CN104113847B - 一种电力认知无线网络的频率分配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电力认知无线网络的频率分配方法，电力认知无线网络包括电力认知基站、电力认知节点以及认知协调中心，所述频率分配方法针对电力认知基站、电力认知节点且基于公平性和频率利用率实现。电力认知无线网络可利用的频率资源来源于电力McWiLL通信网络、电力WiMax通信网络、电力230MHz专网中以及公共免费ISM频段的其中之一网络或多个网络中的空闲频率资源。该方法不仅考虑到电力应用条件下的认知节点的接入公平性，还提供频率利用率高的分配算法，满足更多节点的接入需求，实现频率资源分配公平基础上的高效利用。
Description
技术领域
本发明涉及一种电力系统通信技术的分配方法，具体涉及一种电力认知无线网络的频率分配方法。
背景技术
电力无线通信网络作为电力有线通信网络的重要补充，是智能电网通信网络的重要组成部分，在智能电网的发展历程中发挥了重要作用。频率资源短缺是限制无线通信技术发展的重要因素，电力行业虽有专用的230MHz频段的部分频点，但也不能完全满足现有业务数据无线传输的需求，频率资源短缺也限制了其通信系统性能。而认知无线电网络通过频率感知技术，机会式利用授权节点暂时未用的空闲频率，可有效提高频率利用率，这给解决电力无线通信频率资源短缺的问题带来了新的机会。目前电力系统已经建设了一些无线通信系统，比如电力McWiLL通信系统、电力WiMax通信系统、电力230MHz专网，以及利用可免费使用的公共免费频段(Industrial Scientific Medical Band，ISM频段)建设的局域网等，而由于电力业务数据的传输特点，目前系统所接入的节点不会一直占用频率资源，所以现有系统所拥有的频率可进行重复利用，但同时要保证现有系统里节点接入的优先性，也即在不对原有系统的授权节点造成干扰的情况下，可利用认知无线电技术进行机会式频率使用，这可以在一定程度上缓解电力无线频段短缺的现状，而且提高了频率资源利用率。
提高频率资源利用率的主要途径之一是在有限频率条件下接入更多的节点，而由于电力不同业务的特征，不同用户待传输的业务数据因为重要程度不同会有不同的接入优先级需求，而认知网络下的认知用户都具有公平接入的权利，所以接入管理需考虑公平性。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种电力认知无线网络的频率分配方法，该方法不仅考虑到电力应用条件下的接入公平性，还提供频率利用率高的分配算法，满足更多节点的接入需求，实现频率资源分配公平基础上的高效利用。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
本发明提供一种电力认知无线网络的频率分配方法，其改进之处在于，所述电力认知无线网络包括电力认知基站、电力认知节点以及认知协调中心，所述频率分配方法针对电力认知基站、电力认知节点且基于公平性和频率利用率实现。
进一步地，所述电力认知基站负责其覆盖区域范围内的无线管理，包括对认知用户的控制和管理、认知结果的融合判决、动态频率资源的分配和频率切换管理；所述电力认知节点负责对其所属区域的无线环境进行主动感知以及接受电力认知基站的命令执行的被动感知，以及执行电力认知基站发出的频率分配命令，在分配的频段上进行无线传输；认知协调中心负责不同电力认知无线网络之间的协商管理。
进一步地，电力认知无线网络可利用的频率资源来源于电力McWiLL通信网络、电力WiMax通信网络、电力230MHz专网以及公共免费ISM频段的其中之一网络或多个网络中的空闲频率资源。
