電力線通信寬帶OFDM調(diào)制自適應(yīng)分配仿真

萬正兵,鄧 奕

(1. 漢口學(xué)院電子信息工程學(xué)院,湖北 武漢 430212;2. 武漢紡織大學(xué)電子與電氣工程學(xué)院,湖北 武漢 430200)

1 引言

現(xiàn)階段電力線通信呈現(xiàn)出高速化發(fā)展趨勢(shì)[1],大多數(shù)電力線通信均已經(jīng)應(yīng)用了OFDM技術(shù)[2]。但由于電力線通信信道本身的信道特性存有缺陷,當(dāng)前的OFDM技術(shù)已無法保證通信服務(wù)質(zhì)量,導(dǎo)致電力線通信資源分配過程出現(xiàn)失衡和耗時(shí)過長的問題。利用電力線通信資源的子載波合理地對(duì)各個(gè)子載波分配是保障電力線通信系統(tǒng)服務(wù)性能的關(guān)鍵。

針對(duì)這一問題,已經(jīng)有很多學(xué)者得到了一些優(yōu)秀的研究成果。魏紹亮[3]等人提出電力線通信帶寬自適應(yīng)分配策略研究方法。以PLC通信質(zhì)量評(píng)估值為主,利用建立的模型對(duì)帶寬實(shí)行訓(xùn)練,并以數(shù)據(jù)篩選的方式簡化帶寬訓(xùn)練方式,其訓(xùn)練結(jié)果就是最終分配結(jié)果。楊立豎[4]等人提出面向負(fù)載-時(shí)間窗口的基于PSO-GA的云軟件服務(wù)自適應(yīng)資源分配方法。主要以QoS預(yù)測(cè)模型為主,并基于面向負(fù)載時(shí)間窗口方法將未來負(fù)載全部引入到資源分配策略計(jì)算過程內(nèi),以此實(shí)現(xiàn)通信資源的自適應(yīng)分配。饒寧[5]等人提出基于最大策略熵深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的通信干擾資源分配方法。利用構(gòu)建的剪枝孿生結(jié)構(gòu)對(duì)通信干擾詳細(xì)評(píng)估,并以策略熵最大化用作訓(xùn)練目標(biāo),決策出最佳資源分配方案,實(shí)現(xiàn)了電力線通信資源的最優(yōu)分配。

但是由于電力通信過程是動(dòng)態(tài)的,通信信道是多路徑的,其衰減和時(shí)變具有不規(guī)律性,因此上述已有方法在應(yīng)用過程中無法適應(yīng)這一特征,導(dǎo)致電力通信資源分配的均衡性仍然較差。為解決該問題,提出寬帶OFDM電力線通信資源自適應(yīng)分配方法。

2 通信資源特性建模

在電力線通信寬帶信道中,OFDM技術(shù)屬于多載波并行調(diào)制形式,可以有效對(duì)并行數(shù)據(jù)流調(diào)制,令其在正交子載波內(nèi)傳輸通信資源,避免出現(xiàn)子載波干擾的問題,有效的提升了電力線通信寬帶信道的利用率。

多載波通信系統(tǒng)中[6,7],通常會(huì)將寬帶劃分成不同頻率的M個(gè)窄帶子信道,通信數(shù)據(jù)資源輸入到信道時(shí),會(huì)以串并轉(zhuǎn)換的形勢(shì),將原始數(shù)據(jù)碼流速率轉(zhuǎn)換成1/M的并行碼流,以此抗拒外界干擾脈沖。并行傳輸信號(hào)經(jīng)過子載波調(diào)制器后,會(huì)形成符號(hào)序列,對(duì)該序列循環(huán)處理后,令其在信道中傳輸,信號(hào)經(jīng)A/D變化后就可以獲取接收序列,基于FFT方法對(duì)接收序列實(shí)施抽樣,以此獲取初始發(fā)送端調(diào)制信息。

2.1 寬帶OFDM調(diào)制、解調(diào)

