面向多载荷链路通信的自适应调度算法研究∗

陈家璘 周 正 冯伟东 贺 易 李静茹 赵世文

（1.国网湖北省电力有限公司信息通信公司 武汉 430077）（2.南京南瑞信息通信科技有限公司 南京 210000）

1 引言

在通信系统中，其根据不同的通信业务（比如传输中的信息种类）类型包含有电话通信、电报通信、传真、数据通信、网络通信、无线通信等［1～3］。通常将信号分为模拟信号和数字信息，模拟信号在时间上呈连续变化状态，数字信号在时间上呈离散变化状态。通过模/数转换单元（D/A转换单元）能够将模拟信号转换为数字信息，通过数/模转换单元（A/D转换单元）能够将数字信号转换为模拟信号。在转换过程中，其通常包含采样、量化和编码的过程［4～6］。通过这种方式实现模拟信号到数字信号以及从数字信号到模拟信号的转变，随着通信技术的飞速发展，通信网络错综复杂［7～10］，各种拓扑结构互相交叉，通信系统在工作时，通常都存在噪声干扰等异常事件，干扰信号比如温度、振动、电网故障、负荷、湿度、谐波、磁场、电网纹波等［11～13］。如果这信号的噪声比较大，则意味着干扰信息较多。干扰信息的增加会影响信息传递的失真，使用户无法获取原始数据，影响作出正确判断，造成决策失误［14～15］。

因此，本文引出一种自适应调度算法，该算法是一种比较灵活、有效的调度策略，能够在多载荷链路通信中与动态的环境相适应，同时与人工设定的各种工作方式实施的优先级、工作时间、通信链路中的能量以及应用的计算机资源量相适应，从而大大改善了链路通信的质量。

2 多载荷链路通信的模型

在多载荷链路通信中，存在多种通信源，容易出现多种数据互相交织、合路、数据传输和数据管理，本文应用自适应调度算法实现多载荷链路通信的平衡，其架构示意图如图1所示。多载荷链路是计算机网络中的中通信链路，在通信中，多种载荷链路通过信源将信号输出至通信系统，通信系统将输入的信号输出至信息处理系统，在信息处理系统处，通过自适应调度算法模型可将输出信号输出至监控中心，用户可识别、使用。

图1 自适应调度算法体系构架图

在上述系统中，无线链路能够将来自模拟信源的信息经过模拟无线传输信道传到模拟信宿，并将模拟信息转化为数字信号，从而增加链路信息传输的可靠性，例如对数据进行语音编码。在通信系统中，尤其是在数字通信系统中，如图2所示，比如采用诸如数字发射机、数字接收机和模拟传输信道的无线链路的数字通信系统中，信源将模拟信号输出至A/D转换模块，然后数字数据可输入至信源编码器，然后借助于信源编码器，基于信源的先验信息，来进一步减小信源信号的冗余度，从而减少待传输的信源数据的量。通过增加冗余信息来保护数据，进而减小传输错误的影响。其中信令是一种控制信息，其主要作用是建立、终止连接、与争取用户联系信息、同步等。通常采用纠错码来严格保护信令信息［16］，借助于多路复用器来合并用户的数据和信令信息。在上述系统中，基带调制器将总数据比特对输出到基带的复发送符号进行分配。从而确定频谱性质、符号间干扰、峰均比和发送信号等其他性质。基带调制器的输出信息以过采样形式提供关于时间和幅度以离散方式发送的信号。其中，过采样信息和量化技术决定了混叠和量化的噪声和信号干扰。本系统设计具有较高的分辨率，并且基带调制器输出端的数据远远高于输入端的数据率。

图2 无线链路示意图

3 自适应调度算法

假设链路通信系统的发射天线的个数为MT，天线接收的个数为MR，在进行信息转递时，通过发射天线发射信号，由接收天线接收信号，则在发射天线与接收天线之间的子信道有MT*MR个，假设链路通信系统用矩阵D表示，则：

