本發(fā)明涉及的是單載波電力線系統(tǒng)中一種引入偏置量的時間公平調度方法，屬于電力線通信(Power Line Communication，PLC)領域。

背景技術：

隨著智能電網技術及應用的快速發(fā)展，電力線通信(Power Line Communication，PLC)應用得越來越廣泛。具有高速化和大容量等特性的電力線網絡逐漸涌現出來。電力線通信利用已有的電力線作為通信介質，實現電力線網絡的互聯互通，是將來實現“四網融合”的技術基礎。另外，一個電力線通信系統(tǒng)還包括調制解調器、中繼等設備。調制器將信息調制到高頻信號上，然后將此高頻信號加載于電力線的電流上實現信號傳輸。在接收端，解調器將高頻信號從低頻電流上分離出來，再將信息從高頻載波上解調出來。電力線通信系統(tǒng)可以很好的應用在智能家居系統(tǒng)中。家庭中的電器設備可以作為用戶和主PLC調制解調器(基站)進行通信。

電力線通信以其獨有的優(yōu)勢朝著高速化和大容量方向快速發(fā)展。如何合理地調度與使用電力線通信系統(tǒng)各種有限資源，以及高效率地進行資源分配，是電力線通信系統(tǒng)需要解決的一個重大問題。當前國內對電力線通信系統(tǒng)的資源分配研究還較少，且不夠成熟。國外在這方面的研究較多、較成熟，但是仍存在公平性差、效率不高等缺陷。

為了在滿足公平性等約束的前提下提高系統(tǒng)效率和資源利用率，一些傳統(tǒng)的時間公平和功率最小化算法提出了。最基礎的兩種調度方法是輪詢調度方法和貪婪調度方法，它們是以對用戶的滿足服務質量要求的滿足程度劃分的。

(1)輪詢調度方法是最好地滿足服務時間公平的。對于單載波多用戶系統(tǒng)，它的原理是將信道資源，按照時隙的順序，依次分配給各個用戶使用。所以每個用戶都能得到均等的服務。但這樣的方法是完全不考慮通信的質量的，在這樣的通信系統(tǒng)里效非常低。

(2)貪婪算法一般被認為是“最好”、“最優(yōu)”的解。這種方法根據每個時隙不同用戶為系統(tǒng)帶來的權重決策該時刻到底調用那個用戶，其實貪婪算法做出的最優(yōu)解是局部最優(yōu)解，不是整體上的最優(yōu)解。距離基站近的用戶信道條件相對較好，距離遠的較差，這樣距離近的用戶會一直得到服務，而那些遠一點的用戶幾乎就得不到服務了。這僅僅使系統(tǒng)性能最大化，而忽視了用戶對公平性等服務質量上的要求。

這些算法主要針對信噪比、延時、等待時間、功率等靜態(tài)量優(yōu)化，最終的優(yōu)化選擇是建立在對這些信道條件綜合優(yōu)化的基礎上，本發(fā)明中的算法是在此基礎上引入了虛擬的偏置量在優(yōu)化選擇函數中，這個偏置量是不存在任何物理意義的，它引入的意義是保證每個用戶的權重相對均等，以保證整個系統(tǒng)的時間公平性。

本發(fā)明將對基于單載波的一種時間公平調度方法進行說明。

技術實現要素：

發(fā)明目的：考慮目前電力線通信系統(tǒng)中許多針對時間公平的優(yōu)化方法是建立在靜態(tài)基礎上的，本發(fā)明設計了一種引入動態(tài)偏置量的優(yōu)化方法。

技術方案：本發(fā)明提出的單載波電力線中的時間公平機會調度算法，主要包括以下幾個階段。

第一階段：基站通過下行鏈路發(fā)送導頻信號的方法獲取每個用戶該時隙下的信道狀態(tài)信息，我們以信噪比為例，在下行鏈路上，用戶可以測量從基站來的接收信號水平和干擾功率，然后該用戶就可以根據信道條件和其他因素計算該時隙上的信噪比。讓表示在時隙k時的信噪比向量，既表示用戶i在時隙k時的信噪比，也表示把時隙k分配給用戶i后，系統(tǒng)所獲得的等效吞吐量值。本發(fā)明中假設是非負的且是有界的。從現在開始，假設是平穩(wěn)值，所以這個k是可以忽略的。具體來說，可以使用一個新的信噪比向量代表用戶i在一個通用時隙時的等效吞吐量值，其中S_i是一個隨機變量。

