[发明专利]基于用户最小速率需求的电力线信道通信资源分配方法

权利要求书

1.一种基于用户最小速率需求的电力线信道通信资源分配方法，其特征在于，该方法为：确定UE在子载波信道上的可达传输速率，根据所有子载波信道的衰减对子载波信道进行排序并且根据瞬时速率最大化原则为每个UE分配一个未占用的最优子载波信道；然后根据UE最小速率需求确定所有UE的优先级并且从中选择一个最优UE，为所述最优UE分配一个剩余子载波信道，重复选择最优UE并且分配一个剩余子载波信道直至所有子载波信道分配完毕。

2.根据权利要求1所述的基于用户最小速率需求的电力线信道通信资源分配方法，其特征在于，所述确定UE在子载波信道上的可达传输速率，具体通过下式确定：

其中B是PLC通信系统的子载波带宽，和分别表示UE m到集中器在子载波n上的信道特性和传输功率，N₀为噪声功率。

3.根据权利要求1所述的基于用户最小速率需求的电力线信道通信资源分配方法，所述根据所有子载波信道的衰减对子载波信道进行排序并且根据瞬时速率最大化原则为每个UE分配一个未占用的最优子载波信道，具体通过以下步骤实现：

步骤3.1，集中器根据收集到的所有子载波信道的衰减对子载波进行排序，同时收集所有子载波信道的噪声功率信息；

步骤3.2，根据计算所有UE和子载波信道组合的传输速率，选出传输速率最大的组合，进行子信道分配，使该UE的瞬时速率最大化，具体选择方式如下：

其中，M和N分别表示UE和子载波的集合，表示UE m到集中器在子载波n上的传输速率；

步骤3.3，更新未占用子载波集合和为分配子载波UE集合。

4.根据权利要求1所述的基于用户最小速率需求的电力线信道通信资源分配方法，根据UE最小速率需求确定所有UE的优先级并且从中选择一个最优UE，具体通过以下步骤实现：

步骤4.1，计算UE m的最小需求速率q_m，具体计算公式如下：

其中，λ_m为泊松分布的到达速率，单位为(包/时隙)，F为UE m的排队系统中数据包的大小，单位为bit，代表UEm所能容忍的最大时延，表示UE m的数据包在集中器的平均计算等待时间；

步骤4.2，根据UE m的最小需求速率和最大化瞬时速率的差值大小，来确定UE的用户优先级，UE m优先级ω_m的计算公式如下：

ω_m＝q_m-R_m；

步骤4.3，根据优先级的大小选出一个最优用户UE m，具体选择策略如下：

其中，ω_m为用户UE m优先级，γ_m为非负的拉格朗日乘子，R_m为用户在已分配子载波信道的总传输速度。

5.根据权利要求1所述的基于用户最小速率需求的电力线信道通信资源分配方法，所述为所述最优UE分配一个剩余子载波信道，具体为：根据所述最优UE是否满足了最小速率需求公平分配剩余子载波，如果是则随机分配一个剩余子载波信道给能够使系统吞吐量最大的UE；若所述最优UE的传输速率没有满足最小速率需求，则选择最优的剩余子载波信道使其瞬时速率最大。

6.根据权利要求4所述的基于用户最小速率需求的电力线信道通信资源分配方法，其特征在于，所述步骤4.3中选择策略，具体方法如下：

(1)假设M，N分别表示UE和子载波的集合，定义用户最小速率需求的电力线信道通信资源分配问题的目标函数为

其中，ω_m为用户UE m优先级，q_m表示UE m在N个子载波上单位时隙所需要传输的总比特数，同时最后变量意味着子载波n被分配给UE m使用，表示UE m到集中器在子载波信道n上的传输速率，表示UE m总的传输速度必须小于等于最小传输速度，其和时延相联系，表示在一个时隙内的数据传输速率不能小于此时隙内用户缓存中的数据量，以保持排队系统的稳定性，如果传输速率不能达到要求值，则会产生传输中断；

(2)求解最优的子载波分配策略问题，使用松弛条件将用户最小速率需求的电力线信道通信资源分配问题转换为线性规划问题，然后采用拉格朗日方法来求解最优的频谱资源分配问题，让约束条件中的载波分配指示符属于(0,1]区间内的任意值，则表示子载波n分配给UE_m的概率，定义α_n、β_m,n和γ_m为一组非负的拉格朗日乘子，则原问题的拉格朗日公式表示为：

(3)为了得到最优的子载波信道分配策略，对上式中ρ_mn求导，利用KKT条件计算可得：

为了通过第一个式子求解最优的频谱资源分配并减少复杂度，我们直接由第二个式子式估计γ_m的值，假设条件已经限制γ_m非负，若小于0，则此时传输速率大于其最小需求速率，取γ_m为0，否则，γ_m取正值。