其中，D表示接收天线所接收到的信号组成的列矢量。将该矢量用数学表达式表示为

在式（1）中，H表示组成链路通信系统信道信息的列矢量，用公式表示为

在式（1）中，x表示发射端的天线发出的信号组成的列矢量，用公式表示为

在式（1）中，n表示MR*1的列矩阵表示的加性高斯白噪声。

当评估第i个发射天线发射信号的估计值时，用以下公式表示：

在下列公式中：

通过式（7），可以计算出发射端信息发射出的时间，由于存在噪声的列矢量的表达式。在评估时，由于估计值受到MR个接收信号的天线的加性噪声的影响相同，假设平均功率为N0，则第i个发射信号的天线的信噪比SNRi为

其中，Pi是第i个发射天线的信号平均功率。

基于上述公式，在进行自适应计算时，按照以下步骤进行：

1）系统开机；

2）对网络进行初始化，各个节点获得接收天线和发射天线的信息节点；

3）输出信道矩阵的计算公式，根据接收天线信道和发射天线信道个数和种类计算信道矩阵；

4）计算出发射天线输出的信噪比，在该步骤中，利用式（8）和（9）进行计算；

5）功率分配，然后分配功率，并选择编码方式，并且不断根据变化的CSI重复上述过程，直到使系统的资源得到有效地利用为止。

图3 自适应调度算法流程图

在选择编码调制方式并进行功率分配时，对通信链路进行自适应调节，在传输信道上，首先接收待功率分配的数据，然后进行检错编码、纠错编码操作，再进行自适应子信道的比特、功率分配。在进行扩频。由于不同的调制方式，其传输方式和速率不同，在相同误码率性能要求的前提下，所需要的发射功率不相同［17］。因此，自适应调制需要根据信道的时间、频率和空间等来选择不同的特性，然后将时、频、空域划分成多个子信道，再根据不同信道的条件的差异，为其各个信道分配不同数目的比特，然后进一步按照不同的调制方式进行映射，如图4所示。

图4 自适应调度算法流程图

4 评估与分析

通过上述自适应调度算法，下面对计算的性能评估指标进行评估，评估调度算法的性能及其有效性的参数主要包括调度成功率（Schedule Sccess Ratio，SSR）、时间利用率（Time Utilization Ratio，TUR）以及平均时间偏移率（Average Time Shift Ra⁃tio，ATSR）［18］。下面引入评价公式：

调度成功率（SSR）公式为

在上述公式中，N表示自适应调度通信链路的个数，Ntotal为对应调度通信链路的总个数。该公式用以说明不同通信链路调度状况，以便于评估调度算法对优先级原则的遵循度。通过仿真，以6条不同的通信信道作为试验，得出曲线图如图5所示。

时间利用率（TUR）公式为

式中：T为总时间，lti表示调度成功任务的驻留时间长度。采用此参数能够描述调度算法对天线通信时间的利用状况，并且能够评估其对时间的利用原则的遵循度。通过仿真，以6条不同的通信信道作为试验，得出曲线图如图6所示。

图5 SSR曲线图

图6 TUR曲线图

平均时间偏移率（ATSR）公式为

在上述公式中，N表示调度成功通信链路的个数，sti为通信链路实际执行的时刻，dti为通信链路信息期望发射时刻，wi为通信时间窗长度。通过该技术指标，能够描述自适应任务实际执行时刻与期望执行时刻的偏移程度［19］。通过仿真，以6条不同的通信信道作为试验，得出曲线图如图7所示。

图7 ATSR曲线图

通过上述计算，在35s内，调度成功率（SSR）的平均数在70%左右，时间利用率（TUR）的平均数在72%左右，平均时间偏移率（ATSR）的平均数在13%左右，因此，调度成功率（SSR）、时间利用率（TUR）的平均数均超过了60%，均时间偏移率（ATSR）的平均数低于15%，该算法稳定性较好。

5 结语

本文在多载荷链路通信中增加自适应调度算法，解决了多载荷链路通信中多种数据互相交织、合路、数据传输和数据管理而造成的通信状态不佳的问题。通过自适应调度算法平衡实现多载荷链路通信，通过调度成功率（Schedule Sccess Ratio，SSR）、时间利用率（Time Utilization Ratio，TUR）以及平均时间偏移率等参数进行评估与分析本文的算法，得出本文设计的方案稳定性较好，正确率较高，为智能电网的健康、绿色运行提供较为有价值的技术参考，同时也具有较好的学术研究意义以及工程应用价。