擾脈沖。并行傳輸信號經(jīng)過子載波調制器后,會形成符號序列,對該序列循環(huán)處理后,令其在信道中傳輸,信號經(jīng)A/D變化后就可以獲取接收序列,基于FFT方法對接收序列實施抽樣,以此獲取初始發(fā)送端調制信息。

2.1 寬帶OFDM調制、解調

OFDM電力線通信系統(tǒng)中,如果存在M個子載波,那么系統(tǒng)內單一的OFDM符號可以存在的時間就為Ts,對OFDM符號實行串并轉換時,輸送的時間要比發(fā)送信號的流速提升M倍,因此滿足于:Ts=MTinput的條件。其中,Tinput為比特流符號的發(fā)送周期。那么在OFDM電力線通信系統(tǒng)中子載波的第k個發(fā)送符號xk(t)定義為:

(1)

式中,i為子載波,X[i,k]為通信數(shù)據(jù)發(fā)送符號,fi為頻率。

那么在連續(xù)時間內的電力線通信OFDM系統(tǒng)基帶信號即可表示為

(2)

式(2)中包含子載波頻率,經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),電力線通信帶寬的子載波頻率均相差1/Ts倍,其主要原因在于不同的子載波均要滿足于正交性條件,所以在OFDM系統(tǒng)內部分子載波頻率會出現(xiàn)交叉、重疊的現(xiàn)象,以此預防子載波出現(xiàn)干擾的問題。因此利用下述公式驗證電力線通信子載波的正交性,若不同的電力線子載波信號成績在同一周期內的積分為0,就說明這些子載波信號均為正交[8],用公式表達式定義如下

(3)

2.2 寬帶OFDM保護頻帶特性

在Ts中各個子載波信號屬于信號與信號長度相乘的Ts矩形窗,其頻譜為sinc函數(shù),所以不斷疊加sinc函數(shù)就能形成OFDM信號功率譜,但是過大的輻射功率會對鄰道造成影響,容易出現(xiàn)干擾問題。為降低寬帶外功率,減少干擾影響,構建寬帶OFDM保護頻帶特性模型為:

(4)

式中,β為載波系數(shù),T表示符號長度,(1+β)T為加窗符號長度。

從(1+β)T可以看出信號符號OFDM之間相互重疊,且信號符號的最終長度需要由滾降系數(shù)確定。當β取值越大時,帶寬OFDM的外功率下降速度就會越快,這時將升余弦窗加入到式(4)中,即可降低功率,減小鄰道出現(xiàn)的干擾問題。

根據(jù)獲取寬帶OFDM電力線通信的OFDM調制解調及OFDM保護頻帶的特性[9,10],為后續(xù)的自適應資源分配提供重要基礎。

3 資源自適應分配

通過獲取的寬帶OFDM電力線通信特征,基于遺傳算法構建寬帶OFDM電力線通信資源自適應分配模型,利用該模型實現(xiàn)通信資源自適應分配。

1)通信資源數(shù)據(jù)包調度效用值計算

以電力線通信速率[11,12]及通信時延用作約束條件,令信道容量最大化,以此構建數(shù)據(jù)包調度效用值模型。

令帶寬OFDM電力線通信系統(tǒng)中心節(jié)點的用戶數(shù)據(jù)包服從泊松分布條件,表示如下

P(Ts)=W(t)·(λuTs)Au(t)e-λuTs/Au(t)

(5)

式中,P(Ts)為通信資源傳輸數(shù)量抵達概率,Ts為傳輸周期,λu為通信資源數(shù)據(jù)包到達率,Au(t)為用戶u在t-1時隙所到達的數(shù)據(jù)量。

當電力線通信資源在t-1時刻傳輸時,要為每個用戶都分配一個數(shù)據(jù)緩沖區(qū),這時在t+1時刻所產(chǎn)生的電力線通信資源隊列長度就為

Ou(t+1)=Ou(t)+Au(t+1)-ru(t)

(6)

式中,Ou(t+1)為隊列長度,ru(t)為通信資源在t時的發(fā)送量。

由于效用值可以有效地對用戶服務質量需求及通信資源信息反應,因此計算各個用戶的電力線通信資源效用值[13],有利于對子載波的分配,效用值計算公式如下:

(7)

式中,Wu,k為效用值,RQoS(u)為服務質量速率需求,Ru(t)為平均通信速率,D(u)為最長時延,Yu,k(t)為平均等待時間,Timeout表示當前狀態(tài)已經(jīng)超時。

其中最長時延D(u)計算式為

(8)

式中,Du1定義傳輸時延,Du2定義傳播時延,Yframe屬于數(shù)據(jù)幀長度,C屬于傳輸速率。d屬于距離,vs屬于速度,Du3代表隊列時延。

從式(8)可知,當用戶對電力通信速率的要求越高時,消耗的等待時間就會越少,因而可以判定當通信資源調度效用值越大,對資源分配時所需要的瞬時平均速率就會越大。

2)構建電力線通信資源自適應分配模型

為了提升系統(tǒng)頻譜利用率,設置子載波數(shù)由Q定義,OFDM符號數(shù)由S定義,因此計算用戶在第s個符號的子載波自適應功率為

Pu,s,q=min(P/Q,PSDmaxB/Q)

(9)

式中,P為總功率,PSDmax為最大功率譜密度,B為總頻帶寬度。

那么電力線通信資源加載比特數(shù)就表述為

(10)

