基于ofdm的plc系統(tǒng)的吞吐量優(yōu)化方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及電力線通信（PLC,PowerLineCommunication)技術領域，具體為基于 正交頻分復用（OFDM，OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)技術的電力線通信 系統(tǒng)吞吐量優(yōu)化方案設計。
【背景技術】
[0002] 近年來，信息技術的迅猛發(fā)展給現(xiàn)代通信的發(fā)展提出了更高的要求。目前，我國互 聯(lián)網(wǎng)的接入存在如下瓶頸問題，即主干網(wǎng)具有相當容量的帶寬，但是用戶接入使用的線路 帶寬很窄，從而大大限制了傳輸速率。而電力線通信卻被視作解決這一問題的有力方案。 電力線通信是指利用電力線傳輸數(shù)據(jù)和媒體信號的一種通信方式。PLC技術正以其高覆蓋 率、低通信鋪設成本等優(yōu)勢，在建設智能電網(wǎng)的道路上中起到了非常重要的作用。
[0003] 電力線通信采用的調制技術主要有0FDM、擴頻以及常規(guī)的QPSK，F(xiàn)SK等。而QPSK， FSK等常規(guī)調制技術頻帶利用率不高，只適用于低速傳輸，擴頻技術在寬帶受限的情況下， 最大數(shù)據(jù)傳輸速率受到限制，同樣很難適應高速傳輸。因此，為適應高速的傳輸要求，0FDM 技術是解決傳輸頻帶利用率低這一問題的最有效方法之一，該技術目前已被廣泛采用。
[0004] 在電力線0FDM系統(tǒng)中，載波間干擾（ICI，Inter-carrierInterference)和符號 間干擾（ISI，Inter-SymbolInterference)ICI和ISI會顯著降低OFDM系統(tǒng)的性能，使 得在理想情況下設計的資源管理優(yōu)化方法在實際使用時效率降低?；诖四康模?。本發(fā)明 的目的是將重點研究電力線0FDM系統(tǒng)下的存在干擾，即載波間干擾（ICI，Inter-carrier Interference)和符號間干擾（ISI，Inter-SymbolInterference)時的功率分配問題，旨 在優(yōu)化系統(tǒng)吞吐量優(yōu)化問題，旨在通過優(yōu)化子載波的傳輸功率從而提高系統(tǒng)性能。眾所周 知，而功率約束下的吞吐量優(yōu)化問題是非凸非線性問題，很難直接求解。，因此本發(fā)明通過 巧妙構思，構建了一個虛擬平坦衰落實信道模型，將功率約束下的吞吐量優(yōu)化問題該問題 等價為加權最小均方差問題，。雖然此問題仍然非凸，但是卻可以利用結合簡單的塊坐標下 降法和二分法迭代求解，而且同時該方法可以保證優(yōu)化目標函數(shù)，即系統(tǒng)吞吐量在迭代過 程中單調不減，從而達到優(yōu)化系統(tǒng)吞吐量的目的。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種基于0FDM的PLC系統(tǒng)的吞吐量 優(yōu)化方法。
[0006] 本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現(xiàn)的：一種基于0FDM的PLC系統(tǒng)的吞吐量 優(yōu)化方法，該方法包括以下步驟：
[0007] 步驟1 :發(fā)送端確定所使用的子載波集合AUSE，并求出L= |AUSE|，L表示集合AUSE的 元素個數(shù)，同時設定每個子載波允許最大傳輸功率約束值？^^!!!)，!!!eAuss以及總傳輸功率 約束值Ptotal;
[0008] 步驟2 :引入權重值{tj，將功率約束下的連續(xù)型吞吐量優(yōu)化問題等價為加權最小 化均方差問題，即：
[0009]
[0010] 其中F。表不子載波間隔，
_表不 麗SE誤差估計值，
a(m)表示第m個子載波的信道增益，p(m) 表示第m個子載波的發(fā)射功率，Uni表示第m個子載波的MMSE均衡器，Γ表示信噪比差額，W表不干擾矩陣，其中W(mQ，m)表不第m個子載波對第m。個子載波的干擾，'
為噪聲功率向量，其中$σ42 (m丨表不第m個子載波的噪聲功 率；
[0011] 步驟3 :利用塊坐標下降算法和二分法迭代求解該問題，S卩：初始化：迭代次數(shù)η =1、MMSE均衡器和相應的^"卜權重其中：#和分別表示第m個 子載波的第η次迭代所求的MMSE均衡器、MMSE誤差估計值和權重值，然后計算加權最小化 均方誤差問題的目標{
[0012] 步驟4 :更新迭代次數(shù)η=η+1，利用二分法求解子載波傳輸功率集合{P(n) (m)}， P(n) (m)表示第m個子載波第η次迭代所求傳輸功率值；
[0013] 步驟5:首先求解MMSE均衡器和相應的估計 、'Ξ"
'' 1 誤I
然后求出權重=4，從而求出相應的加權最小化 均方差問題的目標值其弓
[0014] 步驟6:判斷
Q是否成立，其中ε為判定閾值，滿足則輸 出{P(n)(m)}，即為原問題的最終解，即v . .
