CN104270767A - 一种适用于电力无线专网宽带化的解决方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于电力无线专网宽带化的解决方法，解决了电力无线专网频谱资源利用率较低，吞吐量、传输速率等性能较弱的问题，其利用优化的频谱感知技术对可用频谱进行实时监测和感知，通过将多个离散的窄带频谱进行自适应融合，形成1.4MHz的带宽，从而将FDD-LTE应用于电力无线专网；方案是，本发明针对窄带化FDD-LTE部署于230MHz离散频段时，需满足***最小带宽1.4MHz，因此至少找到56个可用频点（56×25KHz）进行自使用融合和利用，同时，当授权用户出现是需及时让出使用频点的情况，本发明提出在搜索56个频点的基础上，继续搜索M个备用频点，M的取值决定于230MHz频段范围的利用率，为剩余可用子信道（去除56个已选子信道）的10％，即根据剩余子信道数进行自适应调整。

Description

一种适用于电力无线专网宽带化的解决方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别是一种适用于电力无线专网宽带化的解决方法。 

背景技术

目前电力无线专网的频谱利用率还远远低于现有无线通信***，亟需改进。为了提高电力无线专网的频谱利用率、吞吐量等多项指标，建设新型技术体制的电力无线专网，本专利提出将FDD‐LTE技术体制应用于电力无线专网中，但需满足FDD‐LTE最小带宽1.4MHz的需求。然而，230MHz频段内很难找到如此大的带宽，另外，针对分布在其频段内的上述诸多离散频点，本专利提出一种将离散频段自适应融合利用的方法，从而解决电力无线专网的宽带化问题，改进***性能。 

国家电网公司“十二五”规划中明确指出：在加快部署智能化业务的同时，进一步加强终端通信接入网建设，提高专网覆盖比例，将通信覆盖向低压侧业务终端延伸。 

目前，从采用的通信方式来看，终端通信接入网采用了光纤、载波、无线等多种通信方式混合组网，其中光纤专网占8.58％，中压电力线载波占12.78％，无线公网(GPRS/CDMA)占72.03％，无线专网占6.61％。随着城镇化的深入，终端通信接入网进一步向广袤的县城、乡镇及农村延伸，光纤受地域、成本等因素的限制，已越来越难以敷设；电力线载波调试复杂、通信稳定性难以满足需求；无线公网不属于电力***专有网络，安全性、服务质量均难以满足业务需求。因此，无线专网存在着较大的应用空间。 

从承载的业务来看，终端通信接入网主要承载用电信息采集、配电自动化、输电线路状态监测、配变视频监控、智能用电服务等窄带、宽带业务。长期以来电力无线专网缺乏统一的规划与建设，呈现了230M数传电台、Mobitex、MicWill、ZigBee/WiFi等多种技术体制并行的建设模式，没有考虑业务***的带宽灵活性、频点合法性、信息安全、网络管理等具体需求，均无法得到推广应用。因此亟需建设采用新型技术体制的电力无线专网，在电力***合法频点 内满足不同的业务需求，在终端通信接入网建设中占据重要的一席之地。 

电力无线专网基于国家无线电管理委员会分配的230MHz专用频段进行通信，无需申请使用，其频点离散分布在223MHz至235MHz总共12MHz带宽内，共40个频点；每个频点带宽25KHz，共1MHz带宽。此外该频段范围内还有360个频点(共9MHz带宽)由各地市无线电管理处审批，需要申请使用。该频段使用情况如图1，由图可知，该频段占用度为6.38％，因此，本专利提出一种将离散频段自适应融合利用的方法，将上述230MHz频段内诸多频点进行自适应融合和利用，提高频谱利用率。 

目前，电力无线专网在使用230MHz频段无线资源时，普遍采用数传电台作为通信终端，通信***结构如图2所示。启动站采用双频、全双工数传电台，从动站采用双频、半双工数传电台，其上行频率为f1，下行频率为f0，上下行频率间隔f0‐f1＝7MHz。 

数传电台通信***对频段资源利用率不高，通信时主要存在以下问题： 

1)数传电台之间各自分立，缺乏统一的网络管理，没有无线信号的同步，因此必须增加空闲时间作为数据传输的保护间隔，导致信道的利用率被降低，通信过程出现对资源的浪费； 

2)数传电台采用的调制方式相对落后，使得数据率降低，频谱利用率仅为0.048‐0.384bit/s/hz，而目前其它无线***的频谱利用率为1.35‐3bit/s/hz。由此可见电力企业对无线资源的利用只是电信行业的10％左右，因此迫切需要改进调制方式以提高频谱的利用率。 

