《电子技术应用》

面向电力无线业务的上行动态资源调度算法

2017年电子技术应用第11期 作者:邢宁哲
2017/11/21 11:43:00

邢宁哲

(国网冀北电力有限公司 信息通信分公司,北京100053)


    摘  要: 电网作为一个典型的物联网应用,电力无线专网上行调度过程中存在业务服务质量得不到保障、系统吞吐量低和资源分配不连续等问题,因此提出了基于业务优先级的电力无线专网上行动态资源调度算法。通过研究电力无线专网承载业务的特点,对业务优先级进行评定,并结合TD-LTE资源分配的特点,针对不同业务设计不同的调度方法。仿真结果表明,所提算法能有效提高系统吞吐量,并保障业务QoS,改善业务传输性能。

    关键词: 电力无线专网;上行资源调度;业务优先级;服务质量

    中图分类号: TN915    

    文献标识码: A

    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.173936


    中文引用格式: 邢宁哲. 面向电力无线业务的上行动态资源调度算法[J].电子技术应用,2017,43(11):11-14,17.

    英文引用格式: Xing Ningzhe. Uplink dynamic resource scheduling algorithm for power wireless service[J].Application of Electronic Technique,2017,43(11):11-14,17.

0 引言

    智能电网是一种典型的物联网应用环境,伴随着物联网研究的热潮,新一代无线宽带技术在配电网中的应用已成为目前电力系统通信研究的热点[1]。其中,智能电网中采用TD-LTE技术构建电力无线宽带专网将是配电网通信的重要方式。将TD-LTE用于电力无线专网建设中,可以为用户提供具备大容量、高带宽、低延时、多级QoS保障等显著特点的通信网。因此,研究TD-LTE电力无线宽带专网技术在电网中的应用具有重要意义。

    LTE上下行的无线传输方案都是采用多载波技术,上行为SC-FDMA方式,下行为OFDMA方式。电力宽带无线专网的工作频率较高,并且在1.8 GHz频段上采用同频组网,而电力系统在构建无线专网时,只能申请到5M的带宽,需要注重频谱利用率的提升和上下行资源复用的相关优化[2]

    目前国内采用的上行调度算法都是基于比例公平算法调度(Proportional Fair,PF)算法[10]改进的,主要存在以下问题:(1)没有考虑用户实际信道质量,分配的资源不连续;(2)资源块的空间利用率低;(3)未考虑实际电网中的业务情况,不能保障业务服务质量(QoS)得到满足[3]。针对这种情况,本文在传统PF的基础上,结合电力通信网业务的优先级,设计一种动态的上行调度算法,保证资源的最佳分配,提高系统上行吞吐量。

1 电力无线专网上行通信需求

1.1 用电关键业务上行传输需求分析

    配电网典型的业务包括配电自动化(二遥和三遥)、用电信息采集、输电线路监测、基建视频监测等传统业务,以及分布式电源(10 kV)、电动汽车充换电桩等业务[4-5]。本文关注电力无线专网对配用电通信网上行业务的承载。上行业务按照功能主要分为配电类、用电类、配网运行监测类等。表1列出了配电网中各类典型业务的QoS指标需求。

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1.2 配电网业务传输优先级划分

    根据业务的各项QoS指标和重要性,将配电网关键业务在电力无线专网的优先级上分为三类:

    (1)一类业务为配电类业务,此类业务通常带宽要求不高,但时延要求较高。

    (2)二类业务为配网运行监测类业务,主要包括视频监测、输电线路监测(视频),移动办公和巡检(视频)等业务。此类业务数据量较大,但可以容忍较大的传输时延。

    (3)三类业务为用电类信息,是对电力用户的用电信息进行实时监控和采集处理,实现用电信息的自动采集、计量异常检测、电能质量检测、用电分析和管理等功能。该业务的时延和带宽要求均不高,根据配电网中各个上行业务的QoS要求来设计动态的基于业务优先级的调度算法。

2 TD-LTE资源调度模型

2.1 LTE应用于电网的优势

    围绕TD-LTE技术建设数据业务传输系统,适应电网结构复杂和需求面广的特点:

    (1)TD-LTE的数据吞吐率和频谱利用率高,在带宽资源有限的情况下,可以为电网数据传输提供更高的传输速率。

    (2)TD-LTE利用TDD双工方式可以灵活改变上下行资源比例,能够满足电力系统上行速率比下行要求更高的特殊需求,能适用于电网通信需求[7]

    如表2所示,本方法优先选择上行时隙所占比最大为75%的帧结构配比。

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2.2 LTE资源分配模型

2.2.1 LTE资源定义

    TD-LTE系统的物理层帧结构:10 ms长的TD-LTE系统无线帧包含两个相等的半帧,各为153 600·Ts=5 ms。其中一个半帧里又包含着5个小子帧:Tt=307 200,Ts=1 ms,每个子帧包含两个时隙,每个时隙长0.5 ms。

    对于TDD,上下行在时间上是分开的,载波频率相同,即在每10 ms周期内,上下行总共有10个子帧可以使用,每个子帧或者上行或者下行。

    在TD-LTE通信系统中,将资源的最小分配单位定义为频域连续12个子载波和时域7个OFDM符号(在常规CP情况下),即资源块(Resources Block,RB)。每个用户可以使用其中一个或者多个RB用于承载自身业务。图1给出了TD-LTE下行链路RB示意图。

