面向電力業(yè)務(wù)可靠性保障的PON-LTE融合接入網(wǎng)絡(luò)資源分配機(jī)制

朱紅　韋磊　李秋生　嚴(yán)東　藺鵬

摘? ?要：隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，業(yè)務(wù)對終端通信接入網(wǎng)可靠性保障要求也越來越高。目前，正交頻分復(fù)用技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用，結(jié)合無源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，成為了電力終端通信接入網(wǎng)技術(shù)中的一個(gè)熱點(diǎn)研究方向。然而，由于終端通信接入網(wǎng)中各類設(shè)備對可靠性要求的不同，有的設(shè)備要求接入網(wǎng)對其進(jìn)行冗余覆蓋以保證高可靠性的服務(wù)?，F(xiàn)有的大多數(shù)融合網(wǎng)絡(luò)資源分配算法未能考慮業(yè)務(wù)的可靠性要求，且存在算法復(fù)雜、計(jì)算量大以及容易陷入局部最優(yōu)解等問題，不足以滿足終端通信接入網(wǎng)的業(yè)務(wù)可靠性要求。論文提出了一種面向智能電網(wǎng)終端通信接入網(wǎng)的上行資源分配方案，仿真結(jié)果表明，本方案能夠在可靠性要求高的環(huán)境下，相對單一智能優(yōu)化算法，在10GHz的PON帶寬情況下，實(shí)現(xiàn)20%的網(wǎng)絡(luò)覆蓋增強(qiáng)效果。

關(guān)鍵詞：資源分配;PON-LTE融合接入網(wǎng);業(yè)務(wù)可靠性;智能電網(wǎng)

中圖分類號：TN915.6? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： With the development of smart gird， service requirements for reliability of terminal communication access network are getting higher and higher. At present， Orthogonal Frequency Division Multiplexing （OFDM） technology has a wide range of applications. Combined with passive optical network technology， it has become an important part in power communication access network technology. Due to the different reliability requirements of various types of devices in the grid， some devices require the access network to perform redundant coverage to ensure high reliability services. However， most existing resource allocation algorithms for integrated access network have problems such as non-reliability guaranteed， large computational complexity， and easy to fall into local optimal solutions， which are insufficient to meet the increasing requirements of business reliability. This paper proposes an uplink resource allocation scheme for the terminal communication access network in smart grid. The simulation results show that the scheme can effectively solve the above problems and gain 15-20% better coverage rate compared with single resource allocation algorithms under high reliability requirements.

Key words： resource allocation; PON-LTE integrated access network; business reliability; smart grid

1 引言

隨著智能電網(wǎng)通信技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)對業(yè)務(wù)的可靠性保障要求也越來越高。目前，正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing， OFDM）技術(shù)可以較好地解決多徑衰落或者多徑反射所引起的頻率選擇性衰減，同時(shí)又具有頻譜利用率高、信道均衡技術(shù)簡單、信號調(diào)制解調(diào)易于實(shí)現(xiàn)、糾錯(cuò)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用在各種通信領(lǐng)域[1]。在電力終端通信接入網(wǎng)中，無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）是一個(gè)重要的技術(shù)手段，而隨著接入網(wǎng)設(shè)備數(shù)量的急劇增加， 對光纖的寬帶傳輸能力要求在增加。OFDM-PON具有頻譜效率高、抗色散性能好、帶寬分配靈活等優(yōu)點(diǎn)，成為PON的重要實(shí)現(xiàn)方式。近年來關(guān)于OFDM-PON的研究大量集中在下行方向。事實(shí)上，隨著電力通信網(wǎng)上行業(yè)務(wù)占比要遠(yuǎn)高于下行，因此研究大容量、廣覆蓋OFDM-PON上行傳輸技術(shù)十分必要。