3)数传电台通信***采用轮询的方式进行数据交换，交换时独占电路，降低了网络传输数据的灵活性和传输效率，使得紧急数据无法及时上传。 

4)数传电台采用无协议的透明传输模式，无纠错能力和加密功能，纠错和加密功能也只能在TRU或中心站计算机上进行，使得传输延时非常大，影响了***的吞吐量。 

5)数传电台通信***对230MHz频率使用不恰当，造成一方面频率资源紧缺，一方面频率使用浪费的局面。 

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种适用 于电力无线专网宽带化的解决方法，解决了电力无线专网频谱资源利用率较低，吞吐量、传输速率等性能较弱的问题，其利用优化的频谱感知技术对可用频谱进行实时监测和感知，通过将多个离散的窄带频谱进行自适应融合，形成1.4MHz的带宽，从而将FDD‐LTE应用于电力无线专网。 

其解决方案是，本发明针对窄带化FDD‐LTE部署于230MHz离散频段时，需满足***最小带宽1.4MHz，因此至少找到56个可用频点(56*25KHz)进行自使用融合和利用，同时，当授权用户出现是需及时让出使用频点的情况，本发明提出在搜索56个频点的基础上，继续搜索M个备用频点，M的取值决定于230MHz频段范围的利用率，为剩余可用子信道(去除56个已选子信道)的10％，即根据剩余子信道数进行自适应调整，具体实现方法和步骤如下： 

1)通过频谱感知技术检测230MHz频段范围内的频谱空洞(spectrum hole，指时间和空间上空闲的频谱资源)； 

2)找到合适的56+M个频点，动态频谱分配实现离散频谱资源自适应融合和利用。 

(1)本发明中第一步是基于认知无线电的频谱感知：230MHz中的若干频段已经授权，而且频段之间呈离散状态，若想至少找到56个可用频点，首先得检测出频谱空洞，在检测过程中，不得影响已有通信***的正常工作；而且由于无线电环境是时变的，***需能及时检测出变化。 

本专利采用基于认知无线电的频谱感知，***同时对多个信道进行周期的感知，将这些信道组成一个新的逻辑信道，定义这些信道为子信道，***可以同时使用逻辑信道上所有空闲的子信道进行数据传输，检测时间和检测周期太长可能造成授权信号的干扰或者浪费一些可能直接进入频谱的机会，检测周期太短，又会造成感知开销较大，因此每个子信道检测周期的选择非常重要，本专利将从检测周期方面进行频谱感知过程的优化。 

令表示子信道i在当前时刻t′为空闲状态，在(t′+t)内信道忙的平均时间，即子信道i在t时间内因未及时检测而对再次出现的授权用户造成干扰的平均时间。 

令表示子信道i在当前时刻t′为忙的状态，在(t′+t)内信道空闲的平均时间，即子信道i在t时间漏失的接入机会的平均时间。 

则根据更新理论和拉氏变换可以得到： 

$\begin{array}{c}{T}_I^i\left(t\right)=u_i[t-\frac{1-e^{-(u_{\mathrm{OFF}}^i+u_{\mathrm{ON}}^i)t}}{u_{\mathrm{OFF}}^i+u_{\mathrm{ON}}^i}]\\ T_M^i\left(t\right)=(1-u_i)[t-\frac{1-e^{-(u_{\mathrm{OFF}}^i+u_{\mathrm{ON}}^i)t}}{u_{\mathrm{OFF}}^i+u_{\mathrm{ON}}^i}]\end{array}---\left(3\right)$

其中，表示第i个授权信道忙的概率。 

令表示第i个子信道的检测周期，和分别表示第i个子信道在一个检测周期内平均漏失频谱机会和干扰授权用户的时间比例，那么 

$\begin{array}{c}{\mathrm{MO}}_i\left(T_p^i\right)=\frac{1}{T_p^i}\left(u_i{Q}_{d,i}{T}_M^i\left(T_P^i\right)\right)+(1-u_i)Q_{f,i}(T_p^i-T_I^i\left(T_p^i\right))\\ =(1-u_i)(Q_{f,i}+u_i(Q_{d,i}-Q_{f,i}))(1-\frac{1-e^{-(u_{\mathrm{OFF}}^i+u_{\mathrm{ON}}^i)T_P^i}}{(u_{\mathrm{OFF}}^i+u_{\mathrm{ON}}^i)T_P^i})\\ I_i\left(T_p^i\right)=\frac{1}{T_p^i}\left((1-u_i(1-Q_{f,i})T_I^i\left(T_p^i\right)+u_i(1-Q_{f,i})(T_p^i-T_M^i\left(T_p^i\right)))\right)\\ =u_i(Q_{m,i}+(1-u_i(Q_{d,i}-Q_{f,i}))(1-\frac{1-e^{-(u_{\mathrm{OFF}}^i+u_{\mathrm{ON}}^i)T_P^i}}{(u_{\mathrm{OFF}}^i+u_{\mathrm{ON}}^i)T_P^i}))\end{array}---\left(4\right)$

从式(4)可以看出，和均是的单调递增函数。因此平均漏失频谱机会和干扰授权用户的时间比例随着检测周期的增大而增大。假设认知用户必须服从“传输前监听”原则，因此当某个子信道进行感知时，其它子信道必须停止传输。假设有K个子信道的检测周期向量为是子信道i的检测时间，令SO_i(T_P)表示子信道i在内因感知而浪费的空闲频谱机会时间比例，则 

