面向多載荷鏈路通信的自適應調度算法研究?

陳家璘 周 正 馮偉東 賀 易 李靜茹 趙世文

（1.國網湖北省電力有限公司信息通信公司 武漢 430077）（2.南京南瑞信息通信科技有限公司 南京 210000）

1 引言

在通信系統中，其根據不同的通信業務（比如傳輸中的信息種類）類型包含有電話通信、電報通信、傳真、數據通信、網絡通信、無線通信等［1～3］。通常將信號分為模擬信號和數字信息，模擬信號在時間上呈連續變化狀態，數字信號在時間上呈離散變化狀態。通過模/數轉換單元（D/A轉換單元）能夠將模擬信號轉換為數字信息，通過數/模轉換單元（A/D轉換單元）能夠將數字信號轉換為模擬信號。在轉換過程中，其通常包含采樣、量化和編碼的過程［4～6］。通過這種方式實現模擬信號到數字信號以及從數字信號到模擬信號的轉變，隨著通信技術的飛速發展，通信網絡錯綜復雜［7～10］，各種拓撲結構互相交叉，通信系統在工作時，通常都存在噪聲干擾等異常事件，干擾信號比如溫度、振動、電網故障、負荷、濕度、諧波、磁場、電網紋波等［11～13］。如果這信號的噪聲比較大，則意味著干擾信息較多。干擾信息的增加會影響信息傳遞的失真，使用戶無法獲取原始數據，影響作出正確判斷，造成決策失誤［14～15］。

因此，本文引出一種自適應調度算法，該算法是一種比較靈活、有效的調度策略，能夠在多載荷鏈路通信中與動態的環境相適應，同時與人工設定的各種工作方式實施的優先級、工作時間、通信鏈路中的能量以及應用的計算機資源量相適應，從而大大改善了鏈路通信的質量。

2 多載荷鏈路通信的模型

在多載荷鏈路通信中，存在多種通信源，容易出現多種數據互相交織、合路、數據傳輸和數據管理，本文應用自適應調度算法實現多載荷鏈路通信的平衡，其架構示意圖如圖1所示。多載荷鏈路是計算機網絡中的中通信鏈路，在通信中，多種載荷鏈路通過信源將信號輸出至通信系統，通信系統將輸入的信號輸出至信息處理系統，在信息處理系統處，通過自適應調度算法模型可將輸出信號輸出至監控中心，用戶可識別、使用。

圖1 自適應調度算法體系構架圖

在上述系統中，無線鏈路能夠將來自模擬信源的信息經過模擬無線傳輸信道傳到模擬信宿，并將模擬信息轉化為數字信號，從而增加鏈路信息傳輸的可靠性，例如對數據進行語音編碼。在通信系統中，尤其是在數字通信系統中，如圖2所示，比如采用諸如數字發射機、數字接收機和模擬傳輸信道的無線鏈路的數字通信系統中，信源將模擬信號輸出至A/D轉換模塊，然后數字數據可輸入至信源編碼器，然后借助于信源編碼器，基于信源的先驗信息，來進一步減小信源信號的冗余度，從而減少待傳輸的信源數據的量。通過增加冗余信息來保護數據，進而減小傳輸錯誤的影響。其中信令是一種控制信息，其主要作用是建立、終止連接、與爭取用戶聯系信息、同步等。通常采用糾錯碼來嚴格保護信令信息［16］，借助于多路復用器來合并用戶的數據和信令信息。在上述系統中，基帶調制器將總數據比特對輸出到基帶的復發送符號進行分配。從而確定頻譜性質、符號間干擾、峰均比和發送信號等其他性質。基帶調制器的輸出信息以過采樣形式提供關于時間和幅度以離散方式發送的信號。其中，過采樣信息和量化技術決定了混疊和量化的噪聲和信號干擾。本系統設計具有較高的分辨率，并且基帶調制器輸出端的數據遠遠高于輸入端的數據率。

圖2 無線鏈路示意圖

3 自適應調度算法

假設鏈路通信系統的發射天線的個數為MT，天線接收的個數為MR，在進行信息轉遞時，通過發射天線發射信號，由接收天線接收信號，則在發射天線與接收天線之間的子信道有MT*MR個，假設鏈路通信系統用矩陣D表示，則：

