CN104468000B - 一种电力光载无线通信系统的频谱感知方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电力光载无线通信系统的频谱感知方法，电力光载无线通信系统包括电力专用的基带单元、远端单元和通信终端；方法包括以下步骤：远端单元和通信终端执行独立频谱感知，为协作频谱感知提供基础数据；执行远端单元侧的第一级协作；若第一级协作不能确定目标感知频段是否空闲，执行基带单元侧的第二级协作。本发明提供的电力光载无线通信系统的频谱感知方法，结合电力光载无线通信系统的架构特点和实际应用场景特点，并采用粗略检测和精细检测结合，具有降低感知功耗、提高感知准确度、缩短感知时间等优点。

Description

一种电力光载无线通信系统的频谱感知方法

技术领域

本发明涉及一种感知方法，具体涉及一种电力光载无线通信系统的频谱感知方法。

背景技术

因为电力系统的特殊性，对通信传输安全性、可靠性、实时性等都有着严格的要求，且利用电网发展通信具有特殊优势，我国很早就建立了电力专用通信网。随着电力通信网络建设的不断推进，电力系统已经拥有的丰富的光缆资源，各级光纤通信网络实现了互联互通，为电网事业的发展提供了重要支撑作用。而由于电网网架结构的覆盖范围广、接入节点多等特点，还存在光纤资源无法到达的地区，从经济性、复杂性、建设周期等方面考虑，无线通信技术是解决这类地区通信问题的有效手段。

电力光载无线通信系统是在智能电网广域测量、海量信息传输与处理、灵活互动的需求背景下提出，该系统利用电力已有的光纤资源和专用的无线频段，建设电力专用无线通信接入网络。

电力光载无线通信系统是面向电力系统应用的专用通信系统，可充分利用已有的光纤资源，同时利用无线技术延伸通信范围，发挥两种通信方式的优势，具有重要的应用意义。电力系统光纤资源丰富，不存在资源短缺等问题，而无线频率由于其本身的不可再生性，且电力专用无线频段资源较少，存在资源匮乏等问题，在现有的频率资源分配准则局限下，需充分利用已有的频率资源，提高频率资源利用率，同时提升系统抗干扰水平，保证无线传输性能。

认知无线电(Cognitive radio，CR)利用频率感知技术可及时发现空闲频率并在遵守一定准则的条件下进行使用，可有效提高频率利用率，缓解频率资源匮乏的现状。频谱感知技术是整个认知无线电技术的基础，现阶段比较关注的是无线频谱环境的感知，如频谱的利用情况，然后在此基础上实现对参数的配置和对无线资源的管理。频谱感知的目的就是找出在时域、频域、空域上的空闲的频谱，发现频谱空穴，使非授权用户能够发现授权频段内的空闲频谱资源加以利用。为了不对授权用户的使用造成干扰，感知用户在传输的过程中要周期性快速地进行感知检测，一旦发现授权用户的出现就要及时释放占用的资源供授权用户使用，以免对授权用户的使用造成干扰。

采用频谱感知技术，可及时感知通信频段的性能，及时调整系统使用频段，具有更好的传输性能，同时，利用频谱感知技术，还可及时发现各类频段的干扰情况，有助于规避干扰。频谱感知方法性能将直接影响到系统的性能，快速、准确的频谱感知方法具有十分重要的意义。为提高频谱感知的准确性，协作频谱感知得到了大量研究。

现有的协作频谱感知算法都侧重于理论技术研究，很少考虑到具体的应用场景。由于电力系统本身的特殊性，应用于电力系统的通信技术需考虑特殊应用场景下的应用方式。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种电力光载无线通信系统的频谱感知方法，结合电力光载无线通信系统的架构特点和实际应用场景特点，并采用粗略检测和精细检测结合，具有降低感知功耗、提高感知准确度、缩短感知时间等优点。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明提供一种电力光载无线通信系统的频谱感知方法，所述电力光载无线通信系统包括基带单元、远端单元和通信终端；所述方法包括以下步骤：

