（电工理论与新技术专业论文）宽带电力线通信系统的资源分配研究.pdf

t o r a ld e g r e ei ne n g i n e e r i n g s t u d y o fr e s o u r c ea l l o c a t i o ni nb r o a d b a n do v e r p o w e r - - l i n es y s t e m s c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： a s s o c i a t es u p e r v i s o r ： a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ： s p e c i a l i t y ： s c h o o l ： d a t eo fd e f e n c e ： x u z h i q i a n g p r o f c u ix i a n g a s s o c i a t ep r o f z h a im i n g y u e d o c t o ro fe n g i n e e r i n g e l e c t r i c i a nt h e o r ya n dn e w t e c h n o l o g y s c h o o lo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c e n g i n e e r i n g j u n e 2 0 l o d e g r e e - c o n f e r r i n g - - i n s t i t u t i o n ： n o r t hc h i n ae l e c t r i cp o w e r u n i v e r s i t y 声明户明 此处所提交的博士学位论文宽带电力线通信系统的资源分配 北电力大学攻读博士学位期间，在导师指导下，独立进行研究 尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究 享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其 在文中以明确方式标明。 签 名：乏金叁i 圭 e t 期：塑：厶丛 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 全盖f 垄 日期：型垒! ：缓 导师签名： 日期： 华北电力人学博士学位论文 中文摘要 在低压电网的宽带电力线通信中，应用自适应正交频分复用和动态资源优化分 配技术，能有效地消除电力线信道的多径、衰减、时变和频选影响。本文在对电力 线通信系统中动态资源优化分配的研究现状，进行深入的调研和总结评述基础上， 重点研究动态资源优化分配技术在低压电网高速通信中的应用，提出一些基于低压 电力线信道的动态资源优化分配策略和算法，以便更好地提高电力线通信系统的资 源利用和服务质量。 本文首先针对单用户单相电力线通信系统的信道特性、实现约束和用户需求， 提出速率自适应的基于注水线比较的比特加载算法和功率自适应的基于最优分配 准则的资源预分配和调整算法，并在典型的单用户电力线信道环境下分别对他们进 行了仿真分析，结果表明所提算法在降低其计算复杂度的同时，仍然保持其各自资 源分配目标的性能最优。 然后，针对单相电力线通信系统中不同用户间的信道特性差异，提出一种速率 和功率自适应相结合的多用户资源预分配与调整优化算法；再利用每时隙内多 o f d m 符号间的电力线信道特性，提出一种基于最优分配准则的每时隙内第一 o f d m 符号的资源分配和后继o f d m 符号的资源调整算法；再结合多用户在多子载 波上自适应比特和功率分配的多层次多目标特点，提出一种基于资源因子的资源优 化分配算法；再利用遗传算法的全局寻优性能，提出一种改进n s g a i i 的速率和功 率自适应相结合的单目标和多目标优化的遗传算法；再基于跨层资源分配的优势， 提出一种在数据链路层用户调度和在物理层资源分配的跨层多目标算法，其中用户 调度是从所有用户中选出调度用户，和确定他们的最优跨层参数以给资源分配，资 源分配是确定所有调度用户的系统资源分配情况，并把其给下一次用户调度。以上 所有所提算法都在典型的多用户电力线信道环境下分别进行了仿真，结果表明他们 均能满足电力线通信多业务资源动态分配的多目标要求，其中改进遗传算法的性能 优于常规多用户算法的，但稍差于资源因子算法的。 最后，针对多导体电缆通信系统中相邻信道间的串扰，提出对通信信道进行几 何均值分解解耦和脏纸编码技术消除等效信道间有向干扰的位加减查表算法，为了 对比还给出基于奇异值分解解耦的位添加查表算法。