进一步地，表示公平性的电力认知节点接入优先级影响参数包括重要性、急迫性和饥饿性，其定义为：接入优先级＝重要性*急迫性*饥饿性；其中重要性是指电力认知节点待传输数据的重要程度；急迫性是指电力认知节点待传输数据的急切程度；饥饿性是指电力认知节点提出接入请求而不被满足的程度；频率利用率是指在一定时间内(比如一天24小时)一定频段范围内的频率(比如900MHz范围内的一个频段)被使用的频次比例。
进一步地，由电力认知基站和电力认知节点互动协作的电力认知无线网络的频率分配流程包括下述步骤：
(1)电力认知基站对所管理的频段进行分类，分为三类：经常不被使用的频段、偶尔会使用的频段和经常使用的频段；
(2)电力认知基站根据历史统计动态更新分类情况(分类是(1)中提到的三类频段，也即经常不被使用的频段、偶尔会使用的频段、经常使用的频段)，向电力认知节点发送目标感知频段的命令，由电力认知节点根据命令执行分类频率感知；
(3)参与感知的电力认知节点将感知结果和预估的传输需求请求一并反馈给电力认知基站；
(4)电力认知基站对感知结果进行融合并做出判决；
(5)电力认知基站根据感知融合判决结果对可用空闲频带质量进行预先估计，并据此选取调制方式(调制方式包括QPSK\8PSK\16QAM\64QAM)；
(6)确定可用空闲频带的传输能力；
(7)开始处理不同电力认知节点的接入需求；
(8)根据频率利用率最大化的原则，进行频带分配，并将结果发送给目标电力认知节点；
(9)电力认知节点执行频率分配的命令。
进一步地，所述步骤(1)中，电力认知基站对所管理的频段分为三类：频率利用率低于20％的频段被称为经常不被使用的频段、频率利用率高于20％且低于50％的频段被称为偶尔会使用的频段以及频率利用率高于50％的频段被称为经常使用的频段。
进一步地，高效频率利用的所述频率分配的方法包括下述步骤：
第一步：判断已感知到的空闲频带是否能够满足电力认知节点的无线接入请求，如果能，进入第二步，否则，降低电力认知节点要求，直至空闲频带的能力能够满足电力认知节点的要求；
第二步：判断是否存在多个空闲频带满足认知节点的接入需求，如果只有一个频带满足，执行分配，否则，进入第三步；
第三步：判断是否存在近似匹配的频带(“也即节点需求传输容量和信道能提供最大容量的差值在一个极小范围内(这个极小值由基站进行灵活配置)”，极小值可以由基站进行灵活调整，一般认为，电力认知节点需求传输容量与信道能提供最大容量的比值在90％以上称为近似匹配)，如果否，则进入步骤(3-1)；如果是，则进入步骤(3-2)；
(3-1)：选取匹配度最高的聚合频带，判断是否存在多个满足条件的频带，如果否，执行分配，如果存在多个，随机选取其中一个，执行分配；
(3-2)：存在近似匹配的频带，进入第四步；
第四步：判断是否存在多种近似匹配的频带，如果存在进入步骤(4-1)，如果不存在进入步骤(4-2)；
第五步：频率分配结束。
进一步地，所述步骤(4-1)为：判断是否有连续频带，如果是，进入(4-1-1)，如果否，进入(4-1-2)；
(4-1-1)：判断是否有多个连续频带，如果有多个，随机选择其中一个，执行分配，如果只有一个，直接执行分配；
(4-1-2)：查看是否有多个接入需求，如果是，选取匹配度最高的频带使用，执行分配，如果否，选取最大传输能力的频带使用，执行分配；
所述步骤(4-2)为：只有一种近似匹配的频段，判断是否有连续频带，如果有，执行分配，如果没有，进入(4-2-1)；
(4-2-1)：查看是否有多个接入需求，如果是，选取匹配度最高的频带使用，执行分配，如果否，选取最大传输能力的频带使用，执行分配。
与现有技术比，本发明达到的有益效果是：
1、本发明考虑到现有电力无线网络的建设现状和特点，提出了具有电力特点的电力认知无线网络架构；
2、本发明综合考虑频率利用率和接入公平性的因素，提出了基于两者的频率分配算法，弥补单一参考因素的分配方法的不足；
3、本发明在综合电力业务数据的特点并结合公平性的原则下，定义适用于电力行业特点的接入优先级，并给出了接入优先级的影响参数和计算方法；