步骤1：远端单元和通信终端执行独立频谱感知，为协作频谱感知提供基础数据；

步骤2：执行远端单元侧的第一级协作；

步骤3：若第一级协作不能确定目标感知频段是否空闲，执行基带单元侧的第二级协作。

所述步骤1中，独立频谱感知采用粗略检测阶段和精细检测阶段分别进行感知，具体包括以下步骤：

步骤1-1：在粗略检测阶段，采用单门限判决的方式进行检测；

步骤1-2：在精细检测阶段，采用双门限判决的方式进行检测。

所述步骤1-1中，远端单元和通信终端选取感知周期内的部分采样样本进行能量计算并判决，判决目标感知频段不空闲的远端单元和通信终端将不执行精细检测，并不发送任何数据，在粗略检测中判决目标感知频段空闲的远端单元或通信终端将执行精细检测。

所述步骤1-2中，远端单元和通信终端选取感知周期内的剩余的部分采样样本进行能量计算并判决，精细检测阶段的判决结果与粗略检测阶段的判决结果进行与逻辑运算，只有粗略检测阶段和精细检测阶段的结果一致，才做出最终判决，并将最终判决结果发送给远端单元，否则认为目标感知频段不可用，也不发送最终判决结果给远端单元。

所述步骤2具体包括以下步骤：

步骤2-1：收集每个远端单元和其所关联的通信终端执行独立频谱感知的最终判决结果；

步骤2-2：远端单元对最终判决结果采用K/N准则进行集中式硬判决融合，即当参与合作的N个感知用户中有K个用户支持某判决时，最终结果就判为该判决；有：

其中，FR表示融合结果，FR＝1表示目标感知频段不空闲，也即不能使用；FR＝0表示目标感知频段空闲，可以使用，不判决表示判决条件不足，不能做出最终判决；0＜K＜N；

步骤2-3：如果远端单元能够做出最终判决，远端单元根据最终判决结果，调整关联的通信终端的工作参数；如果远端单元不能做出判决，则进入基带单元侧的第二级协作。

所述步骤3具体包括以下步骤：

步骤3-1：远端单元将其自身及所属区域的各通信终端的最终判决结果发送给基带单元；

步骤3-2：基带单元发送执行频谱感知命令给该远端单元相邻的远端单元，并由相邻的远端单元告知所关联的通信终端执行频谱感知命令；

步骤3-3：相邻的远端单元及所关联的通信终端将最终判决结果发送给基带单元进行集中式硬判决融合；

步骤3-4：基带单元采用K/N准则做出目标感知频段是否空闲的判决，如果能做出最终判决，将最终判决结果传送给远端单元；如果不能做出最终判决，则认为目标感知频段不可用，并反馈信息给远端单元。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.结合电力光载无线通信系统的架构特点和实际应用场景特点，提出的适应电力系统应用的分级协作频谱感知方法，具有感知灵活、快速、准确等优点；

2.本发明提出的适应电力光载无线通信系统的感知方法，采用粗略检测和精细检测结合，具有降低感知功耗、提高感知准确度、缩短感知时间等优点。

附图说明

图1是本发明实施例中电力光载无线通信系统结构图；

图2是本发明实施例中远端单元和通信终端执行独立频谱感知示意图。

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，电力光载无线通信系统由电力专用的基带单元(Base band Unit，BBU)、远端单元(Radio Remote Unit，RRU)和通信终端(Customer Premise Equipment，CPE)组成，其中基带单元主要完成基带处理(编码、复用、调制及扩频等)、信令处理、本地和远程维护配置等功能；远端单元主要完成光电转换、无线信号发射和接收等功能，两者之间通过光纤连接，具有分布式的特点，可以根据电网网架结构灵活部署，降低维护成本，提高效率；远端单元和通信终端通过电力专用频段进行无线通信，可以减少频率资源竞争，提高抗干扰能力，保证通信传输的安全；该系统可充分利用电力已有的光纤资源，保证传输速率，提高资源利用率；适应电网网架结构，可灵活快捷部署；实现无线通信广域覆盖，满足更多业务的传输需求。

考虑到电力通信系统的应用场景，尤其在输电环节下，通信装置的供电一直都是难题，常规条件下都采用清洁能源方式供电，所以降低通信装置功耗一直都是通信技术研究的重点。本发明提供一种电力光载无线通信系统的频谱感知方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：远端单元和通信终端执行独立频谱感知，为协作频谱感知提供基础数据；

