CN103338454A - 用于电力系统的认知无线通信系统及mac协议实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供用于电力系统的认知无线通信系统及MAC协议实现方法，系统包括主基站、认知基站、频谱协商终端、授权用户和认知用户；所述主基站和认知基站分别对所述授权用户和认知用户进行管理，所述主基站与认知基站进行信息交互，认知基站与频谱协商终端进行信息交互。MAC协议实现方法提出了更科学的基于迫切性和公平性的频谱资源分配方法和基于加权的多参量频率切换方法。本发明提出的认知无线通信系统缩短了频谱感知时间、提高了感知效率，进而提高了无线频率的利用效率，提升了电力无线终端的通信抗干扰能力，实现了更科学的频率资源分配，保证资源合理共享使用，同时实现了更全面、综合的频率切换，保证切换平滑过渡，减少切换性能影响。

Description

用于电力系统的认知无线通信系统及MAC协议实现方法

技术领域

本发明属于电力系统通信技术领域，具体涉及一种用于电力系统的认知无线通信系统及MAC协议实现方法。

背景技术

电力通信技术作为智能电网发展的重要支撑技术之一，通过与电网技术紧密结合，构建起信息化、自动化、互动化的智能电网，向用户提供更加全面、安全、便捷、舒适的服务。无线通信作为有线通信的补充，也是电力通信的重要组成部分，对电网的发展同样具有不可忽视的作用。频率资源是限制无线通信发展的瓶颈之一，而电力通信由于其行业的特殊性，这一问题更加突出：虽然电力无线通信具备230MHz的专用无线频段，但带宽不宽，频带数量有限，且一般都是固定分配，利用率不高；租用的频带带宽范围固定，存在安全问题，且租用的费用成本较高；公共免费频段使用用户较多，竞争激烈，冲突概率较大；而且在电力环境下，电力设备的运行对无线频率的使用干扰影响较大。

认知无线电技术可以通过频谱感知检测空闲频率资源，动态的使用空闲频谱资源，有效弥补固定分配管理的不足，提高频谱资源利用率，主动规避各类频谱干扰，提高系统的抗干扰能力，减少数据传输冲突的概率。认知无线电技术作为提高频谱资源利用率和提升频谱资源管理水平的有效手段，在被提出以来受到了大量关注和研究。认知无线电MAC协议具有借助频谱感知结果辨识可用频谱资源、判决最佳感知和传输时间、合理公平分配传输资源以及频谱冲突规避切换等重要功能。目前MAC协议主要包括两大类：一是IEEE802.22工作组制定的标准协议，二是应用于不同行业的特定协议。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种用于电力系统的认知无线通信系统及MAC协议实现方法，在电力应用环境下，合理公平的分配空闲频谱资源，实现认知用户公平接入，有针对的感知目标频段，缩短感知和切换时间，主动规避频谱干扰并及时平滑切换，减少电磁干扰对无线频谱影响。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

提供一种用于电力系统的认知无线通信系统，所述系统包括主基站、认知基站、频谱协商终端、授权用户和认知用户；所述主基站和认知基站分别对所述授权用户和认知用户进行管理，所述主基站与认知基站进行信息交互，所述认知基站与频谱协商终端进行信息交互。

所述主基站通过无线通信方式对所述授权用户进行授权用户的信道资源分配、接入及切换管理，且通过光纤与认知基站进行信息交互。所述认知基站通过无线通信方式对所述认知用户进行认知用户的信道资源分配、接入及切换管理，且通过光纤与频谱协商终端进行信息交互。

认知用户根据认知基站和主基站的交互信息感知授权用户暂时未使用的授权频段进行使用或与授权用户共享使用频率资源，或者感知非授权频率资源的非授权频段使用情况并与其他认知用户竞争使用，在非授权频率资源中，频谱协商终端进行不同认知网络之间的频率资源使用的协调管理。