j1中Ρ?表示第m個 子載波最終傳輸功率，從而求出最終吞吐量
其中
表示最終傳輸功率 分配向量；否則，重復步驟4到步驟6 ;
[0015] 步驟7 :發(fā)送端按照最終功率分配方案設定每個子載波傳輸功率，從而實現(xiàn)PLC系 統(tǒng)的業(yè)務傳輸。
[0016] 進一步地，所述步驟4具體包括以下子步驟：
[0017] 步驟4. 1 :設拉格朗日乘子λ= 〇,根據(jù)式子：
[0018] Ι_ *
[0019] 求出傳輸功2
,判斷是否滿足總功率約束，s
,·，如 果滿足，則4
并輸出該解，其中：
[0020]
否則 執(zhí)行下一步；
[0021] 步驟4.2 :設λ=λ+U，其中U為步長，同理得到對應的
I，重復該步 驟直至找到滿足總功率約束條件的拉格朗日乘子λ，輸出拉格朗日乘子上界Xu=λ; JL-/L
[0022] 步驟4. 3 :利用二分法思想求解拉格朗日乘子，即令2 = ，其中λ1= 〇為拉 2 格朗日乘子下界，求解得到μ#}，判斷是否滿足總功率約束條件，如滿足則令λu =λ，否則令λ1=λ，重復該步驟直至其中ε為判定閾值，得到 冷
并輸出該解。
[0023] 本發(fā)明有益效果：基于0FDM的PLC系統(tǒng)的吞吐量優(yōu)化問題是一個非凸非線性的復 雜問題，很難直接求解，而本發(fā)明通過構建虛擬的平坦衰落實信道模型，將功率約束下的吞 吐量優(yōu)化問題等價為加權最小均方誤差問題，然后采用簡單的塊坐標下降法和二分法思想 迭代求解該問題，該方法可以保證吞吐量在迭代過程不斷增大直至收斂，從而達到優(yōu)化系 統(tǒng)性能的目的。
【附圖說明】
[0024] 圖1是本發(fā)明所述實施例的基于OFDM的PLC系統(tǒng)吞吐量優(yōu)化方法流程圖。
[0025] 圖2是本發(fā)明所述實施例二分法求解傳輸功率方案流程圖。
[0026]圖3是本發(fā)明所述實施例吞吐量優(yōu)化方法收斂圖。
[0027]圖4是本發(fā)明所述實施例性能仿真比較圖。
【具體實施方式】
[0028] 為了使本發(fā)明的目的和效果更加清楚，下面對電力線0FDM通信系統(tǒng)模型及本文 發(fā)明方法進行詳細描述。
[0029] 與傳統(tǒng)的0FDM系統(tǒng)不同，本文考慮一個單用戶加窗型0FDM系統(tǒng)。假設系統(tǒng)共有 U個子載波，占用的總帶寬為BMHz，0FDM系統(tǒng)的循環(huán)前綴長度為s(此處，s代表單位： 秒）：Tep=GI+RI，其中GI為保護間隔，RI為滾降長度。在傳統(tǒng)0FDM系統(tǒng)中，一般有RI= 0,而在PLC系統(tǒng)中卻不等于零。另外，0FDM符號長度為Ts，其中T=TQ+GI，T。為FFT窗口 周期，巧為子載波間隔。假設在U個子載波中使用L個子載波來傳輸數(shù)據(jù)，根據(jù)多載 丨U. 波通信系統(tǒng)原理知識，第η。個0FDM符號中的第m。個子載波的解調樣本y(m。，η。）可以表示 為：
[0030]
<13
[0031]其中：a(m。，n。)、、ICI(m。，n。)、ISI(m。，η。）和b(m。，η。）分別表示第η。個 0FDM 符號中的第m。個子載波的信道增益，調制符號，載波間干擾、符號間干擾和循環(huán)復高斯型系 統(tǒng)噪聲。
[0032] 不生一般件，考虎時不奪信道，0I丨等忒Π)可以簡化為：
