摘　要：

摘　要：高能量效率是智能電網(wǎng)無(wú)線通信系統(tǒng)的重要設(shè)計(jì)指標(biāo)，，針對(duì)未來智能電網(wǎng)部署中會(huì)出現(xiàn)無(wú)線專網(wǎng)頻譜資源有限和電力通信業(yè)務(wù)不均勻的特點(diǎn)，本文提出了一種針對(duì)智能電網(wǎng)的異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)高能效高譜效帶寬分配。首先刻畫實(shí)際電力網(wǎng)絡(luò)中存在的通信業(yè)務(wù)分布不均勻性，然后再針對(duì)高低不同的業(yè)務(wù)量需求，給出了正交頻譜的帶寬配置策略、部分頻率復(fù)用的帶寬配置策略，能夠滿足控制類和非控制類業(yè)務(wù)需求差異化，同時(shí)最大化無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)能量效率。針對(duì)所提的帶寬分配策略，均給出最優(yōu)帶寬的數(shù)學(xué)表達(dá)式，能夠定量反應(yīng)出帶寬分配策略與電力通信業(yè)務(wù)不均勻性的定量關(guān)系。最后通過無(wú)線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)級(jí)仿真，給出在典型應(yīng)用場(chǎng)景下所提帶寬配置策略的性能，證明其在實(shí)際系統(tǒng)中有很好的推廣應(yīng)用前景，并給出本文結(jié)論及未來工作展望。

關(guān)鍵詞：

關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng)　無(wú)線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)　帶寬分配　網(wǎng)絡(luò)能效

　　近年來，由于智能電網(wǎng)成為未來電力網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向之一，而在智能電網(wǎng)中的電力通信網(wǎng)頻譜分配問題必成會(huì)受到廣泛關(guān)注，然而，在傳統(tǒng)的同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，頻率資源的分配主要由無(wú)線基站間干擾決定，對(duì)于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，需要重新考慮不同層基站服務(wù)的電力通信業(yè)務(wù)差異和覆蓋區(qū)域不同所帶來的制約。

　　已有文獻(xiàn)的研究主要側(cè)重于均勻電力通信業(yè)務(wù)分布場(chǎng)景，包括運(yùn)用協(xié)作式的博弈論[1]和非協(xié)作式的博弈論[2]來進(jìn)行帶寬分配。文獻(xiàn)[3]考慮到了不同類型的業(yè)務(wù)請(qǐng)求，提出了通過頻譜感知技術(shù)輔助進(jìn)行帶寬分配。然而，還沒有文獻(xiàn)針對(duì)電力通信網(wǎng)業(yè)務(wù)的不均勻性進(jìn)行建模分析并用于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的帶寬分配算法。

　　1　電力通信網(wǎng)業(yè)務(wù)不均勻性建模

　　在實(shí)際電力通信網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)中，通信業(yè)務(wù)會(huì)存在不均勻的情況，具體表現(xiàn)為非控制類業(yè)務(wù)單個(gè)數(shù)據(jù)量小，但分布區(qū)域廣闊，控制類業(yè)務(wù)單個(gè)數(shù)據(jù)量大，但分布區(qū)域集中，為此，對(duì)這樣的電力通信業(yè)務(wù)會(huì)存在不均勻的場(chǎng)景進(jìn)行建模，再通過業(yè)務(wù)聚集系數(shù)刻畫這種分布不均勻性。在以下的電力通信業(yè)務(wù)不均勻性建模中，定義控制類業(yè)務(wù)區(qū)域單位面積業(yè)務(wù)量和非控制類業(yè)務(wù)單位面積業(yè)務(wù)量比例 ，以及控制類業(yè)務(wù)面積和非控制類業(yè)務(wù)區(qū)域面積比例 。

　　2　異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)建模及吞吐量計(jì)算

　　假設(shè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)有兩層基站組成，基站架設(shè)在110KV變電站上。第一層為宏基站層，宏基站位置服從密度。

