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一种基于比特交换的多用户电力线通信系统资源分配方法技术方案

技术编号:15065380 阅读:13 留言:0更新日期:2017-04-06 13:13
本发明专利技术公开了一种基于比特交换的多用户电力线通信系统资源分配方法,其在保证用户间公平性的情况下,引入目标速率比例约束条件,并分步进行子载波分配及比特和功率分配,即首先根据所有用户各自对应的目标速率比例约束系数进行子载波分配;然后根据每个用户的目标速率要求,对每个用户所占用的所有子载波进行等比特分配;接着根据功率最小化准则,将剩余比特分配给增加1比特所需额外功率最小的子载波;最后在各用户分配总比特不变情况下,根据比特交换准则在子载波间进行比特交换;本发明专利技术方法不仅保证了用户间的公平性,而且根据比特交换准则,使得功率分配达到最优,从而使多用户电力线通信系统的总发射功率最小化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种电力线通信系统资源分配技术,尤其是涉及一种基于比特交换的多用户电力线通信系统资源分配方法
技术介绍
电力线通信(PowerLinecommunications,PLC)技术是在现有的电力线网络的基础上,再加装一些附属装置,变成的电力线通信网络。因此,电力线通信技术具有覆盖面积广、实现成本低、即插即用等特点。目前,电力线通信已成为当前通信领域的一个研究热点。然而,电力线网络并不是专门为传输数据而设计的,其基本上不具备有线通信网所必备的通信线路特性。电力线信道具有频率选择性、时变性、多径性、阻抗失配及噪声干扰强等特点,这使得电力线通信仍有许多问题亟待解决。要实现高速可靠的电力线通信必须合理利用其资源,因此电力线通信系统中的资源分配问题便显得尤为重要。OFDMA(OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess,正交频分多址接入)技术具有良好的抗多径及噪声特性,不仅可以提高频谱利用率,而且还能抵抗电力线信道的频率选择性。自适应OFDMA可根据信道增益变化和用户需求不同等对子载波进行动态分配,更适应于实际的通信中。因而,自适应OFDMA技术与动态资源优化技术相结合已被广泛应用于电力线通信系统中的资源分配问题。电力线通信系统中的资源分配主要分为单用户资源分配和多用户资源分配。单用户电力线通信系统中的子载波、比特和功率等资源为一个用户所有,因此不存在子载波分配问题,只需在每个子载波上进行最优的比特及功率分配。多用户电力线通信系统必须在为各用户进行子载波分配的基础上,进行比特及功率分配,其实质是如何为用户最优的分配子载波以及为子载波分配功率,且可以引入用户间公平性、子载波工作和不同业务类型等问题,因此,多用户电力线通信系统资源分配方法研究在电力线通信领域具有非常重要的意义。有研究人员提出了一种多用户电力线通信系统资源分配算法,该算法先根据用户目标速率及合目标速率要求进行子载波数目分配,然后将子载波分配给信道条件最佳的用户,最后得到次优化比特分配的闭式解,该算法研究了在合目标速率约束下的系统功率最小化问题,且推导出了次优化比特分配的表达式,但是该算法并未得到最优的比特分配结果。也有研究人员提出了另一种多用户电力线通信系统资源分配算法,该算法先把子载波按需和信道条件预分配给用户,再根据遗传算法最优地分配比特及功率,并减少其计算量,该算法研究了不同业务下的多目标资源分配问题,在保证实时(RealTime,RT)用户固定速率下最小化其占用的资源,再在系统剩余资源下最大化非实时(NonRealTime,NRT)用户的速率。这两种算法的缺点就是都没有考虑用户之间的公平性。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于比特交换的多用户电力线通信系统资源分配方法,其不仅能够保证用户间的公平性,而且能够有效地降低多用户电力线通信系统的能耗。