CN105992225B - 一种基于电力无线专网的频谱共享方法和系统 - Google Patents
一种基于电力无线专网的频谱共享方法和系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于电力无线专网的频谱共享方法和系统，其中，该方法包括：步骤1：检测电力无线专网载波系统的空闲信道及信道质量；步骤2：采用贪心算法将步骤1中检测出的空闲信道按照信道质量从高到低进行依次排序，选取前N个信道质量最好的子信道，其中，N＝W/Δf，W为电力无线专网的可用带宽，Δf为预设的每个子信道带宽；步骤3：根据注水功率分配方法对所述N个子信道进行功率分配，以使信道容量C最大化maxC，且满足功率约束条件；步骤4：根据步骤3得出的子信道功率分配结果发送信号并计算信道容量C。本发明的基于电力无线专网的频谱共享方法和系统，能够使电力企业不再局限于固定的频点，而在确保不干扰通信时，灵活使用完整的230MHz频段。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体地，涉及一种基于电力无线专网的频谱共享方法和系统。
背景技术
无线通信技术是一种重要的电力系统接入网技术，是保障电网高效可靠运行的一项关键技术，但频谱资源的稀缺极大制约了电力无线通信技术的发展。目前，电力无线专用230MHz频段频谱效率较低，只能支持很低的传输速率，这不仅使得一些对通信质量要求较高的业务需求难以实现，也制约了智能电网新业务的发展。认知无线电的出现为解决频谱资源不足、实现频谱动态管理及提高频谱利用率开创了崭新的局面，其中，频谱共享是有效解决频谱稀缺问题的关键技术。
在现有的技术方案中，电力通信接入网一般采用租用公网资源或电力无线专网技术来实现。其中电力无线专网主要通过采用一些包括正交频分复用(OFDM)技术、多天线技术、自适应传输技术、载波聚合、中继技术等先进但也较复杂的无线传输与信号处理技术，来提高频谱效率和改善传输性能。但是根据香农定理可知，在一定系统带宽下，系统所能达到的传输速率是有上限的，在获得一定的传输性能增益的同时，也会使系统复杂度大大上升。
同时，由于在230MHz频段中，水力、地质等行业对频谱的使用率较低，在一定时间范围内，230MHz频段上往往存在着许多空闲信道，又因为无线信道具有多径时变的特性，在某一时间段内，这些空闲信道可能具有比分配给电力230MHz无线专网的信道更好的信道质量，现行电力230MHz无线专网方案往往受限于固定分配的频段，而不能充分利用这部分增益。
通过对以上现有技术的研究和实际应用环境的考虑，很容易发现现有技术存在以下缺点：
(1)现行电力无线专网的频谱使用效率较低；(2)不能充分利用国家无线电管理委员会划拨给电力、水力、地质等行业的专用频谱资源，存在频谱资源的浪费。
发明内容
为了解决现有技术中存在的电力无线专网的频谱使用率低的问题，本发明提出了一种基于电力无线专网的频谱共享方法和系统。
该方法包括：
步骤1：检测电力无线专网载波系统的空闲信道及信道质量；
步骤2：采用贪心算法将步骤1中检测出的空闲信道按照信道质量从高到低进行依次排序，选取前N个信道质量最好的子信道，其中，N＝W/Δf，W为电力无线专网的可用带宽，Δf为预设的每个子信道带宽；
步骤3：根据注水功率分配方法对所述N个子信道进行功率分配，以使信道容量C最大化maxC，且满足功率约束条件；
步骤4：根据步骤3得出的子信道功率分配结果发送信号并计算信道容量C。
本发明的基于电力无线专网的频谱共享方法，能够使电力企业不再局限于固定的频点，而是在确保不干扰正在进行的通信的情况下，可以灵活使用完整的230MHz频段。不仅保证了230MHz频段用户接入的公平性，还能使电网用户能灵活地接入质量较好的空闲信道，充分利用了空闲频谱所带来的增益，大大提高了230MHz频段的频谱效率，促进高速率需求业务的实现。而且在保证公平性的前提下，充分利用230MHz特殊行业专业频道的频谱资源，避免了大量的频谱资源浪费。