所述认知基站维护可用频率资源列表和交互信息列表，以提高频谱感知效率，缩短认知用户接入时间，提升频谱切换性能。

所述可用频率资源列表包括频带范围、频带带宽、频带历史使用信息、干扰水平和可用方式；

所述频带范围和频带带宽分别表示认知用户可使用的频率资源的范围和宽度；

所述频带历史使用信息包括数据传输平均占用时长和空闲率；

所述干扰水平包括历史干扰水平和当前干扰水平，干扰包括无线干扰和电磁干扰，以功率形式量化；

所述可用方式表示频率资源的利用方式，所述利用方式包括共享式和独享式；所述共享式是指认知用户与授权用户共享的频率资源，但不会对授权用户造成干扰，或者是由多个认知用户之间进行共享使用空闲授权频带区域或空闲非授权频带区域，所述独享式是指空闲频率资源无其他用户使用，由单个认知用户单独享用。

所述交互信息列表包括关联设备ID、设备类型、频率范围、授权用户的授权频率、频率当前使用情况和干扰温度下的最大容忍功率；所述关联设备ID表示该项记录与认知基站进行交互的设备IP地址和MAC地址；所述设备类型表示与认知基站交互的设备类型，设备类型包括主基站和频谱协商终端；所述频率范围表示交互设备所管理的频率范围；所述授权用户的授权频率表示授权用户所分配的频率情况；所述频率当前使用情况表示授权用户使用频率情况；所述干扰温度下的最大容忍功率表示授权用户允许认知用户共享频率资源时所容忍的最大功率，以免对授权用户产生干扰。

同时提供一种用于电力系统的MAC协议实现方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：物理层通过频谱检测算法进行频谱感知，并将得到的感知结果传输给MAC协议层；

步骤2：MAC协议层根据物理层的感知结果，执行基于迫切性和公平性的频谱资源分配计算，进行频率资源分配，如果系统要求认知用户进行频率切换，执行步骤3；

步骤3：MAC协议层根据频率切换的需求，进行基于加权的多参量目标频段切换。

所述步骤2中，影响迫切性的参数包括业务优先级和等待时间；影响公平性的参数包括用户不良信用记录和用户接入成功率。

认知基站根据分配因子的大小依次分配频率资源，根据所述业务优先级、等待时间、用户不良信用记录和用户接入成功率共4个参数将用户i的分配因子定义如下：

$\mathrm{DF}\left(i\right)=\underset{j=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{wc}}_{\mathrm{ij}}*I_j---\left(1\right)$

其中i∈[1,N]，N表示参与频段分配竞争的用户总数，j表示影响参数的编号，DF(i)表示第i个用户的分配因子，wc_ij表示第i个用户在第j个参数下的分配到的加权系数，I_j表示参数j相对于其他参数的重要程度；

wc_ij表示为：

其中P_ij表示第i个用户在第j个参数下的参数值；

且I_j满足：

$\underset{j=1}{\overset{4}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I}_j=\mathrm{1,0}<I_j<1---\left(3\right).$

所述步骤3中，多参量目标频段切换包括的基本属性包括目标频段历史使用统计率、目标频段可用带宽大小、目标频段干扰情况、业务与频谱特性匹配程度、系统延时以及信号强度；

通过所述基本属性评价频段的效用，有：

$\mathrm{FBU}\left(k\right)=\underset{l=1}{\overset{6}{\mathrm{\&Sigma;}}}{w}_l{F}_{\mathrm{kl}}---\left(4\right)$

其中，k表示候选可用频段的编号；l表示基本属性的编号；FBU(k)表示第k个候选可用频段的效用函数值；w_l表示基本属性之间的重要程度加权系数，F_kl表示判决属性值；

通过采用1～9标度方法，构建基本属性之间的重要程度矩阵，再进行归一化处理，进而得到基本属性之间的重要程度加权系数w_l，w_l表示为：

其中，

表示任意两个基本属性之间的相对重要程度。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明不用改变已有建设的无线通信网络系统，只需进行简单升级，最大程度保护已有投资，使系统具备认知功能，同时考虑到电力无线通信的特点和局限，提出了适用于电力无线通信的认知MAC协议实现方法；

2、认知基站维护可用频率资源列表和交互信息列表，通过有针对性的目标感知，提高频谱感知效率，缩短认知用户接入时间，提升频谱切换性能。

3、为弥补单一参数分配算法的不足，本发明综合考虑了业务优先级、等待时间、用户不良信用记录以及用户接入成功率等参数，提出了更科学的基于迫切性和公平性的频谱资源分配方法；

4、提出了基于加权的多参量频率切换算法，综合考虑了频率切换的切换因素，通过加权的方式保证各因素所占判决比例，对各类因素所占的权重进行合理归一化处理，由认知基站进行数据计算和处理，保证切换平滑过渡，减少切换性能影响。