現(xiàn)在，已有的關(guān)于OFDM-PON中帶寬分配的研究大部分關(guān)注如何有效提高帶寬利用率。Doo等人[2]提出了一種用于OFDM-PON的高鏈路利用的兩階段資源分配算法，首先為每個(gè)光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）分配時(shí)間窗口，然后分配子信道。Chen等人[3]基于頻域、時(shí)域、調(diào)制格式和功率分配四個(gè)維度，提出了一種針對OFDM-PON的上行鏈路傳輸?shù)腗AC層動(dòng)態(tài)帶寬分配調(diào)度方案。在保證網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的QoS方面，Saito等人[4]提出了擁擠網(wǎng)絡(luò)條件下的自適應(yīng)帶寬分配算法，其中調(diào)制格式、符號率和子載波數(shù)量可以根據(jù)PON-section的距離，每個(gè)ONU的QoS和帶寬需求自適應(yīng)地決定。Shao等人[5]應(yīng)用統(tǒng)計(jì)方法動(dòng)態(tài)分配帶寬，充分利用幀和優(yōu)先級來保證差異化服務(wù)的QoS，提出了QoS保證動(dòng)態(tài)帶寬分配方案。與一般的動(dòng)態(tài)帶寬分配方法不同，Lei等人[6]提出的是具有統(tǒng)一帶寬的動(dòng)態(tài)和平衡容量的OFDM-PON分配方案，通過比特和功率級別的負(fù)載控制來實(shí)現(xiàn)OFDM-PON資源的動(dòng)態(tài)分配。

而對于智能電網(wǎng)中資源分配的研究，Zhu等人[7]提出了一種基于LTE的蜂窩系統(tǒng)的上行鏈路的自適應(yīng)無線資源分配（AWRA）方案，考慮了用戶的優(yōu)先級和公平性，但是沒有考慮到業(yè)務(wù)的可靠性。Webster等人[8]利用人口理論Lotka Volterra（LV）方程來最優(yōu)地共享用戶設(shè)備（UE）之間的電信子載波，能提供較比例速率約束算法和最大總和速率算法更高的平均吞吐量，還能夠?qū)⒆虞d波預(yù)分配給智能電網(wǎng)UE以減少傳輸延遲。

綜上所述，至今仍沒有關(guān)于智能電網(wǎng)終端通信接入網(wǎng)中OFDM-PON承載無線LTE網(wǎng)絡(luò)場景的上行資源分配研究，更不用說在此基礎(chǔ)上考慮業(yè)務(wù)的可靠性。所以，本文提出一種面向終端通信接入網(wǎng)上行資源分配方案，其中電力通信業(yè)務(wù)由OFDM-PON和LTE無線網(wǎng)絡(luò)承載，在考慮業(yè)務(wù)多樣性的同時(shí)，也保證了業(yè)務(wù)的可靠性。

2? 模型構(gòu)建

如圖1所示，在OFDM-PON與無線技術(shù)組成的融合電力通信接入網(wǎng)絡(luò)中，一個(gè)OLT具有固定帶寬FB，對應(yīng)一定數(shù)量的子載波，它連接到多個(gè)ONU，每個(gè)ONU充當(dāng)無線接入基站BS，向下為其服務(wù)范圍內(nèi)的UE提供服務(wù)，考慮NAN中的不同終端節(jié)點(diǎn)的可靠性要求不同，對于高可靠性要求的終端節(jié)點(diǎn)，需要為其提供冗余覆蓋，對具有冗余覆蓋要求的終端UE，需要同時(shí)使用多個(gè)基站為其提供服務(wù)，并同時(shí)滿足其QoS要求。設(shè)ONU-BS集合為K，UE集合為U，UEi的業(yè)務(wù)需求為Ri，ONU-BS K的固定帶寬為Bk，其從OLT處獲得的速率為vk，UEi從BSk處獲得的帶寬為bi，k?？紤]不同終端的不同可靠性要求，即冗余覆蓋數(shù)量，定義終端i需要的最低冗余覆蓋數(shù)為Di。優(yōu)化目標(biāo)是在保證終端服務(wù)質(zhì)量和可靠性要求的前提下，最大化網(wǎng)絡(luò)能夠服務(wù)的終端數(shù)量。

在無線網(wǎng)絡(luò)中，帶寬被劃分為資源塊RB，基站以資源塊為單位為每個(gè)UE提供服務(wù)。用0-1變量表示基站k是否分配到OFDM-PON子載波s，用0-1變量zi，k來表示UEi是否從基站k處分得無線資源，即：

