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基于宽带OFDM电力线通信的载波资源分配算法

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Sm穗 Gr{d 第34卷第1期 2018年1月 文章编号:1674—3814(2018)01—0096—05 电网与清洁能源 Power System and Clean Energy Vo1.34 No.1 Jan.2018 中图分类号:TM73 文献标志码:A 基于宽带OFDM电力线通信的载波资源分配算法 刘耀辉 ,罗建勇 ,时昌剑 (1.国网陕西省电力公司宝鸡供电公司,陕西宝鸡721004; 2.国网陕西省电力公司铜川供电公司,陕西铜川 727031;3.北京中宸泓昌科技有限公司,北京100089) Algorithm of Carrier Resource Allocation Based on Broadband OFDM Power Line Communication LIU Yaohui ,LUO Jianyong2,SHI Changjian (1.State Grid Shaanxi Electric Power Company Baoji Power Supply Company,Baoji 721004,Shaanxi,China; 2.State Grid Shaanxi Electric Power Company Tongchuan Power Supply Company,Tongchuan 72703 1,Shaanxi,China; 3.Beijing Zhong Chen Hong Chang Technology Co.,Ltd.,Beijing 100089,China) ABSTRACT:The traditional power line communication system 于解决宽带OFDM电力线通信中载波分配的效率与公平性, in Shaanxi is mainly of the narrowband communication.With the broadband OFDM power line communication considered,we face with an issue of how to allocate carrier resources eficientlfy. In view of this,this paper proposed a carrier resource allocation method based on auction ̄amework,which is called carrier re— source allocation of broadband OFDM power line communication 并且实现较好的连接阻塞概率性能。算法主要基于拍卖的 框架,其中配备了网络中的集中器作为拍卖人,而簇头结点 作为投标人,彼此竞争宽带OFDM通信网络中的载波资源, 叶子结点通过簇头结点中继获得资源。本方法采用了源结 点、中继结点和目的结点间的层级稳健结构,增强了系统的 稳健性,与此同时有效地进行资源分配,实现了全网吞吐量 的最大化、公平和效率。 based on Relay Auction(RA).This method is mainly used to ad— dress the eficiency and ffairness of carrier allocation in broad— band OFDM power line communication and to achieve better per— formance of connection blocking probability.The algorithm is 关键词:宽带OFDM;载波分配;中继;拍卖 国家电网公司为充分发挥智能配电网的运行效 mainly based on the auction ̄amework,which is equipped with a concentrator in the network as an auctioneer.while the cluster 率与资产利用率,实现资源整合,为用户带来更具针 对性的差异化服务,正积极地优化用电信息采集系 统,完善数据的采集功能,通过应用智能电能表的相 head node acts as a bidder and competes with each other for car— rier resources in a broadband OFDM communication network. Leaf nodes obtains resources through the relaying of cluster head 关数据提高数据资产的利用价值【”。 为提高系统采集频度,提升系统问信息交互效 率,需要一个可靠稳定且高效率的通信系统,从而实 现远程对智能电能表的信息采集。