浅谈电力线通信中动态子载波组分配

　　由于电力线信道是时变和频选信道，噪声和干扰功率也较高，电力线通信（powerlinecommunICations,PLC）是以电力线作为通信媒介的一种通信方式。电力线从来就不是一种理想的通信介质，但随着技术的不断进步，特别是调制技术及微电子技术的发展，使得PLC的实用化成为可能。如何进一步提高在电力线的通信性能，实现高速、可靠的长距离通信，依赖于对通信信道特性的准确把握。电力线通信信道环境的恶劣，使得对其信道模型的建立显得更为重要。由于电力线是非专用通信线路，其中各种干扰的时变性、随机性等特点，使得建立其通用的模型困难很大。一般都是通过对电力线进行大量参数测定后，根据统计数据，参照无线通信的信道分析建模方法，给出特定环境下的相对模型。本文在对电力线噪声进行分类讨论后，对三种主要噪声给出较为准确的试验数据统计模型。

　　多用户自适应OFDM的关键技术之一是子载波、比特和功率等的分配。OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）即正交频分复用技术，实际上OFDM是MCM Multi-CarrierModulation,多载波调制的一种。其主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰 ICI .每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。这种技术是HPA联盟（HomePlug Powerline Alliance）工业规范的基础，它采用一种不连续的多音调技术，将被称为载波的不同频率中的大量信号合并成单一的信号，从而完成信号传送。由于这种技术具有在杂波干扰下传送信号的能力，因此常常会被利用在容易受外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输介质中。

　　本文针对多用户电力线通信OFDM系统的限制条件，研究在功率地窖注水分配[5]后的子载波分配问题。先建立多用户的速率自适应子载波分配数学模型，再提出一种基于用户实时优先级和信道相关带宽的动态子载波组分配算法，并在典型电力线信道环境下进行仿真。

　　1 多用户下速率自适应子载波分配模型

　　设电力线通信自适应OFDM系统在每个OFDM符号内的子载波数为N,RT业务用户集为Ω1,用户数为K1,每个用户k要求的固定速率为Rk1、目标BER为Pe1;NRT业务用户集为Ω2,用户数为K2,每个用户k要求的速率为Rk2、目标BER为Pe2.仅考虑子载波的分配，假设已知系统在每个子载波n上分配的功率pn且其满足电力线通信的电磁干扰限制。

　　设每个子载波只分配给1个用户。用户k的子载波n上可分配的许可比特数rk,n为：

　　（4） 方案信息熵的计算

　　由决策者对指标的主观偏好权值和客观信息权重，得到指标si的综合权重为：

　　综合考虑决策者对备选方案和指标的主客观信息后，应使所选方案对所有指标而言，距离偏好信息值和客观信息熵值的偏差越小越好，为此建立二乘法的优化决策模型为[8]:

　　3 子载波组自适应分配

　　（6） 统计各用户已分配的速率，确定要求速率不足的用户数Nno、要求速率刚好的用户数Nok和要求速率超过的用户数Nyes;统计各子载波上已分配的比特和功率，系统剩余的总功率和未用的子载波数等性能指标。

　　4 仿真与分析

　　子载波组分配方式虽然加快了子载波分配速度，但分得的用户子载波对不一定，甚至不匹配。为了对比，子载波分配仍采用类似组的方式，但每组仅有一个子载波，即采用次序分析法确定用户优先级的逐子载波分配方式，此为对比算法1.由于本文算法和对比算法1分配子载波的本质不变，都蕴含了决策者对用户和指标的偏好等信息，故再设计一种不含决策者偏好信息而以比特功率比值化为目标的逐子载波分配方式，此为对比算法2.

　　图1（a）是在电力线信道环境下产生的4个用户的单位功率载噪比曲线，其变化相似，范围相同，其中用户1的载噪比整体上，用户2和3相差不大，而用户4整体上差。

　　图1（b）为系统的噪声功率、功率上限曲线以及系统在总功率分别为5、10、15、20、25、30、35 mW下的注水分配功率曲线。由其可知，各子载波上的注水分配线都在功率上限之下和在噪声功率之上；当某子载波上的噪声功率大于注水分配线时，不分配功率；随着总功率的增加，注水分配线上升且上升值与总功率的增加值近似成比例，这些都与地窖注水分配功率的原理相符合。

　　图2是在系统总功率25 mW和基本速率30 bit/符号下，三种算法在部分子载波上实际分配的比特和使用的功率情况。由图看出，子载波组分配的算法与对比算法1的性能非常接近，但与对比算法2的性能相差较大。其中每一子载波上分配的比特数和功率均满足约束要求；有些子载波未分配比特，这是因为该信道状态对任一用户而言都恶劣，或虽信道状态适中但系统的资源有限，而被关闭；有些子载波分配多比特，这是因为该信道状态对某用户而言良好，但并非良好的子载波就一定要分配多的比特，这还与使用该子载波的用户等有关。

　　本文研究了多用户电力线通信自适应OFDM系统在功率地窖注水分配后的子载波分配问题。由于已有的子载波分配大都采用传统的逐子载波方式，计算复杂度大。本文针对系统的限制条件，先建立多用户在多子载波上的速率自适应子载波分配数学模型，提出一种基于层次分析法得到用户的实时优先级和信道相关带宽，以子载波组为单位对每个用户进行动态子载波分配的自适应算法。为了对比，还仿真了以一个子载波为一组的子载波组分配算法。仿真结果表明，一子载波一组的子载波组分配算法性能，但复杂度，而本文动态子载波组分配算法的性能与逐子载波分配对比算法的性能相当，但复杂度大大减少，能适合系统资源充足或缺乏情况并能满足多用户资源分配的目标要求。