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 董曉明1  王永建2  江  虹1  劉  濤3

（西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院1，四川綿陽(yáng)621010；國(guó)家計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急技術(shù)處理協(xié)調(diào)中心2，北京100029；中國(guó)石油大學(xué)（北京）地球物理與信息工程學(xué)院3，北京102249）

摘要：低壓電力線通信為智能電網(wǎng)、智能家居以及“最后一公里”提供了高效可靠的信息傳輸方案。然而，受電力線通信信道環(huán)境不理想的影響，數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)浇邮斩藭r(shí)會(huì)有大量的噪聲存在，這將造成誤碼率提高，甚至導(dǎo)致通信中斷。針對(duì)此問(wèn)題，結(jié)合認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)，提出了一種基于部分可觀察馬爾可夫決策過(guò)程( POMDP)的信道認(rèn)知接入方案。仿真結(jié)果表明，該方案能夠有效避開噪聲，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院陀行�性，同時(shí)也提高了優(yōu)質(zhì)頻譜的利用率。

關(guān)鍵詞：電力智能電網(wǎng)通信無(wú)線電技術(shù)調(diào)制解調(diào)噪聲干擾頻譜信道

中圖分類號(hào)：TP18;TH89DOI：10.16086/j．cnki．issnl000 - 0380. 201604015

0引言

 電力線通信技術(shù)是指利用電力線來(lái)傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)的通信方式，具有投資少、覆蓋范圍廣、方便快捷等優(yōu)點(diǎn)，有著非常廣闊的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值。然而，電力線通信是一種特殊的有線通信方式，其信道起初是為傳輸電能而設(shè)計(jì)的，因此在傳輸信號(hào)時(shí)會(huì)出現(xiàn)噪聲干擾強(qiáng)、信道衰減大等問(wèn)題。

 對(duì)于電力線通信的抗噪聲問(wèn)題，傳統(tǒng)的解決方法是在物理層和介質(zhì)訪問(wèn)控制( medium access control，MAC)層進(jìn)行的，例如調(diào)制解調(diào)技術(shù)、信道編碼技術(shù)、路由技術(shù)等。然而認(rèn)知無(wú)線電( cognitive radio，CR)技術(shù)的迅速發(fā)展為我們提供了一個(gè)很好的啟示。

 本文通過(guò)結(jié)合認(rèn)知無(wú)線電相關(guān)技術(shù)，提出了一種基于部分可觀察馬爾可夫決策過(guò)程( partiallyobservable Markov decision process，POMDP)的信道認(rèn)知接人的電力線通信系統(tǒng)，不但提高了電力線通信的抗干擾能力，而且充分利用了有效的PLC頻譜資源，提高了信道利用率。

1  系統(tǒng)模型

 電力線通信和認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)相結(jié)合，利用頻譜感知技術(shù)，智能管理電力線通信信號(hào)的頻譜和信道資源。然而在低壓電力線通信中應(yīng)用認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)時(shí)，由于低壓電力線環(huán)境中不存在主用戶和次用戶的問(wèn)題，因此將認(rèn)知無(wú)線電中檢測(cè)周圍環(huán)境中主用戶的概念，更換為檢測(cè)電力線通信中信道噪聲的情況。

 通信系統(tǒng)通過(guò)感知各個(gè)信道的實(shí)際噪聲情況，給出相應(yīng)的閾值，劃分出可用域和不可用域，從而關(guān)閉噪聲干擾嚴(yán)重的信道，選擇接入狀況良好的信道進(jìn)行可靠的通信，并通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)外界的信道環(huán)境、相應(yīng)地調(diào)整某些工作參數(shù)，來(lái)達(dá)到最佳的通信效果。本文提出將電力線通信信道的感知和接入的過(guò)程建模為部分可觀察馬爾可夫決策過(guò)程。