目前通信系统主 要采用的方式有窄带载波、宽带载波以及微功率无 线等,随着通信技术的不断发展,对通信频率与通信 距离的要求更高,一种采用正交频分复用(orthogo. nal frequency division multiplexing,OFDM)调制方式 的宽带电力线通信技术逐渐发展起来,实现了宽带 载波与微功率无线通信的结合。 宽带OFDM电力线通信口堤一种以电力线为媒 nodes.The proposed method adopts a hierarchical and robust structure between the source node,the relay node and the destina— ticn n0de.which enhances the system robustness and effectively allocates resources at the same time to maximize the throughput of the whole network and to achieve fairness and effectiveness. KEY WORDS:wide band OFDM;carrier assignment;relay; auction 摘要:陕西地区传统电力线系统主要是窄带通信,若考虑到 宽带OFDM电力线通信时,就面临着如何将载波资源进行有 效分配的问题。鉴于此,提出了一种基于拍卖框架的载波资 源分配方法,Hq做基于中继拍卖(Relay Auction)的宽带 OFDM电力线通信的载波资源分配,简称RA方法。主要用 介传输数据信号的通信方式,其无需铺设额外的线 98 刘耀辉,等:基于宽带OFDM电力线通信的载波资源分配算法 们分别用BEnc 和BERLF表示c 和LF 的误码率 2机制设计 为了解决宽带OFDM电力线通信的载波资源 分配问题,本文提出了一种基于拍卖框架的载波资 源分配方法,叫做基于中继拍卖(relay auction,RA) 的宽带OFDM电力线通信的载波资源分配,简称 RA方法。这种新颖的分配方法与传统的VCG拍 卖很类似,但是提出的RA算法在资源分配效率方 来表征这种能力,然后可以分别得到簇头结点和叶 、u,,, F,、、 子结点传递比特数的能力m 和mL表示如下: 、、:、m c CN ·(1一BERG ) m L =m c。。·(1) (2) (1一BERL ) 在我们提出的拍卖方法的框架中,每个CLs需 要通过拍卖竞争子载波资源,估值函数可以通过标 量估值参数进行充分的表征。具体来说,每一个 cL 计算估值参数m ,然后基于个人理性,提交一 一 面可以获得竞争性,同时通过调整支付函数,能够 在效率和公平性之间达到适当的平衡。具体来说, 使用较小的支付参数值,RA算法也可以实现比 VCG算法更好的连接阻塞概率性能。 个竞标价格b 给集中器,来表示自己的估值参数, 由于拍卖的真实性b 会等于真正的估值参数,即: b :m C 。每个C 的误码率BERc ,每个LF 的误 本文在假设分簇路由已经选好的前提下,只考 虑带宽资源分配问题,将网络中的路由进行拍卖建 模,其中:集中器作为拍卖人,而簇头结点作为投标 人,叶子结点作为簇头结点的直接获益方。宽带 OFDM电力线通信的载波资源分配问题模型如图2 所示: 码率BERL ,估值参数m ,以及竞价集合 B={bl,b b }会通过带外控制信道传送到集中 器。然后集中器会计算相应的分配 F(日)={F ,F ….,F F },其代表分配给每个CLs 的子载波数目。在典型的拍卖中,投标人的效用是 该投标人收到的价值减去拍卖人分配的付款。然 而,在我们的模型中,为了提供付款的实际意义,我 们将付款与实际的无线电资源(即子载波数目)相 关联。所以,计算支付: P=P(B)={FLF'F ,…,E LF,…,F } (3) 其代表被用来作为叶子结点通信中继的子载 波数目,以此作为支付的费用,所以每一个簇头结 点最终被分配的子载波数目为F ,表示如下。 图2宽带OFDM电力线通信的载波资源分配模型 Fig.2 Broadband OFDM power line communication m C =Fk— (4) carrier resollrce allocation model 此层级网络结构适用于宽带OFDM电力线通 拍卖结束后,分配和支付结果会传送给每一个 簇头结点。因此,每一个簇头结点和叶子结点的最 终效用函数可以表示如下。 ,信全网络,本文中仅以三层为例。 在上图的问题模型中,我们假设有一个集中器 负责分配载波资源有Ⅳ个簇头结点CLs,由CL 定 F L )= 一F L )= ) (5) uL (F2 )= ) (6) 义, ∈N:{1,2,...,N},彼此之间相互竞争载波资 源,有Ⅳ个叶子结点LFs,由LF 定义, 我们考虑用一个对数函数来表示CLs对子载 波上接收到的比特数的估值。即 (、∈N={l,2,...,N},通过CLs中继进行数据传输。