考慮到終端UE的可靠性需求，即需要為高可靠性要求的終端節(jié)點(diǎn)同時(shí)使用多個(gè)基站提供冗余覆蓋，并同時(shí)滿足終端的QoS要求，定義0-1變量qi來表示終端i的可靠性要求是否被滿足，具體表示為：

資源分配策略在OLT端進(jìn)行，因此以最大化覆蓋終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)量為目標(biāo)，本文建立的資源分配模型可寫為：

其中，約束C1和C2用于表明，zi，k為0-1變量;約束C3和C4表示基站為終端節(jié)點(diǎn)提供的速率需要滿足其業(yè)務(wù)要求;約束C5表示基站若從OLT處分得PON資源，其為UE提供服務(wù)使用的系統(tǒng)容量不能超過PON鏈路容量限制，c是每個(gè)PON資源塊的速率，等于PON系統(tǒng)總速率/資源塊數(shù)量N;約束C6是基站帶寬資源約束;約束C7表示PON中一個(gè)資源塊只能被一個(gè)無線基站使用;約束C8為OFDM-PON系統(tǒng)的資源總量限制。

3? 算法求解

容易看出，上述資源分配問題（6）是一個(gè)NP-Hard問題，本文提出一種混合智能優(yōu)化算法來對其進(jìn)行求解，定義外層自適應(yīng)遺傳算法的變量為，內(nèi)層二進(jìn)制粒子群的算法變量為zi，k，所設(shè)計(jì)的適應(yīng)度函數(shù)為能覆蓋且滿足業(yè)務(wù)和可靠性要求的最大終端節(jié)點(diǎn)數(shù)量

首先，對于PON資源的分配，將變量編碼為二進(jìn)制遺傳算法中的個(gè)體染色體基因，染色體長度為的大小，每個(gè)基因的取值為0或1，代表一個(gè)PON子載波是否分配給一個(gè)無基站。自適應(yīng)進(jìn)化的具體過程分為幾步。

步驟一：種群初始化。產(chǎn)生由一組個(gè)體組成的種群，每個(gè)個(gè)體含有一個(gè)染色體，染色體長度等于的大小，每個(gè)染色體的組成為一組隨機(jī)0-1二進(jìn)制序列，代表一種PON資源分配方案。

步驟二：適應(yīng)度計(jì)算。根據(jù)個(gè)體染色體組成，進(jìn)行無線基站與業(yè)務(wù)終端的PON資源分配，在此基礎(chǔ)上再對基站與終端節(jié)點(diǎn)之間的無線資源進(jìn)行分配，在滿足終端節(jié)點(diǎn)的最低業(yè)務(wù)速率和可靠性覆蓋要求的前提下，計(jì)算按此方案進(jìn)行資源分配得到的能夠覆蓋的終端節(jié)點(diǎn)數(shù)量，將此作為個(gè)體的適應(yīng)度。

步驟三：選擇。使用輪盤賭方法選擇出種群中適應(yīng)度值較高的個(gè)體，進(jìn)行下一步操作。

步驟四：交叉。以交叉概率Pr對個(gè)體對j1和j2中每一個(gè)體的染色體，交換其指定位置。其中Pr可根據(jù)適應(yīng)函數(shù)值動(dòng)態(tài)調(diào)整，其計(jì)算方法為

其中ηmin為種群中最小適應(yīng)度，ηmean為種群中所有個(gè)體適應(yīng)度的平均值。Pr0為默認(rèn)交叉概率，αr和βr為取值范圍為[0，1]的常系數(shù)。

步驟五：變異。以變異概率Pm選出個(gè)體j，對個(gè)體染色體中的指定位置進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。在自適應(yīng)遺傳算法中，Pm也可以根據(jù)適應(yīng)度值進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，其公式為

