0 引言

    智能電網(wǎng)是一種典型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境，伴隨著物聯(lián)網(wǎng)研究的熱潮，新一代無線寬帶技術(shù)在配電網(wǎng)中的應(yīng)用已成為目前電力系統(tǒng)通信研究的熱點(diǎn)^[1]。其中，智能電網(wǎng)中采用TD-LTE技術(shù)構(gòu)建電力無線寬帶專網(wǎng)將是配電網(wǎng)通信的重要方式。將TD-LTE用于電力無線專網(wǎng)建設(shè)中，可以為用戶提供具備大容量、高帶寬、低延時、多級QoS保障等顯著特點(diǎn)的通信網(wǎng)。因此，研究TD-LTE電力無線寬帶專網(wǎng)技術(shù)在電網(wǎng)中的應(yīng)用具有重要意義。

    LTE上下行的無線傳輸方案都是采用多載波技術(shù)，上行為SC-FDMA方式，下行為OFDMA方式。電力寬帶無線專網(wǎng)的工作頻率較高，并且在1.8 GHz頻段上采用同頻組網(wǎng)，而電力系統(tǒng)在構(gòu)建無線專網(wǎng)時，只能申請到5M的帶寬，需要注重頻譜利用率的提升和上下行資源復(fù)用的相關(guān)優(yōu)化^[2]。

    目前國內(nèi)采用的上行調(diào)度算法都是基于比例公平算法調(diào)度（Proportional Fair，PF）算法^[10]改進(jìn)的，主要存在以下問題：(1)沒有考慮用戶實(shí)際信道質(zhì)量，分配的資源不連續(xù)；(2)資源塊的空間利用率低；(3)未考慮實(shí)際電網(wǎng)中的業(yè)務(wù)情況，不能保障業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量(QoS)得到滿足^[3]。針對這種情況，本文在傳統(tǒng)PF的基礎(chǔ)上，結(jié)合電力通信網(wǎng)業(yè)務(wù)的優(yōu)先級，設(shè)計(jì)一種動態(tài)的上行調(diào)度算法，保證資源的最佳分配，提高系統(tǒng)上行吞吐量。

1 電力無線專網(wǎng)上行通信需求

1.1 用電關(guān)鍵業(yè)務(wù)上行傳輸需求分析

    配電網(wǎng)典型的業(yè)務(wù)包括配電自動化(二遙和三遙)、用電信息采集、輸電線路監(jiān)測、基建視頻監(jiān)測等傳統(tǒng)業(yè)務(wù)，以及分布式電源(10 kV)、電動汽車充換電樁等業(yè)務(wù)^[4-5]。本文關(guān)注電力無線專網(wǎng)對配用電通信網(wǎng)上行業(yè)務(wù)的承載。上行業(yè)務(wù)按照功能主要分為配電類、用電類、配網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測類等。表1列出了配電網(wǎng)中各類典型業(yè)務(wù)的QoS指標(biāo)需求。

1.2 配電網(wǎng)業(yè)務(wù)傳輸優(yōu)先級劃分

    根據(jù)業(yè)務(wù)的各項(xiàng)QoS指標(biāo)和重要性，將配電網(wǎng)關(guān)鍵業(yè)務(wù)在電力無線專網(wǎng)的優(yōu)先級上分為三類：

    (1)一類業(yè)務(wù)為配電類業(yè)務(wù)，此類業(yè)務(wù)通常帶寬要求不高，但時延要求較高。

    (2)二類業(yè)務(wù)為配網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測類業(yè)務(wù)，主要包括視頻監(jiān)測、輸電線路監(jiān)測(視頻)，移動辦公和巡檢(視頻)等業(yè)務(wù)。此類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量較大，但可以容忍較大的傳輸時延。

    (3)三類業(yè)務(wù)為用電類信息，是對電力用戶的用電信息進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控和采集處理，實(shí)現(xiàn)用電信息的自動采集、計(jì)量異常檢測、電能質(zhì)量檢測、用電分析和管理等功能。該業(yè)務(wù)的時延和帶寬要求均不高，根據(jù)配電網(wǎng)中各個上行業(yè)務(wù)的QoS要求來設(shè)計(jì)動態(tài)的基于業(yè)務(wù)優(yōu)先級的調(diào)度算法。

2 TD-LTE資源調(diào)度模型

2.1 LTE應(yīng)用于電網(wǎng)的優(yōu)勢

    圍繞TD-LTE技術(shù)建設(shè)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸系統(tǒng)，適應(yīng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜和需求面廣的特點(diǎn)：