附图说明

图1是用于电力系统的认知无线通信系统结构模型图；

图2是基于迫切性和公平性的频谱资源分配算法示意图；

图3是基于加权的多参量频率切换算法示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1，提供一种用于电力系统的认知无线通信系统，所述系统包括主基站（primary basestation，PBS）、认知基站（cognitive base station，CBS）、频谱协商终端（spectrum consultationterminal，SCT）、授权用户（primary user，PU）和认知用户（secondary user，SU）；所述主基站和认知基站分别对所述授权用户和认知用户进行管理，所述主基站与认知基站进行信息交互，所述认知基站与频谱协商终端进行信息交互。

所述主基站通过无线通信方式对所述授权用户进行授权用户的信道资源分配、接入及切换管理，且通过光纤与认知基站进行信息交互。所述认知基站通过无线通信方式对所述认知用户进行认知用户的信道资源分配、接入及切换管理，且通过光纤与频谱协商终端进行信息交互。

认知用户根据认知基站和主基站的交互信息感知授权用户暂时未使用的授权频段进行使用或与授权用户共享使用频率资源，或者感知非授权频率资源的非授权频段使用情况并与其他认知用户竞争使用，在非授权频率资源中，频谱协商终端进行不同认知网络之间的频率资源使用的协调管理。

为提高频谱感知效率，缩短系统接入时间，提升频谱切换性能，认知基站维护可用频率资源列表和交互信息列表，以提高频谱感知效率，缩短认知用户接入时间，提升频谱切换性能。

所述可用频率资源列表包括频带范围、频带带宽、频带历史使用信息、干扰水平和可用方式；

所述频带范围和频带带宽分别表示认知用户可使用的频率资源的范围和宽度；

所述频带历史使用信息包括数据传输平均占用时长和空闲率，由此可以计算频段的大致可用时长；

所述干扰水平包括历史干扰水平和当前干扰水平，干扰包括无线干扰和电磁干扰，以功率形式量化，结合相关系数，可以计算信道最大容量；

所述可用方式表示频率资源的利用方式，所述利用方式包括共享式和独享式；所述共享式是指认知用户与授权用户共享的频率资源，但不会对授权用户造成干扰，或者是由多个认知用户之间进行共享使用空闲授权频带区域或空闲非授权频带区域，所述独享式是指空闲频率资源无其他用户使用，由单个认知用户单独享用。综合以上信息，认知基站能够根据认知用户的需求情况快速找到匹配资源进行分配，提高了分配效率、缩短了分配时间，根据业务特性，有选择的选取特定频谱实现与业务需求的匹配。

所述交互信息列表包括关联设备ID、设备类型、频率范围、授权用户的授权频率、频率当前使用情况和干扰温度下的最大容忍功率；所述关联设备ID表示该项记录与认知基站进行交互的设备IP地址和MAC地址；所述设备类型表示与认知基站交互的设备类型，设备类型包括主基站和频谱协商终端；所述频率范围表示交互设备所管理的频率范围；所述授权用户的授权频率表示授权用户所分配的频率情况；所述频率当前使用情况表示授权用户使用频率情况；所述干扰温度下的最大容忍功率表示授权用户允许认知用户共享频率资源时所容忍的最大功率，以免对授权用户产生干扰。综合以上信息，有助于认知基站及时了解频率资源使用情况，有针对的感知和监测空闲频谱资源，缩短感知时间，提高感知效率。

同时提供一种用于电力系统的MAC协议实现方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：物理层通过频谱检测算法进行频谱感知，并将得到的感知结果传输给MAC协议层；

步骤2：MAC协议层根据物理层的感知结果，执行基于迫切性和公平性的频谱资源分配计算，进行频率资源分配，如果系统要求认知用户进行频率切换，执行步骤3；

步骤3：MAC协议层根据频率切换的需求，进行基于加权的多参量目标频段切换。

所述步骤2中，影响迫切性的参数包括业务优先级和等待时间；业务优先级是指业务的重要程度，等待时间是指用户数据的有效期；

影响公平性的参数包括用户不良信用记录和用户接入成功率；用户不良信用记录是指用户分配到频率资源但没有利用的信用记录，接入成功率是指用户请求分配且获得分配的概率，为公平起见，接入成功率越低的用户分配的可能性就越大。

