CN103327494B - 用于智能电网邻域网络的动态频谱分配系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于智能电网邻域网络的动态频谱分配系统和方法，其中所述动态频谱分配系统包括动态频谱管理单元、智能电网邻域网络及数字广播电视网络，其中所述动态频谱管理单元包括：通信参数接收模块；智能电网邻域网络当前容量估算模块和数字广播电视网络当前容量估算模块，对网络中各小区的容量进行估算；以及动态频谱分配模块，根据来自所述智能电网邻域网络当前容量估算模块和所述数字广播电视网络当前容量估算模块的各小区的容量估算结果进行频谱资源分配，并向所述智能电网邻域网络和所述数字广播电视网络发送频谱资源分配结果。

Description

用于智能电网邻域网络的动态频谱分配系统和方法

技术领域

本发明涉及无线通信系统频谱分配技术领域，尤其涉及一种用于智能电网邻域网络的动态频谱分配系统和方法。

背景技术

近年来，随着电力消费的快速发展，电力调配负荷增长迅速，并且仍然面临着大规模的缺口，进一步为电网及负荷施加压力。与此同时，传统电网缺乏动态有效的检测和管理用户电力设备的能力（即有效的需求侧管理），从而不能够实现对能源产生和使用的最优化配置，造成对能源的大量浪费。因此，建设信息化、自动化、互动化为特征的智能电网(SmartGrid，SG)的概念应运而生。智能电网通过将信息处理及现代通信技术有效地融入到传统电网中，提供电力公司与用户之间的双向通信网络，以用户需求为中心动态调度电力资源的分配；并将新型分布式可再生能源（如太阳能、风能等）融入进传统电网中，实现分布式供电与传统的集中式供电相结合，保证用户的用电需求，从而全面提升传统电网的需求侧管理的能力。

实现有效的需求侧管理需要智能电网具备先进的智能电表系统（SmartMeteringSystem）以及实时的需求响应（DemandResponse，DR）等功能，因此，要求具有实时性、可靠性和安全性的双向通信网络。

但是，在通信网络的构建方面，智能电网中的设备数量巨大，业务需求繁多是目前最大的挑战。目前得到普遍认可的智能电网通信网络架构为多层架构，具体分为家庭网络（HomeAreaNetwork，HAN），邻域网络（NeighborhoodAreaNetwork，NAN），以及广域网络（WideAreaNetwork，WAN）。在家庭网络中，智能电表（SmartMeter）与用户设备相连接，用来实时记录用户设备的用电信息。在邻域网络中，相邻的智能电表连接到相应的接入点（AccessPoint）中。在广域网络中，NAN与控制中心（ControlCenter）相连，从而实现设备的实时管控。尽管目前已有研究对各层网络所适合的通信技术进行了详细的分析，但标准化组织仍然未明确应该采取何种通信技术。尤其是智能电网中的邻域网络，由于其覆盖范围广，承载业务种类繁多，需要无线网络与有线网络、专用网络与公用网络协调配合使用，需要使用大量的频谱资源，然而目前可用频谱资源短缺，急需有效的频谱资源管理技术。

针对智能电网邻域网络，蜂窝网络（尤其是3G，4G网络）作为一种已经被广泛应用的、成熟的网络，能够提供足够的数据速率，覆盖范围，并满足智能电网中业务的时延要求。其次，采用现有的蜂窝网络能够大幅度的节省网络建设成本，同时还能满足网络安全性的需要。但是，由于蜂窝网络现有的移动用户极多，若与移动用户复用蜂窝网络，在业务高峰期会产生网络阻塞现象，从而对智能电网中对时延要求较高的业务，如自动需求响应（AutomaticDemandResponse，ADR）、馈线自动化（FeederAutomation，FA）等会产生较大影响。因此需要蜂窝网络提供大量的可用带宽。然而，根据美国联邦通信委员会（FederalCommunicationsCommission，FCC）的调研报告显示，可供蜂窝网络通信的可用频谱资源匮乏。而另一方面，由于广播电视业务特性，在其业务的非高峰期存在大量的可用频谱资源；同时，伴随模拟电视向数字电视（DigitalTV，DTV）的转变，将导致存在更多的空闲频谱资源。

因此，如何在邻域网络采用蜂窝网络通信技术同时动态利用广播电视频段的空闲频谱资源从而实现智能电网中频谱的动态高效管理并进一步满足智能电网业务需求成为本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

