[发明专利]基于流量公平性和干扰约束的电力线网络子信道分配方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是基于流量公平性和干扰约束的电力线网络子信道分配方法，属于电力线通信(Power Line Communication，PLC)领域。

背景技术

在智能电网范畴内，电力线接入网和智能家庭电力线网络可以被划分到局部网络中。与传统的无线网络通信相比，电力线网络需要不断提高其频谱效率，因此许多智能家庭网络采用了正交频分复用技术。通过把可用带宽划分为多个正交的窄带子信号，电力线通信(Power Line Communication，PLC)系统可以提高其频谱利用率，在移动网络中信道分配技术一直被人们广泛研究，无线通信中获得的许多经验被研究者运用到了电力线上。与无线网络类似，电力线通信中也有两种信道分配策略，有竞争机制和无竞争机制的。其中，建立在竞争机制下的信道分配算法很多，当前电力线Home Plug AV标准下，CSMA/CA在媒体接入控(MAC)层是一项非常重要的技术。然而，在基于竞争机制下的分配策略不能很好地满足实际应用中用户对服务质量的要求，特别是智能家庭网络中多负载的情况。

无竞争机制策略下的信道分配算法可以有效保证通信的高质量，它是可以通过时分复用(Time Division Multiple Access，TDMA)方式实现的,这种方式下可以探索出许多有助于提高系统通信效率的方法，因而被广泛采用。一个典型的智能家庭PLC网络由一个终端节点和一个中继节点组成，中继节点做为核心设备，管理着整个网络以及信道的分配问题。就是这样一个高度集中化的拓扑网络促进了TDMA制式下的信道分配问题发展。

无线通信和电力线通信的通信环境和特点存在很大差异，无线信号的衰减是由多路信号的建构和结构复合的结果。电力线中的信号衰落是由分支电网中的信号反射造成的，与系统的拓扑结构有很大的关系。信号会在每个电容和变压器处存在衰减。在噪声方面，无线中的噪声属于热噪声，电力线噪声被模拟为有色背景噪声、异步脉冲噪声。由于电力线中信号衰减非常严重，建立在信道状态信息(Channel State Information，CSI)基础上的子信道分配算法成为电力线通信中一种有效的调度方法。

近年来相关领域研究的热点聚焦到提升电力线TDMA通信系统中子信道分配算法的表现上。但这些算法有一个最大问题就是忽略了系统的公平性原则。之后一种基于多目标优化(Multiple Optimal Objectives，MOO)方法被提出，此方法满足了网络中用户的多项要求。但这种方法存在明显的缺陷，它是一种贪婪算法，该方法可能存在不可接受的复杂性。

本发明将对基于流量和公平性约束以及干扰约束的电力线网络子信道分配方法进行说明。

发明内容

发明目的：考虑流量公平性约束和干扰约束两种限制条件，为提高用户公平性和系统吞吐量，本发明设计了一种电力线网络子信道分配方法。

技术方案：本发明提出的电力线网络子信道分配方法，主要包括以下几个阶段。

第一阶段：定义一个图标G(V,E)来表示电力线系统的网络拓扑结构，其中V是n个节点的集合，E是固定通信链路的集合。ε_(u,v)∈E表示节点u可以和节点v直接通信。系统中，每条信道都有若干子信道，这些可用的子信道组成了子信道集合，表示为C＝{c_i},i＝1,2,...,K，K是子信道的最大数量。

第二阶段：考虑流量和公平性约束。我们从网络的拓扑和流量的公平的原则来考虑流量的约束条件。在网络中，一个节点若不是源节点或目的节点，在这一节点处的流量的流入量和流出量是相等的。因此节点处的限制条件如下

E°(u)是从u发出数据的的所有链路的集合，Eⁱ(u)是流入u的所有链路的集合。f_e为链路上所有信道吞吐量的总和，信道占用率X_e,k表示了在一段时间内(整数倍时隙)，链路e工作在信道k上的时间占总时间的比例，R_e,k是链路e在信道k上的信道容量。

而对任何的链路e来说，为了保证用户的服务质量，节点还需要满足用户对流量的要求

是节点u需要的吞吐量，λ₀是公平率，代表需求流量跟实际流量的比值。因此是u节点实际的流量。式(2)可以保证用户的流量公平。