基于令牌桶的电力线通信带宽自适应分配方法

刘金雯

（鹤壁汽车工程职业学院机电工程系 河南 鹤壁 458030）

0 引言

电力线通信传输连接方式较为简单，虽然能够实现人们的业务要求，但其提供的通信环境较为恶劣，需要匹配相适应的调节技术，完成多种错误编码的纠正，才能够实现高速且可靠的数据传输[1]。电力线通信网络和其他通信网络之间的数据传输，能够在信息加载过程中产生高频信号，通过终端调制器分离传输电流，区分高频信号，以此完成智能化的信息传送[2]。目前，在电力线通信数据传输过程中，能够保持较低的错误代码率，但由于现有的自适应分配方式，在信号调制过程中容易出现不均等的情况，导致在不同信道中产生的容量比逐渐降低，最终影响电力线带宽的传输效率。其主要原因是电力线在开始阶段，作为电流和电压的传输媒介，其线路的时变特性不稳定，通信线路中传输的抗阻较小，容易受到噪声信号干扰，降低宽带通路容量比。为解决上述问题，本文研究基于令牌桶的电力线通信带宽自适应分配方法，为有效解决信号传输效率提供理论支持，保证电力线路的稳定高效运行，加速电力线路的建设进程。

1 基于令牌桶的电力线通信带宽自适应分配方法

1.1 构建电力线通信带宽动态规划模型

电力线带宽的分配目的是满足通信网络中用户的各类通信要求，为优化平稳进行带宽分配策略设计，保证多个用户的通信需求，需要将用户带宽的分配问题，在多个决策阶段进行划分[3]。选择电力线的质量评估标准，作为分配的约束性条件，从而设计带宽的自适应分配策略，完成用户的通信带宽需求。随机动态规划模型能够利用无约束条件，在用户发出请求指令后，在覆盖范围内进行全视野的通信信号搜寻，针对具体的用户带宽分配请求进行一次性求解[4]。首先对用户需求的分配带宽进行排序，设置电力通信带宽请求中包含Q个用户，用户能够得到的带宽序号设置为W，其中第qn个用户得到的宽带序号为nw。

将模型的随机动态处置过程，看作一个平稳的处置过程，当qn用户第a次得到的宽带序号，可以设置为(qn)a，将其随机分配的过程看作一组状态空间，可以用集合方式表示，即S=(1,2,...,a)。由于通信信道是一个变化的信道，在随机分配的带宽序列中[5]，存在独立于原有的状态，用表示，其必须依赖于原有状态和当前状态，以此，可以看作一个高阶段的马尔科夫决策过程。通过用户qn信道带宽序号的转移概率，对信道带宽的分配结果进行统计，根据信道的转移概率组成判断矩阵，表达式为：

公式中：用户qn在下一次获得的带宽分配序号为l，其发生转移的概率为；用户qn的转移概率矩阵用R(qn)来表示。为计算带宽的变化比率，引入性能指标，根据矩阵的最大质量变化值，计算电力线通信的信号分配结果，表达式为：

公式中：带宽的信道变化比率用t来表示；矩阵中质量的最大变化值用 max来表示，该通信网络中的用户数量用D来表示。受电力线通信信道的变化影响，在规定的时间内，通道的状态会对下一个带宽信道的单元转移产生影响，以此(qn)kl的数值是随着带宽序号的排列顺序不断变化。根据转移概率的变化，能够为带宽分配带来变化，进行通路中传输信号的分类，优化电力线的通信带宽自适应有序分配。

1.2 基于令牌桶自定义通信传输信号类型

根据电力线通信网络中多组用户的不同需求，为有效解决类似性需求结果对分配的影响，在通信带宽分配过程中，建立一个随机的动态规划模型，保证不同用户的带宽需求长度。以电力通信的传输方式进行选择，能够动态地实现用户带宽分配，来满足用户的不同通信需求。电力线通信网络中，需要根据用户的优先等级进行分配，必须保证用户能够公平地获取带宽资源。选择令牌桶的方法完成传输信号的类型定义，在保证用户基本需求的同时，能够对网络流量信号进行整改，以此确定不同通路中的信号类型。

在各组传输的电力线路中，各组用户产生的数据需求，会自动匹配到线路信道内，运用令牌桶能够定义用户的带宽长度，在一定的速率下进行周期性填充，使多个通路中的数据包长度满足最小链路[6]。在令牌桶的填充过程中，需要保证令牌桶的数量，不能超过通道的容量大小，当每组通路与对应的令牌匹配后，将多余的令牌丢弃或者重新进入下一组通路的填充。在此过程中只有数据包长度数值，小于令牌桶中的令牌数量，则能够允许通路中传输数据通过，将其定义为正向传输信号。