与本发明最接近的现有技术包括：采用集中式的资源调度算法对智能电网邻域网络中的各项业务进行调度以及基于智能电网业务QoS和排队论模型的资源调度策略。但是上述两项技术均为涉及智能电网邻域网络与数字广播电视网络共存的场景；而在该场景下，通过本发明所提出的动态频谱分配系统和方法，使得智能电网邻域网络不仅可以利用本身的频谱资源，还能够利用数字广播电视网络的频谱资源，从而能够进一步提升频谱资源的利用效率，满足智能电网的业务需求。

根据本发明的一个方面，本发明提供了一种用于智能电网邻域网络的动态频谱分配系统，其包括动态频谱管理单元、智能电网邻域网络及数字广播电视网络，其中所述动态频谱管理单元包括：通信参数接收模块，接收来自所述智能电网邻域网络以及所述数字广播电视网络的数据；智能电网邻域网络当前容量估算模块，接收来自所述通信参数接收模块的所述数据并对所述智能电网邻域网络中各小区的容量进行估算；数字广播电视网络当前容量估算模块，接收来自所述通信参数接收模块的所述数据并对所述数字广播电视网络中各小区的容量进行估算；以及动态频谱分配模块，根据来自所述智能电网邻域网络当前容量估算模块和所述数字广播电视网络当前容量估算模块的各小区的容量估算结果进行频谱资源分配，并向所述智能电网邻域网络和所述数字广播电视网络发送频谱资源分配结果。

在上述动态频谱分配系统中，所述动态频谱管理单元接收的数据包括来自所述智能电网邻域网络的小区发射功率、小区内智能电表位置、小区内智能电表分布、小区可用频谱信息以及来自所述数字广播电视网络的小区发射功率、小区内广播电视用户位置、小区可用频谱信息。

在上述动态频谱分配系统中，所述智能电网邻域网络当前容量估算模块：计算小区内不同智能电表接收端受到的干扰；根据智能电表接收端的信号干扰噪声比要求和计算得到的干扰来计算向各个智能电表发送信息时所需的小区发射功率；根据小区内智能电表的分布、小区接入点的总发射功率及计算得到的向各个智能电表发送信息时所需的小区发射功率来计算各小区的容量。其中，所述干扰包括：所述智能电网邻域网络的小区内部的干扰、所述智能电网邻域网络的小区之间的干扰、同频段的所述数字广播电视网络的小区的干扰和邻频段的所述数字广播电视网络的小区的干扰。

在上述动态频谱分配系统中，所述数字广播电视网络当前容量估算模块：考虑所述数字广播电视网络的小区干扰门限；推导所述数字广播电视网络的各小区在采用特定频谱时的小区容量。其中，所述干扰门限包括所述数字广播电视网络的小区互干扰门限、同频段的所述智能电网邻域网络的小区与所述数字广播电视网络的小区的干扰门限、以及邻频段的所述智能电网邻域网络的小区与所述数字广播电视网络的小区的干扰门限，并且仅当上述三个干扰门限的条件全部满足时，该段频谱才能被所述数字广播电视网络的小区使用。

在上述动态频谱分配系统中，所述动态频谱分配模块：对所述数字广播电视网络的各小区进行频谱分配；将剩余的数字广播电视网络频谱资源及所述智能电网邻域网络本身的频谱资源来对所述智能电网邻域网络的各小区进行频谱分配；选择能够带来最大小区容量的频谱分配给对应的小区。

根据本发明的另一方面，本发明还提供了一种用于智能电网邻域网络的动态频谱分配方法，包括以下步骤：接收来自所述智能电网邻域网络以及数字广播电视网络的数据；根据所接收到的数据来分别对智能电网邻域网络当前容量和数字广播电视网络当前容量进行容量估算；根据所述容量估算结果来进行动态频谱分配，并将频谱分配结果分别发送给所述智能电网邻域网络和所述数字广播电视网络；根据接收到的频谱分配结果，选择相应的频谱进行通信。

在上述动态频谱分配方法中，对所述智能电网邻域网络当前容量的容量估算包括：计算小区内不同智能电表接收端受到的干扰；根据智能电表接收端的信号干扰噪声比要求和计算得到的干扰来计算给各个智能电表发送信息时所需的小区发射功率；以及根据小区内智能电表的分布、小区接入点的总发射功率及计算得到的向各个智能电表发送信息时所需的小区发射功率来计算各小区的容量。

在上述动态频谱分配方法中，对所述数字广播电视网络当前容量的容量估算包括：考虑所述数字广播电视网络的小区干扰门限；推导所述数字广播电视网络的各小区在采用特定频谱时的小区容量。