4、本发明提供了一种频率利用率最大化的分配方法，该方法在满足公平性的基础上，不仅考虑目标频段的可用带宽，还考虑了目标频段的信道质量及传输能力，能够满足更多用户接入，提高频率资源利用率。
附图说明
图1是本发明提供的电力认知无线网络系统架构图；
图2是本发明提供的接入优先级影响因素示意图；
图3是本发明提供的电力认知无线网络频率分配流程图；
图4是本发明提供的频率分配方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
本发明定义的电力认知无线网络的系统架构图如图1所示。电力认知无线网络包括电力认知基站、电力认知节点以及认知协调中心，其可用的频率资源可来源于电力McWiLL通信网络、电力WiMax通信网络、电力230MHz专网以及ISM频段(如WiFi网络)的其中之一网络或多个网络中的空闲频率资源。图中电力认知基站负责其覆盖区域范围内的无线管理，包括对认知用户的控制和管理、认知结果的融合判决、动态频率资源的分配、频率切换管理等等；图中的电力认知节点负责对其所属区域的无线环境进行主动感知以及接受电力认知基站的命令执行的被动感知，并将感知结果发送给电力认知基站，由基站判决和分配后，执行基站发出的频率分配命令，在分配的频段上进行无线传输；认知协调中心负责不同电力认知无线网络之间的协商管理。
考虑到电力系统有多种业务类型，不同类型的业务数据对通信质量(时延、误码率等)有不同要求，也即每个节点具有不同的接入优先等级要求，同时，因为认知网络内的认知节点具有公平接入的权利，频率分配也需同时考虑公平性因素，考虑到电力数据的特点，不能保证所有接入需求机会完全均等。接入优先级可反映公平性，结合电力业务的特点，并结合公平性的原则，定义适用于电力行业特点的接入优先级，下面参见图2来说明接入优先级的计算方法。接入优先级的影响参数主要包括三个参数：重要性、急迫性和饥饿性。其中，重要性是指认知节点待传输数据的重要程度，比如有些业务数据的时延性要求较高；急迫性是指认知节点待传输数据的急切程度，比如出现的突发数据接入请求；饥饿性是指认知节点多次提出接入请求而不被满足的程度。综合以上分析结果，定义认知节点接入优先级：
接入优先级＝重要性*急迫性*饥饿性
本发明假设认知节点都能够得到正确的频率感知结果，电力认知基站对感知结果进行集中式融合，并据此进行频率分配。一个典型的由认知基站和认知节点参与的频率分配流程图如图3所示。
由电力认知基站和电力认知节点互动协作的电力认知无线网络的频率分配流程包括下述步骤：
(1)电力认知基站对所管理的频段进行分类；
考虑到电力无线通信主要传输次等重要数据，比如环境监测类数据、电力设施温度、状态等信息，发生突变情况不多(比如雷击、温度突升等情况)，传输频次不高，一般都是以分钟级别为周期传输，有的数据以小时为周期传输，鉴于此情况，可将可用频段分为三类：使用频次百分比低于20％的频段被称为经常不被使用的频段、使用频次百分比高于20％且低于50％的频段被称为偶尔会使用的频段；使用频次百分比高于50％的频段被称为经常使用的频段，这里的使用频次百分比是指该频段(原有电力通信系统基站管理频率的一部分)在一天内被使用的次数占该基站所有频率被使用次数和的比例。不同频率类别具有不同的感知优先级，也即感知顺序，其目的是提高感知效率、缩短感知时间。
(2)电力认知基站根据历史统计动态更新分类情况(这里的分类是(1)中提到的三类频段，也即经常不被使用的频段、偶尔会使用的频段、经常使用的频段)，向电力认知节点发送目标感知频段的命令，由电力认知节点根据命令执行分类频率感知；
(3)参与感知的电力认知节点将感知结果和预估的传输需求请求一并反馈给电力认知基站；
(4)电力认知基站对感知结果进行融合并做出判决；
(5)电力认知基站根据感知融合判决结果对可用空闲频带质量进行预先估计，并据此选取调制方式(调制方式包括QPSK\8PSK\16QAM\64QAM)，；
(6)确定可用空闲频带的传输能力；
(7)开始处理不同电力认知节点的接入需求；
