0 引言

    智能電網是一種典型的物聯(lián)網應用環(huán)境，伴隨著物聯(lián)網研究的熱潮，新一代無線寬帶技術在配電網中的應用已成為目前電力系統(tǒng)通信研究的熱點^[1]。其中，智能電網中采用TD-LTE技術構建電力無線寬帶專網將是配電網通信的重要方式。將TD-LTE用于電力無線專網建設中，可以為用戶提供具備大容量、高帶寬、低延時、多級QoS保障等顯著特點的通信網。因此，研究TD-LTE電力無線寬帶專網技術在電網中的應用具有重要意義。

    LTE上下行的無線傳輸方案都是采用多載波技術，上行為SC-FDMA方式，下行為OFDMA方式。電力寬帶無線專網的工作頻率較高，并且在1.8 GHz頻段上采用同頻組網，而電力系統(tǒng)在構建無線專網時，只能申請到5M的帶寬，需要注重頻譜利用率的提升和上下行資源復用的相關優(yōu)化^[2]。

    目前國內采用的上行調度算法都是基于比例公平算法調度（Proportional Fair，PF）算法^[10]改進的，主要存在以下問題：(1)沒有考慮用戶實際信道質量，分配的資源不連續(xù)；(2)資源塊的空間利用率低；(3)未考慮實際電網中的業(yè)務情況，不能保障業(yè)務服務質量(QoS)得到滿足^[3]。針對這種情況，本文在傳統(tǒng)PF的基礎上，結合電力通信網業(yè)務的優(yōu)先級，設計一種動態(tài)的上行調度算法，保證資源的最佳分配，提高系統(tǒng)上行吞吐量。

1 電力無線專網上行通信需求

1.1 用電關鍵業(yè)務上行傳輸需求分析

    配電網典型的業(yè)務包括配電自動化(二遙和三遙)、用電信息采集、輸電線路監(jiān)測、基建視頻監(jiān)測等傳統(tǒng)業(yè)務，以及分布式電源(10 kV)、電動汽車充換電樁等業(yè)務^[4-5]。本文關注電力無線專網對配用電通信網上行業(yè)務的承載。上行業(yè)務按照功能主要分為配電類、用電類、配網運行監(jiān)測類等。表1列出了配電網中各類典型業(yè)務的QoS指標需求。

1.2 配電網業(yè)務傳輸優(yōu)先級劃分

    根據業(yè)務的各項QoS指標和重要性，將配電網關鍵業(yè)務在電力無線專網的優(yōu)先級上分為三類：

    (1)一類業(yè)務為配電類業(yè)務，此類業(yè)務通常帶寬要求不高，但時延要求較高。

    (2)二類業(yè)務為配網運行監(jiān)測類業(yè)務，主要包括視頻監(jiān)測、輸電線路監(jiān)測(視頻)，移動辦公和巡檢(視頻)等業(yè)務。此類業(yè)務數據量較大，但可以容忍較大的傳輸時延。

    (3)三類業(yè)務為用電類信息，是對電力用戶的用電信息進行實時監(jiān)控和采集處理，實現用電信息的自動采集、計量異常檢測、電能質量檢測、用電分析和管理等功能。該業(yè)務的時延和帶寬要求均不高，根據配電網中各個上行業(yè)務的QoS要求來設計動態(tài)的基于業(yè)務優(yōu)先級的調度算法。

2 TD-LTE資源調度模型

2.1 LTE應用于電網的優(yōu)勢

    圍繞TD-LTE技術建設數據業(yè)務傳輸系統(tǒng)，適應電網結構復雜和需求面廣的特點：

    (1)TD-LTE的數據吞吐率和頻譜利用率高，在帶寬資源有限的情況下，可以為電網數據傳輸提供更高的傳輸速率。

    (2)TD-LTE利用TDD雙工方式可以靈活改變上下行資源比例，能夠滿足電力系統(tǒng)上行速率比下行要求更高的特殊需求，能適用于電網通信需求^[7]。

    如表2所示，本方法優(yōu)先選擇上行時隙所占比最大為75%的幀結構配比。

2.2 LTE資源分配模型

2.2.1 LTE資源定義

    TD-LTE系統(tǒng)的物理層幀結構：10 ms長的TD-LTE系統(tǒng)無線幀包含兩個相等的半幀，各為153 600·T_s=5 ms。其中一個半幀里又包含著5個小子幀：T_t=307 200，T_s=1 ms，每個子幀包含兩個時隙，每個時隙長0.5 ms。

    對于TDD，上下行在時間上是分開的，載波頻率相同,即在每10 ms周期內,上下行總共有10個子幀可以使用，每個子幀或者上行或者下行。

    在TD-LTE通信系統(tǒng)中，將資源的最小分配單位定義為頻域連續(xù)12個子載波和時域7個OFDM符號(在常規(guī)CP情況下)，即資源塊（Resources Block，RB）。每個用戶可以使用其中一個或者多個RB用于承載自身業(yè)務。圖1給出了TD-LTE下行鏈路RB示意圖。

2.2.2 LTE上行調度過程

    LTE系統(tǒng)的上行調度模塊位于基站的MAC層內，主要負責決策是否對申請發(fā)送上行的用戶（UE）分配上行傳輸資源^[6，9]。圖2給出了基站上行調度時與UE進行消息交互的具體過程。