步骤2：执行远端单元侧的第一级协作；

步骤3：若第一级协作不能确定目标感知频段是否空闲，执行基带单元侧的第二级协作。

所述步骤1中，独立频谱感知采用粗略检测阶段和精细检测阶段分别进行感知，具体包括以下步骤：

步骤1-1：在粗略检测阶段，采用单门限判决的方式进行检测；

步骤1-2：在精细检测阶段，采用双门限判决的方式进行检测。

所述步骤1-1中，远端单元和通信终端选取感知周期内的部分采样样本进行能量计算并判决，判决目标感知频段不空闲的远端单元和通信终端将不执行精细检测，并不发送任何数据，在粗略检测中判决目标感知频段空闲的远端单元或通信终端将执行精细检测。

所述步骤1-2中，远端单元和通信终端选取感知周期内的剩余的部分采样样本进行能量计算并判决，精细检测阶段的判决结果与粗略检测阶段的判决结果进行与逻辑运算，只有粗略检测阶段和精细检测阶段的结果一致，才做出最终判决，并将最终判决结果发送给远端单元，否则认为目标感知频段不可用，也不发送最终判决结果给远端单元。

为进一步说明独立频谱感知方法，下面将对该方法进行详细介绍，如图2所示。

给定一固定时间帧，包括感知时间和传输时间两个部分。很明显，感知时间和传输时间需要进行折中。感知时间越长，准确度越高，但传输时间就越少，感知时间越短，传输时间越多，但准确度不高。为提高感知效率，感知阶段采用两阶段的检测方法，也即粗略检测和精细检测，考虑到能量检测的频谱感知方法具有方便快捷、复杂度不高、不需要先验信息等特点，本发明中执行频谱感知的远端单元和通信终端都采用能量计算的方法，采用以下公式计算能量：

$\left\{\begin{array}{cc}Y=\frac{1}{M}\stackrel{M}{\mathrm{\&Sigma;}}{\left|x\left(m\right)\right|}^2>\mathrm{\&lambda;}& H_1\\ Y=\frac{1}{M}\stackrel{M}{\mathrm{\&Sigma;}}{\left|x\left(m\right)\right|}^2<\mathrm{\&lambda;}& H_0\end{array}\right.$

其中，M表示抽样样本总数，λ表示判决门限，H₁表示目标感知频段不空闲，H₀表示目标感知频段空闲。

在粗略检测阶段，采用单门限的方式进行检测。远端单元和通信终端选取感知周期内的部分采样样本进行能量计算并判决，这样的目的是，可以快速做出粗略估计，有利于快速检测。

${\mathrm{DS}1}_i=\left\{\begin{array}{c}1,Y_{1,i}\text{>}{\mathrm{\&lambda;}}_1\\ 0,Y_{1,i}<{\mathrm{\&lambda;}}_1\end{array}\right.$

其中，DS1_i表示在粗略检测阶段第i个节点的判决结果，Y_1,i表示第i个用户使用部分样本计算的能量统计量，这里选取部分样本是因为在感知周期内同一信号采样的样本之间存在相关性，使用部分样本计算，不失信号特征，还有助于快速判决，λ₁表示粗略检测阶段的判决门限。在粗略检测中判决目标频段空闲的远端单元和通信终端将执行细检，其目的是对粗略检测中的感知结果进行进一步确认，提高检测的准确性，防止对正在传输的用户造成干扰。在粗略检测中判决目标频段不空闲的远端单元和通信终端不执行细检，也不发送任何数据。

在精细检测阶段，采用双门限的方式进行检测，其目的是，做出更准确的检测。

其中，DS2_i表示在精细检测阶段第i个节点的判决结果，Y_2,i表示剩余未计算样本的统计量，λ₂表示判决目标感知频段用户存在的下限，λ₃表示判决目标感知频段用户不存在的上限。

远端单元和通信终端选取采样周期内的剩余的部分采样样本进行能量计算并判决，精细检测阶段的判决结果将和粗略检测阶段的判决结果进行与逻辑运算，只有两阶段的结果一致，才做出最终判决，并将最终判决结果发送给远端单元，否则，认为目标感知频段不可用，不发送最终判决结果给远端单元。

所述步骤2具体包括以下步骤：

步骤2-1：收集每个远端单元和其所关联的通信终端执行独立频谱感知的最终判决结果；

步骤2-2：远端单元对最终判决结果采用K/N准则进行集中式硬判决融合，即当参与合作的N个感知用户中有K个用户支持某判决时，最终结果就判为该判决；有：

其中，FR表示融合结果，FR＝1表示目标感知频段不空闲，也即不能使用；FR＝0表示目标感知频段空闲，可以使用，不判决表示判决条件不足，不能做出最终判决；0＜K＜N；