第二階段：給定S_i后，調度算法需要決定在給定時隙上調度哪個用戶。定義調度策略為變量Q，Q是信噪比向量空間的映射。給定S_i后，Q決定哪個用戶能被調度到：如果則用戶i會去使用給定時隙，系統(tǒng)也將獲得一個等效吞吐量值為的回報，即S_i。接下來定義本發(fā)明中的最優(yōu)調度策略：在這里，我們該調度策略Q^*定義如下：

其中是第i個用戶的服務權值，就是我們之前提到的偏置量。

第三階段：確定第i個用戶的偏置量這是由每個用戶接收服務的時間分數決定的，用r_i表示第i個用戶接受服務的時間占總時間的比例，即時間分數，且不同用戶的時間分數可以根據系統(tǒng)的要求自由設定。我們希望找到合適的使第i個用戶得到分配的概率和之前設定的時間分數相等。把它看成的函數有

當取到理想值時，

第四階段：迭代法逼近第k次迭代中，用逼近的值可以測得，具體的值并不知道。i＝1，...，N-1。而第k次迭代中，與的誤差表達式可以寫成：

求誤差的期望，有因此，我們用如下的逼近方法估計

$v_i^{(k+1)}=v_i^{\left(k\right)}-{\mathrm{\α}}^{\left(k\right)}(1_{\{Q^k\left(\stackrel{v}{S}\right)=i\}}-r_i)---\left(4\right)$

其中α^(k)的值可以取α^(k)＝1/k，我們設置初始迭代或是一些基于歷史的估計值。

此算法下，可以得到是收斂于的。

附圖說明

圖1為方法流程示意圖

圖2為三種調度方法下每個用戶分配的時間資源

圖3為三種調度方法下系統(tǒng)的總功耗

具體實施方式

在每個時隙，基于單載波電力線的時間公平調度方法基本流程如下：

步驟1：

估計可分為上行鏈路估計和下行鏈路估計。

上行鏈路：基站會估計每個用戶的信道條件，然后計算信噪比i＝1，...，N。

下行鏈路：用戶i測量自己的信道條件，然后估計自身信噪比最后將估計值發(fā)送給基站。

步驟2：

基站根據式的調度策略來決定該時隙應該調用哪個用戶來傳輸。

步驟3：

根據選擇好的調度方案進行數據傳輸。

上行：基站廣播被選中的用戶ID號，選擇該用戶在該時隙進行傳輸。

下行：基站傳輸消息給被調度到的用戶。

步驟4：

基站在可行集合內根據下式更新參數向量

$v_i^{(k+1)}=v_i^{\left(k\right)}-{\mathrm{\α}}^{\left(k\right)}(1_{\{Q^{\left(k\right)}\left(\stackrel{v}{S}\right)=i\}}-r_i)---\left(5\right)$

注意到，以上每個時隙的計算負擔是O(N)，其中N是共享信道的用戶個數，這說明了在實際應用中該算法計算復雜度較低。

本專利仿真出了輪詢調度方法，貪婪調度方法，考慮時間公平的功耗最小調度方法下不同用戶分配到的時間比例，如圖2所示，與在時間公平這方面表現極好的輪詢調度方法相比，本專利提出的方法實現了相對公平，照顧到了所有用戶，可以很好地接近了輪詢調度方法的絕對公平。圖3則對三種算法的總功耗做對比，以貪婪調度方法為標準，這種方法只發(fā)送信號給當前信道條件最好的用戶，使資源利用率達到極致，過度追求能耗最小化。本專利提出的功耗最小調度方法與之相比在總功耗上高出了大約10％，可以很好地接近理想的能耗。

總之，本專利提出的單載波電力線中基于時間公平的最小功耗方法滿足了用戶對資源公平性和系統(tǒng)低功耗的雙向要求。