胡林林,班 勃

(1. 廣東理工學(xué)院電氣與電子工程學(xué)院,廣東 肇慶 526100;2. 廣東技術(shù)師范大學(xué)自動化學(xué)院,廣東 廣州 510665)

1 引言

電力系統(tǒng)不斷更新?lián)Q代,電力鄰域網(wǎng)作為電網(wǎng)節(jié)點與電力核心網(wǎng)的核心[1-2],在電力鄰域通信信道內(nèi)起到重要的橋梁作用。目前電力通信業(yè)務(wù)不斷更新,終端數(shù)量增多,致使越來越多的電網(wǎng)終端設(shè)備利用電力鄰域信道通信。由于我國人口眾多,傳輸?shù)男畔⒄紦?jù)著信道容量,對有限資源的合理利用帶來的巨大挑戰(zhàn)。在現(xiàn)有的通信環(huán)境中,電力鄰域信道存在信道短缺、資源利用率低的缺陷,為了解決電力鄰域信道頻譜資源短缺的問題,需要重點研究電力鄰域信道頻譜最優(yōu)分配方法。

張達(dá)敏等人[3]提出認(rèn)知智能電網(wǎng)中基于能效優(yōu)化的頻譜分配策略方法,通過構(gòu)建拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)系統(tǒng)模型,采用IBBOA算法對電網(wǎng)用戶開展頻譜分配,通過獲取優(yōu)化目標(biāo),利用遺傳算法及BPSO算法抑制干擾,實現(xiàn)頻譜最優(yōu)分配,該方法取得的優(yōu)化目標(biāo)不完善,存在分配效率不佳的問題。鄭歡等人[4]提出配電自動化無線專網(wǎng)中基于干擾抑制的小區(qū)深度覆蓋和頻譜分配策略方法,合并了配電站的空白子幀配置與微小區(qū)間,以此構(gòu)成以網(wǎng)絡(luò)加權(quán)最大化及速率的非線性優(yōu)化問題,從而采用干擾抑制方法分配信道頻譜子載波數(shù)量,實現(xiàn)頻譜的最優(yōu)分配,該方法的合并結(jié)果不佳,存在系統(tǒng)吞吐量低的問題。周鑫等人[5]提出混合頻譜共享方式下多用戶動態(tài)頻譜分配算法,根據(jù)認(rèn)知用戶與虛擬用戶之間的關(guān)系,以用戶總吞吐量作為目標(biāo)依據(jù),構(gòu)建虛擬智能體,完成信道交互學(xué)習(xí)。當(dāng)信道發(fā)生沖突時,合理分配頻譜資源,以此實現(xiàn)信道頻譜的最優(yōu)分配,該方法的分配效果不完善,存在空閑信道頻譜利用率低的問題。

為了解決上述方法中存在的問題,提出基于WBCSO算法的電力鄰域信道頻譜最優(yōu)分配研究方法。

2 電力鄰域信道系統(tǒng)模型

以城市居民小區(qū)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為主,設(shè)定電力鄰域網(wǎng)NAN的用戶為固定的,且無線電環(huán)境變化較慢,便于采集電力鄰域信道數(shù)據(jù),有利于實現(xiàn)信道數(shù)據(jù)的資源管理。

電力鄰域系統(tǒng)模型是由家庭網(wǎng)關(guān)HGM及集中器單元DCU構(gòu)成的集群,且DCU在NAN中為簇首[6-7],負(fù)責(zé)管理信道頻譜。設(shè)置在電力鄰域信道內(nèi)隨機(jī)分布N個認(rèn)知用戶,即SU,同時空閑的電力鄰域信道中包含M個主用戶PU。當(dāng)用戶在電力鄰域信道中發(fā)出通信后,NAN可以在半徑為100m內(nèi)提供十幾個節(jié)點,由于系統(tǒng)成員的數(shù)量較多,若不合理分配頻譜資源,則會出現(xiàn)服務(wù)質(zhì)量約束問題。

如果SU與主基站之間不存在信道增益,而PU與認(rèn)知基站存在信道增益,則說明SU與認(rèn)知基站也存有信道增益,根據(jù)這一關(guān)系,電力鄰域信道的信道增益即可通過下式定義:

h=A×[1/PL(d)]

(1)