步骤2-3：如果远端单元能够做出最终判决，远端单元根据最终判决结果，调整关联的通信终端的工作参数；如果远端单元不能做出判决，则进入基带单元侧的第二级协作。

所述步骤3具体包括以下步骤：

步骤3-1：远端单元将其自身及所属区域的各通信终端的最终判决结果发送给基带单元；

步骤3-2：基带单元发送执行频谱感知命令给该远端单元相邻的远端单元，并由相邻的远端单元告知所关联的通信终端执行频谱感知命令；

步骤3-3：相邻的远端单元及所关联的通信终端将最终判决结果发送给基带单元进行集中式硬判决融合；

步骤3-4：基带单元采用K/N准则做出目标感知频段是否空闲的判决，如果能做出最终判决，将最终判决结果传送给远端单元；如果不能做出最终判决，则认为目标感知频段不可用，并反馈信息给远端单元。如果最终判决结果表示目标感知频段空闲可进行使用时，为避免误判误检的情况，进一步降低冲突风险，先进行低速传输，没有出现丢包、阻塞等数据传输冲突时，转换到高速传输。

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，所属领域的普通技术人员参照上述实施例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，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (1)

1.一种电力光载无线通信系统的频谱感知方法，所述电力光载无线通信系统包括基带单元、远端单元和通信终端；其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤1：远端单元和通信终端执行独立频谱感知，为协作频谱感知提供基础数据；

步骤2：执行远端单元侧的第一级协作；

步骤3：若第一级协作不能确定目标感知频段是否空闲，执行基带单元侧的第二级协作；

所述步骤1中，独立频谱感知采用粗略检测阶段和精细检测阶段分别进行感知，具体包括以下步骤：

步骤1-1：在粗略检测阶段，采用单门限判决的方式进行检测；

步骤1-2：在精细检测阶段，采用双门限判决的方式进行检测；

所述步骤1-1中，远端单元和通信终端选取感知周期内的部分采样样本进行能量计算并判决，判决目标感知频段不空闲的远端单元和通信终端将不执行精细检测，并不发送任何数据，在粗略检测中判决目标感知频段空闲的远端单元或通信终端将执行精细检测；

所述步骤1-2中，远端单元和通信终端选取感知周期内的剩余的部分采样样本进行能量计算并判决，精细检测阶段的判决结果与粗略检测阶段的判决结果进行与逻辑运算，只有粗略检测阶段和精细检测阶段的结果一致，才做出最终判决，并将最终判决结果发送给远端单元，否则认为目标感知频段不可用，也不发送最终判决结果给远端单元；

所述步骤2具体包括以下步骤：

步骤2-1：收集每个远端单元和其所关联的通信终端执行独立频谱感知的最终判决结果；

步骤2-2：远端单元对最终判决结果采用K/N准则进行集中式硬判决融合，即当参与合作的N个感知用户中有K个用户支持某判决时，最终结果就判为该判决；有：

其中，FR表示融合结果，FR＝1表示目标感知频段不空闲，也即不能使用；FR＝0表示目标感知频段空闲，可以使用，不判决表示判决条件不足，不能做出最终判决；0＜K＜N；

步骤2-3：如果远端单元能够做出最终判决，远端单元根据最终判决结果，调整关联的通信终端的工作参数；如果远端单元不能做出判决，则进入基带单元侧的第二级协作；

所述步骤3具体包括以下步骤：

步骤3-1：远端单元将其自身及所属区域的各通信终端的最终判决结果发送给基带单元；

步骤3-2：基带单元发送执行频谱感知命令给该远端单元相邻的远端单元，并由相邻的远端单元告知所关联的通信终端执行频谱感知命令；

步骤3-3：相邻的远端单元及所关联的通信终端将最终判决结果发送给基带单元进行集中式硬判决融合；

步骤3-4：基带单元采用K/N准则做出目标感知频段是否空闲的判决，如果能做出最终判决，将最终判决结果传送给远端单元；如果不能做出最终判决，则认为目标感知频段不可用，并反馈信息给远端单元。