本發(fā)明涉及的是電力線mimo網(wǎng)絡(luò)中的一種基于能量最小化的緩存系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)，屬于電力線通信(powerlinecommunication，plc)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近年來，隨著新一輪能源變革的興起，全球的能源格局正在發(fā)生重大的變化?；ヂ?lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、電力系統(tǒng)和通信網(wǎng)融合的更加緊密，這推動(dòng)了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)向智能電網(wǎng)(smartgrid，sg)的快速轉(zhuǎn)變，電力線通信(powerlinecommunication，plc)應(yīng)用地越來越廣泛。具有高速化和大容量等特性的電力線網(wǎng)絡(luò)逐漸涌現(xiàn)出來。電力線通信利用已有的電力線作為通信介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)電力線網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，是將來實(shí)現(xiàn)“四網(wǎng)融合”的技術(shù)基礎(chǔ)。另外，一個(gè)電力線通信系統(tǒng)還包括調(diào)制解調(diào)器、中繼等設(shè)備。調(diào)制器將信息調(diào)制到高頻信號(hào)上，然后將此高頻信號(hào)加載于電力線的電流上實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸。在接收端，解調(diào)器將高頻信號(hào)從低頻電流上分離出來，再將信息從高頻載波上解調(diào)出來。電力線通信系統(tǒng)可以很好的應(yīng)用在智能家居系統(tǒng)中。家庭中的電器設(shè)備可以作為用戶和主plc調(diào)制解調(diào)器(基站)進(jìn)行通信。

電力線通信以其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)朝著高速化和大容量方向快速發(fā)展。如何在滿足通信服務(wù)質(zhì)量的前提下，怎樣使系統(tǒng)消耗的能量最小化，提高數(shù)據(jù)的傳輸效率。這是電力線通信系統(tǒng)中亟需解決的一個(gè)重大問題。當(dāng)前國內(nèi)對(duì)電力線通信系統(tǒng)的能耗問題研究還比較少，且不夠成熟。國外在這方面的研究較多、較成熟，但是仍存在效率不高、系統(tǒng)能耗大等缺陷。

多輸入多輸出(mimo)技術(shù)，是一種提高系統(tǒng)性能的有效手段。mimo技術(shù)首先被用到無線領(lǐng)域，隨著電力線的發(fā)展，這一技術(shù)逐漸被應(yīng)用到了電力線通信中。協(xié)同多點(diǎn)傳輸技術(shù)在中繼點(diǎn)間的運(yùn)用可以大幅度提高系統(tǒng)的平均吞吐量和邊緣用戶的性能，而緩存技術(shù)在接入點(diǎn)上的運(yùn)用迎合了當(dāng)代以內(nèi)容為核心的傳輸要求，可以有效提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省３Ｓ玫木彺娌呗杂袃煞N：隨機(jī)分配策略和貪婪分配策略。

本發(fā)明將對(duì)電力線mimo網(wǎng)絡(luò)中基于能量最小化的緩存系統(tǒng)算法進(jìn)行說明。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對(duì)目前電力線通信系統(tǒng)中系統(tǒng)能量分配不合理，總能耗過大問題，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種基于能量最小化的緩存系統(tǒng)算法。

技術(shù)方案：本發(fā)明提出的基于能量最小化的緩存系統(tǒng)算法，主要包括以下幾個(gè)階段。

第一階段：中央處理器儲(chǔ)存著用戶可能需要的所有數(shù)據(jù)，每個(gè)接入節(jié)點(diǎn)有n個(gè)發(fā)射端口。wij表示第i個(gè)接入節(jié)點(diǎn)上發(fā)給第j個(gè)用戶的預(yù)編碼，wj＝[w1j^h,w2j^h,…,wij^h]^h構(gòu)成了服務(wù)第j個(gè)用戶的預(yù)編碼向量。這樣中繼節(jié)點(diǎn)端的發(fā)射信號(hào)可以表示為x＝w1x1+w2x2+…+wjxj。其中，xj表示發(fā)給第j個(gè)用戶的數(shù)據(jù)信號(hào)。第i個(gè)接入節(jié)點(diǎn)到第j個(gè)用戶的信道衰減用向量hij^h表示。則第k個(gè)用戶接收到的信號(hào)可以表示為zk為第k個(gè)用戶接收到的噪聲。這樣可得第k個(gè)用戶的信干比為

根據(jù)信干比，第k個(gè)用戶的信道容量為

rk＝log(1+sinrk)(2)