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为:一种基于比特交换的多用户电力线通信系统资源分配方法,其特征在于包括以下步骤:①设定多用户电力线通信系统中有K个用户,并设定多用户电力线通信系统采用OFDM调制技术,每个OFDM符号内有N个子载波,其中,K>1,N≥1;②根据信息论知识,获取多用户电力线通信系统中的每个用户在其所占用的每个子载波上达到的速率的理论值,假设第n个子载波被第k个用户所占用,则将第k个用户在第n个子载波上达到的速率记为rk,n,rk,n的理论值为其中,1≤k≤K,1≤n≤N,Hk,n表示第k个用户在第n个子载波上的信道增益,Pk,n表示第k个用户在第n个子载波上分配的功率,表示第k个用户在第n个子载波上的噪声功率,Γ表示第n个子载波上的信噪比差额;接着构建多用户电力线通信系统中的功率最小化问题,表述为:minΣk=1KΣn=1Nβk,npk,ns.t.C1:Σk=1Kβk,n=1,∀n;C2:rk,n∈Z0b,∀k,n;C3:Σn=1Nrk,n=Rk,∀n;Σk=1KRk=R;C4:R1:R2:...:RK=γ1:γ2:...γK;,]]>其中,min表示“使最小化”,1≤k≤K,1≤n≤N,βk,n的取值为0或为1,βk,n=1表示第k个用户占用第n个子载波,βk,n=0表示第k个用户未占用第n个子载波,pk,n表示第k个用户在第n个子载波上分配的功率,s.t.表示“受约束于”,符号表示“任意”,表示由0~b内的所有整数构成的集合,b表示每个用户在其所占用的每个子载波上传输的比特数的上限,Rk表示第k个用户的目标速率要求,R表示多用户电力线通信系统的合目标速率要求,γ1、γ2、γK均为正整数,γ1表示第1个用户对应的目标速率比例约束系数,γ2表示第2个用户对应的目标速率比例约束系数,γK表示第K个用户对应的目标速率比例约束系数,约束条件C1表示每个子载波最多只能被一个用户所占用;约束条件C2表示每个用户在各个子载波上的速率为0~b内的整数;约束条件C3表示每个用户都需满足其目标速率要求,多用户电力线通信系统需满足其合速率要求;约束条件C4表示各用户间的目标速率需满足非线性比例约束;③为每个用户分配子载波数目,并为每个用户分配子载波,具体过程为:③_1、根据所有用户各自对应的目标速率比例约束系数,为每个用户初步分配子载波数目,将初步分配给第k个用户的子载波数目记为cmk,其中,符号为向下取整符号,γk表示第k个用户对应的目标速率比例约束系数;③_2、在优先把子载波分配给使其信道增益最大的用户的原则下,为每个用户分配信道条件最好的子载波,直至每个用户分配到的子载波的总数达到初步分配给该用户的子载波数目;③_3、将剩余的未被分配的每个子载波以子载波选择用户的形式分配给使其信道增益最大的用户,然后统计最终分配给每个用户的子载波的总数,将最终分配给第k个用户的子载波的总数记为mk;④为每个用户所占用的每个子载波分配比特,并计算每个用户在其所占用的每个子载波上分配的功率;对于第k个用户,为第k个用户所占用的每个子载波分配比特,并计算第k个用户在其所占用的每个子载波上分配的功率的具体过程为:④_1、根据第k个用户的目标速率要求,对第k个用户所占用的所有子载波进行等比特分配,使得第k个用户在其所占用的每个子载波上达到的速率相同,假设第n个子载波被第k个用户所占用,则令其中,符号为向下取整符号;④_2、计算第k本文档来自技高网
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一种基于比特交换的多用户电力线通信系统资源分配方法

【技术保护点】