 設(shè)某段頻譜由Ⅳ個(gè)子信道組成，每個(gè)子信道帶寬為B n(n=1，2…．，N)，這N個(gè)信道授權(quán)給主用戶即信道噪聲情況，信道用戶之間通過(guò)同步時(shí)隙的方式進(jìn)行通信。其中次用戶只能周期地感知頻譜狀態(tài)，在信道噪聲小于規(guī)定閥值時(shí)接入信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并實(shí)時(shí)偵聽信道。一旦信道噪聲大于規(guī)定閥值，就進(jìn)行頻譜切換。N個(gè)信道的噪聲情況可以表示成M =2N個(gè)狀

態(tài)的離散馬爾可夫過(guò)程。時(shí)隙t的狀態(tài)可用向量S=

道的噪聲情況大于規(guī)定的閥值，此時(shí)次用戶不可接入；1表示信道的噪聲情況小于規(guī)定的閥值，此時(shí)次用戶可接入）。信道在時(shí)隙間的狀態(tài)轉(zhuǎn)移關(guān)系如圖1所示。

 圖1中，P01表示信道由不可接入變?yōu)榭山尤说母怕�，P11表示信道繼續(xù)保持可接入狀態(tài)的概率。當(dāng)N=3時(shí)，機(jī)會(huì)頻譜出現(xiàn)的情況如圖2所示。

 S i (t)=0，表示信道i在時(shí)刻t信道狀況良好，可以被次用戶使用。在每一個(gè)時(shí)隙，當(dāng)一個(gè)認(rèn)知用戶選擇一些信道進(jìn)行檢測(cè)和接入，發(fā)現(xiàn)頻譜機(jī)會(huì)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)承受機(jī)退避時(shí)間（back offtime），如果退避時(shí)間耗盡時(shí)，這個(gè)頻譜機(jī)會(huì)還沒有被其他用戶接人，系統(tǒng)就開始傳輸數(shù)據(jù)，此后接收方返回一個(gè)傳輸成功的確信信息，并得到一個(gè)收益值。時(shí)隙結(jié)構(gòu)由頻譜感知、數(shù)據(jù)傳輸、確認(rèn)信息三部分組成，如圖3所示。

2基于POMDP的信道認(rèn)知接入

2.1最優(yōu)的信道感知和接入策略

 在每個(gè)時(shí)隙開始，認(rèn)知用戶根據(jù)自身的選擇頻譜接人策略，選擇最優(yōu)的信道進(jìn)行感知。當(dāng)感知到信道可用時(shí)，認(rèn)知用戶接入信道并傳輸數(shù)據(jù)。感知的目標(biāo)是：在整個(gè)時(shí)隙中期望的總回報(bào)值最大化。

2.2次優(yōu)的信道感知和接入策略

 對(duì)于POMDP問(wèn)題，尋找最優(yōu)策略的復(fù)雜度會(huì)隨著系統(tǒng)中信道數(shù)的增加而呈指數(shù)增長(zhǎng)。在通信設(shè)備上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的計(jì)算非常困難，因此采用貪婪算法求解上述問(wèn)題，以此降低求解該問(wèn)題的復(fù)雜度。

 貪婪算法解決POMDP問(wèn)題的可行性�，F(xiàn)假設(shè)每個(gè)信道都相互獨(dú)立，如圖2所示，信道a從狀態(tài)0轉(zhuǎn)到狀態(tài)1的概率為a a而保持

雖然貪婪算法無(wú)法達(dá)到問(wèn)題的最優(yōu)解，但是在解的優(yōu)化程度和計(jì)算復(fù)雜程度上是一個(gè)合適的折衷。

3仿真結(jié)果與分析

 為了驗(yàn)證本文所提方案的有效性，本節(jié)將結(jié)合所設(shè)置的場(chǎng)景進(jìn)行仿真。其中：信道帶寬為1，仿真時(shí)隙個(gè)數(shù)為30，仿真次數(shù)為10 000次。