    (1)為獲得上行調度（UL-SCH）信道資源，UE會向基站發(fā)送調度請求(SR)，通知基站該UE需要被上行調度。

    (2)UE發(fā)送上行探測參考信號（SRS）,上報基站當前子幀上各個RB上的信道質量，基站通過SRS來分配最優(yōu)資源給UE。

    (3)UE會定期上報基站發(fā)送緩存狀態(tài)報告（BSR），通知基站當前UE側還需發(fā)送的數據總量。

    (4)基站收集UE側獲得的信息，以及結合UE業(yè)務的QoS需求，通過具體的調度算法決策是否為當前UE數據請求發(fā)放上行準許，并分配上行資源塊。

    (5)UE獲得上行準許（DCI0）后，按照基站發(fā)出的資源指示值，計算出基站為其分配的連續(xù)資源塊RB的起始位置和長度，并在這些資源塊上發(fā)送上行數據。

3 上行調度算法設計

    本文從電網的業(yè)務特點出發(fā)，設計一種以PF算法為基礎的基于業(yè)務優(yōu)先級的動態(tài)上行調度算法，綜合考慮了電網的業(yè)務QoS需求、終端信道質量等一系列關鍵因素。

    整個算法分為兩個部分，首先是對所有用戶申請數據進行業(yè)務分級，然后根據業(yè)務優(yōu)先級對業(yè)務進行資源分配。

    針對每一種業(yè)務類型設計不同的調度方法^[8]。

    (1)對于一類配電類業(yè)務φ₁，由于實時性要求比較強，并且安全性較高，所以需要確定數據包不能丟失，并且能按時到達目的地。顯然，生命周期越短，數據包越大的數據包的優(yōu)先級越高，通過式(1)選擇優(yōu)先級最高的業(yè)務數據包k1：

4 實驗與結果分析

    通過系統(tǒng)吞吐量和不同業(yè)務數據包各自的傳輸總量與傳統(tǒng)PF算法和RR算法進行比較。

4.1 系統(tǒng)吞吐量

    通過設置系統(tǒng)單位時間產生數據請求的個數，記錄單位時間算法成功傳輸的業(yè)務數據量，系統(tǒng)吞吐量曲線圖如圖3所示。

    與傳統(tǒng)PF和RR算法比較，隨著數據請求個數的增大，本算法的吞吐量會高于傳統(tǒng)PF和RR算法，尤其當數據包個數接近LTE單位幀最大負荷時，本算法的吞吐量與傳統(tǒng)算法間差距最大。從圖中看出，本算法在數據傳輸能力上具有更優(yōu)的性能。

4.2 系統(tǒng)公平性

    采用一種衡量調度算法公平性的指標Jain Fairness來對各種算法進行比較，其計算如下：

其中n表示用戶數，x_i表示用戶i已分配的資源總數，Jain FI的取值越大，說明分配越公平，用戶獲得資源越平均。公平性指數的對比如圖4所示。

    起始時兩種算法的公平性指數都很低，因為數據包個數較少，當數據包請求增加時，公平系數也會隨之增加。本文提出的新算法綜合考慮到了RLT等各種業(yè)務的優(yōu)先級因素，而傳統(tǒng)的PF和RR算法只是基于整個系統(tǒng)公平性，而沒有考慮具體數據包上業(yè)務的優(yōu)先級，所以公平性系數要低。

4.3 不同業(yè)務吞吐量

    本算法將業(yè)務類型分成3個優(yōu)先級，通過統(tǒng)計40個TTI的不同業(yè)務數據量，與傳統(tǒng)算法進行比較，如圖5所示。本文提出的算法旨在滿足各類不同業(yè)務的QoS需求，從與傳統(tǒng)PF算法結果的比較中看出，本算法能保證優(yōu)先級高的第一類業(yè)務和第二類業(yè)務以較高的速率傳輸(吞吐量高)，但是以犧牲部分低優(yōu)先級的第三類業(yè)務為代價。

4.4 系統(tǒng)時延

    為了滿足第一類和第二類業(yè)務的實時性需求，系統(tǒng)仿真統(tǒng)計出各種不同算法的各類數據包從產生到被調度的時間(即系統(tǒng)調度時延)，如圖6。本算法與傳統(tǒng)PF、RR算法相比，第一類與第二類優(yōu)先級較高的業(yè)務的時延明顯較低，這是因為在每次調度前，本算法都進行了優(yōu)先級的重新計算排序，使得前兩種業(yè)務能排列到調度隊伍的前端，優(yōu)先進行調度，保證各個業(yè)務的時延需求得到滿足。

5 結束語

    本文提出一種動態(tài)的電力無線專網上行資源調度算法，在傳統(tǒng)的PF算法上進行了改進，考慮了電力無線專網的業(yè)務特點，通過設置業(yè)務優(yōu)先級來保障業(yè)務傳輸所要求的QoS指標。通過仿真分析發(fā)現，本文所提的新算法更適用于電力無線通信網業(yè)務分級傳輸的需求，在滿足TD-LTE系統(tǒng)上行資源分配特有的限制條件下，既能保證終端用戶設備的最佳上行傳輸速率，提升系統(tǒng)吞吐量，又能保障電力無線專網復雜業(yè)務的QoS需求。

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作者信息：

邢寧哲

（國網冀北電力有限公司 信息通信分公司，北京100053）