在多导体电缆的各种参数和电 力线通信的各种约束下，对所提算法进行了仿真，结果表明位加减算法在保持系统 性能最优同时，有效地降低了资源分配的复杂度。 关键词：电力线通信，资源分配，信道特性，用户优先级，多目标优化 a p p l i c a t i o no fd r o at e c h n o l o g yi nt h eh i g h s p e e dc o m m u n i c a t i o n so v e rt h el v p g , a n d s o m es t r a t e g i e sa n da l g o r i t h m so fd r o ab a s e do l lt h el o w v o l t a g ep o w e r - l i n ec h a n n e l w e r ep r o p o s e d ，w h i c hc o u l db e t t e ri m p r o v et h ep l cs y s t e m s u t i l i z a t i o no f r e s o u r c ea n d q u a l i t yo fs e r v i c e f i r s t l y , ab i t 1 0 a d i n ga l g o r i t h mf o rr a t ea d a p t a t i o nb a s e d o nt h ec o m p a r i s o no fw a t e r - f i l l i n gl i n ea n dar e s o u r c ep r e a l l o c a t i o na n da d j u s t m e n ta l g o r i t h mf o rp o w e r a d a p t a t i o n b a s e do nt h eo p t i m a la l l o c a t i o nr u l ew e r ep r o p o s e df o rt h es i n g l e u s e rp l cs y s t e m sw i t h t h e s i n g l e p h a s ep o w e r - l i n e c h a n n e l sc h a r a c t e r i s t i c s ，r e a lr e s t r i c t i o n s a n du s e r r e q u 【i r e m e n t s t h e nt h e yw e r et e s t e di ns o m et y p i c a lp o w e r 。l i n ec h a n n e le n v i r o n m e n t r e s p e c t i v e l ya n dt h es i m u l a t i o n r e s u l t si n d i c a t et h a tt h e ya l m o s th a v et h eo p t i m a l p e r f o 珊a n c e so nt h e i r s e l fr e s o u r c ea l l o c a t i o na i m s w i t hl o wi m p l e m e n t a t i o nc o m p l e x i t y s e c o n d lv ar e s o u r c ep r e a l l o c a t i o na n da d j u s t m e n to p t i m i z a t i o na l g o r i t h m f o rt h e m i x t u r eo fp o w e ra d a p t a t i o na n dr a t ea d a p t a t i o nw a sp r o p o s e d f o rt h em u l t i u s e rs i n g l e p h a s ep l cs y s t e m sb a s e do nt h ed i f f e r e n c e so fu s e r sc h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c s ，a n d a l l a l g o r i t h mo fr e s o u r c ea s s i g n m e n tf o rt h ef i r s to f d ms y m b o la n dr e s o u r c e a d j u s t m e n t f o rt h es u b s e q u e n to f d ms y m b o li ne a