其中，D表示接收天線所接收到的信號組成的列矢量。將該矢量用數學表達式表示為

在式（1）中，H表示組成鏈路通信系統信道信息的列矢量，用公式表示為

在式（1）中，x表示發射端的天線發出的信號組成的列矢量，用公式表示為

在式（1）中，n表示MR*1的列矩陣表示的加性高斯白噪聲。

當評估第i個發射天線發射信號的估計值時，用以下公式表示：

在下列公式中：

通過式（7），可以計算出發射端信息發射出的時間，由于存在噪聲的列矢量的表達式。在評估時，由于估計值受到MR個接收信號的天線的加性噪聲的影響相同，假設平均功率為N0，則第i個發射信號的天線的信噪比SNRi為

其中，Pi是第i個發射天線的信號平均功率。

基于上述公式，在進行自適應計算時，按照以下步驟進行：

1）系統開機；

2）對網絡進行初始化，各個節點獲得接收天線和發射天線的信息節點；

3）輸出信道矩陣的計算公式，根據接收天線信道和發射天線信道個數和種類計算信道矩陣；

4）計算出發射天線輸出的信噪比，在該步驟中，利用式（8）和（9）進行計算；

5）功率分配，然后分配功率，并選擇編碼方式，并且不斷根據變化的CSI重復上述過程，直到使系統的資源得到有效地利用為止。

圖3 自適應調度算法流程圖

在選擇編碼調制方式并進行功率分配時，對通信鏈路進行自適應調節，在傳輸信道上，首先接收待功率分配的數據，然后進行檢錯編碼、糾錯編碼操作，再進行自適應子信道的比特、功率分配。在進行擴頻。由于不同的調制方式，其傳輸方式和速率不同，在相同誤碼率性能要求的前提下，所需要的發射功率不相同［17］。因此，自適應調制需要根據信道的時間、頻率和空間等來選擇不同的特性，然后將時、頻、空域劃分成多個子信道，再根據不同信道的條件的差異，為其各個信道分配不同數目的比特，然后進一步按照不同的調制方式進行映射，如圖4所示。

圖4 自適應調度算法流程圖

4 評估與分析

通過上述自適應調度算法，下面對計算的性能評估指標進行評估，評估調度算法的性能及其有效性的參數主要包括調度成功率（Schedule Sccess Ratio，SSR）、時間利用率（Time Utilization Ratio，TUR）以及平均時間偏移率（Average Time Shift Ra?tio，ATSR）［18］。下面引入評價公式：

調度成功率（SSR）公式為

在上述公式中，N表示自適應調度通信鏈路的個數，Ntotal為對應調度通信鏈路的總個數。該公式用以說明不同通信鏈路調度狀況，以便于評估調度算法對優先級原則的遵循度。通過仿真，以6條不同的通信信道作為試驗，得出曲線圖如圖5所示。

時間利用率（TUR）公式為

式中：T為總時間，lti表示調度成功任務的駐留時間長度。采用此參數能夠描述調度算法對天線通信時間的利用狀況，并且能夠評估其對時間的利用原則的遵循度。通過仿真，以6條不同的通信信道作為試驗，得出曲線圖如圖6所示。

圖5 SSR曲線圖

圖6 TUR曲線圖

平均時間偏移率（ATSR）公式為

在上述公式中，N表示調度成功通信鏈路的個數，sti為通信鏈路實際執行的時刻，dti為通信鏈路信息期望發射時刻，wi為通信時間窗長度。通過該技術指標，能夠描述自適應任務實際執行時刻與期望執行時刻的偏移程度［19］。通過仿真，以6條不同的通信信道作為試驗，得出曲線圖如圖7所示。

圖7 ATSR曲線圖

通過上述計算，在35s內，調度成功率（SSR）的平均數在70%左右，時間利用率（TUR）的平均數在72%左右，平均時間偏移率（ATSR）的平均數在13%左右，因此，調度成功率（SSR）、時間利用率（TUR）的平均數均超過了60%，均時間偏移率（ATSR）的平均數低于15%，該算法穩定性較好。

5 結語

本文在多載荷鏈路通信中增加自適應調度算法，解決了多載荷鏈路通信中多種數據互相交織、合路、數據傳輸和數據管理而造成的通信狀態不佳的問題。通過自適應調度算法平衡實現多載荷鏈路通信，通過調度成功率（Schedule Sccess Ratio，SSR）、時間利用率（Time Utilization Ratio，TUR）以及平均時間偏移率等參數進行評估與分析本文的算法，得出本文設計的方案穩定性較好，正確率較高，為智能電網的健康、綠色運行提供較為有價值的技術參考，同時也具有較好的學術研究意義以及工程應用價。