OFDM電力線通信系統(tǒng)中,如果存在M個(gè)子載波,那么系統(tǒng)內(nèi)單一的OFDM符號(hào)可以存在的時(shí)間就為Ts,對(duì)OFDM符號(hào)實(shí)行串并轉(zhuǎn)換時(shí),輸送的時(shí)間要比發(fā)送信號(hào)的流速提升M倍,因此滿足于:Ts=MTinput的條件。其中,Tinput為比特流符號(hào)的發(fā)送周期。那么在OFDM電力線通信系統(tǒng)中子載波的第k個(gè)發(fā)送符號(hào)xk(t)定義為:

(1)

式中,i為子載波,X[i,k]為通信數(shù)據(jù)發(fā)送符號(hào),fi為頻率。

那么在連續(xù)時(shí)間內(nèi)的電力線通信OFDM系統(tǒng)基帶信號(hào)即可表示為

(2)

式(2)中包含子載波頻率,經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),電力線通信帶寬的子載波頻率均相差1/Ts倍,其主要原因在于不同的子載波均要滿足于正交性條件,所以在OFDM系統(tǒng)內(nèi)部分子載波頻率會(huì)出現(xiàn)交叉、重疊的現(xiàn)象,以此預(yù)防子載波出現(xiàn)干擾的問題。因此利用下述公式驗(yàn)證電力線通信子載波的正交性,若不同的電力線子載波信號(hào)成績?cè)谕恢芷趦?nèi)的積分為0,就說明這些子載波信號(hào)均為正交[8],用公式表達(dá)式定義如下

(3)

2.2 寬帶OFDM保護(hù)頻帶特性

在Ts中各個(gè)子載波信號(hào)屬于信號(hào)與信號(hào)長度相乘的Ts矩形窗,其頻譜為sinc函數(shù),所以不斷疊加sinc函數(shù)就能形成OFDM信號(hào)功率譜,但是過大的輻射功率會(huì)對(duì)鄰道造成影響,容易出現(xiàn)干擾問題。為降低寬帶外功率,減少干擾影響,構(gòu)建寬帶OFDM保護(hù)頻帶特性模型為:

(4)

式中,β為載波系數(shù),T表示符號(hào)長度,(1+β)T為加窗符號(hào)長度。

從(1+β)T可以看出信號(hào)符號(hào)OFDM之間相互重疊,且信號(hào)符號(hào)的最終長度需要由滾降系數(shù)確定。當(dāng)β取值越大時(shí),帶寬OFDM的外功率下降速度就會(huì)越快,這時(shí)將升余弦窗加入到式(4)中,即可降低功率,減小鄰道出現(xiàn)的干擾問題。

根據(jù)獲取寬帶OFDM電力線通信的OFDM調(diào)制解調(diào)及OFDM保護(hù)頻帶的特性[9,10],為后續(xù)的自適應(yīng)資源分配提供重要基礎(chǔ)。

3 資源自適應(yīng)分配

通過獲取的寬帶OFDM電力線通信特征,基于遺傳算法構(gòu)建寬帶OFDM電力線通信資源自適應(yīng)分配模型,利用該模型實(shí)現(xiàn)通信資源自適應(yīng)分配。

1)通信資源數(shù)據(jù)包調(diào)度效用值計(jì)算

以電力線通信速率[11,12]及通信時(shí)延用作約束條件,令信道容量最大化,以此構(gòu)建數(shù)據(jù)包調(diào)度效用值模型。

令帶寬OFDM電力線通信系統(tǒng)中心節(jié)點(diǎn)的用戶數(shù)據(jù)包服從泊松分布條件,表示如下

P(Ts)=W(t)·(λuTs)Au(t)e-λuTs/Au(t)

(5)

式中,P(Ts)為通信資源傳輸數(shù)量抵達(dá)概率,Ts為傳輸周期,λu為通信資源數(shù)據(jù)包到達(dá)率,Au(t)為用戶u在t-1時(shí)隙所到達(dá)的數(shù)據(jù)量。

當(dāng)電力線通信資源在t-1時(shí)刻傳輸時(shí),要為每個(gè)用戶都分配一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū),這時(shí)在t+1時(shí)刻所產(chǎn)生的電力線通信資源隊(duì)列長度就為

Ou(t+1)=Ou(t)+Au(t+1)-ru(t)

(6)