c hs l o t - t i m eb a s e do nt h eo p t i m a la l l o c a t i o nr u l e w a sp r o p o s e dw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i co fp o w e r l i n ec h a n n e lb e t w e e nm u l t i p l eo f d m s v m b 0 1 si ne a c hs l o t t i m e ，a n dar e s o u r c eo p t i m i z a t i o na l l o c a t i o na l g o r i t h mb a s e do nt h e r e s o u r c ef a c t o rw a sp r o p o s e d w i t ht h em u l t i h i b e r a r c h y a n d m u l t i o b j e c t i v e c h a r a c t e r i s t i c s f o rt h e a d a p t i v e m u l t i u s e r b i t - p o w e r a l l o c a t i o no nt h em u l t i p l e s u b c a r r i e r s a n da ni m p r o v e dn s g a i ig e n e t i ca l g o r i t h m f o rs i n g l e a n dm u l t i p l e o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o nw i t ht h em i x t u r eo fp o w e ra d a p t a t i o na n dr a t ea d a p t a t i o nw a s p r o p o s e dw i t ht h eg l o b a l l ys e a r c h i n gc h a r a c t e r i s t i co fg e n e t i ca l g o r i t h m ，a n dac r o s s l a y e rm u l t i o b j e c t i v ea l g o r i t h mw i t ht h eu s e r s c h e d u l i n gi nd a t a l i n kc o n t r o l ( d l c ) l a y e r a n dt h er e s o u r c ea l l o c a t i o ni np h y s i c a ll a y e rw a sp r o p o s e d ，w h i c h s e l e c t e dt h e a b s t r a c t s c h e d u l i n gu s e r sf r o ma l l u s e r sa n da s c e r t a i n e dt h e i ro p t i m a lc r o s s l a y e rp a r a m e t e r si n d l cl a y e ra n dt h e ng i v e nt h e mt ot h er e s o u r c ea l l o c a t i o ni np h y s i c a ll a y e r , a n dw h i c h a s s i g n e dt h es y s t e m sr e s o u r c ef o rt h es c h e d u l i n gu s e r si np h y s i c a ll a y e ra n dt h e ng i v e n t h er e s u l t so fr e s o u r c ea l l o c a t i o nt ot h en e x tu s e r s c h e d u l i n gi nd l c l a y e r t h ew h o l e p r o p o s e da l g o r i t h m sw e r et e s t e di ns o m et y p i c a lm u l t i u s e rp o w e r - l i n ec h a n n e ls c e n a r i o s ， a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t si l l u s t r a t et h