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2.2.2 LTE上行调度过程

    LTE系统的上行调度模块位于基站的MAC层内,主要负责决策是否对申请发送上行的用户(UE)分配上行传输资源[6,9]。图2给出了基站上行调度时与UE进行消息交互的具体过程。

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    (1)为获得上行调度(UL-SCH)信道资源,UE会向基站发送调度请求(SR),通知基站该UE需要被上行调度。

    (2)UE发送上行探测参考信号(SRS),上报基站当前子帧上各个RB上的信道质量,基站通过SRS来分配最优资源给UE。

    (3)UE会定期上报基站发送缓存状态报告(BSR),通知基站当前UE侧还需发送的数据总量。

    (4)基站收集UE侧获得的信息,以及结合UE业务的QoS需求,通过具体的调度算法决策是否为当前UE数据请求发放上行准许,并分配上行资源块。

    (5)UE获得上行准许(DCI0)后,按照基站发出的资源指示值,计算出基站为其分配的连续资源块RB的起始位置和长度,并在这些资源块上发送上行数据。

3 上行调度算法设计

    本文从电网的业务特点出发,设计一种以PF算法为基础的基于业务优先级的动态上行调度算法,综合考虑了电网的业务QoS需求、终端信道质量等一系列关键因素。

    整个算法分为两个部分,首先是对所有用户申请数据进行业务分级,然后根据业务优先级对业务进行资源分配。

    针对每一种业务类型设计不同的调度方法[8]

    (1)对于一类配电类业务φ1,由于实时性要求比较强,并且安全性较高,所以需要确定数据包不能丢失,并且能按时到达目的地。显然,生命周期越短,数据包越大的数据包的优先级越高,通过式(1)选择优先级最高的业务数据包k1:

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4 实验与结果分析

    通过系统吞吐量和不同业务数据包各自的传输总量与传统PF算法和RR算法进行比较。

4.1 系统吞吐量

    通过设置系统单位时间产生数据请求的个数,记录单位时间算法成功传输的业务数据量,系统吞吐量曲线图如图3所示。

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    与传统PF和RR算法比较,随着数据请求个数的增大,本算法的吞吐量会高于传统PF和RR算法,尤其当数据包个数接近LTE单位帧最大负荷时,本算法的吞吐量与传统算法间差距最大。从图中看出,本算法在数据传输能力上具有更优的性能。

4.2 系统公平性

    采用一种衡量调度算法公平性的指标Jain Fairness来对各种算法进行比较,其计算如下:

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其中n表示用户数,xi表示用户i已分配的资源总数,Jain FI的取值越大,说明分配越公平,用户获得资源越平均。公平性指数的对比如图4所示。

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    起始时两种算法的公平性指数都很低,因为数据包个数较少,当数据包请求增加时,公平系数也会随之增加。本文提出的新算法综合考虑到了RLT等各种业务的优先级因素,而传统的PF和RR算法只是基于整个系统公平性,而没有考虑具体数据包上业务的优先级,所以公平性系数要低。

4.3 不同业务吞吐量

    本算法将业务类型分成3个优先级,通过统计40个TTI的不同业务数据量,与传统算法进行比较,如图5所示。本文提出的算法旨在满足各类不同业务的QoS需求,从与传统PF算法结果的比较中看出,本算法能保证优先级高的第一类业务和第二类业务以较高的速率传输(吞吐量高),但是以牺牲部分低优先级的第三类业务为代价。

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4.4 系统时延

    为了满足第一类和第二类业务的实时性需求,系统仿真统计出各种不同算法的各类数据包从产生到被调度的时间(即系统调度时延),如图6。本算法与传统PF、RR算法相比,第一类与第二类优先级较高的业务的时延明显较低,这是因为在每次调度前,本算法都进行了优先级的重新计算排序,使得前两种业务能排列到调度队伍的前端,优先进行调度,保证各个业务的时延需求得到满足。

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5 结束语

    本文提出一种动态的电力无线专网上行资源调度算法,在传统的PF算法上进行了改进,考虑了电力无线专网的业务特点,通过设置业务优先级来保障业务传输所要求的QoS指标。通过仿真分析发现,本文所提的新算法更适用于电力无线通信网业务分级传输的需求,在满足TD-LTE系统上行资源分配特有的限制条件下,既能保证终端用户设备的最佳上行传输速率,提升系统吞吐量,又能保障电力无线专网复杂业务的QoS需求。

参考文献

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[4] Q/GDW 513-2010.配电自动化系统主站功能规范[S].国家电网公司企业标准,2010.

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[8] 徐思雅,张国翊,郭少勇,等.一种认知无线电的智能电网通信业务数据分组调度机制[J].北京邮电大学学报,2015(Z1):15-19.

[9] 崔司千.LTE系统中无线资源调度算法研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2010.

[10] 陈磊,卢军,印翀.LTE基于QoS业务的比例公平调度算法研究[J].光通信研究,2012(5):64-67.

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