HNPLC多用戶實時動態(tài)頻譜管理

劉雯靜，張素香，王晨輝

(國家電網有限公司信息通信分公司，北京 100761)

0 引 言

近年來，電力線通信以其傳輸介質的“泛在”性成為我國泛在電力物聯網末端感知終端接入的極佳選擇，其中，高速窄帶電力線通信(High-speed Narrowband Power Line Communication，HNPLC)由于其電磁輻射低、占用帶寬窄和傳輸速率契合接入需求等特點[1-2]，得到了工業(yè)和學術界的一致追捧。服務于泛在電力物聯網的HNPLC本質上是多用戶通信問題，但其所處頻段噪聲繁多、情況復雜[3]，因此利用HNPLC多用戶實時動態(tài)頻譜管理(Dynamic Spectrum Management，DSM)提高了HNPLC網絡的傳輸速率與傳輸可靠性，充分發(fā)揮了HNPLC的通信能力[4]，成為保障泛在電力物聯網建設穩(wěn)步推進的基礎，具有重要的理論與現實意義。

共享電力線信道中的多用戶頻譜管理問題可用匈牙利算法求解[5]，但其計算復雜度高，已有的改進算法又多是面向寬頻帶應用的[6-7]，實現時需要繁瑣的信令信息，資源開銷體量龐大，不符合HNPLC終端接入應用需求。因此，為滿足時變電力線信道中高可靠性的多用戶通信需求，本文給出一種HNPLC多用戶實時DSM機制，該機制使用分組策略和實時選取最優(yōu)調制方式的方法，有效減少了信令和資源開銷，可滿足實用化需求。

1 HNPLC多用戶實時DSM機制

泛在電力物聯網遠程云平臺通過光纖或5G等大容量通信網將指令或數據發(fā)送給HNPLC網關，網關與低壓電力線上的集中器直接通信，而感知終端通過集中器實現指令和數據信息交互。本文所述HNPLC多用戶實時DSM機制正是面向泛在電力物聯網中感知層終端的集中式接入控制應用場景，充分利用有限資源，有效提升了HNPLC的傳輸速率和傳輸可靠性。

1.1 數學模型

由現代通信原理基礎可知，差分相位調制系統的誤碼率e為傳輸功率、信噪比和調制階數的函數：

式中：下標n為正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing， OFDM)系統第n個子載波；pn為子載波n的分配功率；gn為子載波n的單位功率信噪比；Mn,d為調制階數，其中d標識調制方式且系統共有D種調制方式，即d=1，2，…，D。

令ρn,x為子載波分配系數，若子載波n分配給用戶x，則ρn,x=1，否則ρn,x=0，則多用戶DSM優(yōu)化問題可表述為[7]

式中：rn,x為子載波n分配給終端節(jié)點x的傳輸速率；pn,x為第n個子載波分配給第x個用戶時的發(fā)射功率；N為總子載波數；X為總用戶數；P為發(fā)射功率上限。

1.2 實現方法

本節(jié)將基于已有的HNPLC物理層規(guī)范和實現架構[8-9]，以下行廣播(Broadcast，BC)信道傳輸為例，闡述HNPLC多用戶實時DSM機制。采用將OFDM子載波分組的配置策略，且每次傳輸中各終端節(jié)點實時選取同一種最優(yōu)調制方式進行傳輸。這種策略兼顧了HNPLC信道慢時變特性，是開銷與性能的良好折中，滿足HNPLC多用戶實時通信的需求。

由差分相位調制系統的誤碼率公式可變換得到子載波n的分配功率pn為

(1)Γ值查找表

系統誤碼率一般根據需求預先設定，代入HNPLC規(guī)范中各系統參數可計算得到不同調制方式下的Γd值，將Γd預先計算并存放于查找表中，硬件實現時通過查表方法調用Γd以節(jié)省計算開銷。

(2) 子載波組功率表

讀取物理層實時測得的集中器與終端節(jié)點x的信道信息，代入式(3)得到各子載波的功率pd,x,n。按A個一組將N個子載波分成I組(N=A×I)，分別計算每個子載波組的總功率：