式中,Ou(t+1)為隊(duì)列長度,ru(t)為通信資源在t時(shí)的發(fā)送量。

由于效用值可以有效地對(duì)用戶服務(wù)質(zhì)量需求及通信資源信息反應(yīng),因此計(jì)算各個(gè)用戶的電力線通信資源效用值[13],有利于對(duì)子載波的分配,效用值計(jì)算公式如下:

(7)

式中,Wu,k為效用值,RQoS(u)為服務(wù)質(zhì)量速率需求,Ru(t)為平均通信速率,D(u)為最長時(shí)延,Yu,k(t)為平均等待時(shí)間,Timeout表示當(dāng)前狀態(tài)已經(jīng)超時(shí)。

其中最長時(shí)延D(u)計(jì)算式為

(8)

式中,Du1定義傳輸時(shí)延,Du2定義傳播時(shí)延,Yframe屬于數(shù)據(jù)幀長度,C屬于傳輸速率。d屬于距離,vs屬于速度,Du3代表隊(duì)列時(shí)延。

從式(8)可知,當(dāng)用戶對(duì)電力通信速率的要求越高時(shí),消耗的等待時(shí)間就會(huì)越少,因而可以判定當(dāng)通信資源調(diào)度效用值越大,對(duì)資源分配時(shí)所需要的瞬時(shí)平均速率就會(huì)越大。

2)構(gòu)建電力線通信資源自適應(yīng)分配模型

為了提升系統(tǒng)頻譜利用率,設(shè)置子載波數(shù)由Q定義,OFDM符號(hào)數(shù)由S定義,因此計(jì)算用戶在第s個(gè)符號(hào)的子載波自適應(yīng)功率為

Pu,s,q=min(P/Q,PSDmaxB/Q)

(9)

式中,P為總功率,PSDmax為最大功率譜密度,B為總頻帶寬度。

那么電力線通信資源加載比特?cái)?shù)就表述為

(10)

令目前通信速率與服務(wù)需求速率之間的比值為滿足度因子,即F(u),那么電力線通信資源子載波在分配過程中的公平因子就定義如下

(11)

式中,f為公平因子,Fmax(u)為F(u)最大值,Fmin(u)為F(u)最小值。

以電力線通信資源系統(tǒng)吞吐量為目標(biāo),構(gòu)建出電力線通信資源自適應(yīng)分配模型[14]如下

(12)

式中,αu,s,q為自適應(yīng)分配標(biāo)識(shí)符,flimit為公平性閾值,qu為緩存數(shù)據(jù)量。

當(dāng)αu,s,q=1時(shí),說明電力線通信資源已經(jīng)成功分配,反之αu,s,q=0時(shí),說明并沒有完全分配。

考慮到帶寬OFDM電力線通信資源自適應(yīng)分配性能,采用遺傳算法[15]對(duì)構(gòu)建的模型進(jìn)行優(yōu)化求解。

因此設(shè)置系統(tǒng)內(nèi)部不存在信道編碼,令信噪比為1,那么電力線通信資源的信噪比差額Γ定義如下

(13)

式中,Pe定義目標(biāo)誤碼率,Z-1(x)為錯(cuò)誤概率函數(shù)。

采用遺傳算法對(duì)構(gòu)建的電力資源自適應(yīng)分配模型優(yōu)化,如下所示:

1)定義一個(gè)個(gè)體基因二元組,即(a,b),a為子載波編號(hào),b為分配比特?cái)?shù)。對(duì)個(gè)體基因確立后,就可以對(duì)染色體組合確立,定義為{(a,b)|1≤a≤b},可見子載波的個(gè)數(shù)由染色體長度確定,以此實(shí)現(xiàn)了子載波編碼。

2)經(jīng)編碼規(guī)則生成后,生成出新的初始種群,設(shè)置初始種群規(guī)模為150,并約束子載波分配比特?cái)?shù),令其滿足全部子載波的分配比特?cái)?shù)及目標(biāo)比特?cái)?shù),當(dāng)比特?cái)?shù)分配完成后即可實(shí)現(xiàn)初始種群的生成。

3)通過計(jì)算適應(yīng)度函數(shù),獲取個(gè)體的選擇概率,并對(duì)最佳適應(yīng)度進(jìn)行進(jìn)一步迭代,令其種群數(shù)量保持不變。

