0 引言

    智能電網是一種典型的物聯網應用環境，伴隨著物聯網研究的熱潮，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；(2)資源塊的空間利用率低；(3)未考慮實際電網中的業務情況，不能保障業務服務質量(QoS)得到滿足^[3]。針對這種情況，本文在傳統PF的基礎上，結合電力通信網業務的優先級，設計一種動態的上行調度算法，保證資源的最佳分配，提高系統上行吞吐量。

1 電力無線專網上行通信需求

1.1 用電關鍵業務上行傳輸需求分析

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

1.2 配電網業務傳輸優先級劃分

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

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

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

    (3)三類業務為用電類信息，是對電力用戶的用電信息進行實時監控和采集處理，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。該業務的時延和帶寬要求均不高，根據配電網中各個上行業務的QoS要求來設計動態的基于業務優先級的調度算法。

2 TD-LTE資源調度模型

2.1 LTE應用于電網的優勢

    圍繞TD-LTE技術建設數據業務傳輸系統，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系統的物理層幀結構：10 ms長的TD-LTE系統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通信系統中，將資源的最小分配單位定義為頻域連續12個子載波和時域7個OFDM符號(在常規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會向基站發送調度請求(SR)，通知基站該UE需要被上行調度。

    (2)UE發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來分配最優資源給UE。

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

    (4)基站收集UE側獲得的信息，以及結合UE業務的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，按照基站發出的資源指示值，計算出基站為其分配的連續資源塊RB的起始位置和長度，并在這些資源塊上發送上行數據。

3 上行調度算法設計

    本文從電網的業務特點出發，設計一種以PF算法為基礎的基于業務優先級的動態上行調度算法，綜合考慮了電網的業務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務分級，然后根據業務優先級對業務進行資源分配。

    針對每一種業務類型設計不同的調度方法^[8]。

    (1)對于一類配電類業務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先級越高，通過式(1)選擇優先級最高的業務數據包k1：

4 實驗與結果分析

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

4.1 系統吞吐量

    通過設置系統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務數據量，系統吞吐量曲線圖如圖3所示。

    與傳統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的性能。

4.2 系統公平性

    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等各種業務的優先級因素，而傳統的PF和RR算法只是基于整個系統公平性，而沒有考慮具體數據包上業務的優先級，所以公平性系數要低。

4.3 不同業務吞吐量

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

4.4 系統時延

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

5 結束語

    本文提出一種動態的電力無線專網上行資源調度算法，在傳統的PF算法上進行了改進，考慮了電力無線專網的業務特點，通過設置業務優先級來保障業務傳輸所要求的QoS指標。通過仿真分析發現，本文所提的新算法更適用于電力無線通信網業務分級傳輸的需求，在滿足TD-LTE系統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，提升系統吞吐量，又能保障電力無線專網復雜業務的QoS需求。

參考文獻

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[10] 陳磊，盧軍，印翀.LTE基于QoS業務的比例公平調度算法研究[J].光通信研究，2012(5)：64-67.

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）