如图2，认知基站根据分配因子（distributive factor，DF）的大小依次分配频率资源，根据所述业务优先级、等待时间、用户不良信用记录和用户接入成功率共4个参数将用户i的分配因子定义如下：

$\mathrm{DF}\left(i\right)=\underset{j=1}{\overset{4}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{wc}}_{\mathrm{ij}}*I_j---\left(1\right)$

其中i∈[1,N]，N表示参与频段分配竞争的用户总数，j表示影响参数的编号，DF(i)表示第i个用户的分配因子，wc_ij表示第i个用户在第j个参数下的分配到的加权系数（weightcoefficient，wc），I_j表示参数j相对于其他参数的重要程度；

wc_ij表示为：

其中P_ij表示第i个用户在第j个参数下的参数值；

加权系数这样定义的目的是业务优先级越高的用户分配的系数越大，等待时间越短的用户分配到的系数越大，不良信用记录越多和接入成功率越高的用户分配因子越小，有利于公平分配。

且I_j满足：

$\underset{j=1}{\overset{4}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I}_j=\mathrm{1,0}<I_j<1---\left(3\right).$

具体的参数分配方法根据实际使用情况进行灵活分配，重要性越高的参数分配的系数越大，并进行归一化处理。认知基站根据以上的分配因子计算结果进行排序，分配因子越大的用户越快的分配频谱资源，分配的同时考虑业务和频谱特性的匹配度。

由于认知用户使用授权用户暂时未使用的授权频段，一旦授权用户出现，认知用户需要立即采取相应措施以免对授权用户的使用造成干扰，或者当认知用户使用的非授权频段的频谱环境恶化，也需采取措施来防止业务受到重大影响，另外，电力系统中复杂的电磁干扰进一步加剧了无线环境的复杂度，带来了更大的干扰，影响频谱资源的使用，在此条件下，除共享频率之外，频率切换也是有效解决措施之一，设计合理的目标频段切换机制对切换性能有着十分重要的影响。本发明在此基础上提出基于加权的多参量目标频段切换方法，如图3所示，认知基站根据认知用户的业务特性和需求进行计算选取目标切换频段并分配，这样就有利于进一步降低认知用户的复杂度，综合考虑多种选择因素，弥补单一属性选择的不足。

多参量目标频段切换包括的基本属性包括目标频段历史使用统计率、目标频段可用带宽大小、目标频段干扰情况、业务与频谱特性匹配程度、系统延时以及信号强度；

通过所述基本属性评价频段的效用，有：

$\mathrm{FBU}\left(k\right)=\underset{l=1}{\overset{6}{\mathrm{\&Sigma;}}}{w}_l{F}_{\mathrm{kl}}---\left(4\right)$

其中，k表示候选可用频段的编号；l表示基本属性的编号；FBU(k)表示第k个候选可用频段的效用函数值；w_l表示基本属性之间的重要程度加权系数，F_kl表示判决属性值；

通过采用1～9标度方法，构建基本属性之间的重要程度矩阵，再进行归一化处理，进而得到基本属性之间的重要程度加权系数w_l，w_l表示为：

其中，

表示任意两个基本属性之间的相对重要程度。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (11)

1.用于电力系统的认知无线通信系统，其特征在于：所述系统包括主基站、认知基站、频谱协商终端、授权用户和认知用户；所述主基站和认知基站分别对所述授权用户和认知用户进行管理，所述主基站与认知基站进行信息交互，所述认知基站与频谱协商终端进行信息交互。

2.根据权利要求1所述的用于电力系统的认知无线通信系统，其特征在于：所述主基站通过无线通信方式对所述授权用户进行授权用户的信道资源分配、接入及切换管理，且通过光纤与认知基站进行信息交互。

3.根据权利要求1所述的用于电力系统的认知无线通信系统，其特征在于：所述认知基站通过无线通信方式对所述认知用户进行认知用户的信道资源分配、接入及切换管理，且通过光纤与频谱协商终端进行信息交互。

4.根据权利要求3所述的用于电力系统的认知无线通信系统，其特征在于：认知用户根据认知基站和主基站的交互信息感知授权用户暂时未使用的授权频段进行使用或与授权用户共享使用频率资源，或者感知非授权频率资源的非授权频段使用情况并与其他认知用户竞争使用，在非授权频率资源中，频谱协商终端进行不同认知网络之间的频率资源使用的协调管理。