其中Pm0為默認(rèn)變異概率，αm和βm也是取值范圍為[0，1]的常系數(shù)。

步驟六：判斷是否到達(dá)遺傳進(jìn)化次數(shù)，若已達(dá)到，停止;否則，轉(zhuǎn)到第2步。

其次，對于業(yè)務(wù)終端與基站之間的無線資源分配，用PSO中的一個(gè)粒子代表一種分配方案，一個(gè)粒子的大小即為變量zi，k的大小，每個(gè)位置的值為0或1，對應(yīng)zi，k的一個(gè)具體取值，粒子適應(yīng)度函數(shù)為此資源分配方案下所能覆蓋到的終端節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。

具體地，用表示粒子群中第W個(gè)粒子在第t代進(jìn)化時(shí)的位置值。對應(yīng)地，用表示第W個(gè)粒子在第t代的更新速度。在最小速度Vmin和最大速度Vmax范圍內(nèi)，粒子速度和位置的更新方式為

其中pbw和gb分別表示第t代進(jìn)化后的本地最優(yōu)解和全局最優(yōu)解，c1和c2為學(xué)習(xí)因子（加速常數(shù)），R（0，1）為0和1之間的隨機(jī)數(shù)，函數(shù)保證了粒子位置值取0或者1，其定義為

4 仿真結(jié)果分析

如圖2所示，顯示了本文所提混合智能優(yōu)化算法與單一智能優(yōu)化算法的收斂性能。從圖中可以看出，在相同的迭代次數(shù)下，使用混合智能優(yōu)化算法可以更快的收斂到最優(yōu)解，因?yàn)檫@一算法可以對兩類決策變量同時(shí)進(jìn)行尋優(yōu)，相比于僅一層的尋優(yōu)算法，速度更快，也可以一定程度上避免單一算法早熟或陷入局部最優(yōu)的問題。

圖3顯示了滿足業(yè)務(wù)與可靠性要求的終端覆蓋比例隨PON帶寬的變化情況，其對應(yīng)的冗余覆蓋數(shù)分別為1、2、3，其中最低冗余覆蓋數(shù)為2和3的終端比例分別固定為20%。從圖中可以看出，無論可靠性要求的高低，隨著PON資源的增加，網(wǎng)絡(luò)可以覆蓋的終端數(shù)量都會增加，顯然這是因?yàn)楫?dāng)終端業(yè)務(wù)與可靠性需求固定時(shí)，即各個(gè)終端的冗余覆蓋數(shù)不變時(shí)，PON資源更多，能夠滿足更多終端的業(yè)務(wù)需求，也可以為原本達(dá)不到可靠性需求的終端提供更多資源使其實(shí)現(xiàn)冗余覆蓋。從圖中還可以看出，q越小，在相同PON資源下能夠達(dá)到的終端覆蓋率越高，因?yàn)楦呖煽啃詴加酶嗟馁Y源;而且，當(dāng)PON資源越少，這種差異越明顯，因?yàn)槿哂喔采w數(shù)變大后，由于資源受限，原本可以覆蓋的終端節(jié)點(diǎn)難以達(dá)到可靠性要求，而變?yōu)椴荒鼙桓采w。

如圖4所示，顯示了在不同高可靠性終端的比例下，滿足業(yè)務(wù)與可靠性要求的終端覆蓋比例隨PON帶寬的變化情況，其中高可靠性終端的最低要求冗余覆蓋數(shù)為2，其對應(yīng)比例分別為10%、20%和30%。從圖中可以看出，PON資源越多，相同場景下能夠覆蓋的終端數(shù)量越多，這與上一張圖的趨勢一致。另外，高可靠性終端所占比例越大，相同資源下能夠覆蓋的終端數(shù)量越少，原因是在終端數(shù)量和位置都不變的條件下，顯然更多的冗余覆蓋會消耗更多PON資源，導(dǎo)致整體覆蓋率的下降。進(jìn)一步可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)PON資源越緊缺時(shí)，高可靠性占比之間的差別越大，同樣，原因是受限的資源無法滿足高可靠性的要求而不能覆蓋終端節(jié)點(diǎn)。