 圖4給出了信道個(gè)數(shù)為9時(shí)，單個(gè)認(rèn)知用戶接人下，不同的信道轉(zhuǎn)移概率所對(duì)應(yīng)的信道歸一化吞吐量的對(duì)比圖。從圖4中可以看出，當(dāng)a和β比較大時(shí)（即信道噪聲小，信道更多的是處于良好狀況），認(rèn)知用戶接入可以獲得較大的吞吐量；隨著a和β不斷變�。�即信道狀況越來(lái)越差），認(rèn)知用戶接人獲得的吞吐量越來(lái)越小。當(dāng)信道改變和保持的概率都為0.5，馬爾可夫信道變?yōu)楠?dú)立同分布序列，信息不能從過(guò)去的觀察中獲得。此時(shí)，使用貪婪算法的效果與隨機(jī)算法無(wú)異，這與實(shí)際情況是相符的。

 圖5表示當(dāng)單個(gè)認(rèn)知用戶接人時(shí)，最優(yōu)算法、貪婪算法和隨機(jī)接入算法吞吐量的比較。此處貪婪算法和最優(yōu)算法表示認(rèn)知用戶從自身的需求出發(fā)，選擇狀況良好的信道進(jìn)行感知接入；隨機(jī)接入算法表示認(rèn)知用戶不考慮信道的噪聲情況，隨機(jī)地選擇一個(gè)信道進(jìn)行感知接入。由于信道噪聲的存在及噪聲的隨機(jī)性，會(huì)使有用信號(hào)和噪聲發(fā)生沖突，從而降低信道的吞吐量。同時(shí)，圖5的仿真結(jié)果也表明使用貪婪算法考慮信道的噪聲情況。選擇最優(yōu)的信道接入將有效地提高吞吐量并和最優(yōu)算法的性能相當(dāng)，但是貪婪算法降低了問(wèn)題的復(fù)雜度。

 圖6表示的是當(dāng)多個(gè)用戶接入時(shí)，貪婪算法和隨機(jī)接人算法在不同數(shù)據(jù)到達(dá)率下的吞吐量的比較。假設(shè)：信道狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率a=0.2，β=0.8；仿真時(shí)間T=1×105個(gè)時(shí)隙，信道個(gè)數(shù)N為10，次用戶個(gè)數(shù)為3。次用戶的消息到達(dá)率采用泊松分布，到達(dá)的消息長(zhǎng)度采用幾何分布。需要傳輸數(shù)據(jù)的次用戶根據(jù)貪婪算法選擇一個(gè)狀況良好的信道進(jìn)行接人。如果某一信道同時(shí)被多個(gè)次用戶選中，根據(jù)退避算法，將有且僅有一個(gè)次用戶成功使用該信道傳輸數(shù)據(jù)。

 從圖6可以看出，隨著消息到達(dá)率的增大，次用戶的吞吐量也隨之慢慢增大，而且使用貪婪算法要明顯優(yōu)于使用隨機(jī)接入算法。

 圖7表示當(dāng)多個(gè)用戶接入時(shí)，貪婪算法和隨機(jī)接人算法在不同數(shù)據(jù)到達(dá)率下的頻譜利用率（整個(gè)時(shí)隙T所利用頻譜與所有頻譜之比）。由圖7可知，隨著消息到達(dá)率的增大，兩種方案的頻譜利用率不斷提高并趨于穩(wěn)定。由于仿真所設(shè)置的次用戶數(shù)小于信道數(shù)，且即使出現(xiàn)了空閑頻譜此用戶也不一定有數(shù)據(jù)傳輸，所以頻譜利用率最終維持在53%以下。趨于穩(wěn)定后，貪婪算法的頻譜利用率明顯高于隨機(jī)接入算法。

4結(jié)束語(yǔ)

 針對(duì)電力線通信中的抗干擾問(wèn)題，本文結(jié)合認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)，提出了一種基于POMDP模型的電力線通信信道的感知和接人方案。該方案通過(guò)把信道噪聲建模為主用戶，然后把次用戶在每個(gè)時(shí)隙開始時(shí)對(duì)信道的選擇建模成一個(gè)POMDP問(wèn)題，并采用貪婪算法和隨機(jī)接人算法對(duì)其進(jìn)行求解，得到一系列的信道接入策略。Matlab仿真結(jié)果表明，用戶根據(jù)電力線通信信道狀況的好壞，進(jìn)行選擇性的接人，可有效解決電力線通信中的抗干擾問(wèn)題，提高信道吞吐量和頻譜利用率。