1.3 密度聚类自适应划分信道分配带宽

根据不同的通信传输信号类型，能够区分出每组电力线通信信道的规格，通过信道聚类的方式可以将具有较高相关性的信道聚合在一起，以此确定电力线通信带宽中，不同通信信号的信道占用情况。由于不同的信道在接收组内信号时，能够产生不同的联系性，在具备较为密切的关系时，能够表示其相关性能较高，此时信道的聚类效果也就越有意义[7-8]。通过密度的聚类效果能够对信道的状态进行预测，实现主动识别信道的目的，以此得出不同信道中，电力线通信信号类型的存在方式，减少分配过程中出现的通信噪声信号比。

在密度聚类过程中，能够主动删除与其他对象不存在关联性质的噪声信号，即在密度较小的信号中不能够和其他类型的信号进行划分，必须按照同样的比例形式完成分配。设置一个通信相关组z，在其中包含y个信道编号，利用密度聚类方式进行排列组合[9-10]，按照顺序进行分组标号，具体以相关性能划分结果，见图1。

根据图中内容所示，以不同的信道分组标号进行聚类，选择密度聚类方式进行相关性信息排列，在同样的颜色标记内能够表示较强的相关性，可以被分在同一个相关性能组别中。而颜色不同的信道之间不存在关联性，以此可以知道其不具备等效信号传输效果，对各类电力线通信的强度进行划分。

2 实验结果与分析

为验证此次设计的分配方法具有实际应用效果，能够在电力通信带宽中完成自适应分配，采用实验测试的方法进行论证。选择某省的电力线路通路为测试样本，设置该电力通道为载波通路，其中包含3 组信号调制信道类型。以每组信道的数据转换包的大小，作为此次实验的测试数据，选取12 月30 日的用户请求需求，通过载波频率10 ～30 MHz 的变化范围进行统计，具体数据样本见表1。

表1 用户数据请求转换包大小

根据表中内容所示，在选择的该省电力线载波通路中，每个载波信号的调节类型分别为24 MQA 和60 MQA 以及82 MQA。每次截取的信号数据按照每个4MAH 进行统计，其中24 MQA 信号调节类型产生的数据包较大，82 MQA 信号调节类型产生的数据包较小。将上述3 组通路中的数据请求，进行带宽的自适应分配，由于电力线通信的自身组成结构，在进行数据的传输过程中，会受到通路中的电阻影响，以此作为数据带宽的分配测试条件，验证不同分配方式下运行数据的信道容量变化。

利用MATLAB 测试平台依次导入，选择一组传统方法进行对照，比较不同分配方法下，电力线通信线路中数据带宽的分配效果。实验共分为两个部分：第1 部分为分配的结果测试，在选择的3 组载波频率下，以每次通路增长10 DB 的抗阻进行容量限制，对比分配方式下用户数据请求的保留程度，即该信道的容量存储效果。第2 部分测试分配过程中，对信道容许通过数据请求的带宽传输速率，即在可容许的标准范围内，电力线通路中的用户请求数据的传输时间。首先进行第1 部分的测试，设置每组信道中的初始抗阻均为0 DB，在不断增长的情况下，不同分配方法对请求数据的容量配比结果，具体见图2。

根据图中内容所示，通路中的抗阻增量与载波频率截取相一致，在每个截取阶段内，均会对应一种强度的线路抗阻。本文方法能够根据用户的请求数据进行带宽分配，其产生的数据包容量大小与原有数据相一致，能够保证电力通信传输的信道占比，在规定时速内完成数据传输。

综合结果可知：在本文方法的应用下，能够使不同载波频率下的用户请求，在电力线路中完成带宽分配，且请求的数据大小不会发生变化，具有实际应用效果。

为进一步验证本文方法的有效性，在通信容量没有发生变化的数据中，进行用户请求数据的带宽分配效率测试。在3 组调节类型的载波频率均处于22 MHz 的前提下，对产生的数据进行分配处理，具体测试结果见表2。

表2 不同方法下带宽分配效率对比

根据表中内容所示，在本文方法下能够在不同信号调控模式下，将用户请求数据的带宽分配时间控制在10s 之内，而传统方法随着调控模式的波长增加，其所用的分配时间随之增长，影响带宽的分配效率。综合实验结果可知：本文方法能够在分配过程中，保证用户的请求数据在信道容量中的占比不发生变化，保障带宽的整体分配时间，以此提高电力线通信的传输效率。

3 结语

本文从分析现阶段电力线通信带宽的分配情况入手，了解到原有自适应分配方法的不足之处，并加以改进，设计一个新的通信带宽自适应分配方法。实验结果表明：在本文方法的应用下，能够保证用户数据请求的带宽分配在信道中的容量占比。只需10 s便可以完成用户的带宽分配，保证电力通信的传输效率，具有实际应用效果。但在研究过程中仍存在一些不足之处，如在测试环节选定的样本数据类型过少，所得结论具有一定的偏差性，需加以改进。在以后的研究过程中要针对不足之处，进行不同类型样本的分配测试，为电力线通信带宽的自适应分配提供理论保证，维护电力系统的稳定运行。