${\mathrm{SQ}}_i\left(T_P\right)=((1-u_i)(1-Q_{f,i})+u_i{Q}_{m,i}-{\mathrm{MO}}_i\left(T_P^i\right)){\mathrm{\Σ}}_{k=1}^K\frac{T_d^i}{T_P^K}---\left(5\right)$

为提高频谱利用率并降低对授权用户的干扰，综合考虑了漏失频谱机会，感知开销和干扰时间，通过对检测周期的优化得到最小的检测代价。信道检测周期的优化方程为 

$T_P^{*}=\arg \min ({\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^K({\mathrm{MO}}_i\left(T_P^i\right)+{\mathrm{SQ}}_i\left(T_P\right))+{\mathrm{\λ}}_2{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^K{I}_i\left(T_P^i\right))---\left(6\right)$

其中λ₁和λ₂是权重因子，由***初始设定，λ₁较大可以提高***的频利用率，λ₂较大可以降低对授权信号的干扰。 

因此，整个频谱感知过程如下： 

  当空闲子信道数达到56+M个时，则***将减小λ₁，增大λ₂，从而按照更新的检测周期进行检测；另外，将空闲子信道进行自适应离散频谱融合，应用FDD‐LTE***； 

  当空闲子信道数少于56+M个且大于56个时，FDD‐LTE***应用的同时将继续搜索新的空闲信道作为备用信道，直到搜索到M个空闲信道； 

  当空闲子信道数少于56个时，***将停止传输，并同时增大λ₁，减小λ₂，按照更新后的搜索周期进行搜索，直到搜索到56个空闲信道，***恢复传输，搜索到56+M个空闲信道时，搜索过程就停止。 

(2)动态频谱分配实现离散频谱资源的融合和利用： 

本专利拟通过上述优化的频谱感知方法在230MHz频段范围内找到56‐60个可用频点(预留0‐4个频点用来灵活部署和分配)。并采取智能的动态频谱分配(DSA，dynamic spectrum access)方案融合230MHz中的离散频谱资源。 

DSA的基本工作原理如下：***在各个频段连续地检测是否有授权用户，如果检测到有授权在使用某频点，则该频点暂时不可用，反之该频点为可用频点。如果***正在使用某频点时，有新的授权用户进入，则立刻让出该频段，并切换到其它备用频点继续工作。 

DSA可以使得授权用户拥有最高的频谱使用优先权，认知用户可以和授权用户分时共享频段资源，实现频谱资源的充分利用。 

附图说明

图1为223‐235MHz频段全景图。 

图2为启动站与从动站的频点分配。 

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。 

本发明针对窄带化FDD‐LTE部署于230MHz离散频段时，需满足***最小 带宽1.4MHz，因此至少找到56个可用频点(56*25KHz)进行自使用融合和利用，同时，当授权用户出现是需及时让出使用频点的情况，本发明提出在搜索56个频点的基础上，继续搜索M个备用频点，M的取值决定于230MHz频段范围的利用率，为剩余可用子信道(去除56个已选子信道)的10％，即根据剩余子信道数进行自适应调整，具体实现方法和步骤如下： 

1)通过频谱感知技术检测230MHz频段范围内的频谱空洞(spectrum hole，指时间和空间上空闲的频谱资源)； 

2)找到合适的56+M个频点，动态频谱分配实现离散频谱资源自适应融合和利用。 

本发明中首先***初始设定λ₁为0.6，λ₂为0.4，按照初始检测周期进行频谱感知得出230MHz频率范围内的可用频点数，例如假设可用86个频点，该频点数超过56，且还剩余20个频点，故此时M取值为2。因此，***从中选取56个频点进行自适应离散窄带频谱融合，并选取2个频点作为备用频点，同时减小λ₁值，增大λ₂值，重新计算检测周期。 

当***所使用的56个频点中出现被占用的情况，则进行动态频谱分配，将冲突频点立即切换至备用的2个频点。 

若备用频点已不满足冲突频点时，即可用空闲频点数少于56个时，则***将增大λ₁，减小λ₂，按照新的检测周期继续进行空闲频点搜索直至搜索到56个频点再恢复FDD‐LTE***。 

Claims (1)

1.一种适用于电力无线专网宽带化的解决方法，其特征在于，针对窄带化FDD-LTE部署于230MHz离散频段时，需满足***最小带宽1.4MHz，因此至少找到56个可用频点（56*25KHz）进行自使用融合和利用，同时，当授权用户出现是需及时让出使用频点的情况，本发明提出在搜索56个频点的基础上，继续搜索M个备用频点，M的取值决定于230MHz频段范围的利用率，为剩余可用子信道（去除56个已选子信道）的10％，即根据剩余子信道数进行自适应调整，具体实现方法和步骤如下：

1）通过频谱感知技术检测230MHz频段范围内的频谱空洞（spectrum hole，指时间和空间上空闲的频谱资源）；

2）找到合适的56+M个频点，动态频谱分配实现离散频谱资源自适应融合和利用。