式中,A表述瑞利分布,h表述信道增益,d表述用戶到認(rèn)知基站的距離,PL(dn)表述路徑耗損。

計算電力鄰域信道第n個SU的信噪比:

SINRn=Pnhn/P0h0+δ2

(2)

式中,SINRn表述信噪比,Pn表述認(rèn)知用戶的傳輸功率,P0表述主用戶的傳輸功率,δ2標(biāo)記高斯白噪聲,hn表述信道增益,即認(rèn)知用戶;h0表述信道增益,即主用戶。

根據(jù)以上計算結(jié)果,獲取認(rèn)知用戶在電力鄰域信道中的路徑損耗模型,定義如下:

(3)

式中,dn標(biāo)記n個SU到認(rèn)知基站的距離,d0標(biāo)記參考距離,λ標(biāo)記波長,γ標(biāo)記路徑損耗,Xg標(biāo)記陰影參數(shù)。

基于以上內(nèi)容獲取系統(tǒng)模型的組成部分:

1)可用矩陣:系統(tǒng)模型內(nèi)存在一個N×M的可用矩陣,定義:

U={un,m|un,m∈{0,1}}N×M

(4)

其中un,m表示用戶對信道的使用狀況。當(dāng)un,m=0時,則說明信道不可使用,反之則可以。

2)效益矩陣:系統(tǒng)內(nèi)具備一個N×M的實數(shù)矩陣,定義:

E={en,m|en,m∈{0,1}}N×M

(5)

式中,en,m代表信道帶寬或吞吐量。

3)干擾矩陣:當(dāng)電力鄰域信道的主基站與認(rèn)知基站的覆蓋范圍有重疊時,信道干擾值就會在一定范圍內(nèi)形成干擾矩陣,定義:

G={gn,k,m|gn,k,m∈{0,1}}N×N×M

(6)

式中,G屬于三維矩陣,gn,k,m表示信道干擾值。當(dāng)gn,k,m=0時,說明用戶同時使用電力鄰域信道時不會生成干擾,但gn,k,m=1時則會生成干擾。

4)無干擾分配矩陣:存在一個二維矩陣,即X={xn,m|xn,m∈{0,1}}N×M。其中xn,m代表信道占用情況。當(dāng)xn,m=1時,則說明認(rèn)知用戶可以占用該信道,反之則不能。

5)效益值:當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)存在X,用戶在信道的效益值rn即可定義:

(7)

6)能量效益:對電力鄰域信道頻譜最優(yōu)分配策略給系統(tǒng)能量效益帶來的影響評估:

(8)

式中,Pn表述傳輸功率。

7)公平指數(shù):利用下式計算出信道頻譜資源的不平衡利用公平性:

(9)

式中,i定義次用戶數(shù)量,P表示次用戶最大數(shù)量,ei表述帶寬,J表述公平系數(shù)。當(dāng)J∈(0,1]時,說明信道用戶的公平性越好。

3 基于WBCSO算法的信道頻譜最優(yōu)分配

通過獲取的最大化公平性及能量效益,采用WBCSO算法對認(rèn)知用戶分配信道頻譜,結(jié)合閉環(huán)功率控制算法對用戶通信傳輸功率實施動態(tài)調(diào)整[8-9],完成電力鄰域信道頻譜的最優(yōu)分配。

3.1 二進(jìn)制貓群算法

在二進(jìn)制貓群算法中[10],種群內(nèi)存在多個貓個體,貓個體在尋找合適的移動目標(biāo)時,會在周邊環(huán)境認(rèn)真觀察,處于休憩模式。該算法在跟蹤模式時,從當(dāng)前位置更新到下一位置后產(chǎn)生的變化公式通過下述方程定義:

(10)

(11)

式中,r1表示隨機(jī)數(shù),Xg,d標(biāo)記最優(yōu)解,c1標(biāo)記常數(shù)。那么當(dāng)前貓群所處位置可以決定貓群的個體速度,用下式定義

(12)

式中,Xkd標(biāo)記當(dāng)前位置速度。

在二進(jìn)制貓群算法中,參數(shù)t決定了貓群個體二進(jìn)制突變概率。為了可以更好的實現(xiàn)電力鄰域信道頻譜最優(yōu)分配,對二進(jìn)制貓群算法改進(jìn)。