一种基于比特交换的多用户电力线通信系统资源分配方法,其特征在于包括以下步骤:①设定多用户电力线通信系统中有K个用户,并设定多用户电力线通信系统采用OFDM调制技术,每个OFDM符号内有N个子载波,其中,K>1,N≥1;②根据信息论知识,获取多用户电力线通信系统中的每个用户在其所占用的每个子载波上达到的速率的理论值,假设第n个子载波被第k个用户所占用,则将第k个用户在第n个子载波上达到的速率记为rk,n,rk,n的理论值为其中,1≤k≤K,1≤n≤N,Hk,n表示第k个用户在第n个子载波上的信道增益,Pk,n表示第k个用户在第n个子载波上分配的功率,表示第k个用户在第n个子载波上的噪声功率,Γ表示第n个子载波上的信噪比差额;接着构建多用户电力线通信系统中的功率最小化问题,表述为:C4:R1:R2:...:RK=γ1:γ2:...γK; ,其中,min表示“使最小化”,1≤k≤K,1≤n≤N,βk,n的取值为0或为1,βk,n=1表示第k个用户占用第n个子载波,βk,n=0表示第k个用户未占用第n个子载波,pk,n表示第k个用户在第n个子载波上分配的功率,s.t.表示“受约束于”,符号表示“任意”,表示由0~b内的所有整数构成的集合,b表示每个用户在其所占用的每个子载波上传输的比特数的上限,Rk表示第k个用户的目标速率要求,R表示多用户电力线通信系统的合目标速率要求,γ1、γ2、γK均为正整数,γ1表示第1个用户对应的目标速率比例约束系数,γ2表示第2个用户对应的目标速率比 例约束系数,γK表示第K个用户对应的目标速率比例约束系数,约束条件C1表示每个子载波最多只能被一个用户所占用;约束条件C2表示每个用户在各个子载波上的速率为0~b内的整数;约束条件C3表示每个用户都需满足其目标速率要求,多用户电力线通信系统需满足其合速率要求;约束条件C4表示各用户间的目标速率需满足非线性比例约束;③为每个用户分配子载波数目,并为每个用户分配子载波,具体过程为:③_1、根据所有用户各自对应的目标速率比例约束系数,为每个用户初步分配子载波数目,将初步分配给第k个用户的子载波数目记为cmk,其中,符号为向下取整符号,γk表示第k个用户对应的目标速率比例约束系数;③_2、在优先把子载波分配给使其信道增益最大的用户的原则下,为每个用户分配信道条件最好的子载波,直至每个用户分配到的子载波的总数达到初步分配给该用户的子载波数目;③_3、将剩余的未被分配的每个子载波以子载波选择用户的形式分配给使其信道增益最大的用户,然后统计最终分配给每个用户的子载波的总数,将最终分配给第k个用户的子载波的总数记为mk;④为每个用户所占用的每个子载波分配比特,并计算每个用户在其所占用的每个子载波上分配的功率;对于第k个用户,为第k个用户所占用的每个子载波分配比特,并计算第k个用户在其所占用的每个子载波上分配的功率的具体过程为:④_1、根据第k个用户的目标速率要求,对第k个用户所占用的所有子载波进行等比特分配,使得第k个用户在其所占用的每个子载波上达到的速率相同,假设第n个子载波被第k个用户所占用,则令其中,符号为向下取整符号;④_2、计算第k个用户在其所占用的每个子载波上增加1比特所需的功率增量,假设第n个子载波被第k个用户所占用,则将第k个用户在第n个子载波上增加1比特所需的功率增量记为ek,n(rk,n+1),④_3、如果第k个用户所需的比特已全部分配完毕,则直接执行步骤④_5;如果第k个用户所需的比特未全部分配完毕,则执行步骤④_4;④_4、先找出第k个用户对应的所有功率增量中的最 小功率增量及该最小功率增量对应的子载波,假设该子载波为第n*个子载波,则将剩余的未分配的所有比特中的1比特分配给第n*个子载波,然后重新计算第k个用户在第n*个子载波上增加1比特所需的功率增量再返回步骤④_3继续执行;其中,n*∈[1,N];④_5、计算第k个用户在其所占用的每个子载波上减少1比特所需的功率减量,假设第m个子载波被第k个用户所占用,则将第k个用户在第m个子载波上减少1比特所需的功率减量记为ek,m(rk,m),其中,1≤m≤N,rk,m表示第k个用户在第m个子载波上达到的速率,表示第k个用户在第m个子载波上的噪声功率,Hk,m表示第k个用户在第m个子载波上的信道增益;④_6、找出第k个用户对应的所有功率增量中的最小功率增量,并找出第k个用户对应的所有功率减量中的最大功率减量,假设第k个用户对应的最小功率增量为第k个用户在其所占用的第i个子载波上增加1比特所需的功率增量ek,i(rk,i+1),第k个用户对应的最大功率减量为第k个用户在其所占用的第j个子载波上减少1比特的功率减量ek,j(rk,j),则如果ek,j(rk,j)>ek,i(rk,i+1),那么执行步骤...