實(shí)現(xiàn)迭代后開啟基因重組,重新選擇兩個(gè)新個(gè)體,并隨機(jī)對(duì)個(gè)體的染色體基因交叉,使個(gè)體對(duì)父代替換,其交叉率越高,說明數(shù)據(jù)經(jīng)收斂后即可取得最優(yōu)解。

4)重復(fù)步驟2)～步驟3),直至滿足循環(huán)上限后結(jié)束。其最后一代的最優(yōu)解就是最終分配優(yōu)化結(jié)果。

4 實(shí)驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證寬帶OFDM電力線通信資源自適應(yīng)分配方法的整體有效性,需要對(duì)該方法開展實(shí)驗(yàn)對(duì)比測(cè)試。采用寬帶OFDM電力線通信資源分配方法、基于PSO-GA的資源分配方法和基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的資源分配方法實(shí)施實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

在寬帶OFDM電力線通信系統(tǒng)中,用戶分配比特?cái)?shù)、系統(tǒng)容量及耗時(shí)評(píng)價(jià)指標(biāo)會(huì)對(duì)電力線通信資源分配有效性產(chǎn)生直接影響。為測(cè)試寬帶OFDM電力線通信資源自適應(yīng)分配效果,首先令通信資源分配后的子載波發(fā)射功率譜滿足電力線系統(tǒng)限制條件,實(shí)驗(yàn)中采用的子載波發(fā)射功率譜曲線如圖1所示。

圖1 實(shí)際發(fā)射功率譜示意圖

采用研究方法、基于PSO-GA的資源分配方法和基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的資源分配方法測(cè)試用戶的分配比特?cái)?shù),比特?cái)?shù)越大,說明電力線通信信道狀態(tài)越好,且通信資源的傳輸速率越快。測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 分配比特?cái)?shù)對(duì)比測(cè)試

分析圖2可知,三種方法對(duì)各個(gè)用戶的比特?cái)?shù)分配效果均不相同。從整體上看,研究方法的分配比特?cái)?shù)高于基于PSO-GA的資源分配方法和基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的資源分配方法,這說明研究方法應(yīng)用下電力線通信信道狀態(tài)要優(yōu)于其余兩種方法,分配效果最佳。

電力線通信資源分配時(shí),系統(tǒng)容量的大小可反映該方法實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,測(cè)試三種方法應(yīng)用下電力系統(tǒng)容量如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)容量對(duì)比測(cè)試

從圖3可知,分配通信資源數(shù)據(jù)量時(shí),研究方法的系統(tǒng)容量始終最高,說明研究方法可以提供更大的電力系統(tǒng)容量,實(shí)用性更理想。

寬帶OFDM電力線通信資源自適應(yīng)分配過程耗時(shí)是評(píng)估方法應(yīng)用性能的關(guān)鍵指標(biāo),耗時(shí)短說明該方法的適用性和效率均更理想。設(shè)置通信數(shù)據(jù)量由50000Mbit/sec逐漸增加至300000Mbit/sec,不同方法的通信資源數(shù)據(jù)分配耗時(shí)情況如表1所示。

表1 通信資源數(shù)據(jù)分配耗時(shí)對(duì)比測(cè)試

由表1可知,不同方法的耗時(shí)對(duì)比下,研究方法的通信資源數(shù)據(jù)分配耗時(shí)平均值為13.80ms,基于PSO-GA的資源分配方法的通信資源數(shù)據(jù)分配耗時(shí)平均值為58.93ms基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的資源分配方法的資源分配方法的通信資源數(shù)據(jù)分配耗時(shí)平均值為86.78ms。說明當(dāng)通信數(shù)據(jù)量相同時(shí),研究方法能夠以更高的效率完成資源分配。

5 結(jié)束語

電力線通信信道的缺陷會(huì)對(duì)電力線通信資源自適應(yīng)分配效果產(chǎn)生影響,針對(duì)這一問題,提出寬帶OFDM電力線通信資源自適應(yīng)分配方法。該方法首先分析OFDM電力線通信資源特性,根據(jù)分析結(jié)果構(gòu)建分配模型,并采用遺傳算法對(duì)該模型優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)電力線通信資源的分配。