3.2 改進(jìn)二進(jìn)制貓群算法的頻譜分配

調(diào)整權(quán)重因子的固定值為非線性動態(tài)變化,權(quán)重因子的取值決定著WBCSO算法的整體尋優(yōu)能力,所以調(diào)節(jié)權(quán)重因子后,可以達(dá)到提升算法搜索能力的效果,那么調(diào)整后的權(quán)重因子為:

w(t)=wmin+(wmax-wmin)exp(-k×(t/tmax)2)

(13)

式中,wmin標(biāo)記最小權(quán)重值,wmax表述迭代時的權(quán)重值,t表述時刻,tmax表述最大運(yùn)行次數(shù),k表述操縱系數(shù)。

將分配模型中的公平性指數(shù)及能量效益兩個評價指標(biāo)作為算法最優(yōu)解,結(jié)合WBCSO算法與分配模型,構(gòu)成電力鄰域信道頻譜分配策略,同時設(shè)置貓群個體位置作為頻譜映射變量。令電力鄰域信道吞吐量[11-12]與公平性指數(shù)構(gòu)成分配矩陣A。由于矩陣L會對分配矩陣A約束,所以電力鄰域信道不可被認(rèn)知用戶使用。為此獲取矩陣L中的非零元素數(shù)量,即WBCSO算法的貓群個體編碼長度,計算如下:

(14)

設(shè)置在分配模型中電力鄰域信道數(shù)量M=4,認(rèn)知用戶N=5,分配矩陣與矩陣L之間的映射關(guān)系表示如下:

=[x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8]

(15)

應(yīng)先對L分配檢驗,抽取出矩陣內(nèi)的非零元素,獲取各個維度的解,利用優(yōu)化后的WBCSO算法二進(jìn)制編碼,將分布位置映射到A中。

3.3 閉環(huán)功率控制

采用WBCSO算法分配電力鄰域信道頻譜后,需要進(jìn)一步解決信道內(nèi)潛在的干擾問題。為此采用CLPC閉環(huán)功率控制方法,對信道內(nèi)用戶的傳輸功率開展動態(tài)調(diào)整[13]。

用戶在電力鄰域信道發(fā)出通信信號后,采用數(shù)據(jù)集中器單元對發(fā)出的信號參數(shù)調(diào)整,將相應(yīng)的功率控制命令傳輸?shù)接脩羰种?指令接收后用戶可以利用上調(diào)或下調(diào)步長操作實現(xiàn)功率控制目標(biāo),因此認(rèn)知用戶在電力鄰域信道的傳輸功率控制方程表達(dá)式定義:

P=min{P0+α·L(dn)+f(Δi),Pmax}

(16)

式中,α表述補(bǔ)償因子,L(dn)表述路徑損耗,Pmax表述最大傳輸功率值,f(Δi)表述反饋選項,P0表述功率基準(zhǔn)值。

P0的最佳取值為-75dBm,可以達(dá)到更好的去干擾效果,采用f(Δi)對功率上調(diào)、下調(diào),定義為:

f(Δi)=f(Δi-1)+Δi-kΔi∈{-1,0,1,3}

(17)

式中,Δi表述反饋變化。

由于閉環(huán)功率控制算法依據(jù)接收信噪比及反饋項確定而成,所以在控制信道功率時應(yīng)優(yōu)先對比電力鄰域信道用戶所產(chǎn)生的信噪比大小及門限值大小,再根據(jù)反饋項調(diào)節(jié)步長,達(dá)到動態(tài)調(diào)整用戶發(fā)射功率的目的[14-15]。

3.4 電力鄰域信道頻譜最優(yōu)分配

結(jié)合WBSCO及閉環(huán)功率控制算法,對電力鄰域信道頻譜最優(yōu)分配,其分配流程如下所示:

1)分配模型參數(shù)初始化,設(shè)定WBSCO算法各類參數(shù)及用戶頻譜資源量;

2)統(tǒng)計矩陣中的非零元素個數(shù),記錄位置數(shù)值,編碼種群個體數(shù)量,取得優(yōu)化維度;

3)計算適應(yīng)度值,從中選取最大值后用作最優(yōu)解,同時對種群個體初始化;

5)計算適應(yīng)度值與個體公平指數(shù);

6)令貓群個體兩兩雜交,取得適應(yīng)度值后與最大解對比,作為種群更新的最優(yōu)解;

7)對信道傳輸功率開展動態(tài)調(diào)整,獲取認(rèn)知用戶最佳發(fā)射功率及能量效益最大值;