a t t h e y a l lc o u l dm e e tt h e m u l t i - o b je c t i v e r e q u i r e m e n t so ft h em u l t i s e r v i c er e s o u r c ed y n a m i ca l l o c a t i o ni np l cs y s t e m s w h e r e i n ， t h ep e r f o r m a n c e so fi m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h ma r eb e t t e rt h a nt h eg e n e r a la l g o r i t h m s a n dl e s st h a nt h er e s o u r c ef a c t o ra l g o r i t h m s s l i g h t l y f i n a l l y , ab i t a d d i n g s u b t r a c t i n gt a b l e l o o k i n ga l g o r i t h mb a s e do nt h eg e o m e t r i cm e a n d e c o m p o s i t i o nd e c o u p l i n gt h ec o m m u n i c a t i o nc h a n n e l sa n dt h ed i r t y - p a p e rc o d i n g t e c h n o l o g ye l i m i n a t i n g t h ed i r e c t i o n a li n t e r f e r ea m o n gt h ee q u i v a l e n tc h a n n e l sw a s p r o p o s e dw i t ht h ec r o s s - i n t e r f e r eb e t w e e nt h ea d ja c e n tc h a n n e l sf o rt h em u l t i - c o n d u c t o r p o w e rc a b l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，a n da n o t h e rb i t - a d d i n gt a b l e - l o o k i n ga l g o r i t h m b a s e do nt h es i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o nd e c o u p l i n gt h ec o m m u n i c a t i o nc h a n n e l si s a l s op r o p o s e df o rc o m p a r i s o n t h ep r o p o s e da l g o r i t h m sw e r et e s t e di nt h ev a r i o u s p a r a m e t e r so fm u l t i c o n d u c t o rp o w e rc a b l ea n dt h ev a r i o u sr e s t r i c t i o n so fp l cs y s t e m s ， a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h eb i t a d d i n g s u b t r a c t i n ga l g o r i t h mc o u l dk e e p t h eo p t i m a ls y s t e mp e r f o r m a n c e sa n dd e c r e a s et h ec o m p l e x i t yo fr e s o u r c ea l l o c a t i o n e f f e c t i v e l y k e yw o r d s ：p o w e r - l i n ec o m m u n i c a t i o n s ，r e s o u r c ea l l o c a t i o n ，c h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c s ， u s e rp r i o r i t y ，m u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n 