基于令牌桶的電力線通信帶寬自適應分配方法

劉金雯

（鶴壁汽車工程職業學院機電工程系 河南 鶴壁 458030）

0 引言

電力線通信傳輸連接方式較為簡單，雖然能夠實現人們的業務要求，但其提供的通信環境較為惡劣，需要匹配相適應的調節技術，完成多種錯誤編碼的糾正，才能夠實現高速且可靠的數據傳輸[1]。電力線通信網絡和其他通信網絡之間的數據傳輸，能夠在信息加載過程中產生高頻信號，通過終端調制器分離傳輸電流，區分高頻信號，以此完成智能化的信息傳送[2]。目前，在電力線通信數據傳輸過程中，能夠保持較低的錯誤代碼率，但由于現有的自適應分配方式，在信號調制過程中容易出現不均等的情況，導致在不同信道中產生的容量比逐漸降低，最終影響電力線帶寬的傳輸效率。其主要原因是電力線在開始階段，作為電流和電壓的傳輸媒介，其線路的時變特性不穩定，通信線路中傳輸的抗阻較小，容易受到噪聲信號干擾，降低寬帶通路容量比。為解決上述問題，本文研究基于令牌桶的電力線通信帶寬自適應分配方法，為有效解決信號傳輸效率提供理論支持，保證電力線路的穩定高效運行，加速電力線路的建設進程。

1 基于令牌桶的電力線通信帶寬自適應分配方法

1.1 構建電力線通信帶寬動態規劃模型

電力線帶寬的分配目的是滿足通信網絡中用戶的各類通信要求，為優化平穩進行帶寬分配策略設計，保證多個用戶的通信需求，需要將用戶帶寬的分配問題，在多個決策階段進行劃分[3]。選擇電力線的質量評估標準，作為分配的約束性條件，從而設計帶寬的自適應分配策略，完成用戶的通信帶寬需求。隨機動態規劃模型能夠利用無約束條件，在用戶發出請求指令后，在覆蓋范圍內進行全視野的通信信號搜尋，針對具體的用戶帶寬分配請求進行一次性求解[4]。首先對用戶需求的分配帶寬進行排序，設置電力通信帶寬請求中包含Q個用戶，用戶能夠得到的帶寬序號設置為W，其中第qn個用戶得到的寬帶序號為nw。

將模型的隨機動態處置過程，看作一個平穩的處置過程，當qn用戶第a次得到的寬帶序號，可以設置為(qn)a，將其隨機分配的過程看作一組狀態空間，可以用集合方式表示，即S=(1,2,...,a)。由于通信信道是一個變化的信道，在隨機分配的帶寬序列中[5]，存在獨立于原有的狀態，用表示，其必須依賴于原有狀態和當前狀態，以此，可以看作一個高階段的馬爾科夫決策過程。通過用戶qn信道帶寬序號的轉移概率，對信道帶寬的分配結果進行統計，根據信道的轉移概率組成判斷矩陣，表達式為：

公式中：用戶qn在下一次獲得的帶寬分配序號為l，其發生轉移的概率為；用戶qn的轉移概率矩陣用R(qn)來表示。為計算帶寬的變化比率，引入性能指標，根據矩陣的最大質量變化值，計算電力線通信的信號分配結果，表達式為：

公式中：帶寬的信道變化比率用t來表示；矩陣中質量的最大變化值用 max來表示，該通信網絡中的用戶數量用D來表示。受電力線通信信道的變化影響，在規定的時間內，通道的狀態會對下一個帶寬信道的單元轉移產生影響，以此(qn)kl的數值是隨著帶寬序號的排列順序不斷變化。根據轉移概率的變化，能夠為帶寬分配帶來變化，進行通路中傳輸信號的分類，優化電力線的通信帶寬自適應有序分配。

1.2 基于令牌桶自定義通信傳輸信號類型

根據電力線通信網絡中多組用戶的不同需求，為有效解決類似性需求結果對分配的影響，在通信帶寬分配過程中，建立一個隨機的動態規劃模型，保證不同用戶的帶寬需求長度。以電力通信的傳輸方式進行選擇，能夠動態地實現用戶帶寬分配，來滿足用戶的不同通信需求。電力線通信網絡中，需要根據用戶的優先等級進行分配，必須保證用戶能夠公平地獲取帶寬資源。選擇令牌桶的方法完成傳輸信號的類型定義，在保證用戶基本需求的同時，能夠對網絡流量信號進行整改，以此確定不同通路中的信號類型。

在各組傳輸的電力線路中，各組用戶產生的數據需求，會自動匹配到線路信道內，運用令牌桶能夠定義用戶的帶寬長度，在一定的速率下進行周期性填充，使多個通路中的數據包長度滿足最小鏈路[6]。在令牌桶的填充過程中，需要保證令牌桶的數量，不能超過通道的容量大小，當每組通路與對應的令牌匹配后，將多余的令牌丟棄或者重新進入下一組通路的填充。在此過程中只有數據包長度數值，小于令牌桶中的令牌數量，則能夠允許通路中傳輸數據通過，將其定義為正向傳輸信號。

