HNPLC多用户实时动态频谱管理

刘雯静，张素香，王晨辉

(国家电网有限公司信息通信分公司，北京 100761)

0 引 言

近年来，电力线通信以其传输介质的“泛在”性成为我国泛在电力物联网末端感知终端接入的极佳选择，其中，高速窄带电力线通信(High-speed Narrowband Power Line Communication，HNPLC)由于其电磁辐射低、占用带宽窄和传输速率契合接入需求等特点[1-2]，得到了工业和学术界的一致追捧。服务于泛在电力物联网的HNPLC本质上是多用户通信问题，但其所处频段噪声繁多、情况复杂[3]，因此利用HNPLC多用户实时动态频谱管理(Dynamic Spectrum Management，DSM)提高了HNPLC网络的传输速率与传输可靠性，充分发挥了HNPLC的通信能力[4]，成为保障泛在电力物联网建设稳步推进的基础，具有重要的理论与现实意义。

共享电力线信道中的多用户频谱管理问题可用匈牙利算法求解[5]，但其计算复杂度高，已有的改进算法又多是面向宽频带应用的[6-7]，实现时需要繁琐的信令信息，资源开销体量庞大，不符合HNPLC终端接入应用需求。因此，为满足时变电力线信道中高可靠性的多用户通信需求，本文给出一种HNPLC多用户实时DSM机制，该机制使用分组策略和实时选取最优调制方式的方法，有效减少了信令和资源开销，可满足实用化需求。

1 HNPLC多用户实时DSM机制

泛在电力物联网远程云平台通过光纤或5G等大容量通信网将指令或数据发送给HNPLC网关，网关与低压电力线上的集中器直接通信，而感知终端通过集中器实现指令和数据信息交互。本文所述HNPLC多用户实时DSM机制正是面向泛在电力物联网中感知层终端的集中式接入控制应用场景，充分利用有限资源，有效提升了HNPLC的传输速率和传输可靠性。

1.1 数学模型

由现代通信原理基础可知，差分相位调制系统的误码率e为传输功率、信噪比和调制阶数的函数：

式中：下标n为正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing， OFDM)系统第n个子载波；pn为子载波n的分配功率；gn为子载波n的单位功率信噪比；Mn,d为调制阶数，其中d标识调制方式且系统共有D种调制方式，即d=1，2，…，D。

令ρn,x为子载波分配系数，若子载波n分配给用户x，则ρn,x=1，否则ρn,x=0，则多用户DSM优化问题可表述为[7]

式中：rn,x为子载波n分配给终端节点x的传输速率；pn,x为第n个子载波分配给第x个用户时的发射功率；N为总子载波数；X为总用户数；P为发射功率上限。

1.2 实现方法

本节将基于已有的HNPLC物理层规范和实现架构[8-9]，以下行广播(Broadcast，BC)信道传输为例，阐述HNPLC多用户实时DSM机制。采用将OFDM子载波分组的配置策略，且每次传输中各终端节点实时选取同一种最优调制方式进行传输。这种策略兼顾了HNPLC信道慢时变特性，是开销与性能的良好折中，满足HNPLC多用户实时通信的需求。

由差分相位调制系统的误码率公式可变换得到子载波n的分配功率pn为

(1)Γ值查找表

系统误码率一般根据需求预先设定，代入HNPLC规范中各系统参数可计算得到不同调制方式下的Γd值，将Γd预先计算并存放于查找表中，硬件实现时通过查表方法调用Γd以节省计算开销。

(2) 子载波组功率表

读取物理层实时测得的集中器与终端节点x的信道信息，代入式(3)得到各子载波的功率pd,x,n。按A个一组将N个子载波分成I组(N=A×I)，分别计算每个子载波组的总功率：

由此，子载波组功率表如表1所示。

表1 子载波组功率表

(3) 排序及子载波组的选择

(4) 调制方式的选择

设ΔB为相邻子载波的频率间隔，则当前信道环境下调制方式d的传输速率为

取传输速率最大的调制方式argmaxrd为选用的调制方式。最后，将剩余功率平均分配给选定的子载波，以使系统的误码性能达到最优，未被选用的子载波功率置零。

2 实验验证

结合实时信道估计方法对所提HNPLC多用户实时DSM机制进行验证，使用图1所示的实验仪器平台进行线上实验。其中，使用罗德-施瓦茨的R&S SMU200A矢量信号发生器模拟集中器，其受控于计算机，用于产生模拟的发送数据帧，通过模拟前端(Analog Front End，AFE)接入实际的电力线环境中；使用安捷伦DSO8104A数字示波器对通过电力线信道的数据信号进行采集并送回计算机中，数字示波器的3个接收通道分别模拟3个泛在感知终端；计算机通过网口实现对矢量信号发生器和数字示波器的控制与交互，计算机运行程序并调用相关控制函数完成帧生成、帧发送及接收、解调和分析等任务。同时，电力线中接有各种用电器，产生各类窄带噪声及异步/同步冲击噪声。实验平台的主要系统参数如表2所示[8-9]。

图1 实验平台架构图

表2 实验平台的主要系统参数

图2所示为工作日上午9:30左右实验室用电高峰期单次传输获得的实验结果。图2(a)为不使用本文所述多用户DSM的接收数据星座图，其解调误码率高达40%；图2(b)～(d)为使用了HNPLC多用户实时DSM机制后各终端节点的解调星座图，且解调误码率为0。显而易见，本文所述HNPLC多用户实时DSM机制能有效改善传输可靠性，显著提升误码率性能。图2(e)～(g)为实时估计的集中器与3个终端节点的实时信道情况，按此时的信道情况，HNPLC多用户实时DSM机制给出的下次传输时子载波和调制方式的选择及功率分配情况如图2(h)所示。实际上，图2(e)～(h)也同时验证了DSM的物理意义，即：在确保一定误码率的前提下，信道条件越好的子载波所需的发射功率越小，信道条件太差的频段/子载波将被弃用。

图2 实验室用电高峰时单次传输实验结果图

基于图1所示实验验证平台，分别关闭/开启实时DSM并运行一周时间，记录接收到的有效数据量，并与帧总数和帧时长作比值，进而测量HNPLC多用户实时DSM机制使用前后系统的有效平均传输速率。这里有效数据指正确解调的FCH和载荷数据，不包括前导序列，有效数据量达1011数量级。实验结果表明，关闭HNPLC多用户实时DSM机制时，由于误码率高，系统的有效平均传输速率仅为103 kbit/s，开启HNPLC多用户实时DSM机制后速率高达675 kbit/s，提升了558.25%，即：速率是关闭HNPLC多用户实时DSM机制的传统方法的5倍多，速率提升效果显著。

3 结束语

本文设计了一种HNPLC多用户实时DSM机制，采用将OFDM子载波分组配置且每次传输中各终端节点实时选取同一种最优调制方式的策略，有效确保了传输性能，减少了传输信令和资源开销。基于实验仪器平台的线上实验证明，本文所述HNPLC多用户实时DSM机制能充分利用有限的HNPLC资源显著提升传输可靠性，且系统传输速率较传统方法提升了5倍多，可满足我国泛在电力物联网末端感知接入控制的实用化需求。