华北电力人学博士学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 引言一l 1 2 宽带电力线通信系统中资源分配研究现状3 1 2 1 单相单用户系统中的资源分配一3 1 2 2 单相多用户系统中的资源分配5 1 2 3 多导体系统中的多用户资源分配9 1 3 论文的主要思想和工作1 0 1 3 1 宽带电力线通信系统的框架说明1 0 1 3 2 论文的主要研究内容及章节安排1 3 第二章低压电力线信道的特性与建模回顾1 5 以 2 1 引言1 5 2 2 低压电，j 蔓i 专道的高频传输特性与建模1 6 2 2 1 信道的高频传输特性1 6 。 2 2 2 信道高频传输特性的参数模型1 7 2 2 3 信道高频传输特性的统计模型2 0 2 3 低压电力线信道的加性噪声特性与建模2 2 ， 2 3 1 信道的加性噪声特性2 2 2 3 2 信道加性噪声特性的常规建模2 4 2 3 3 信道加性噪声特性的统计建模2 7 2 4 低压电力线信道的需要参数分析和说明2 8 2 5 本章小结3 2 第三章单用户电力线通信系统中的资源分配3 3 3 1 引言3 3 3 2 单用户系统的自适应资源分配模型3 3 3 2 1 速率自适应模型3 4 3 2 2 功率自适应模型3 4 3 3 速率自适应的资源分配3 5 3 3 1 注水线比较的逐比特加载查表算法3 5 3 3 2 算法仿真与分析3 6 3 4 功率自适应的资源分配4 0 3 4 1 最优准则预分配和调整算法4 0 3 4 2 改进的位添加查表分配算法4 3 目录 3 4 3 算法仿真与分析4 3 3 5 本章小结4 7 第四章多用户电力线通信系统中的资源分配4 8 4 1 引言4 8 4 2 多用户的资源预分配与优化调整一4 9 4 2 1 多用户的速率自适应资源分配模型4 9 4 2 2 多用户资源预分配与优化调整算法5 1 4 2 3 算法仿真与分析5 3 4 3 多用户的资源分配和后续调整分配5 8 4 3 1 分层资源分配模型及其拉格朗日分解5 8 4 3 2 资源分配和后续调整分配算法6 0 4 3 3 算法仿真与分析6 3 4 4 基于资源因子的多层多目标资源分配6 8 4 4 1 多层多目标资源分配模型6 8 4 4 2 基于资源因子的资源分配算法6 9 4 4 3 算法仿真与分析7l 4 5 基于改进n s g a i i 的多层多目标资源分配7 6 4 5 1 改进型n s g a i i 算法的多目标资源分配设计7 7 4 5 2 改进型n s g a i i 算法的单目标资源分配设计8 2 4 5 3 基于资源因子的多层多目标资源分配和调整算法8 3 4 5 4 算法仿真与分析一8 4 4 6 本章小结8 8 第五章电力线通信系统中跨层的用户调度和资源分配9 0 5 1 引言9 0 5 2 电力线通信系统的跨层模型9 l 5 3 用户的最优参数确定和调度9 l 5 3 1 用户的跨层最优参数确定9 l 5 3 2 基于效用函数的用户调度9 3 5 4 调度用户的资源分配9 4 5 4 1 资源分配模型及其分解9 4 5 4 2 功率子载波预分配和调整算法9 7 5 4 3 子载波功率预分配和调整算法9 9 5 4 4 算法仿真与分析1 0 0 5 5 本苹小结1 0 8 第六章多导体电力电缆载波通信系统中的资源分配1 0 9 6 1 引言10 9 华北电力人学博士学位论文 6 2 多导体电力电缆的信道串扰1 0 9 6 3 信道解耦及其相关参数变换l ll 6 3 1 信道传输矩阵的解耦1 1 2 6 3 2 信道相关参数的变换1 1 4 6 4 基于信道解耦的资源分配1 1 5 6 4 1 信道串扰的资源分配模型1l5 6 4 2g m d 解耦和脏纸编码的位加减查表算法11 6 6 4 3s v d 解耦的位添加查表分配算法1 17 6 4 4 算法仿真与分析1 1 7 6 5 本章小结1 2 0 第7 章总结与展望1 2 1 7 1 论文工作总结1 2 1 7 2 今后工作展望1 2 3 参考文献1 2 4 致访 1 3 9 附录1 4 0 攻读博士学位期间发表的学术论文1 4 1 攻读博士学位期间参加的科研工作1 4 3 华北电力人学博士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 智能电网是目前电网研发的一个热点，国内外专家对于其发展的重要性和宏观 意义认识高度一致，如美国的“g r i d 2 0 3 0 计划”，欧盟第5 次框架计划中的“欧洲电网。 中的可再生能源和分布式发电整合”和中国的“2 0 0 8 2 0 3 0 - - - 步走计划”等【1 ，2 1 。