    (1)TD-LTE的數(shù)據(jù)吞吐率和頻譜利用率高，在帶寬資源有限的情況下，可以為電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸提供更高的傳輸速率。

    (2)TD-LTE利用TDD雙工方式可以靈活改變上下行資源比例，能夠滿足電力系統(tǒng)上行速率比下行要求更高的特殊需求，能適用于電網(wǎng)通信需求^[7]。

    如表2所示，本方法優(yōu)先選擇上行時隙所占比最大為75%的幀結(jié)構(gòu)配比。

2.2 LTE資源分配模型

2.2.1 LTE資源定義

    TD-LTE系統(tǒng)的物理層幀結(jié)構(gòu)：10 ms長的TD-LTE系統(tǒng)無線幀包含兩個相等的半幀，各為153 600·T_s=5 ms。其中一個半幀里又包含著5個小子幀：T_t=307 200，T_s=1 ms，每個子幀包含兩個時隙，每個時隙長0.5 ms。

    對于TDD，上下行在時間上是分開的，載波頻率相同,即在每10 ms周期內(nèi),上下行總共有10個子幀可以使用，每個子幀或者上行或者下行。

    在TD-LTE通信系統(tǒng)中，將資源的最小分配單位定義為頻域連續(xù)12個子載波和時域7個OFDM符號(在常規(guī)CP情況下)，即資源塊（Resources Block，RB）。每個用戶可以使用其中一個或者多個RB用于承載自身業(yè)務(wù)。圖1給出了TD-LTE下行鏈路RB示意圖。

2.2.2 LTE上行調(diào)度過程

    LTE系統(tǒng)的上行調(diào)度模塊位于基站的MAC層內(nèi)，主要負(fù)責(zé)決策是否對申請發(fā)送上行的用戶（UE）分配上行傳輸資源^[6，9]。圖2給出了基站上行調(diào)度時與UE進(jìn)行消息交互的具體過程。

    (1)為獲得上行調(diào)度（UL-SCH）信道資源，UE會向基站發(fā)送調(diào)度請求(SR)，通知基站該UE需要被上行調(diào)度。

    (2)UE發(fā)送上行探測參考信號（SRS）,上報(bào)基站當(dāng)前子幀上各個RB上的信道質(zhì)量，基站通過SRS來分配最優(yōu)資源給UE。

    (3)UE會定期上報(bào)基站發(fā)送緩存狀態(tài)報(bào)告（BSR），通知基站當(dāng)前UE側(cè)還需發(fā)送的數(shù)據(jù)總量。

    (4)基站收集UE側(cè)獲得的信息，以及結(jié)合UE業(yè)務(wù)的QoS需求，通過具體的調(diào)度算法決策是否為當(dāng)前UE數(shù)據(jù)請求發(fā)放上行準(zhǔn)許，并分配上行資源塊。

    (5)UE獲得上行準(zhǔn)許（DCI0）后，按照基站發(fā)出的資源指示值，計(jì)算出基站為其分配的連續(xù)資源塊RB的起始位置和長度，并在這些資源塊上發(fā)送上行數(shù)據(jù)。

3 上行調(diào)度算法設(shè)計(jì)

    本文從電網(wǎng)的業(yè)務(wù)特點(diǎn)出發(fā)，設(shè)計(jì)一種以PF算法為基礎(chǔ)的基于業(yè)務(wù)優(yōu)先級的動態(tài)上行調(diào)度算法，綜合考慮了電網(wǎng)的業(yè)務(wù)QoS需求、終端信道質(zhì)量等一系列關(guān)鍵因素。

    整個算法分為兩個部分，首先是對所有用戶申請數(shù)據(jù)進(jìn)行業(yè)務(wù)分級，然后根據(jù)業(yè)務(wù)優(yōu)先級對業(yè)務(wù)進(jìn)行資源分配。

    針對每一種業(yè)務(wù)類型設(shè)計(jì)不同的調(diào)度方法^[8]。

    (1)對于一類配電類業(yè)務(wù)φ₁，由于實(shí)時性要求比較強(qiáng)，并且安全性較高，所以需要確定數(shù)據(jù)包不能丟失，并且能按時到達(dá)目的地。顯然，生命周期越短，數(shù)據(jù)包越大的數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級越高，通過式(1)選擇優(yōu)先級最高的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包k1：