对 于在宽带OFDM电力线通信网络中,假设载波总带 宽为F MHz,对于每一个簇头结点来说,由于载波 F c )=log(rac。 F c +1) (7) 类似的,LFs对子载波F 的估值为: vLF(F LF)=log(mLF·F +1) (8) 一资源少,需要彼此竞争来获取传输机会。我们定义 个子载波的带宽为f MHz,每个簇头结点在每个 实际上在每个子载波上具有不同的传输能力。我 因此,将公式(7)和(8)分别带人公式(5)和(6) 中,可以推出它们最终的效用表达式为: ,子载波上传递的比特数是CN 。但是每个簇头结点 F L )=log[mc ·( 一rL )+1] ( )=log F +1) (9) (10) 第34卷第1期 很显然, 电网与清洁能源 99 对于估值参数m 和分配资源 据国家电网公司企业标准,宽带载波通信网络 以低压电力线为通信媒介,实现低压电力用户用电 信息汇聚、传输、交互的通信网络,其主要采用正交 频分复用技术,频段使用2 MHz ̄12MHz 。 我们在仿真中考虑网络中载波 宽F =10 MHz, 分别有一个集中器和N=120个簇头结点以及N= 120个叶子结点。若考虑在信噪比10 dB的情况 是凸的,并且 对于估值参数mLF和分配资源F 也是凸的,则可以找到唯一的那是均衡解 。 3拍卖规则 般来说,投标人要求的资源越多,应付给拍 一卖人的付款越高。因此,我们将支付f(bk)定义为随 投标标量b 增加的函数,并提出了一种中继拍卖 (RA)[8]算法,其具体实施方案如下: ①竞价投标规则。 向网关提交标量值b , 并且6一{bk:b ≤6 }。我们还让LF 提交其误码率 BERL 给集中器。然后,集中器可以知道LF 的估值 为m L b ·(1一BERL )。 ②支付规则。如果cL 获得 个子载波,那么 它就必须支付F =-厂(6 )·F 个子载波来为LFk提供 中继。我们为了考虑实际场景中应用情况的不同 要求,构造了两个具有归一化概念的支付函数 (6 )= A和 (6k)= 。其中,A是一个支付常系数, 通过改变A可以使得 6 )随b 的增加递增并且保 证o ̄fib 1。 ③分配规则。我们定义最优的分配策略集合 为F+,用F ={F1 ,F2,..., }表示,则有如下分配规 则,由集中器进行分配执行: F ={ , ,...,FN} argm ax}下' ̄Uc ( ) (11) =argm ax ∑:A) A=ll0g 1.BE吩F )og(b ̄"F—F )+1l+  ‘ 2 约束条件为: ∑( +rL )·f=Fb (13) F L =/(6 )·F (14) 4仿真结果 在本小节中,我们提供模拟结果来评估拍卖算 法的性能。 下,系统的总吞吐量与支付参数A之问的关系如图 3所示。其中,我们分别用RALiP表示具有线性支 厶 付函数fl(b )= 的RA算法和RALoA P表示具有对 数支付函数. (6 )= 的RA算法。 图3系统吞吐量和A的关系 Fig.3 System throughput Vs.payment parameter 从图3我们可以看到采用两种不同支付函数 的算法的系统吞吐量情况。随着支付参数A的增 大,采用RALiP和RALoP算法的系统的吞吐量都 随之增大。但在A<40时,采用RALiP算法的系统 吞吐量增长趋势比采用RALoP算法的系统快,且可 以看到在A=40时,采用RALiP算法的系统达到吞 吐量最大值;在A:120时采用RALoP算法的系统 吞吐量达到最大值。考虑到现实情况对于支付参 数A的不同要求,采用RALiP和RALoP算法都是 有必要的,我们的算法可以适应不同的场景需求。 通过本文提出的基于拍卖框架的载波资源分 配方法,可以有效地解决宽带OFDM电力线通信 的载波资源分配问题,使得各叶子结点更好地获得 子载波进行数据传输。这种新颖的RA算法在资 源分配效率方面可以获得竞争性,同时通过调整支 付函数,并且能够在效率和公平性之间达到适当的 平衡 1 00 刘耀辉,等:基于宽带OFDM电力线通信的载波资源分配算法 Vo1.34 No.1 算法及网络重构【J1_中国电机工程学报,2008,28(4): 5结论 本文针对传统窄带电力线通信,提出了一种用 于宽带OFDM电力线通信的载波资源分配方法,主 要用于解决宽带OFDM电力线通信中载波分配的 效率与公平性,并且实现较好的连接阻塞概率性 65-71. QI Jiajin,LIU Xiaosheng,XU Dianguo,et a1.Simulation study ON cluster——based routing algorithm and reconstuc— rtion method of power line communication over lower-volt— age distribution[J].Proceedings of the CSEE,2008,28 (4):65—71. 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