5 結(jié)束語

本文提出的面向智能電網(wǎng)終端通信接入網(wǎng)的上行資源分配方案能夠有效解決混合接入網(wǎng)中部分終端的高可靠性需求，通過與單一智能優(yōu)化算法進(jìn)行對比，當(dāng)冗余覆蓋數(shù)提高或是高可靠性終端占比提高時(shí).本文提出的混合智能優(yōu)化算法在迭代次數(shù)相同的情況下，在不同PON資源情況下能夠提升15-20%的終端覆蓋率，并且不會存在其他優(yōu)化算法可能的計(jì)算量大、陷入局部最優(yōu)點(diǎn)等問題。根據(jù)模擬結(jié)果，本文得出了PON資源數(shù)量有限時(shí)，滿足高可靠性終端越多，能夠覆蓋的總終端數(shù)量就越少，因此如何權(quán)衡各類終端的數(shù)量需要根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)控。從研究結(jié)果可以看出，本文提出的面向智能電網(wǎng)終端通信接入網(wǎng)上行資源分配方案具有一定的實(shí)用性和發(fā)展前景。

基金項(xiàng)目：

1.國網(wǎng)江蘇省電力公司科技項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：J2017072）;

2.國家科技重大專項(xiàng)（項(xiàng)目編號：2017ZX03001013）。

參考文獻(xiàn)

[1] N. Cvijetic.OFDM for Next-Generation Optical Access Networks [J].Lightwave Technology， 2012，30（4）：384-398.

[2] Doo K， Bang J， Han M S， et al. Two‐Stage Resource Allocation to Improve Utilization of Synchronous OFDM‐PON Supporting Service Differentiation[J]. Etri Journal， 2015， 37（4）：409-13.

[3] Chen J， Li Y， Chen J， et al. Four-dimensional scheduling for uplink dynamic bandwidth allocation in OFDM-PON[J]. Optik-International Journal for Light and Electron Optics， 2013， 124（24）： 6922-6925.

[4] Saito H， Minato N， Tamai H， et al. Highly Efficient Adaptive Bandwidth Allocation Algorithm for WDM/OFDM-PON-Based Elastic Optical Access Networks[J].IEICE Transactions on Communications， 2018， 101（4）： 972-978.

[5] Shao A， Dou Q， Xiao Y， et al. Bandwidth allocation design to guarantee qos of differentiated services for a novel OFDMA-PON[C]. 2012 18th IEEE Asia-Pacific Conference on Communications （APCC）， 2012： 775-780.

[6] Lei C， Chen H， Chen M， et al. Dynamic and balanced capacity allocation scheme with uniform bandwidth for OFDM-PON systems[J]. Optics Communications， 2015， 338： 106-109.

[7] Zhu R， Tan X， Yang J， et al. An adaptive uplink resource allocation scheme for LTE in smart grid[J]. Journal of Communications， 2013， 8（8）： 505-511.

[8] Webster R， Munasinghe K， Jamalipour A. Optimal resource allocation for smart grid applications in high traffic wireless networks[C]. 2014 IEEE International Conference on Smart Grid Communications （SmartGridComm）， 2014： 398-403.

作者簡介：

朱紅（1971-），女，漢族，江西南豐人，華北電力大學(xué)，碩士，研究員級高級工程師;主要研究方向和關(guān)注領(lǐng)域：電力系統(tǒng)信息通信和智能電網(wǎng)。

韋磊（1982-），男，漢族，南京江蘇人，河海大學(xué)，博士，高級工程師;主要研究方向和關(guān)注領(lǐng)域：電力系統(tǒng)信息通信和智能電網(wǎng)。

李秋生（1981-），男，漢族，南京江蘇人，南京郵電大學(xué)，高級工程師;主要研究方向和關(guān)注領(lǐng)域：電力系統(tǒng)通信。

嚴(yán)東（1976-），男，江蘇南京人，河海大學(xué)，碩士，工程師;主要研究方向和關(guān)注領(lǐng)域：電力通信網(wǎng)。

藺鵬（1987-），男，漢族，山東萊蕪人，內(nèi)蒙古師范大學(xué)，學(xué)士，工程師;主要研究方向和關(guān)注領(lǐng)域：電力通信網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)管理、仿真系統(tǒng)。