多業務電力線通信OFDM系統下行資源分配

摘要：本文在探討了單用戶OFDM電力線資源分配的基礎上，提出了一種多業務多用戶在電力線信道動態OFDM系統資源分配方案。在功率受限條件下最大化系統速率。同時滿足不同業務用戶最低速率要求。

關鍵詞：OFDM 資源分配 電力線通信

0 引言

電力線通信技術是指利用電力線傳輸數據和媒體信號的一種通信方式。該技術是把載有信息的高頻加載于電流然后用電線傳輸接受信息的適配器再把高頻從電流中分離出來并傳送到計算機或電話以實現信息傳遞。

OFDM的英文全稱為Orthogonal Fre-quency Division Multiplexing，中文含義為正交頻分復用技術。 這種技術是HPA聯盟（HomePlug Powerline Alliance）工業規范的基礎，它采用一種不連續的多音調技術，將被稱為載波的不同頻率中的大量信號合并成單一的信號，從而完成信號傳送。由于這種技術具有在雜波干擾下傳送信號的能力，因此常常會被利用在容易受外界干擾或者抵抗外界干擾能力較差的傳輸介質中。這種獨特的優點可以應用于電力通信。

1 多業務多用戶資源分配模型

從系統內用戶數角度，可將電力系統資源分配劃分成單用戶和多用戶系統。單用戶系統中所有子載波都歸一個用戶使用，資源分配相對簡便。由于各個子載波衰落同，導致不同的載波所發送的比特不同。在發射端總功率一定的條件下，以最大化總發送比特為目標，優化比特分配和功率分配就變得尤為重要。上述可用數學形式表示如下式（1）所示：

max■r■，s.t.■ξ■=Pt （1）

式中r■表示第i子載波所傳輸的比特，ξ■表示第i子載波分配的功率，N表示系統內總的子載波數，Pt為發送端總功率。

在單用戶系統中，在總發送比特一定的條件下，以最小化總發送功率為目標，優化功率分配就變得非常必要。上述也可用數學形式表示如下式（2）所示：

min■ξ■，s.t.■r■=R （2）

式中各個變量同式（1），其中R是發送端總的發送比特。

在對單用戶的研究基礎上，學者們主要針對多用戶資源分配的探討研究。設系統內有N個子載波K個用戶，若子載波n分配給用戶k，則可傳輸的比特用rk，n表示，所對應的功率用ξk，n表示。由于同一個子載波分配給不同用戶衰落不同，致使同一載波分配給不同的用戶可傳輸的比特不同。子載波在某個用戶上衰落嚴重甚至無法傳輸信息，但是在其他用戶上也許還可以傳輸更多的信息，因此，相比單用戶系統，多用戶系統可以提高系統容量，獲得很高的多用戶分集。本文應用摩爾變量子載波的分配情況，如果載波n分配給k用戶，用Ck，n=1表示，令載波n未分配給k用戶，用Ck，n=0，即子載波不被多個用戶共享。上述可以用優化形式如下：

max■■r■ （3）

S，t.■■ξk，n=P （4）

■C■=1 （5）

■■C■=N （6）

如果載波n分配給k用戶，則可以傳送的比特數：

r■=■log■（1+ξ■g■Γ）■ （7）

上式中■為向下去整，g■為單位功率載噪比（carrier noise rate，CNR），

g■=H2k，n/σ2 （8）

Hk，n表示載波n分配給k用戶的信道傳輸函數。信道噪聲功率我們記為σ2。

信道理論極限速率減去信道理論實際速率的差值記為Γ。假設所有子載波誤碼率是一樣的，且其調制方式為正交幅度調制，那么我們可以認為各子載波的信噪比差額Γ是大致相同的，且有