在上述动态频谱分配方法中，所述动态频谱分配包括：对所述数字广播电视网络的各小区进行频谱分配；将剩余的数字广播电视网络频谱资源及所述智能电网邻域网络本身的频谱资源来对所述智能电网邻域网络的各小区进行频谱分配。

在上述动态频谱分配方法中，对所述数字广播电视网络的各小区进行频谱分配包括：a）在整个所述数字广播电视网络范围内，选择能够带来最大小区容量的频谱，分配给其所在的小区；b）根据当前的频谱分配情况，重复a）中的方法进行下一轮的频谱分配，直到网络中所有小区的容量均达到最大值。对所述智能电网邻域网络的各小区进行频谱分配包括：c）在整个所述智能电网邻域网络范围内，选择能够带来最大小区容量的频谱，分配给其所在的小区；d）根据当前的频谱分配情况，重复c）中的方法进行下一轮的频谱分配，直到网络中所有小区的容量均达到最大值。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1示出了根据本发明实施例的智能电网邻域网络/数字广播电视网络异构系统下的动态频谱管理架构的示意图；

图2示出了根据本发明实施例的用于智能电网邻域网络的动态频谱管理系统的结构示意图；

图3示出了根据本发明实施例的智能电网邻域网络当前容量估算模块的操作流程图；

图4示出了根据本发明实施例的数字广播电视网络当前容量估算模块的操作流程图；

图5示出了根据本发明实施例的动态频谱分配模块的操作流程图；以及

图6示出了根据本发明实施例的用于智能电网邻域网络的动态频谱分配方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。

如图1所示，在智能电网邻域网络与广播电视网络共存的情况下，动态频谱管理单元对广播电视网络和智能电网邻域网络同时进行频谱资源分配。智能电网邻域网络采用蜂窝网络通信技术（如GSM、WCDMA、LTE等）。电力用户家中的智能电表与智能电网接入点相连接，该接入点可为蜂窝网络中的基站。

如图2所示，用于智能电网邻域网络中的基于着色理论的动态频谱管理系统包括动态频谱管理单元、智能电网邻域网络、及数字广播电视网络。

具体而言，动态频谱管理单元包括通信参数接收模块（未示出）、智能电网邻域网络当前容量估算模块、数字广播电视网络当前容量估算模块和动态频谱分配模块。通信参数接收模块接收智能电网邻域网络各小区的参数上传模块发送的数据以及数字广播电视网络各小区的参数上传模块发送的数据，并将这些数据发送给智能电网邻域网络当前容量估算模块。所接收的数据包括：智能电网邻域网络各小区发射功率、智能电网邻域网络各小区内智能电表位置、智能电网邻域网络各小区内智能电表分布、智能电网邻域网络各小区可用频谱信息、数字广播电视网络各小区发射功率、数字广播电视网络各小区内广播电视用户位置、数字广播电视网络各小区可用频谱信息。智能电网邻域网络当前容量估算模块根据通信参数接收模块发送的信息来估算网络中各小区的容量，并将容量估算结果发送给动态频谱分配模块。数字广播电视网络当前容量估算模块根据通信参数接收模块发送的信息来估算网络中各小区的容量，并将容量估算结果发送给动态频谱分配模块。动态频谱分配模块根据智能电网邻域网络当前容量估算模块以及数字广播电视网络当前容量估算模块传送的各小区容量估算结果来分配频谱资源，并将频谱分配结果发送给智能电网邻域网络各小区的通信模块以及数字广播电视网络各小区的通信模块。

智能电网邻域网络小区包括通信参数上传模块和通信模块。通信参数上传模块将诸如小区发射功率、小区内智能电表位置、小区内智能电表分布、小区可用频谱信息等数据发送给动态频谱管理单元的通信参数接收模块。通信模块接收动态频谱分配模块的频谱分配结果来进行通信。

数字广播电视网络小区同样也包括通信参数上传模块和通信模块。通信参数上传模块将诸如小区发射功率、小区内广播电视用户位置、小区可用频谱信息等数据发送给动态频谱管理单元的通信参数接收模块。通信模块接收动态频谱分配模块的频谱分配结果来进行通信。

如图3所示，智能电网邻域网络当前容量估算模块的操作流程包括：

步骤S301：计算小区内不同智能电表接收端受到的干扰。该干扰来自四个方面，即：智能电网邻域网络小区内部的干扰、智能电网邻域网络小区之间的干扰、同频段数字广播电视网络小区的干扰和邻频段数字广播电视网络小区的干扰，注意到上述干扰均与该小区所分配的频谱有关。

步骤S302：根据智能电表接收端的信号干扰噪声比（SignaltoInterferenceplusNoiseRatio,SINR）要求，以及步骤S301中计算得到的干扰，计算给各个智能电表发送信息时所需的小区发射功率。

