由于电力线信道是时变和频选信道，噪声和干扰功率也较高，如果使用传统的OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术，传输多用户信号衰减严重，将难以保证系统的服务质量[1]。自适应OFDM技术根据每个用户子载波对的信噪比，动态地为每个用户分配子载波、子载波上的比特数及发射功率，能有效降低恶劣信道特性对数据传输的影响。因此多用户自适应OFDM技术可以有效提高系统的频带利用率和服务质量[2]。
    多用户自适应OFDM的关键技术之一是子载波、比特和功率等的分配。目前，针对不同的优化目标和约束条件有多种多用户电力线通信OFDM系统的动态资源分配算法[3,4]，但均没考虑在功率和速率限制下根据用户的优先级保证各用户的最小要求速率，同时在剩余资源中寻求总速率的最大。
    本文针对多用户电力线通信OFDM系统的限制条件，研究在功率地窖注水分配[5]后的子载波分配问题。先建立多用户的速率自适应子载波分配数学模型，再提出一种基于用户实时优先级和信道相关带宽的动态子载波组分配算法,并在典型电力线信道环境下进行仿真。
1 多用户下速率自适应子载波分配模型
    设电力线通信自适应OFDM系统在每个OFDM符号内的子载波数为N，RT业务用户集为Ω1,用户数为K1,每个用户k要求的固定速率为Rk1、目标BER为Pe1；NRT业务用户集为Ω2，用户数为K2，每个用户k要求的最小速率为Rk2、目标BER为Pe2。仅考虑子载波的分配，假设已知系统在每个子载波n上分配的功率pn且其满足电力线通信的电磁干扰限制。为了降低复杂度,假定每个用户子载波对所分配的比特为0~b内的非负整数。
    设每个子载波只分配给1个用户。用户k的子载波n上可分配的最大许可比特数rk,n为:

    (4) 方案信息熵的计算
　由决策者对指标的主观偏好权值和客观信息权重，得到指标si的综合权重为:

     综合考虑决策者对备选方案和指标的主客观信息后，应使所选方案对所有指标而言，距离偏好信息值和客观信息熵值的偏差越小越好，为此建立最小二乘法的优化决策模型为[8]:


3 子载波组自适应分配
  

    (6) 统计各用户已分配的速率，确定最小要求速率不足的用户数Nno、最小要求速率刚好的用户数Nok和最小要求速率超过的用户数Nyes；统计各子载波上已分配的比特和功率，系统剩余的总功率和未用的子载波数等性能指标。
4 仿真与分析
    子载波组分配方式虽然加快了子载波分配速度，但分得的用户子载波对不一定最优，甚至不匹配。为了对比，子载波分配仍采用类似组的方式，但每组仅有一个子载波，即采用次序分析法确定用户优先级的逐子载波分配方式，此为对比算法1。由于本文算法和对比算法1分配子载波的本质不变，都蕴含了决策者对用户和指标的偏好等信息，故再设计一种不含决策者偏好信息而以比特功率比值最大化为目标的逐子载波分配方式，此为对比算法2。

    图1(a)是在电力线信道环境下产生的4个用户的单位功率载噪比曲线，其变化相似，范围相同，其中用户1的载噪比整体上最好，用户2和3相差不大，而用户4整体上最差。

    图1(b)为系统的噪声功率、功率上限曲线以及系统在总功率分别为5、10、15、20、25、30、35 mW下的注水分配功率曲线。由其可知，各子载波上的注水分配线都在功率上限之下和在噪声功率之上；当某子载波上的噪声功率大于注水分配线时，不分配功率；随着总功率的增加，注水分配线上升且上升值与总功率的增加值近似成比例，这些都与地窖注水分配功率的原理相符合。
　图2是在系统总功率25 mW和基本速率30 bit/符号下，三种算法在部分子载波上实际分配的比特和使用的功率情况。由图看出，子载波组分配的算法与对比算法1的性能非常接近,但与对比算法2的性能相差较大。其中每一子载波上分配的比特数和功率均满足约束要求；有些子载波未分配比特，这是因为该信道状态对任一用户而言都恶劣，或虽信道状态适中但系统的资源有限，而被关闭；有些子载波分配多比特，这是因为该信道状态对某用户而言良好，但并非良好的子载波就一定要分配多的比特，这还与使用该子载波的用户等有关；被关闭的子载波一定不分配功率，分配功率的子载波其功率不一定与分配的比特成正比，也与子载波的信道状态有关，但功率分配的总原则是子载波状态好的多分配，状态差的少分甚至不分配。

   本文研究了多用户电力线通信自适应OFDM系统在功率地窖注水分配后的子载波分配问题。由于已有的子载波分配大都采用传统的逐子载波方式，计算复杂度大。本文针对系统的限制条件，先建立多用户在多子载波上的速率自适应子载波分配数学模型，提出一种基于层次分析法得到用户的实时优先级和信道相关带宽，以子载波组为单位对每个用户进行动态子载波分配的自适应算法。为了对比，还仿真了以一个子载波为一组的子载波组分配算法。仿真结果表明,一子载波一组的子载波组分配算法性能最优，但复杂度最大，而本文动态子载波组分配算法的性能与逐子载波分配对比算法的性能相当，但复杂度大大减少，能适合系统资源充足或缺乏情况并能满足多用户资源分配的目标要求。
参考文献
[1]  MENG H, GUAN Y L, CHEN S.Modeling and analysis of     noise effects on broadband power-line communications[J]. IEEE Trans. Power Del., 2005,20(2):630-637.
[2]  NIKOLAOS P，THEODORE A． Fair resource allocation with improved diversity performance for indoor power-line  networks[J]．IEEE Trans. Power Del., 2007, 22(4): 2575-2576.
[3] PAPANDREOU N, ANTONAKOPOULOS T. Resource allocation management for indoor power-line communications systems[J]. IEEE Trans on Communications, 2007,22(2):893-903.
[4]  赵宇明,王赞基,郭静波,等.考虑功率谱限制的电力线通信比特分配算法[J]. 中国电机工程学报, 2006,26(5): 143-148．
[5]  徐志强，翟明岳，赵宇明．基于电力线信道作用能量时频分布的能量分配[J]. 电力系统自动化, 2009, 33(1):75-80.
[6]  HOU H, ZHOU W, ZHOU S, et al. Cross-layer resource allocation for heterogeneous traffics in multiuser OFDM based on a new QoS fairness criterion[C]// in Proc. VTC,    Baltimore, MD, USA, Sept. 2007:1593-1597.
[7]  王钦, 文福拴, 刘敏,等. 基于模糊集理论和层次分析法的电力市场综合评价[J]. 电力系统自动化, 2009,33
(7): 32-37.
[8]  李军. 异构无线网络融合理论与技术实现[M]. 北京:电子工业出版社, 2009.
[9]  郭磊,朱光喜.多用户MIMO-OFDM自适应子载波组分配的优化算法[J]. 华中科技大学学报(自然科学版),
    2007,35(12):42-45.