[0033]
C2)
[0034] 由于實際PLC系統(tǒng)中使用的子載波數(shù)L比較大，根據(jù)中心極限定理可以假設干擾 在L個子載波上是服從正態(tài)分布的。因此，第m。個子載波上的信干噪比（SINR，Signalto interferenceplusnoiseratio)可以表不為：
[0035]
(3)
[0036] 其中：P(m。）是載波m。的傳輸功率，) %載波m。上的噪聲功率。
[0037]相應地，載波m。上容量函數(shù)可以表示為：
[0038]
(4)
[0039] 其中：Γ表不彳目噪比差額。
[0040] 為了方便，定義AUSE為L個使用的子載波集合，S卩|AUS1 =L，其中|AUS1表示集 合Ause的元素個數(shù)。根據(jù)文獻[ThanhNhanVo,KarineAmis,ThierryChonavel,Pierre Siohan，"AchievableThroughputOptimizationinOFDMSystemsinthePresenceof InterferenceanditsApplicationtoPowerLineNetworks"IEEETransactionsOn Communications，Vol. 62,No. 5,May2014]可以知道，有如下等式：
[0041]
(5}
[0042] 其中：W(mQ，m)表示第m個子載波對第m。個子載波的干擾，并且mQ，mGAu'
[0043] 根據(jù)（5)式，定義p全為功率分配向量，N⑴ 噪聲功率向量，矩陣W為干擾矩陣，BP
[0044]
[0045] 因此，（5)式和⑶式可以分別等價為：
[0046]
[0047]
[0048] 對于電力線0FDM通信系統(tǒng)，系統(tǒng)性能的重要度量標尺為吞吐量，因此在滿足功率 約束下的吞吐量最大化設計問題可描述為：
[0049]
[0050] 其中：Ptotal表示總功率約束值，P_(m)為子載波m允許最大傳輸功率。
[0051] 分析模型，知道問題（9)是非凸非線性問題，很難直接求解，因此我們根據(jù)凹凸轉 化思想將問題（9)等價為一個加權最小均方差（WMMSE)問題，然后通過優(yōu)化該問題達到優(yōu) 化問題（9)的目的。
[0052]首先，定義|?(m)|","，，構建虛擬的平坦衰落實信道模型有：
[0053]
(10)
[0054] 其中：sm~N(0, 1)表不第m個發(fā)射機虛擬發(fā)射符號，~ ~?/λ「W(";"和 \~:V(0,I?)表示加性高斯白噪聲。
[0055] 在第m，…，Z.}個子載波，我們用MMSE均衡器Uni對Sni進行最小均方誤差估 計（MMSE，min-mean-square-error)，相應的估計誤差em可表示為：
[0056]
C11)
[0057]引入權重{tj，根據(jù)虛擬信道模型可知，問題（9)等價為如下問題：
[0058]
[0059] 從（12)知道該問題仍然非凸，但是卻可以采用簡單的塊坐標下降法，即固定一個 或者多個變量求解另一個變量的思想迭代求解該問題，基于此想法，當固定t"，qj寸，可由 (11)得到IV即麗SE均衡器：
[0060]
[0061] 從而求解得到em= 1-umhmqm，然后再固定qm，em求得tm，即：
[0062]
[0063] 最后固定em，tm，求解qm，具體如下：
[0064]