令目前通信速率與服務需求速率之間的比值為滿足度因子,即F(u),那么電力線通信資源子載波在分配過程中的公平因子就定義如下

(11)

式中,f為公平因子,Fmax(u)為F(u)最大值,Fmin(u)為F(u)最小值。

以電力線通信資源系統(tǒng)吞吐量為目標,構建出電力線通信資源自適應分配模型[14]如下

(12)

式中,αu,s,q為自適應分配標識符,flimit為公平性閾值,qu為緩存數(shù)據(jù)量。

當αu,s,q=1時,說明電力線通信資源已經(jīng)成功分配,反之αu,s,q=0時,說明并沒有完全分配。

考慮到帶寬OFDM電力線通信資源自適應分配性能,采用遺傳算法[15]對構建的模型進行優(yōu)化求解。

因此設置系統(tǒng)內部不存在信道編碼,令信噪比為1,那么電力線通信資源的信噪比差額Γ定義如下

(13)

式中,Pe定義目標誤碼率,Z-1(x)為錯誤概率函數(shù)。

采用遺傳算法對構建的電力資源自適應分配模型優(yōu)化,如下所示:

1)定義一個個體基因二元組,即(a,b),a為子載波編號,b為分配比特數(shù)。對個體基因確立后,就可以對染色體組合確立,定義為{(a,b)|1≤a≤b},可見子載波的個數(shù)由染色體長度確定,以此實現(xiàn)了子載波編碼。

2)經(jīng)編碼規(guī)則生成后,生成出新的初始種群,設置初始種群規(guī)模為150,并約束子載波分配比特數(shù),令其滿足全部子載波的分配比特數(shù)及目標比特數(shù),當比特數(shù)分配完成后即可實現(xiàn)初始種群的生成。

3)通過計算適應度函數(shù),獲取個體的選擇概率,并對最佳適應度進行進一步迭代,令其種群數(shù)量保持不變。

實現(xiàn)迭代后開啟基因重組,重新選擇兩個新個體,并隨機對個體的染色體基因交叉,使個體對父代替換,其交叉率越高,說明數(shù)據(jù)經(jīng)收斂后即可取得最優(yōu)解。

4)重復步驟2)～步驟3),直至滿足循環(huán)上限后結束。其最后一代的最優(yōu)解就是最終分配優(yōu)化結果。

4 實驗與分析

為了驗證寬帶OFDM電力線通信資源自適應分配方法的整體有效性,需要對該方法開展實驗對比測試。采用寬帶OFDM電力線通信資源分配方法、基于PSO-GA的資源分配方法和基于深度強化學習的資源分配方法實施實驗測試。

在寬帶OFDM電力線通信系統(tǒng)中,用戶分配比特數(shù)、系統(tǒng)容量及耗時評價指標會對電力線通信資源分配有效性產(chǎn)生直接影響。為測試寬帶OFDM電力線通信資源自適應分配效果,首先令通信資源分配后的子載波發(fā)射功率譜滿足電力線系統(tǒng)限制條件,實驗中采用的子載波發(fā)射功率譜曲線如圖1所示。

圖1 實際發(fā)射功率譜示意圖

采用研究方法、基于PSO-GA的資源分配方法和基于深度強化學習的資源分配方法測試用戶的分配比特數(shù),比特數(shù)越大,說明電力線通信信道狀態(tài)越好,且通信資源的傳輸速率越快。測試結果如圖2所示。

圖2 分配比特數(shù)對比測試

分析圖2可知,三種方法對各個用戶的比特數(shù)分配效果均不相同。從整體上看,研究方法的分配比特數(shù)高于基于PSO-GA的資源分配方法和基于深度強化學習的資源分配方法,這說明研究方法應用下電力線通信信道狀態(tài)要優(yōu)于其余兩種方法,分配效果最佳。

電力線通信資源分配時,系統(tǒng)容量的大小可反映該方法實際應用價值,測試三種方法應用下電力系統(tǒng)容量如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)容量對比測試

從圖3可知,分配通信資源數(shù)據(jù)量時,研究方法的系統(tǒng)容量始終最高,說明研究方法可以提供更大的電力系統(tǒng)容量,實用性更理想。

寬帶OFDM電力線通信資源自適應分配過程耗時是評估方法應用性能的關鍵指標,耗時短說明該方法的適用性和效率均更理想。設置通信數(shù)據(jù)量由50000Mbit/sec逐漸增加至300000Mbit/sec,不同方法的通信資源數(shù)據(jù)分配耗時情況如表1所示。

表1 通信資源數(shù)據(jù)分配耗時對比測試

由表1可知,不同方法的耗時對比下,研究方法的通信資源數(shù)據(jù)分配耗時平均值為13.80ms,基于PSO-GA的資源分配方法的通信資源數(shù)據(jù)分配耗時平均值為58.93ms基于深度強化學習的資源分配方法的資源分配方法的通信資源數(shù)據(jù)分配耗時平均值為86.78ms。說明當通信數(shù)據(jù)量相同時,研究方法能夠以更高的效率完成資源分配。

5 結束語

電力線通信信道的缺陷會對電力線通信資源自適應分配效果產(chǎn)生影響,針對這一問題,提出寬帶OFDM電力線通信資源自適應分配方法。該方法首先分析OFDM電力線通信資源特性,根據(jù)分析結果構建分配模型,并采用遺傳算法對該模型優(yōu)化,實現(xiàn)電力線通信資源的分配。