中国国 家电网公司提出的坚强智能电网，是以坚强网架为基础，以通信信息平台为支撑， 以智能控制为手段，包含电力系统的发电、输电、变电、配电、用电和调度各个环 节，覆盖所有电压等级，实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合，是坚 强可靠、经济高效、清洁环保、透明开放、友好互动的现代电网。目前，国外发达 国家的智能电网特别强调配用电侧的智能化。国内许多专家也认为，一个坚强的国 家电网仅靠特高压、超高压端的巩固是不够的，也难以确保其坚强，必须对低压的 用户端同步优化。故而，用电侧的智能电网技术更值得大家的关注【3 】。 发展智能电网，作为支撑平台的电力通信信息系统必先发展。中国在高压输电 和中压配电上大都采用了光纤宽带通信，而在低压用电上部分采用了窄带的电力线 通信( p o w e r - l i n ec o m m u n i c a t i o n s ，p l c ) 或电力专用无线通信。p l c 技术应用在电力系 统调度、远程控制以及语音传输等方面已有几十年的历史，现在仍然是地区电网、 省级电网乃至大区电网的通信方式之一【4 】。近二十年来，p l c 逐渐延伸到中低压配 用电网中，其最初用来传输监控信号，数据速率低、使用频带窄、多采用单载波调 制和扩频等通信方式【5 。】。随着智能电网的发展和通信技术的进步，用电网的电力 线通信开始向高速化和网络化发展。其使用的通信频率上限已高达3 0 m h z ，物理层 数据传输率已超过2 0 0 m b p s 【5 ，6 8 m 】，且能同时提供多种电信服务，这就是所谓的宽 带电力线通信( b r o a d b a n do v e rp o w e r 1 i n e ，b p l ) 。其是以太网的一个分支，区别在于 其物理层的介质为电力线。因此其对终端用户而言，可以通过室内外电力线迅速地 接入通信网络，经济且方便；对电信运营商而言，不需铺设任何新线路就可以为用 户提供宽带服务，投资少而效益高；对电力运营商而言，电力线和信号线合二为一， 既满足生产调度需要又促进行业增值业务的发展；对于图家或地区而言，应用b p l 构建智能家居、智能小区等，做到一个电力网多种用途，是目前实现“四网合一”的 关键技术，能极大地提高社会信息化和数字化发展；尤其对于偏远地区来说，b p l 可能是他们实现宽带服务的最佳选择，甚至是唯一的选择。b p l 是“最后1 0 0 m ”宽带 接入瓶颈问题极富潜力的解决方案之一，具有x d s l 、c a b l e 、f i b e r 、u w b 及w l a n 等其它接入技术所无法比拟的优势，且其已受到越来越多的重视一4 1 。中国发展智 能电网，电力线通信宽带化将不可回避，因为人类f 在从互联网走向物联网，电力 线最适合将各种电器设备连结在一起。 然而电力网不是为传输数据而设计，其基本上不具备有线通信网所具备的通信 1 第一章绪论 线路电气特性。电力线信道的频选性和时变性、阻抗失配和多径衰减、有色噪声和 窄带干扰等【1 5 i7 1 ，特别是b p l 的使用应满足安全保密和与国际上已有的p l c 电磁 辐射标准，如英国的m p t l 5 7 0 、德国的n b 3 0 以及美国的f c c l 5 等兼容【埔，”】，使 得b p l 系统的研发和商用困难重重。尽管如此，b p l 所蕴藏的极大用户资源和市场 潜力，加上电力市场化和社会信息化发展所激发的巨大经济效益，使得其理论研究、 芯片设计和产品研发仍然是世界各大公司及科研单位研究的热点，其相关产品在国 外的现场应用效果良好【l0 1 。国外学者还成立了多个p l c 国际组织，如美国的p l c 产业联盟h o m ep l u g 、欧盟的p l c 研究组织o p e r a 等，且从1 9 9 7 年开始每年举办 数次p l c 国际专题会议。他们研究的内容非常广泛，并已建立起高速p l c 的理论 体系【2 0 1 。国内的众多企业和科研院校也紧随国际步伐，毅然投入到这一领域的研发 之中，如中国电科院和国网电科院，国网信通公司和中电飞华公司，华北电力大学 和清华大学等。但其研究起步晚，研发的人力物力都不够，设计的产品仍使用国外 芯片而出现“水土不服”问题，如通信速率低和通信距离短等。所以，国内b p l 系统 的研发和应用仍有很多问题亟待解决i 2 。 任何通信系统的商用，都会考虑其系统的资源及其利用率。怎样有效地利用有 限的系统资源，是每一代通信系统都需要面临的紧迫问题。动态资源优化分配技术 作为一种有效提高系统资源利用率的措施，得到了国内外众多学者广泛、深入的研 究，且至今仍然热度不减。b p l 系统中的资源包括时域时隙、频域子载波和其它域 功率等，其用户按业务特性的不同而分为实时( r e a lt i m e ，r t ) 用户和非实时( n o n r e a lt i m e ，n r t ) 用户，其子载波允许为一个用户独享或多个用户共享方式工作。