1.3 密度聚類自適應劃分信道分配帶寬

根據不同的通信傳輸信號類型，能夠區分出每組電力線通信信道的規格，通過信道聚類的方式可以將具有較高相關性的信道聚合在一起，以此確定電力線通信帶寬中，不同通信信號的信道占用情況。由于不同的信道在接收組內信號時，能夠產生不同的聯系性，在具備較為密切的關系時，能夠表示其相關性能較高，此時信道的聚類效果也就越有意義[7-8]。通過密度的聚類效果能夠對信道的狀態進行預測，實現主動識別信道的目的，以此得出不同信道中，電力線通信信號類型的存在方式，減少分配過程中出現的通信噪聲信號比。

在密度聚類過程中，能夠主動刪除與其他對象不存在關聯性質的噪聲信號，即在密度較小的信號中不能夠和其他類型的信號進行劃分，必須按照同樣的比例形式完成分配。設置一個通信相關組z，在其中包含y個信道編號，利用密度聚類方式進行排列組合[9-10]，按照順序進行分組標號，具體以相關性能劃分結果，見圖1。

根據圖中內容所示，以不同的信道分組標號進行聚類，選擇密度聚類方式進行相關性信息排列，在同樣的顏色標記內能夠表示較強的相關性，可以被分在同一個相關性能組別中。而顏色不同的信道之間不存在關聯性，以此可以知道其不具備等效信號傳輸效果，對各類電力線通信的強度進行劃分。

2 實驗結果與分析

為驗證此次設計的分配方法具有實際應用效果，能夠在電力通信帶寬中完成自適應分配，采用實驗測試的方法進行論證。選擇某省的電力線路通路為測試樣本，設置該電力通道為載波通路，其中包含3 組信號調制信道類型。以每組信道的數據轉換包的大小，作為此次實驗的測試數據，選取12 月30 日的用戶請求需求，通過載波頻率10 ～30 MHz 的變化范圍進行統計，具體數據樣本見表1。

表1 用戶數據請求轉換包大小

根據表中內容所示，在選擇的該省電力線載波通路中，每個載波信號的調節類型分別為24 MQA 和60 MQA 以及82 MQA。每次截取的信號數據按照每個4MAH 進行統計，其中24 MQA 信號調節類型產生的數據包較大，82 MQA 信號調節類型產生的數據包較小。將上述3 組通路中的數據請求，進行帶寬的自適應分配，由于電力線通信的自身組成結構，在進行數據的傳輸過程中，會受到通路中的電阻影響，以此作為數據帶寬的分配測試條件，驗證不同分配方式下運行數據的信道容量變化。

利用MATLAB 測試平臺依次導入，選擇一組傳統方法進行對照，比較不同分配方法下，電力線通信線路中數據帶寬的分配效果。實驗共分為兩個部分：第1 部分為分配的結果測試，在選擇的3 組載波頻率下，以每次通路增長10 DB 的抗阻進行容量限制，對比分配方式下用戶數據請求的保留程度，即該信道的容量存儲效果。第2 部分測試分配過程中，對信道容許通過數據請求的帶寬傳輸速率，即在可容許的標準范圍內，電力線通路中的用戶請求數據的傳輸時間。首先進行第1 部分的測試，設置每組信道中的初始抗阻均為0 DB，在不斷增長的情況下，不同分配方法對請求數據的容量配比結果，具體見圖2。

根據圖中內容所示，通路中的抗阻增量與載波頻率截取相一致，在每個截取階段內，均會對應一種強度的線路抗阻。本文方法能夠根據用戶的請求數據進行帶寬分配，其產生的數據包容量大小與原有數據相一致，能夠保證電力通信傳輸的信道占比，在規定時速內完成數據傳輸。

綜合結果可知：在本文方法的應用下，能夠使不同載波頻率下的用戶請求，在電力線路中完成帶寬分配，且請求的數據大小不會發生變化，具有實際應用效果。

為進一步驗證本文方法的有效性，在通信容量沒有發生變化的數據中，進行用戶請求數據的帶寬分配效率測試。在3 組調節類型的載波頻率均處于22 MHz 的前提下，對產生的數據進行分配處理，具體測試結果見表2。

表2 不同方法下帶寬分配效率對比

根據表中內容所示，在本文方法下能夠在不同信號調控模式下，將用戶請求數據的帶寬分配時間控制在10s 之內，而傳統方法隨著調控模式的波長增加，其所用的分配時間隨之增長，影響帶寬的分配效率。綜合實驗結果可知：本文方法能夠在分配過程中，保證用戶的請求數據在信道容量中的占比不發生變化，保障帶寬的整體分配時間，以此提高電力線通信的傳輸效率。

3 結語

本文從分析現階段電力線通信帶寬的分配情況入手，了解到原有自適應分配方法的不足之處，并加以改進，設計一個新的通信帶寬自適應分配方法。實驗結果表明：在本文方法的應用下，能夠保證用戶數據請求的帶寬分配在信道中的容量占比。只需10 s便可以完成用戶的帶寬分配，保證電力通信的傳輸效率，具有實際應用效果。但在研究過程中仍存在一些不足之處，如在測試環節選定的樣本數據類型過少，所得結論具有一定的偏差性，需加以改進。在以后的研究過程中要針對不足之處，進行不同類型樣本的分配測試，為電力線通信帶寬的自適應分配提供理論保證，維護電力系統的穩定運行。