Γ=■Q■（P■4）■ （9）

式中，P■為誤碼率，Q■（x）為錯誤概率Q函數的逆函數，Q函數為

Q（x）=■■e■dy （10）

2 多業務資源分配算法

以往文獻僅是將用戶從單用戶變成多用戶，只是數量上增加，業務種類沒有發生變化。本文在前人的研究基礎上，結合電力通信的多媒體業務，將多用戶分為兩類：語音用戶和數據用戶。語音用戶最低速率要求低，但其誤碼率要求高；相比語音用戶，數據用戶，最低速率要求高，但其誤碼率要求相對較低。所以本文從這個角度將多用戶分為兩類。另外，本文將兩類用戶進行優先級的分類，暫定1為語音用戶的優先級，而2是數據用戶的優先級。

下面對本文的算法進行詳細推導：

2.1 等分基站的總功率，ξk，n=P/N。

這樣可以方便快捷地計算出每個用戶在每個子載波上所能發送的比特數：

r■=■log■（1+ξ■g■Γ）■ （11）

其中，ξ■、g■、Γ的含義同上一章相同，不在贅述。

2.2 首先根據式（11）對語音用戶分配比特和子載波。那么n*為它的子載波，把其分配給語音用戶，直到它的速率符合要求為止。

n*=argmaxr■ （k=1，2，…K，n=1，2，…N） （12）

如果第n個子載波已經分配給了第k個用戶，令Ck，n=1，否則，Ck，n=0。同時根據式（11）也確定了在子載波n*上的比特數。

2.3 假如存在多個語音用戶，那么對步驟進行重復，直到全部的語音用戶的速率符合要求為止。

2.4 把剩余的Ck，n=0的子載波分配給優先級別為2的數據用戶k*：

k*=argmaxr■（k=1，2，…K） （13）

如果第n個子載波已經分配給了第k個用戶，令Ck，n=1，否則，Ck，n=0。

2.5 由于信道的隨機性，可能出現有些用戶間對于速率的不公平。我們將高于最小數據速率要求的用戶的子載波進行重新的分配，分配的對象為最小速率還沒有達到要求的用戶。為了簡便計算，把■r■Ck，n

ek'，n'=■ （14）

也就是說，把子載波n'*重新分配給用戶 k'

n'*=argminek'，n' （15）

3 算法仿真及分析

在電力線通信的環境下驗證該算法的正確性及合理性，我們假設有8個用戶數，其中數據用戶及語音用戶各一半。設置有128個子載波，其頻帶為0～20 MHz，語音用戶誤碼率為10-6，最低速率要求64bits/symbol，噪聲是色噪聲，數據用戶誤碼率為10-4，最低速率要求為128bits/symbol。系統總發射功率上限為10 mW。可以發現，僅為優先級高的用。

戶分配后語音用戶的最低速率已經滿足，在以提高容量為目標的前提又為所有用戶分配，數據用戶7最低速率要求沒有達到要求，經過調整后用戶7的最低速率要求達到滿足，但用戶8有所降低。從系統總傳輸速率看，經過調整速率略微有所降低，降低幅度幾乎可以忽略不計。

為進行對比，本文將單業務多用戶也進行了仿真，設其所有用戶的誤碼率要求為10-4，而且沒有最低速率限制。子載波每次都選擇傳輸速率最大的用戶，這樣可以充分提高系統整體傳輸速率。

4 結論

隨著電力通信的發展，用戶對多業務需求更加迫切。正是基于此，本文將業務擴展為兩種業務同時共存于同一系統，分為語音用戶和數據用戶；同時將業務按優先級來分，資源分配過程中首先滿足優先級高的語音用戶，只有語音用戶完全滿足最低要求后，再為優先級低的數據用戶分配資源。在典型電力線通信環境下仿真了本文所提算法。得到很好的效果。

參考文獻：

[1]翟明岳，曾慶安.低壓電力線通信信道的馬爾柯夫特性研究[J].中國電機工程學報，2007，27（22）：116-121.

[2]方擁軍，徐志強.單用戶電力線通信自適應OFDM系統的資源分配[J].電力系統保護與控制，2010，38（4）：6-10.

[3]盧小峰，朱光喜等.基于公平原則的多用戶空間子信道分配算法[J].華中科技大學學報（自然科學版），2007，35（5）：5-8.