《電子技術(shù)應用》
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電力線通信中動態(tài)子載波組分配
來源:電子技術(shù)應用2010年第10期
李 圣1， 徐志強2
1.南華大學 電氣與電子工程學院，湖南 衡陽 421001；2.華北電力大學 電氣與電子工程學院，北京 102206
摘要： 針對電力線通信自適應OFDM系統(tǒng)的限制條件，探討在每OFDM符號內(nèi)各RT用戶要求的約束下，研究系統(tǒng)總功率地窖注水分配后多子載波上的速率自適應子載波分配模型，提出一種新的動態(tài)子載波組分配算法。在典型電力線信道環(huán)境下對其仿真，并與另外兩種分配算法進行比較，結(jié)果表明,本文動態(tài)子載波組分配算法的復雜度大大減小，能滿足多用戶資源分配的多目標要求。
中圖分類號： TM73；TN913
文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2010)10-0084-05
Subcarrier-group dynamic allocation based on analytic hierarchy process for power-line communication systems
LI Sheng1, XU Zhi Qiang2
1.Department of Electric and Electron Engineering, University of South China, Hengyang 421001, China;2.Department of Electric and Electron Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China
Abstract： An adaptive subcarrier allocation model for adaptive multiuser orthogonal frequency division multiplex (OFDM) power-line communication systems is researched after allocation of the system’s total power by cellar water-filling under the restrictions for each subcarrier in each OFDM symbol. A new subcarrier-group dynamic allocation algorithm was proposed. In typical power-line channel scenarios, the proposed algorithm was compared to the subcarrier-group allocation algorithm with only one subcarrier in the group and to the subcarrier by subcarrier allocation algorithm without determinist’s preferential information. Form the simulation results, it shows that the performance of the proposed subcarrier-group dynamic allocation algorithm is better. So the proposed algorithm can satisfy the dynamic multi-objective requirements of multiuser resource allocation.
Key words : power-line communication； OFDM； subcarrier allocation； analytic hierarchy process

    由于電力線信道是時變和頻選信道，噪聲和干擾功率也較高，如果使用傳統(tǒng)的OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技術(shù)，傳輸多用戶信號衰減嚴重，將難以保證系統(tǒng)的服務質(zhì)量[1]。自適應OFDM技術(shù)根據(jù)每個用戶子載波對的信噪比，動態(tài)地為每個用戶分配子載波、子載波上的比特數(shù)及發(fā)射功率，能有效降低惡劣信道特性對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?。因此多用戶自適應OFDM技術(shù)可以有效提高系統(tǒng)的頻帶利用率和服務質(zhì)量[2]。
    多用戶自適應OFDM的關(guān)鍵技術(shù)之一是子載波、比特和功率等的分配。目前，針對不同的優(yōu)化目標和約束條件有多種多用戶電力線通信OFDM系統(tǒng)的動態(tài)資源分配算法[3,4]，但均沒考慮在功率和速率限制下根據(jù)用戶的優(yōu)先級保證各用戶的最小要求速率，同時在剩余資源中尋求總速率的最大。
    本文針對多用戶電力線通信OFDM系統(tǒng)的限制條件，研究在功率地窖注水分配[5]后的子載波分配問題。先建立多用戶的速率自適應子載波分配數(shù)學模型，再提出一種基于用戶實時優(yōu)先級和信道相關(guān)帶寬的動態(tài)子載波組分配算法,并在典型電力線信道環(huán)境下進行仿真。
1 多用戶下速率自適應子載波分配模型
    設(shè)電力線通信自適應OFDM系統(tǒng)在每個OFDM符號內(nèi)的子載波數(shù)為N，RT業(yè)務用戶集為Ω1,用戶數(shù)為K1,每個用戶k要求的固定速率為Rk1、目標BER為Pe1；NRT業(yè)務用戶集為Ω2，用戶數(shù)為K2，每個用戶k要求的最小速率為Rk2、目標BER為Pe2。僅考慮子載波的分配，假設(shè)已知系統(tǒng)在每個子載波n上分配的功率pn且其滿足電力線通信的電磁干擾限制。為了降低復雜度,假定每個用戶子載波對所分配的比特為0~b內(nèi)的非負整數(shù)。
    設(shè)每個子載波只分配給1個用戶。用戶k的子載波n上可分配的最大許可比特數(shù)rk,n為:

    (4) 方案信息熵的計算
　由決策者對指標的主觀偏好權(quán)值和客觀信息權(quán)重，得到指標si的綜合權(quán)重為:

     綜合考慮決策者對備選方案和指標的主客觀信息后，應使所選方案對所有指標而言，距離偏好信息值和客觀信息熵值的偏差越小越好，為此建立最小二乘法的優(yōu)化決策模型為[8]:


3 子載波組自適應分配
  

    (6) 統(tǒng)計各用戶已分配的速率，確定最小要求速率不足的用戶數(shù)Nno、最小要求速率剛好的用戶數(shù)Nok和最小要求速率超過的用戶數(shù)Nyes；統(tǒng)計各子載波上已分配的比特和功率，系統(tǒng)剩余的總功率和未用的子載波數(shù)等性能指標。
4 仿真與分析
    子載波組分配方式雖然加快了子載波分配速度，但分得的用戶子載波對不一定最優(yōu)，甚至不匹配。為了對比，子載波分配仍采用類似組的方式，但每組僅有一個子載波，即采用次序分析法確定用戶優(yōu)先級的逐子載波分配方式，此為對比算法1。由于本文算法和對比算法1分配子載波的本質(zhì)不變，都蘊含了決策者對用戶和指標的偏好等信息，故再設(shè)計一種不含決策者偏好信息而以比特功率比值最大化為目標的逐子載波分配方式，此為對比算法2。

    圖1(a)是在電力線信道環(huán)境下產(chǎn)生的4個用戶的單位功率載噪比曲線，其變化相似，范圍相同，其中用戶1的載噪比整體上最好，用戶2和3相差不大，而用戶4整體上最差。

    圖1(b)為系統(tǒng)的噪聲功率、功率上限曲線以及系統(tǒng)在總功率分別為5、10、15、20、25、30、35 mW下的注水分配功率曲線。由其可知，各子載波上的注水分配線都在功率上限之下和在噪聲功率之上；當某子載波上的噪聲功率大于注水分配線時，不分配功率；隨著總功率的增加，注水分配線上升且上升值與總功率的增加值近似成比例，這些都與地窖注水分配功率的原理相符合。
　圖2是在系統(tǒng)總功率25 mW和基本速率30 bit/符號下，三種算法在部分子載波上實際分配的比特和使用的功率情況。由圖看出，子載波組分配的算法與對比算法1的性能非常接近,但與對比算法2的性能相差較大。其中每一子載波上分配的比特數(shù)和功率均滿足約束要求；有些子載波未分配比特，這是因為該信道狀態(tài)對任一用戶而言都惡劣，或雖信道狀態(tài)適中但系統(tǒng)的資源有限，而被關(guān)閉；有些子載波分配多比特，這是因為該信道狀態(tài)對某用戶而言良好，但并非良好的子載波就一定要分配多的比特，這還與使用該子載波的用戶等有關(guān)；被關(guān)閉的子載波一定不分配功率，分配功率的子載波其功率不一定與分配的比特成正比，也與子載波的信道狀態(tài)有關(guān)，但功率分配的總原則是子載波狀態(tài)好的多分配，狀態(tài)差的少分甚至不分配。

   本文研究了多用戶電力線通信自適應OFDM系統(tǒng)在功率地窖注水分配后的子載波分配問題。由于已有的子載波分配大都采用傳統(tǒng)的逐子載波方式，計算復雜度大。本文針對系統(tǒng)的限制條件，先建立多用戶在多子載波上的速率自適應子載波分配數(shù)學模型，提出一種基于層次分析法得到用戶的實時優(yōu)先級和信道相關(guān)帶寬，以子載波組為單位對每個用戶進行動態(tài)子載波分配的自適應算法。為了對比，還仿真了以一個子載波為一組的子載波組分配算法。仿真結(jié)果表明,一子載波一組的子載波組分配算法性能最優(yōu)，但復雜度最大，而本文動態(tài)子載波組分配算法的性能與逐子載波分配對比算法的性能相當，但復雜度大大減少，能適合系統(tǒng)資源充足或缺乏情況并能滿足多用戶資源分配的目標要求。
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