(8)根据频率利用率最大化的原则，进行频带分配，并将结果发送给目标电力认知节点；
(9)电力认知节点执行频率分配的结果。
为实现频率利用率最大化的频率分配，本发明提出了如图4所示的分配方法。
为方便理解，本发明下文提到的几个名词定义如下：近似匹配是指接入请求与目标频段传输能力高度匹配的情况，也即节点需求传输容量和信道能提供最大容量的差值在一个极小范围内(这个极小值由基站进行灵活配置，一般来说，电力认知节点需求传输容量与信道能提供最大容量的比值在90％以上称为近似匹配)，考虑到实际应用场景，一般来说，信道容量要大于节点的需求容量。比如，某个认知节点提出5Mbit/s的传输速率请求，而认知基站通过频谱感知，感知到一个带宽为0.125MHz的空闲连续频段，且感知到的目标空闲频带质量较好，可选择16QAM的调制方式，假设系统信噪比为1000(30dB)，根据香农容量公式，目标频段的近似传输容量是0.125*10*4＝5Mbit/s，传输速率需求和信道容量之间能够高度近似匹配。在没有连续频段满足需求的情况，通过聚合方式也可满足此需求，假如可用空闲频带宽度分别为0.05MHz和0.15MHz，频带的调制方式分别是16QAM和QPSK，信噪比也为1000，则聚合带宽所能承载的近似信道容量为(4*0.05*10+2*0.15*10)＝5Mbit/s；聚合频带是指通过聚合的方式将离散的频带联合起来提供给同一认知节点使用，连续频带是指空闲目标频段是一段连续的频带，没有断点。高效的频率利用分配方法步骤如下：
第一步，判断已感知到的空闲频带是否能够满足认知节点的无线接入请求，如果能，进入第二步，否则，降低认知节点通信要求，直至空闲频带的能力能够满足认知节点的要求；
第二步，判断是否存在多个空闲频带满足认知节点的接入需求，如果只有一个频带满足，执行分配，否则，进入第三步；
第三步，判断是否存在近似匹配的频带，如果否，进入步骤3-1，如果是，进入步骤3-2；
步骤3-1，选取匹配度最高的聚合频带，判断是否存在多个满足条件的频带，如果否，执行分配，如果存在多个，随机选取其中一个，执行分配；
步骤3-2，存在近似匹配的频带，进入第四步；
第四步，判断是否存在多种近似匹配的频带，如果存在进入步骤4-1，如果不存在进入步骤4-2；
步骤4-1，判断是否有连续频带，如果是，进入步骤4-1-1，如果否，进入步骤4-1-2；
步骤4-1-1，判断是否有多个连续频带，如果有多个，随机选择其中一个，执行分配，如果只有一个，直接执行分配；
步骤4-1-2，查看是否有多个接入需求，如果是，选取匹配度最高的频带使用，执行分配，如果否，选取最大传输能力的频带使用，执行分配；
步骤4-2，只有一种近似匹配的频段，判断是否有连续频带，如果有，执行分配，如果没有，进入步骤4-2-1；
步骤4-2-1，执行与4-1-2同样的顺序流程。
第五步，频率分配结束。
本发明提供的电力认知无线网络的频率分配方法，综合考虑频率利用率和接入公平性的因素，提出了基于两者的频率分配算法，弥补单一参考因素的分配方法的不足，该方法在满足公平性的基础上，不仅考虑目标频段的可用带宽，还考虑了目标频段的信道质量及传输能力，能够满足更多用户接入，提高频率资源利用率。
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 (4)
1.一种电力认知无线网络的频率分配方法，其特征在于，所述电力认知无线网络包括电力认知基站、电力认知节点以及认知协调中心，所述频率分配方法针对电力认知基站和电力认知节点且基于公平性和频率利用率实现；
由电力认知基站和电力认知节点互动协作的电力认知无线网络的频率分配流程包括下述步骤：
(1)电力认知基站对所管理的频段进行分类，分为三类：经常不被使用的频段、偶尔会使用的频段和经常使用的频段；
(2)电力认知基站根据历史统计动态更新分类情况，向电力认知节点发送目标感知频段的命令，由电力认知节点根据命令执行分类频率感知；