8)根據(jù)以上流程若達(dá)到迭代次數(shù)或滿足最優(yōu)解,則結(jié)束循環(huán),并輸出最優(yōu)解及公平指數(shù);反之返回步驟4)。

WBCSO算法與閉環(huán)功率控制算法的結(jié)合,可以在完成電力鄰域信道頻譜分配的同時,去除信道內(nèi)產(chǎn)生的功率干擾,以此實現(xiàn)電力鄰域信道頻譜的最優(yōu)分配。

4 實驗與分析

為了驗證基于WBCSO算法的電力鄰域信道頻譜最優(yōu)分配研究方法的整體有效性,對該方法采取對比測試。采用基于WBCSO算法的電力鄰域信道頻譜最優(yōu)分配研究方法(方法1)、認(rèn)知智能電網(wǎng)中基于能效優(yōu)化的頻譜分配策略方法(方法2)、配電自動化無線專網(wǎng)中基于干擾抑制的小區(qū)深度覆蓋和頻譜分配策略方法(方法3)實施對比測試。

在實驗測試前,選擇Matlab R2010b作為測試平臺,并設(shè)置以下仿真參數(shù):

1)設(shè)定授權(quán)用戶基站與CR基站各一個;

2)基站覆蓋半徑為500m;發(fā)射功率在6～50dbm;

3)主用戶數(shù)量PU=50個;認(rèn)知用戶SU=50個;資源數(shù)量120個;

4)將城市微小區(qū)作為本次仿真環(huán)境,并在系統(tǒng)信道環(huán)境內(nèi)設(shè)置主路徑5個。

①根據(jù)以上設(shè)置結(jié)果,獲取授權(quán)基站與電力系統(tǒng)的覆蓋區(qū)域及主用戶、認(rèn)知用戶在區(qū)域內(nèi)的分布情況,如圖1所示。

圖1 主用戶、認(rèn)知用戶的分布情況

根據(jù)分布結(jié)果,采用三種方法分別對主用戶分配信道頻譜資源,以此驗證三種方法的分配效果,其測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 主用戶電力頻域信道頻譜分配結(jié)果

分析圖2中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),在分配信道頻域資源時,方法1可以將全部頻譜資源合理分配,而方法2和方法3在分配時,可以看出有大量空閑頻譜沒有被利用,說明方法2和方法3對電力鄰域信道頻譜資源的利用效率要低于方法1,因而驗證了方法1的分配結(jié)果要高于其余兩種方法。

②在上述實驗的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步對電力系統(tǒng)在不同信噪比下,對系統(tǒng)吞吐量開展有效測試,吞吐量越大則說明系統(tǒng)的抗干擾性越強(qiáng),具體測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同信噪比下的系統(tǒng)吞吐量測試

根據(jù)圖3可知,不論信噪比SINR=0還是SINR=5,方法1的系統(tǒng)吞吐量大于300bit·Hz-1·s-1,始終保持最高值。由此說明方法1的抗干擾能力明顯優(yōu)于方法2、方法3,說明方法1的系統(tǒng)吞吐量最佳。

綜上所述,方法1始終保持系統(tǒng)最大吞吐量,驗證了方法1的抗干擾性強(qiáng),這是因為該方法以最大化公平性及能量效益兩種指標(biāo)作為電力鄰域信道頻譜分配的前提,以此提升了整體分配效率,使該方法的系統(tǒng)吞吐量保持最優(yōu)。

5 結(jié)束語

過多的通信數(shù)據(jù)會影響電力鄰域信道頻譜的分配情況,針對這一問題,提出基于WBCSO算法的電力鄰域信道頻譜最優(yōu)分配研究方法。通過構(gòu)建電力鄰域信道系統(tǒng)模型,采用WBCSO算法對電力系統(tǒng)認(rèn)知用戶開展信道頻譜分配,結(jié)合閉環(huán)功率控制算法,對用戶在信道中的傳輸功率有效調(diào)整,降低認(rèn)知用戶與主用戶之間潛存的干擾,從而實現(xiàn)電力鄰域信道頻譜的最優(yōu)分配。該方法在電力鄰域信道頻譜最優(yōu)分配研究方法中發(fā)揮著重要作用,在今后有著長遠(yuǎn)的發(fā)展前景。