从 而其动念资源优化分配涉及多用户复用、同频干扰处理、子载波分配、调制方式选 择、比特和功率分配等。其实现的关键是如何把子载波和功率资源公平而有效地分 给各用户，在满足用户服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) 和公平性下，最大限度地利 用系统已有的资源提高其性能。子载波资源和功率资源的互补互惠关系，说明b p l 系统中的资源分配为多目标优化。而以往的多用户资源优化分配，按优化目标的不 同分为功率自适应和速率自适应，其实质仅考虑功率这一日标，不是真正意义上的 多目标优化。所以说，b p l 系统中的资源分配为多用户的多业务在多子载波上的多 层次、多准则和多目标的多系统资源分配。其实现的次序是在各种约束下，先满足 所有用户的最小要求速率时，系统使用的功率和子载波资源尽可能小；然后系统的 剩余资源如能满足所有用户的最大许可速率则寻求系统使用的总功率最小，否则在 系统的剩余资源下寻求系统已分配的总速率最大。其实现的原则是优质信道多分 配，较差信道少分配，劣质信道不分配。考虑b p l 系统的大规模应用必将带来电磁 兼容问题，其实际的解决方案就是对其发射的信号实行功率谱限制。为了降低系统 实现的复杂度，规定每个子载波上分配的比特为一定范围之内的特定的非负整数， 故而其资源分配为多层多目标混合整数非线性规划问题。其特定的混合整数非线性 华北电力人学博士学位论文 特点使其在目标寻优中难度非常大；其多目标规划特点使其对用户资源分配不再是 求解单个的全局最优解，而是求出尽可能多的p a r e t o 最优解；其多层特点使系统的 上层每个解是建立在其相邻下层每个p a r e t o 最优解的基础上。所以说，其资源分配 不同于以往，必须充分考虑其各个特点，利用好资源之间的互补性和协调好用户之 间的公平性，以便全局最优地实现系统资源分配的多目标要求【2 2 1 。这使得b p l 系统 的资源分配要比传统的灵活和复杂得多，必须研究和利用新的资源分配理论和策 略，真正地提高功率资源的时频域利用率和频率、时隙和功率资源的空域复用率。 自适应正交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 结合 动态资源优化分配技术，能根据每个用户子载波对的信道状态，动态地为每个用户 分配子载波和为每个子载波分配比特数及其相应的发射功率。将其应用于b p l 系统 中能有效地消除电力线信道多径、衰减、时变和频选性等的影响，从而有效地提高 系统的资源利用率、服务质量和数据传输速率【2 3 ，2 4 1 。目前，自适应o f d m 和动态 资源分配作为配用电网高速数据通信的重要技术已受到广泛关注，且已被一些电力 线高速通信协议所采用【8 , 2 5 2 8 1 ，但其实现非常简单。本论文就是基于我国b p l 所具 有的良好发展背景和巨大社会经济效益而提出的。其针对我国低压电力线信道和电 力线网络特有的特点，着重研究动态资源分配技术在低压用电网高速数据通信中的 应用，研发出适合我国低压电网特点的、基于电力线网络的资源优化分配策略和算j 法，以进一步提高用电网电力线通信系统的数据传输能力和服务质量，并取得相应 的核心技术和专利，为我国的b p l 发展做一些探索。所以说本课题的研究，不仅可 以缩小我们同国外差距，更重要的是可以使这种便利的通信方式进入到实用阶段。” 其不仅在实际中具有重要的应用价值，在理论上也具有着一定的学术意义。 1 2 宽带电力线通信系统中资源分配研究现状 b p l 系统中的资源维数增多，只是具备了提高系统资源利用率的条件，如果资 源不充分利用，系统的容量还是不高。b p l 系统中提高其资源利用的已有资源分配， 可分为单相电力电缆通信系统中的单用户或多用户资源分配和多导体电力电缆通 信系统中的多用户资源分配。 1 2 1 单相单用户系统中的资源分配 根据信息论中的香农公式可知，对于某个给定的子载波，其速率( 在本文中单位 为比特o f d m 符号周期子载波带宽；下文中为了简便，把其简称为比特o f d m 符 号或比特) 、功率和裕度是相互关联的三个变量，限制其中的某两个就优化第三个。 这样就形成了单相单用户b p l 系统中的三类优化问题，即速率最大化问题、功率最 小化问题和裕度最大化问题，且其中的功率最小化和裕度最大化问题等价【29 1 。从而 单用户系统最优的资源分配可以分为两大类最优化问题：速率自适应( r a t e a d a p t a t i o n ，r a ) 最优化和功率自适应( p o w e ra d a p t a t i o n ，p a ) 最优化【3 0 3 2 】。文献【3 0 1 还指出m a x m i n 公平的速率自适应优化问题的本质是迭代的功率自适应优化，它们 1 第一章绪论 都为非线性整数规划问题。 