寬帶電力線通信網(wǎng)絡(luò)多層信道資源分配方法

劉 磊

（電子科技大學(xué)成都學(xué)院，四川 成都 611731）

0 引 言

信道資源分配是寬帶電力線通信網(wǎng)絡(luò)的核心，旨在根據(jù)業(yè)務(wù)需求和信道條件優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源，提升總體性能。在多層信道條件下，通過有效分配確保傳輸質(zhì)量和效率。傳統(tǒng)方法缺乏頻段層次的合理劃分，導(dǎo)致資源不均或浪費(fèi)。簡(jiǎn)單頻段管理無法動(dòng)態(tài)調(diào)整，且難以回收和再利用資源；缺乏優(yōu)化算法，難以實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化分配，網(wǎng)絡(luò)性能提升有限[1]。因此，文章以通信網(wǎng)絡(luò)多層信道資源為研究對(duì)象，結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與分析，為寬帶電力線通信中的問題提供解決方案。

1 多層信道資源分配

1.1 提取網(wǎng)絡(luò)多層信道資源特征

寬帶電力線通信網(wǎng)絡(luò)多層信道資源分配是一個(gè)復(fù)雜的過程，需要考慮到多種因素。根據(jù)信道容量和傳輸質(zhì)量要求，將頻譜資源劃分為多個(gè)子頻帶，每個(gè)子頻帶對(duì)應(yīng)一個(gè)通信信道。通過頻譜感知方式將空閑或者受干擾較小的子頻帶進(jìn)行分配[2]。在電力線通信網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)實(shí)際的用戶需求，結(jié)合信道此時(shí)的通信狀況，將資源劃分成多個(gè)時(shí)段，每個(gè)時(shí)段對(duì)應(yīng)一個(gè)通信鏈路。通過通信鏈路分配資源。在分配之前，需要提取網(wǎng)絡(luò)多層信道資源特征。通過描述信道信息能力，設(shè)定信道容量指標(biāo)。在特定信噪比條件下，運(yùn)用香農(nóng)定理來計(jì)算信道容量，其計(jì)算公式為

式中：C為信道容量；B為信道帶寬；為信噪比。通過對(duì)信道容量的計(jì)算，能夠獲得不同帶寬下的信息傳輸速率。將速率結(jié)果進(jìn)行排序，最大的傳輸速率能夠作為反映信道傳輸能力的結(jié)果。通過比較不同信道條件下的信道容量，來提升信道資源的傳輸性能[3]。在信號(hào)傳輸中，需要對(duì)信道中的載波特征進(jìn)行提取。首先，需要調(diào)制載波參數(shù)，不同的調(diào)制過程能夠提供不同的信號(hào)特征，在一定程度上提升通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能。為了調(diào)制信道中的載波參數(shù)，采用調(diào)制識(shí)別算法對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)中的信號(hào)進(jìn)行特征分析，如信號(hào)的幅度和頻率等。在分析過程中，根據(jù)實(shí)際信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特征，進(jìn)行調(diào)制特征提取的公式為

式中：p(m)為在給定輸入信號(hào)下調(diào)制m的概率；m為特征參數(shù)；σ為特征參數(shù)的方差。通過對(duì)載波參數(shù)進(jìn)行調(diào)制，獲得信道資源特征，計(jì)算輸入信號(hào)與已知參數(shù)特征的相似度，獲得信道的具體信號(hào)樣本[4]。對(duì)信號(hào)樣本進(jìn)行預(yù)處理，提取多層信道中的資源特征。通過定量描述信道容量和載波參數(shù)，能夠獲得通信網(wǎng)絡(luò)多層信道資源的傳輸特性，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)通信性能，提升通信質(zhì)量。