5.根据权利要求4所述的用于电力系统的认知无线通信系统，其特征在于：所述认知基站维护可用频率资源列表和交互信息列表，以提高频谱感知效率，缩短认知用户接入时间，提升频谱切换性能。

6.根据权利要求5所述的用于电力系统的认知无线通信系统，其特征在于：所述可用频率资源列表包括频带范围、频带带宽、频带历史使用信息、干扰水平和可用方式；

所述频带范围和频带带宽分别表示认知用户可使用的频率资源的范围和宽度；

所述频带历史使用信息包括数据传输平均占用时长和空闲率；

所述干扰水平包括历史干扰水平和当前干扰水平，干扰包括无线干扰和电磁干扰，以功率形式量化；

所述可用方式表示频率资源的利用方式，所述利用方式包括共享式和独享式。

7.根据权利要求5所述的用于电力系统的认知无线通信系统，其特征在于：所述交互信息列表包括关联设备ID、设备类型、频率范围、授权用户的授权频率、频率当前使用情况和干扰温度下的最大容忍功率；所述关联设备ID表示该项记录与认知基站进行交互的设备IP地址和MAC地址；所述设备类型表示与认知基站交互的设备类型，设备类型包括主基站和频谱协商终端；所述频率范围表示交互设备所管理的频率范围；所述授权用户的授权频率表示授权用户所分配的频率情况；所述频率当前使用情况表示授权用户使用频率情况；所述干扰温度下的最大容忍功率表示授权用户允许认知用户共享频率资源时所容忍的最大功率，以免对授权用户产生干扰。

8.用于电力系统的MAC协议实现方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤1：物理层通过频谱检测算法进行频谱感知，并将得到的感知结果传输给MAC协议层；

步骤2：MAC协议层根据物理层的感知结果，执行基于迫切性和公平性的频谱资源分配计算，进行频率资源分配，如果系统要求认知用户进行频率切换，执行步骤3；

步骤3：MAC协议层根据频率切换的需求，进行基于加权的多参量目标频段切换。

9.根据权利要求8所述的用于电力系统的MAC协议实现方法，其特征在于：所述步骤2中，影响迫切性的参数包括业务优先级和等待时间；影响公平性的参数包括用户不良信用记录和用户接入成功率。

10.根据权利要求9所述的用于电力系统的MAC协议实现方法，其特征在于：认知基站根据分配因子的大小依次分配频率资源，根据所述业务优先级、等待时间、用户不良信用记录和用户接入成功率共4个参数将用户i的分配因子定义如下：

$\mathrm{DF}\left(i\right)=\underset{j=1}{\overset{4}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{wc}}_{\mathrm{ij}}*I_j---\left(1\right)$

其中i∈[1,N]，N表示参与频段分配竞争的用户总数，j表示影响参数的编号，DF(i)表示第i个用户的分配因子，wc_ij表示第i个用户在第j个参数下的分配到的加权系数，I_j表示参数j相对于其他参数的重要程度；wc_ij表示为：

其中P_ij表示第i个用户在第j个参数下的参数值；

且I_j满足：

$\underset{j=1}{\overset{4}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I}_j=\mathrm{1,0}<I_j<1---\left(3\right).$

11.根据权利要求8所述的用于电力系统的MAC协议实现方法，其特征在于：所述步骤3中，多参量目标频段切换包括的基本属性包括目标频段历史使用统计率、目标频段可用带宽大小、目标频段干扰情况、业务与频谱特性匹配程度、系统延时以及信号强度；

通过所述基本属性评价频段的效用，有：

$\mathrm{FBU}\left(k\right)=\underset{l=1}{\overset{6}{\mathrm{\&Sigma;}}}{w}_l{F}_{\mathrm{kl}}---\left(4\right)$

其中，k表示候选可用频段的编号；l表示基本属性的编号；FBU(k)表示第k个候选可用频段的效用函数值；w_l表示基本属性之间的重要程度加权系数，F_kl表示判决属性值；

通过采用1～9标度方法，构建基本属性之间的重要程度矩阵，再进行归一化处理，进而得到基本属性之间的重要程度加权系数w_l，w_l表示为：

其中，表示任意两个基本属性之间的相对重要程度。

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