对于单用户系统的资源最优分配，信息论的注水理论为其提供了理论依据。且 可以证明，功率在连续的频带上注水分配的性能是最优的【3 3 1 。于是文献【3 3 】提出了 迭代注水功率分配算法，但其在迭代运算前没考虑参加分配的子载波，在迭代运算 时也没考虑子载波上的各种上限约束情况，且其需要多次迭代才能得到一个最优的 注水水位线。如果能在功率分配前确定不参加分配的子载波，即在剩余子载波中迭 代注水分配功率，能明显地降低算法运算量。一般将这种在功率分配前选取部分子 载波再注水分配功率的算法称为开关注水功率分配算法【3 4 1 ，但其没考虑子载波的各 种上限约束情况。由于参加分配的子载波既有各自信道状态的约束，又有发射功率 上限及比特数上限的约束，因此给一个子载波分配超过其上限的功率并不能增加系 统的总吞吐量，还将导致系统功率的浪费。所以说，功率分配像对一个既有不规则 底部，又有不规则顶部的“地窖”进行注水，这种方法称为地窖注水功率分配算法【3 5 】。 注水理论分配的功率最优，然而其结论不能直接应用在b p l 系统中【2 9 】：首先， 注水理论假设带宽是无限细分的，而b p l 系统采用自适应o f d m 技术后只有有限 个离散的子载波；其次，注水理论建立了功率和容量的连续关系式，而实际b p l 系 统为降低其实现复杂度，每子载波上分配的比特仅为一定范围之内的特定非负整 数；最后，注水理论仅指出单用户系统中的一条注水水位线，而对多用户系统，不 同用户的q o s 要求和其分配的子载波不同，导致其注水水位线也是不同的【3 6 1 。 为了将注水理论的思想应用于单用户b p l 系统的离散信道环境，人们提出了 性能除复杂度外都最优的逐比特位添加法【37 3 s 。其首先循环计算用户在每个子载波 上加分l 比特时的功率增量，直到该子载波上的比特数不再满足约束为止，然后根 据所有的功率增值组成一个功率增量表，如表1 1 所示。 表1 1 功率增量表 载波序号功率增最 l p l ( 1 )a p , ( r 1 ) 以 卸。( 1 )m ( r 1 )a p 。( r l + 1 )肌( ，)p ( ， ，+ 1 )a p 。( 厶) m o o p “1 )卸“r 1 )a p u ( r , + 1 )a p “r n ) o o 表中没有功率增值的项表示为o d ，有功率增值的项胁( 厂f ) 表示在子载波n 上的 已分配( ，r 1 ) 比特基础上加分l 比特时的功率增量，表中功率增值项都为的子载波 m 被关闭，h 表示在子载波以上的最大许可分配比特数。再根据功率增量表，依次 华北电力大学博十学位论文 在表中功率增量部分的第一行搜索功率增量最小且不为o o 的元素，把相应子载波的 传输比特数加1 ，功率增量部分中该列的元素依次向上移动一行，且其第一个元素 被去掉而最后一个元素改为0 0 。重复进行以上搜索，直到速率最大化目标中的总功 率受限条件不满足，或直到系统速率达到某一要求下的已使用总功率最小化。 逐比特位添加法物理意义明确、便于理解，并且可用于求解速率或功率自适应 准则的资源优化分配问题。可以证明，逐比特位添加查表法分配的结果也是最优的 p s i ，但其需要对一个长度为的向量进行多次搜索，算法复杂度很大。于是有很多 文献提出各种约束下的次优或准最优快速比特分配和调整算法【3 9 1 。 虽然单用户系统中的资源分配比较简单，但研究其的算法为研究其他更复杂的 资源分配问题提供了思路。比如多用户b p l 系统中的资源分配目标可以与单用户系 统中的一样，在为各用户进行子载波分配之后，对每个用户来说，就可以类似地使 用单用户的资源分配算法进行最优的功率和比特分配等。 1 2 2 单相多用户系统中的资源分配 单相p l c 系统中的多用户，按业务特性可分为r t 用户和n r t 用户，其子载波上 可同时允许一个或多个用户工作。从而其动态资源优化分配涉及多用户选择、同频 干扰处理、子载波分配、调制方式选择、比特和功率分配等。其实现的关键是如何 把子载波和功率资源公平而有效地分给各用户，在满足各用户的服务质量和公平性 下，最大限度地利用系统已有的资源提高其性能【4 0 1 。其实现的次序是在各种约束下， 先保证各r t 用户传输固定比特下尽量降低其使用的资源；再在系统剩余资源下优先 保证各n r t 用户传输最小比特时也尽量降低其使用的资源；后在分配系统的剩余资 源中尽可能地增大n r t 用户的总比特数【4 1 1 ，或所有n r t 用户传输最大比特时尽量增 大系统剩余的总功率资源。 1 公平资源分配 利用不同用户在同一子载波上信道衰减的差异性，将子载波尽量分给信道状况 好的用户，这样虽然可以充分利用频域选择性分集和多用户分集来提高系统的频谱 利用率，但是用户间的公平性和各用户的服务质量不能保证【4 2 1 。于是有人提出满足 用户自j 公平性的