1.2 消除多層信道中的干擾

在通信網(wǎng)絡(luò)中，信道常常會(huì)受到各種干擾的影響，導(dǎo)致信道傳輸質(zhì)量下降。為了能夠在資源分配之前增加通信的可靠性和穩(wěn)定性，需要建立抗干擾多層信道反饋模型。在資源分配之前，基站需要先收集附近信道的信道狀態(tài)信息（Channel State Information，CSI）。當(dāng)具備測(cè)量信道狀態(tài)的能力時(shí)，定義一個(gè)專用信道[5]。該信道的每條子信道為多路正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）子載波，具有專屬的數(shù)據(jù)鏈路。由于信道之間的相互干擾，多層信道傳輸?shù)男阅苁艿较拗啤榱颂嵘鄬有诺赖膫鬏斝阅埽宰钚』到y(tǒng)干擾水平為目標(biāo)，建立抗干擾的多層信道反饋模型。針對(duì)信道間相互干擾問題產(chǎn)生的信號(hào)失真和噪聲，需要先描述干擾水平。設(shè)定有N個(gè)信道在多層結(jié)構(gòu)中傳輸信號(hào)，每個(gè)信道的干擾水平可以表示為In，則系統(tǒng)的干擾水平可以表示為

式中：n為多層信道的干擾因子。通過計(jì)算多層信道中所有信道的干擾水平之和，整體反映多層信道中的干擾水平[6]。為了消除干擾，運(yùn)用建立的抗干擾多層信道反饋模型，通過反饋機(jī)制，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信道間的干擾水平，并采取相應(yīng)的抗干擾措施。在反饋模型中設(shè)置一個(gè)控制器，用于接收各信道的干擾水平反饋，并計(jì)算出最優(yōu)的抗干擾策略。運(yùn)用表達(dá)式來表示控制器的控制過程為

式中：k為控制輸入；u為反饋增益。根據(jù)干擾水平計(jì)算出控制器的控制輸入，通過調(diào)整輸入信號(hào)的反饋增益情況來優(yōu)化多層信道的傳輸性能，找到最優(yōu)的抗干擾策略。同時(shí)，為了增強(qiáng)多層信道抗干擾的效果，需要優(yōu)化模型參數(shù)。運(yùn)用梯度下降法改進(jìn)反饋增益參數(shù)，在迭代過程中，根據(jù)計(jì)算反饋增益參數(shù)梯度下降的規(guī)則更新u，得到新的反饋增益結(jié)果為

式中：α為梯度值。迭代計(jì)算得到最優(yōu)的u'，從而最小化系統(tǒng)的干擾水平。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信道間的干擾水平，通過抗干擾策略來優(yōu)化多層信道的傳輸性能，提升通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，為信道資源分配提供良好的環(huán)境支撐。

1.3 KM 算法的資源分配

在寬帶電力線通信網(wǎng)絡(luò)中，公平的分配策略是核心。運(yùn)用KM（Kuhn-Munkres）算法，將信道資源分配問題轉(zhuǎn)化為圖著色問題，最小化顏色沖突以有效利用資源。為每個(gè)節(jié)點(diǎn)著色后，確定可用顏色數(shù)量，通過調(diào)整度數(shù)以優(yōu)化顏色分配。其度數(shù)調(diào)整公式為

式中：d為節(jié)點(diǎn)的度數(shù)。通過計(jì)算節(jié)點(diǎn)度數(shù)與可用顏色數(shù)量之間的關(guān)系，能夠更好地進(jìn)行著色。在著色過程中，需要解決顏色沖突問題。運(yùn)用沖突概率算法對(duì)相鄰節(jié)點(diǎn)之間發(fā)生顏色沖突的可能性進(jìn)行計(jì)算與評(píng)估，通過判斷相鄰節(jié)點(diǎn)的顏色分布情況，減少顏色之間的沖突概率，為KM 算法提供了優(yōu)化目標(biāo)。通過迭代優(yōu)化著色方案，不斷調(diào)整節(jié)點(diǎn)的顏色分配，以最小化總體的沖突概率，為目標(biāo)進(jìn)行資源分配優(yōu)化。首先需要隨機(jī)對(duì)節(jié)點(diǎn)分配顏色，計(jì)算相鄰節(jié)點(diǎn)之間的沖突概率后，選出最小沖突概率的節(jié)點(diǎn)(i,j)。為節(jié)點(diǎn)重新分配顏色，并使其節(jié)點(diǎn)具有不同的顏色。計(jì)算最小沖突概率的公式為