步骤S303：根据小区内智能电表的分布、小区接入点的总发射功率（为固定值）及步骤S302中计算得到的向各个智能电表发送信息时所需的小区发射功率，计算可以支持的小区智能电表的数目，该值即为各小区的容量。注意到容量估算结果与采用的频谱资源相关。智能电网邻域网络当前容量估算模块只计算该小区可用频谱所带来的小区容量。例如小区k的可用频谱为（f_A，f_BB，f_C），则该模块只计算小区k在采用f_A，f_B，f_C时所获得的容量。

如图4所示，数字广播电视网络当前容量估算模块的操作流程包括：

步骤S401：考虑数字广播电视网络小区的干扰门限，这是因为智能电网邻域网络动态共用数字广播电视网络的频谱。该干扰门限分别为：1）数字广播电视网络小区互干扰门限；2）同频段智能电网邻域网络小区与数字广播电视网络小区干扰门限；3）邻频段智能电网邻域网络小区与数字广播电视网络小区干扰门限。只有当以上三个干扰门限条件全部满足时，该段频谱才能被数字广播电视网络小区使用。

步骤S402：采用爱尔兰–B公式推导得出数字广播电视网络各小区采用某段频谱时的小区容量。注意到容量估算结果与采用的频谱资源相关。数字广播电视网络当前容量估算模块只计算该小区可用频谱所带来的小区容量。例如小区k的可用频谱为（f_A，f_BB，f_C），则该模块只计算小区k在采用f_A，f_B，f_C时所获得的容量。

如图5所示，动态频谱分配模块的操作流程包括：

步骤S501：对数字广播电视网络各小区进行频谱分配，这是因为智能电网邻域网络需要动态共用数字广播电视网络的频谱资源。可进行分配的频谱资源为数字广播电视网络本身的频谱资源。频谱分配目标为最大化数字广播电视网络各小区的容量。具体分配方法如下：

1）在整个数字广播电视网络范围内，选择能够带来最大小区容量的频谱，分配给其所在的小区。例如小区k的可用频谱为（f_A，f_B），若分配f_A能够令小区k的容量比整个网络其他各小区容量都大，则选择小区k进行频谱分配，并将f_A分配给小区k。

2）根据网络当前的频谱分配情况，依据1）中的方法进行下一轮频谱分配，直到网络中所有小区的容量均达到最大值。

步骤S502：在对数字广播电视网络进行频谱分配完成后，对智能电网邻域网络的各小区进行频谱分配。可进行分配的频谱资源包括在步骤S501中剩余的广播电视网络频谱资源以及智能电网邻域网络本身的频谱资源。频谱分配目标为最大化智能电网邻域网络各小区的容量。具体分配方法如下：

1）在整个智能电网邻域网络范围内，选择能够带来最大小区容量的频谱，分配给其所在的小区。

2）根据网络当前的频谱分配情况，依据1）中的方法进行下一轮频谱分配，直到网络中所有小区的容量均达到最大值。

下面结合图6，具体说明动态频谱分配方法的流程。

步骤S601：智能电网邻域网络各小区的通信参数上传模块与数字广播电视网络各小区的通信参数上传模块分别将各自的通信参数发送给动态频谱管理单元的通信参数接收模块。其中，智能电网邻域网络各小区的通信参数上传模块发送的信息包括：小区发射功率、小区内智能电表位置、小区内智能电表分布、小区可用频谱信息；数字广播电视网络各小区的通信参数上传模块发送的信息包括：小区发射功率、小区内广播电视用户位置、小区可用频谱信息。

步骤S602：通信参数接收模块将步骤S601中接收到的信息分别传送给智能电网邻域网络当前容量估算模块以及数字广播电视网络当前容量估算模块。

步骤S603：智能电网邻域网络当前容量估算模块及数字广播电视网络当前容量估算模块根据步骤S602中接收到的信息以及如前所述的容量计算方法进行容量估算，并将容量估算结果发送给动态频谱分配模块。

步骤S604：动态频谱分配模块根据步骤S603中的容量估算结果以及如前所述的动态频谱分配方法进行动态频谱分配，并将频谱分配结果分别发送给智能电网邻域网络各小区的通信模块以及数字广播电视网络各小区的通信模块。

步骤S605：智能电网邻域网络各小区的通信模块、以及数字广播电视网络各小区的通信模块根据步骤S604中接收到的频谱分配结果，选择相应的频谱进行通信。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (7)