由此，子載波組功率表如表1所示。

表1 子載波組功率表

(3) 排序及子載波組的選擇

(4) 調制方式的選擇

設ΔB為相鄰子載波的頻率間隔，則當前信道環(huán)境下調制方式d的傳輸速率為

取傳輸速率最大的調制方式argmaxrd為選用的調制方式。最后，將剩余功率平均分配給選定的子載波，以使系統的誤碼性能達到最優(yōu)，未被選用的子載波功率置零。

2 實驗驗證

結合實時信道估計方法對所提HNPLC多用戶實時DSM機制進行驗證，使用圖1所示的實驗儀器平臺進行線上實驗。其中，使用羅德-施瓦茨的R&S SMU200A矢量信號發(fā)生器模擬集中器，其受控于計算機，用于產生模擬的發(fā)送數據幀，通過模擬前端(Analog Front End，AFE)接入實際的電力線環(huán)境中；使用安捷倫DSO8104A數字示波器對通過電力線信道的數據信號進行采集并送回計算機中，數字示波器的3個接收通道分別模擬3個泛在感知終端；計算機通過網口實現對矢量信號發(fā)生器和數字示波器的控制與交互，計算機運行程序并調用相關控制函數完成幀生成、幀發(fā)送及接收、解調和分析等任務。同時，電力線中接有各種用電器，產生各類窄帶噪聲及異步/同步沖擊噪聲。實驗平臺的主要系統參數如表2所示[8-9]。

圖1 實驗平臺架構圖

表2 實驗平臺的主要系統參數

圖2所示為工作日上午9:30左右實驗室用電高峰期單次傳輸獲得的實驗結果。圖2(a)為不使用本文所述多用戶DSM的接收數據星座圖，其解調誤碼率高達40%；圖2(b)～(d)為使用了HNPLC多用戶實時DSM機制后各終端節(jié)點的解調星座圖，且解調誤碼率為0。顯而易見，本文所述HNPLC多用戶實時DSM機制能有效改善傳輸可靠性，顯著提升誤碼率性能。圖2(e)～(g)為實時估計的集中器與3個終端節(jié)點的實時信道情況，按此時的信道情況，HNPLC多用戶實時DSM機制給出的下次傳輸時子載波和調制方式的選擇及功率分配情況如圖2(h)所示。實際上，圖2(e)～(h)也同時驗證了DSM的物理意義，即：在確保一定誤碼率的前提下，信道條件越好的子載波所需的發(fā)射功率越小，信道條件太差的頻段/子載波將被棄用。

圖2 實驗室用電高峰時單次傳輸實驗結果圖

基于圖1所示實驗驗證平臺，分別關閉/開啟實時DSM并運行一周時間，記錄接收到的有效數據量，并與幀總數和幀時長作比值，進而測量HNPLC多用戶實時DSM機制使用前后系統的有效平均傳輸速率。這里有效數據指正確解調的FCH和載荷數據，不包括前導序列，有效數據量達1011數量級。實驗結果表明，關閉HNPLC多用戶實時DSM機制時，由于誤碼率高，系統的有效平均傳輸速率僅為103 kbit/s，開啟HNPLC多用戶實時DSM機制后速率高達675 kbit/s，提升了558.25%，即：速率是關閉HNPLC多用戶實時DSM機制的傳統方法的5倍多，速率提升效果顯著。

3 結束語

本文設計了一種HNPLC多用戶實時DSM機制，采用將OFDM子載波分組配置且每次傳輸中各終端節(jié)點實時選取同一種最優(yōu)調制方式的策略，有效確保了傳輸性能，減少了傳輸信令和資源開銷?；趯嶒瀮x器平臺的線上實驗證明，本文所述HNPLC多用戶實時DSM機制能充分利用有限的HNPLC資源顯著提升傳輸可靠性，且系統傳輸速率較傳統方法提升了5倍多，可滿足我國泛在電力物聯網末端感知接入控制的實用化需求。