式中：m為節(jié)點(diǎn)i的數(shù)量；j為節(jié)點(diǎn)i的相鄰節(jié)點(diǎn)；n為節(jié)點(diǎn)j的數(shù)量；si為節(jié)點(diǎn)i的顏色；sj為節(jié)點(diǎn)i第j個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)的顏色；l(si,sj)為一個(gè)指示函數(shù)，當(dāng)si=sj時(shí)為1，否則為0。以最小沖突概率為最終結(jié)果，將最小沖突的節(jié)點(diǎn)鏈接構(gòu)建信道，作為最優(yōu)的信道資源分配方案。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和需求，可以進(jìn)一步調(diào)整和優(yōu)化KM 算法的性能，實(shí)現(xiàn)更好的信道資源分配效果。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

2.1 搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境

通過MATLAB 仿真平臺(tái)來驗(yàn)證本文分配方法的合理性。通過對(duì)比傳統(tǒng)方法和所提出的資源分配方法，驗(yàn)證所提出方法在提高網(wǎng)絡(luò)性能方面的優(yōu)勢(shì)。準(zhǔn)備一定數(shù)量的電力線通信調(diào)制解調(diào)器、2 臺(tái)路由器，運(yùn)用數(shù)據(jù)分析與采集軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其仿真實(shí)驗(yàn)的配置參數(shù)如表1 所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

根據(jù)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，布置寬帶電力線通信網(wǎng)絡(luò)，確保所有設(shè)備正確連接。設(shè)置3 個(gè)小組，其中運(yùn)用本文方法的小組為實(shí)驗(yàn)組，以文獻(xiàn)[4]中物理損傷感知的多芯光纖網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)路由資源分配方法和文獻(xiàn)[5]中基于K-臂賭博機(jī)的多無人機(jī)空地網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)資源分配方法為對(duì)照1 和對(duì)照2 組。通過運(yùn)用不同方法對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，模擬多層信道資源的分配過程。

2.2 結(jié)果與分析

在不考慮其他因素的情況下，采用不同的多層信道資源分配方法進(jìn)行資源分配，運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)分析測(cè)量軟件得到3 個(gè)小組的具體吞吐量數(shù)據(jù)，如圖1 所示。

圖1 吞吐量結(jié)果對(duì)比

由圖1 中結(jié)果可知，2 個(gè)對(duì)照組的總體吞吐量持續(xù)在8 000 bits/s 以下，使得信號(hào)質(zhì)量下降，適應(yīng)性較差。而相比于對(duì)照組，實(shí)驗(yàn)組的總體吞吐量達(dá)到了10 000 bits/s，說明運(yùn)用本文分配方法進(jìn)行多層信道資源分配，可以獲得更高的吞吐量，在高干擾環(huán)境下具有更為明顯的優(yōu)勢(shì)。通過分配方法的應(yīng)用能夠更加有效地利用信道資源，增加網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。從而提升了吞吐量的穩(wěn)定性，在干擾較為嚴(yán)重的環(huán)境下，減少了吞吐量波動(dòng)，使其具體更好的健壯性和適應(yīng)性。

將傳輸信道劃分為10 組， 分別編號(hào)為A1 ～A10。針對(duì)信道A1 ～A10，在傳輸時(shí)延相同的情況下，以信道的占用率為指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，具體情況如表2 所示。

表2 不同信道的占用率情況

由表2 中結(jié)果可知，針對(duì)不同的信道，在具有相同傳輸時(shí)延的情況下，信道的整體占用率平均為79.03%。整體的占用率較高，說明運(yùn)用本文分配方法能夠充分利用所有可用信道，提升網(wǎng)絡(luò)性能，減少資源浪費(fèi)。

3 結(jié) 論

此次從通信網(wǎng)絡(luò)多信道資源分配入手，研究了寬帶電力線通信網(wǎng)絡(luò)多層信道資源分配方法。可以根據(jù)用戶和網(wǎng)絡(luò)的需求進(jìn)行動(dòng)態(tài)的信道分配，從而優(yōu)化無線網(wǎng)絡(luò)的容量和性能，為今后網(wǎng)絡(luò)資源的合理化分配提供有力支撐。但方法中還存在一些不足之處，如分析數(shù)據(jù)不完善，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境配置等。今后應(yīng)更加重視計(jì)算，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，以適應(yīng)不同的信道負(fù)載和條件變化，從而提供不同層次的服務(wù)質(zhì)量，滿足不同應(yīng)用的需求。