1.一种用于智能电网邻域网络的动态频谱分配系统，其包括动态频谱管理单元、智能电网邻域网络及数字广播电视网络，其中所述动态频谱管理单元包括：

通信参数接收模块，接收来自所述智能电网邻域网络以及所述数字广播电视网络的数据；

智能电网邻域网络当前容量估算模块，接收来自所述通信参数接收模块的所述数据并对所述智能电网邻域网络中各小区的容量进行估算；

数字广播电视网络当前容量估算模块，接收来自所述通信参数接收模块的所述数据并对所述数字广播电视网络中各小区的容量进行估算；以及

动态频谱分配模块，根据来自所述智能电网邻域网络当前容量估算模块和所述数字广播电视网络当前容量估算模块的各小区的容量估算结果进行频谱资源分配，并向所述智能电网邻域网络和所述数字广播电视网络发送频谱资源分配结果；

其中，所述动态频谱分配模块：对所述数字广播电视网络的各小区进行频谱分配；将剩余的数字广播电视网络频谱资源及所述智能电网邻域网络本身的频谱资源来对所述智能电网邻域网络的各小区进行频谱分配；

所述动态频谱管理单元接收的数据包括来自所述智能电网邻域网络的小区发射功率、小区内智能电表位置、小区内智能电表分布、小区可用频谱信息以及来自所述数字广播电视网络的小区发射功率、小区内广播电视用户位置、小区可用频谱信息。

2.根据权利要求1所述的动态频谱分配系统，其中，所述智能电网邻域网络当前容量估算模块：计算小区内不同智能电表接收端受到的干扰；根据智能电表接收端的信号干扰噪声比要求和计算得到的干扰来计算向各个智能电表发送信息时所需的小区发射功率；根据小区内智能电表的分布、小区接入点的总发射功率及计算得到的向各个智能电表发送信息时所需的小区发射功率来计算各小区的容量。

3.根据权利要求1所述的动态频谱分配系统，其中，所述数字广播电视网络当前容量估算模块：考虑所述数字广播电视网络的小区干扰门限；推导所述数字广播电视网络的各小区在采用特定频谱时的小区容量。

4.一种用于智能电网邻域网络的动态频谱分配方法，包括以下步骤：

接收来自所述智能电网邻域网络以及数字广播电视网络的数据；

根据所接收到的数据来分别对智能电网邻域网络当前容量和数字广播电视网络当前容量进行容量估算；

根据所述容量估算结果来进行动态频谱分配，并将频谱分配结果分别发送给所述智能电网邻域网络和所述数字广播电视网络；

根据接收到的频谱分配结果，选择相应的频谱进行通信；

其中，所述动态频谱分配包括：对所述数字广播电视网络的各小区进行频谱分配；将剩余的数字广播电视网络频谱资源及所述智能电网邻域网络本身的频谱资源来对所述智能电网邻域网络的各小区进行频谱分配；

所述接收来自所述智能电网邻域网络以及数字广播电视网络的数据包括来自所述智能电网邻域网络的小区发射功率、小区内智能电表位置、小区内智能电表分布、小区可用频谱信息以及来自所述数字广播电视网络的小区发射功率、小区内广播电视用户位置、小区可用频谱信息。

5.根据权利要求4所述的动态频谱分配方法，其中，对所述智能电网邻域网络当前容量的容量估算包括：

计算小区内不同智能电表接收端受到的干扰；

根据智能电表接收端的信号干扰噪声比要求和计算得到的干扰来计算给各个智能电表发送信息时所需的小区发射功率；以及

根据小区内智能电表的分布、小区接入点的总发射功率及计算得到的向各个智能电表发送信息时所需的小区发射功率来计算各小区的容量。

6.根据权利要求4所述的动态频谱分配方法，其中，对所述数字广播电视网络当前容量的容量估算包括：考虑所述数字广播电视网络的小区干扰门限；推导所述数字广播电视网络的各小区在采用特定频谱时的小区容量。

7.根据权利要求4所述的动态频谱分配方法，其中，

对所述数字广播电视网络的各小区进行频谱分配包括：

a)在整个所述数字广播电视网络范围内，选择能够带来最大小区容量的频谱，分配给其所在的小区；

b)根据当前的频谱分配情况，重复a)中的方法进行下一轮的频谱分配，直到网络中所有小区的容量均达到最大值；

对所述智能电网邻域网络的各小区进行频谱分配包括：

c)在整个所述智能电网邻域网络范围内，选择能够带来最大小区容量的频谱，分配给其所在的小区；

d)根据当前的频谱分配情况，重复c)中的方法进行下一轮的频谱分配，直到网络中所有小区的容量均达到最大值。