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

    通過系統(tǒng)吞吐量和不同業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包各自的傳輸總量與傳統(tǒng)PF算法和RR算法進(jìn)行比較。

4.1 系統(tǒng)吞吐量

    通過設(shè)置系統(tǒng)單位時間產(chǎn)生數(shù)據(jù)請求的個數(shù)，記錄單位時間算法成功傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量，系統(tǒng)吞吐量曲線圖如圖3所示。

    與傳統(tǒng)PF和RR算法比較，隨著數(shù)據(jù)請求個數(shù)的增大，本算法的吞吐量會高于傳統(tǒng)PF和RR算法，尤其當(dāng)數(shù)據(jù)包個數(shù)接近LTE單位幀最大負(fù)荷時，本算法的吞吐量與傳統(tǒng)算法間差距最大。從圖中看出，本算法在數(shù)據(jù)傳輸能力上具有更優(yōu)的性能。

4.2 系統(tǒng)公平性

    采用一種衡量調(diào)度算法公平性的指標(biāo)Jain Fairness來對各種算法進(jìn)行比較，其計(jì)算如下：

其中n表示用戶數(shù)，x_i表示用戶i已分配的資源總數(shù)，Jain FI的取值越大，說明分配越公平，用戶獲得資源越平均。公平性指數(shù)的對比如圖4所示。

    起始時兩種算法的公平性指數(shù)都很低，因?yàn)閿?shù)據(jù)包個數(shù)較少，當(dāng)數(shù)據(jù)包請求增加時，公平系數(shù)也會隨之增加。本文提出的新算法綜合考慮到了RLT等各種業(yè)務(wù)的優(yōu)先級因素，而傳統(tǒng)的PF和RR算法只是基于整個系統(tǒng)公平性，而沒有考慮具體數(shù)據(jù)包上業(yè)務(wù)的優(yōu)先級，所以公平性系數(shù)要低。

4.3 不同業(yè)務(wù)吞吐量

    本算法將業(yè)務(wù)類型分成3個優(yōu)先級，通過統(tǒng)計(jì)40個TTI的不同業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量，與傳統(tǒng)算法進(jìn)行比較，如圖5所示。本文提出的算法旨在滿足各類不同業(yè)務(wù)的QoS需求，從與傳統(tǒng)PF算法結(jié)果的比較中看出，本算法能保證優(yōu)先級高的第一類業(yè)務(wù)和第二類業(yè)務(wù)以較高的速率傳輸(吞吐量高)，但是以犧牲部分低優(yōu)先級的第三類業(yè)務(wù)為代價(jià)。

4.4 系統(tǒng)時延

    為了滿足第一類和第二類業(yè)務(wù)的實(shí)時性需求，系統(tǒng)仿真統(tǒng)計(jì)出各種不同算法的各類數(shù)據(jù)包從產(chǎn)生到被調(diào)度的時間(即系統(tǒng)調(diào)度時延)，如圖6。本算法與傳統(tǒng)PF、RR算法相比，第一類與第二類優(yōu)先級較高的業(yè)務(wù)的時延明顯較低，這是因?yàn)樵诿看握{(diào)度前，本算法都進(jìn)行了優(yōu)先級的重新計(jì)算排序，使得前兩種業(yè)務(wù)能排列到調(diào)度隊(duì)伍的前端，優(yōu)先進(jìn)行調(diào)度，保證各個業(yè)務(wù)的時延需求得到滿足。

5 結(jié)束語

    本文提出一種動態(tài)的電力無線專網(wǎng)上行資源調(diào)度算法，在傳統(tǒng)的PF算法上進(jìn)行了改進(jìn)，考慮了電力無線專網(wǎng)的業(yè)務(wù)特點(diǎn)，通過設(shè)置業(yè)務(wù)優(yōu)先級來保障業(yè)務(wù)傳輸所要求的QoS指標(biāo)。通過仿真分析發(fā)現(xiàn)，本文所提的新算法更適用于電力無線通信網(wǎng)業(yè)務(wù)分級傳輸?shù)男枨?，在滿足TD-LTE系統(tǒng)上行資源分配特有的限制條件下，既能保證終端用戶設(shè)備的最佳上行傳輸速率，提升系統(tǒng)吞吐量，又能保障電力無線專網(wǎng)復(fù)雜業(yè)務(wù)的QoS需求。

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作者信息：

邢寧哲

（國網(wǎng)冀北電力有限公司 信息通信分公司，北京100053）