第二階段：在滿足每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)信干比要求的前提下盡量不使用回程鏈路就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。用戶j需要的文件用fj表示。定義函數(shù)節(jié)點(diǎn)給單個(gè)用戶傳輸數(shù)據(jù)的速率可用信道容量rk的大小反映。此外，中央處理器給中繼節(jié)點(diǎn)傳輸文件的速率至少要和中繼節(jié)點(diǎn)給用戶傳輸文件的和速率相等，所以可用接入節(jié)點(diǎn)上的和速率來近似回程下行鏈路的傳輸速率，也是接入節(jié)點(diǎn)i的接收速率，表示為

第三階段：中央處理器傳輸數(shù)據(jù)需要消耗能量，假設(shè)中央處理器和節(jié)點(diǎn)間通過電力線實(shí)現(xiàn)連接，發(fā)射信號(hào)經(jīng)過中高壓電力線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)焦?jié)點(diǎn)i，pσ是信道中的噪聲功率，是發(fā)射端與接收端增益之積，λ是載波信號(hào)的波長，中央處理器距離各節(jié)點(diǎn)距離都是d，cg,λ是與g和λ有關(guān)的常數(shù)。于是中央處理器的回程下行鏈路總能耗的期望表示為而接入節(jié)點(diǎn)上的預(yù)編碼能量的期望表示為其中，η為中繼節(jié)點(diǎn)實(shí)際發(fā)送功率與端口預(yù)編碼能量間的轉(zhuǎn)化因子，與發(fā)射功率呈線性關(guān)系。

第四階段：在前三個(gè)階段的基礎(chǔ)上，建立起一個(gè)以總能耗為目標(biāo)的優(yōu)化模型，它需要滿足兩個(gè)條件，一是接收端信干比的限制；二是中繼節(jié)點(diǎn)各端口最大功率的限制。其優(yōu)化模型為：

其中，αk是滿足服務(wù)質(zhì)量要求下的最低信干比，pi是端口可發(fā)送的最大功率。

附圖說明

圖1為算法流程圖

圖2為三種調(diào)度方法下每個(gè)用戶分配的時(shí)間資源

圖3為三種調(diào)度方法下系統(tǒng)的總功耗

具體實(shí)施方式

基于能量最小化的緩存系統(tǒng)算法基本流程如下：

(1)步驟1：

估計(jì)p0，且需滿足兩個(gè)約束條件：一是接收端信干比(sinr)的限制；二是中繼節(jié)點(diǎn)各端口最大功率的限制，如下式：

(2)步驟2：

采用半正定松弛(semidefiniterelaxation，sdr)方法對(duì)p0進(jìn)行處理，使其矩陣化。因此p0可以轉(zhuǎn)化為psdr。

(3)步驟3：

用平滑函數(shù)(如：對(duì)數(shù)函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、反正切函數(shù))近似的方法將psdr轉(zhuǎn)化為凸的連續(xù)函數(shù)。

(4)步驟4：

通過dc算法迭代出一系列局部最優(yōu)解wj。更新方法如下：

本專利仿真出了不同轉(zhuǎn)化因子η下中繼能量消耗、回程鏈路能量消耗和系統(tǒng)總能耗增減的對(duì)比圖，如圖2所示，綠色實(shí)線為回程鏈路能耗的變化折線，紅色實(shí)線為中繼能耗的變化折線，兩者之和為藍(lán)色實(shí)線表示的總能耗。雖然兩者一增一減，但回程能耗增加的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于中繼能耗減少的速度，總能耗也在一直減小。如果僅從仿真上來看，我們希望中繼轉(zhuǎn)化的效率η越高越好，這樣總能耗就可以無限降低。但在現(xiàn)實(shí)模型中，效率轉(zhuǎn)化因子并不是可以無限增大的，轉(zhuǎn)化因子η越高，對(duì)設(shè)備的要求也就越高，這需要投入大量的經(jīng)濟(jì)成本。圖3則對(duì)不同緩存長度下迭代次數(shù)進(jìn)行了對(duì)比。每一條實(shí)線反映了當(dāng)前情況下中繼能量隨著迭代次數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定的過程，可以看出，緩存長度越長迭代過程的波動(dòng)程度越緩和，趨于穩(wěn)定的速度也相對(duì)快一點(diǎn)，增加緩存的長度可以減少迭代的次數(shù)。

總之，本專利提出的基于能量最小化的緩存系統(tǒng)算法滿足了用戶質(zhì)量和系統(tǒng)總功耗最小的雙向要求。