【技术特征摘要】
1.一种基于比特交换的多用户电力线通信系统资源分配方法,其特征在于包括以下步
骤:
①设定多用户电力线通信系统中有K个用户,并设定多用户电力线通信系统采用OFDM
调制技术,每个OFDM符号内有N个子载波,其中,K>1,N≥1;
②根据信息论知识,获取多用户电力线通信系统中的每个用户在其所占用的每个子载
波上达到的速率的理论值,假设第n个子载波被第k个用户所占用,则将第k个用户在第n个
子载波上达到的速率记为rk,n,rk,n的理论值为其中,1≤k≤K,1≤
n≤N,Hk,n表示第k个用户在第n个子载波上的信道增益,Pk,n表示第k个用户在第n个子载波
上分配的功率,表示第k个用户在第n个子载波上的噪声功率,Γ表示第n个子载波上的
信噪比差额;
接着构建多用户电力线通信系统中的功率最小化问题,表述为:
C4:R1:R2:...:RK=γ1:γ2:...γK;,其中,min表示“使最小化”,1≤k≤K,1≤n≤N,
βk,n的取值为0或为1,βk,n=1表示第k个用户占用第n个子载波,βk,n=0表示第k个用户
未占用第n个子载波,pk,n表示第k个用户在第n个子载波上分配的功率,s.t.表示“受约束
于”,符号表示“任意”,表示由0~b内的所有整数构成的集合,b表示每个用户在其
所占用的每个子载波上传输的比特数的上限,Rk表示第k个用户的目标速率要求,R表示多
用户电力线通信系统的合目标速率要求,γ1、γ2、γK均为正整数,γ1表示第1个用户对应
的目标速率比例约束系数,γ2表示第2个用户对应的目标速率比例约束系数,γK表示第K
个用户对应的目标速率比例约束系数,约束条件C1表示每个子载波最多只能被一个用户所
占用;约束条件C2表示每个用户在各个子载波上的速率为0~b内的整数;约束条件C3表示
每个用户都需满足其目标速率要求,多用户电力线通信系统需满足其合速率要求;约束条
件C4表示各用户间的目标速率需满足非线性比例约束;
③为每个用户分配子载波数目,并为每个用户分配子载波,具体过程为:③_1、根据所
有用户各自对应的目标速率比例约束系数,为每个用户初步分配子载波数目,将初步分配
给第k个用户的子载波数目记为cmk,其中,符号为向下取整符号,γk表示第k个用户对应的目标速率比例约束系数;③_2、在优先把子载波分配给使其信道增益
最大的用户的原则下,为每个用户分配信道条件最好的子载波,直至每个用户分配到的子
载波的总数达到初步分配给该用户的子载波数目;③_3、将剩余的未被分配的每个子载波
以子载波选择用户的形式分配给使其信道增益最大的用户,然后统计最终分配给每个用户
的子载波的总数,将最终分配给第k个用户的子载波的总数记为mk;
④为每个用户所占用的每个子载波分配比特,并计算每个用户在其所占用的每个子载
波上分配的功率;对于第k个用户,为第k个用户所占用的每个子载波分配比特,并计算第k
个用户在其所占用的每个子载波上分配的功率的具体过程为:④_1、根据第k个用户的目标
速率要求,对第k个用户所占用的所有子载波进行等比特分配,使得第k个用户在其所占用
的每个子载波上达到的速率相同,假设第n个子载波被第k个用户所占用,则令其中,符号为向下取整符号;④_2、计算第k个用户在其所占用的每个子...

【专利技术属性】
技术研发人员:付彩梅李有明童景文余明宸周桂莉
申请(专利权)人:宁波大学
类型:发明
国别省市:浙江;33

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