(3)参与感知的电力认知节点将感知结果和预估的传输需求一并反馈给电力认知基站；
(4)电力认知基站对感知结果进行融合并做出判决；
(5)电力认知基站根据感知融合判决结果对可用空闲频带质量进行预先估计，并据此选取调制方式；
(6)确定可用空闲频带的传输能力；
(7)开始处理不同电力认知节点的接入需求；
(8)根据频率利用率最大化的原则，进行频带分配，并将结果发送给目标电力认知节点；
(9)电力认知节点执行频率分配的命令；
所述步骤(1)中，电力认知基站对所管理的频段分为三类：频率利用率低于20％的频段被称为经常不被使用的频段、频率利用率高于20％且低于50％的频段被称为偶尔会使用的频段以及频率利用率高于50％的频段被称为经常使用的频段；
高效频率利用的所述频率分配的方法包括下述步骤：
第一步：判断已感知到的空闲频带是否能够满足电力认知节点的接入需求，如果能，进入第二步，否则，降低电力认知节点要求，直至空闲频带的传输能力能够满足电力认知节点的要求；
第二步：判断是否存在多个空闲频带满足认知节点的接入需求，如果只有一个频带满足，执行分配，否则，进入第三步；
第三步：判断是否存在近似匹配的频带，如果否，则进入步骤(3-1)；如果是，则进入步骤(3-2)；
(3-1)：选取匹配度最高的聚合频带，判断是否存在多个满足条件的频带，如果否，执行分配，如果存在多个，随机选取其中一个，执行分配；
(3-2)：存在近似匹配的频带，进入第四步；
第四步：判断是否存在多种近似匹配的频带，如果存在进入步骤(4-1)，如果不存在进入步骤(4-2)；所述步骤(4-1)为：判断是否有连续频带，如果是，进入(4-1-1)，如果否，进入(4-1-2)；
(4-1-1)：判断是否有多个连续频带，如果有多个，随机选择其中一个，执行分配，如果只有一个，直接执行分配；
(4-1-2)：查看是否有多个节点的接入需求，如果是，选取匹配度最高的频带使用，执行分配，如果否，选取最大传输能力的频带使用，执行分配；
所述步骤(4-2)为：只有一种近似匹配的频段，判断是否有连续频带，如果有，执行分配，如果没有，进入(4-2-1)；
(4-2-1)：查看是否有多个节点的接入需求，如果是，选取匹配度最高的频带使用，执行分配，如果否，选取最大传输能力的频带使用，执行分配；
第五步：频率分配结束；
近似匹配是指节点的接入需求与目标频段传输能力高度匹配的情况，也即节点的传输需求容量和信道能提供最大容量的差值在一个极小范围内；所述极小范围由基站进行灵活配置，电力认知节点的传输需求容量与信道能提供最大容量的比值在90％以上称为近似匹配。
2.如权利要求1所述的频率分配方法，其特征在于，所述电力认知基站负责其覆盖区域范围内的无线管理，包括对认知节点的控制和管理、认知结果的融合判决、动态频率资源的分配和频率切换管理；所述电力认知节点负责对其所属区域的无线环境进行主动感知以及接受电力认知基站的命令执行的被动感知，以及执行电力认知基站发出的频率分配命令，在分配的频段上进行无线传输；认知协调中心负责不同电力认知无线网络之间的协商管理。
3.如权利要求1所述的频率分配方法，其特征在于，电力认知无线网络可利用的频率资源来源于电力McWiLL通信网络、电力WiMax通信网络、电力230MHz专网以及公共免费ISM频段的其中之一网络或多个网络中的空闲频率资源。
4.如权利要求1所述的频率分配方法，其特征在于，表示公平性的电力认知节点接入优先级影响参数包括重要性、急迫性和饥饿性，其定义为：接入优先级＝重要性*急迫性*饥饿性；其中重要性是指电力认知节点待传输数据的重要程度；急迫性是指电力认知节点待传输数据的急切程度；饥饿性是指电力认知节点提出接入需求而不被满足的程度；频率利用率是指在一定时间内一定频段范围内的频率被使用的频次比例。
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