　　3　電力通信網(wǎng)絡(luò)帶寬分配

　　針對(duì)網(wǎng)絡(luò)中電力通信業(yè)務(wù)分布不均勻的場(chǎng)景，對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的微基站，宏基站在高頻段、低頻段的帶寬進(jìn)行的最優(yōu)化配置，使得異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的能效達(dá)到最優(yōu)值，同時(shí)滿足網(wǎng)絡(luò)中電力通信業(yè)務(wù)不均勻性的特征。按照業(yè)務(wù)量大小的不同，分成三種情況進(jìn)行討論。

　　3.1　正交頻譜的帶寬配置策略

　　第一種是在業(yè)務(wù)需求比較低的情況下，低頻帶的帶寬有富余，這個(gè)時(shí)候宏基站和微基站可以采用完全正交頻譜的帶寬資源配置方式。對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)頻譜進(jìn)行優(yōu)化，目標(biāo)是最大化網(wǎng)絡(luò)能效，限制條件是滿足控制類業(yè)務(wù)區(qū)域單位面積業(yè)務(wù)量和非控制類業(yè)務(wù)區(qū)域單位面積業(yè)務(wù)量的比例，和控制類業(yè)務(wù)區(qū)域面積和非控制類業(yè)務(wù)區(qū)域面積的比例，由此給出優(yōu)化問題：

　　對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行化簡(jiǎn)并對(duì) 求導(dǎo)，可以得到最優(yōu)的宏基站帶寬為：。

　　3.2　部分頻率復(fù)用的帶寬配置策略

　　在業(yè)務(wù)需求比較高的情況下，低頻帶的帶寬不足以支持微基站和宏基站采用部分復(fù)用頻譜，這個(gè)時(shí)候，必須有一部分頻譜資源進(jìn)行復(fù)用，以擴(kuò)大系統(tǒng)容量，支持更多的業(yè)務(wù)需求。此時(shí)，低頻段采用部分頻分復(fù)用的方式。針對(duì)該場(chǎng)景，可以給出優(yōu)化問題為

　　通過化簡(jiǎn)，可以得到能效表達(dá)式，并對(duì)

　　以及微基站的正交頻段最優(yōu)帶寬為：

　　4　仿真結(jié)果及分析

　　使用MATLAB仿真軟件搭建模擬實(shí)際的電力通信系統(tǒng)并進(jìn)行仿真，得到所提方案的仿真結(jié)果。圖1是正交頻譜的帶寬配置策略與部分頻率復(fù)用的帶寬配置策略的對(duì)比，圖中曲線畫出了系統(tǒng)能量效率隨著控制類業(yè)務(wù)區(qū)域面積和非控制類業(yè)務(wù)區(qū)域面積的比例的變化，不同曲線代表了不同的控制類業(yè)務(wù)區(qū)域單位面積業(yè)務(wù)量和非控制類業(yè)務(wù)區(qū)域單位面積業(yè)務(wù)量的比例�？梢娫谒星闆r下，正交頻譜的帶寬配置策略的能量效率都會(huì)比部分頻率復(fù)用的能量效率要低。在控制類業(yè)務(wù)面積占非控制類業(yè)務(wù)面積40%的情況下，控制類業(yè)務(wù)業(yè)務(wù)量是非控制類業(yè)務(wù)業(yè)務(wù)量的1倍、3倍和5倍的情況下，系統(tǒng)能量效率提高了29%，19%，16%，從而證明了所提方案的高效性。

　　圖1　單頻段帶寬配置策略的能效對(duì)比圖

　　5　文章結(jié)論及展望

　　下一代電力通信網(wǎng)絡(luò)將朝著混合頻譜、高能效的方向發(fā)展。通過本文提出的正交頻譜的帶寬配置策略、部分頻率復(fù)用的帶寬配置策略，能夠滿足控制類業(yè)務(wù)電力通信業(yè)務(wù)和非控制類業(yè)務(wù)電力通信業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)需求差異化，同時(shí)最大化異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)能量效率，從而節(jié)省網(wǎng)絡(luò)功率消耗。在未來的工作中，需要設(shè)計(jì)能夠適應(yīng)電力通信業(yè)務(wù)請(qǐng)求業(yè)務(wù)類型的差異性，并能夠最大化電力通信網(wǎng)絡(luò)能量效率的帶寬分配策略。

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