该系统包括：
信道检测模块，用于检测电力无线专网载波系统的空闲信道及信道质量；
信道划分模块，用于采用贪心算法将信道检测模块检测出的空闲信道按照信道质量从高到低进行依次排序，选取前N个信道质量最好的子信道，其中，N＝W/Δf，W为电力无线专网的可用带宽，Δf为预设的每个子信道带宽；
功率分配模块，用于根据注水功率分配方法对所述N个子信道进行功率分配，以使信道容量C最大化maxC，且满足功率约束条件；
发送计算模块，用于根据功率分配模块得出的子信道功率分配结果发送信号并计算信道容量C。
本发明的基于电力无线专网的频谱共享系统，能够使电力企业不再局限于固定的频点，而是在确保不干扰正在进行的通信的情况下，可以灵活使用完整的230MHz频段。不仅保证了230MHz频段用户接入的公平性，还能使电网用户能灵活地接入质量较好的空闲信道，充分利用了空闲频谱所带来的增益，大大提高了230MHz频段的频谱效率，促进高速率需求业务的实现。而且在保证公平性的前提下，充分利用230MHz特殊行业专业频道的频谱资源，避免了大量的频谱资源浪费。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明的注水功率分配示意图；
图2为本发明实施例一的方法流程图；
图3为本发明实施例二的方法流程图；
图4为本发明实施例三的系统结构示意。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
为了解决现有技术中存在的电力无线专网的频谱使用率低的问题，本发明提出了一种基于电力无线专网的频谱共享方法和系统。
如图1所示，为本发明采用的注水功率分配法的示意图。如图1所示，实曲线表示信道带宽内，不同频率对应信噪比的倒数，实现信道容量最大化的方法类似于把水(阴影部分，即发送机平均发射功率Pav，在本发明中，发送机平均发射功率可以理解为下文的总功率PT)倒入实曲线所表示的碗中，这样得到的功率分配曲线P(f)就可以实现信道容量的最大化，这就是注水功率分配法。在本发明实施例中，P(f)是连续的功率分配函数，P(fi)为P(f)的离散化。注水功率分配方法为本领域公知的方法，在此不再赘述。
香农定理指出：理论上讲，只要实际传输速率低于信道容量，在该信道中就可以任意小的误码率来传输信息。因此，信道容量是实现可靠通信的最大传输极限。正交频分复用(OFDM)把实际信道划分成若干个子信道，这样做的好处之一就是能根据各个子信道的实际情况灵活地分配传输功率，以提高系统容量。本发明所述的OFDM系统是由一个基站和多个用户组成的，子载波数为N。系统受到一定的总功率约束，即需满足：
其中，P(fi)表示每个信道所分配的功率，PT表示所述N个子信道的总功率。根据常识可知，子信道分配功率P(fi)还需满足：
P(fi)≥0 (2)，
综上所述，本发明的OFDM系统频谱资源分配的优化目标是在满足上述两个功率约束条件下，实现系统容量(N个子信道的总容量)C最大化，即：max C，
其中，P(fi)表示每个信道所分配的功率，PT表示所述N个子信道的总功率。
上述优化问题是一个带有约束条件的优化问题，通常，对于等式约束，可采用拉格朗日乘子法求解，对于不等式约束，可采KKT(Karush-Kuhn-Tucker)条件求解，本发明中采用拉格朗日乘子法求解。
实施例一
如图2所示，本发明实施例的基于电力无线专网的频谱共享方法包括：
步骤S101：检测电力无线专网载波系统的空闲信道及信道质量；
步骤S102：采用贪心算法将步骤S101中检测出的空闲信道按照信道质量从高到低进行依次排序，选取前N个信道质量最好的子信道，其中，N＝W/Δf，W为电力无线专网的可用带宽，Δf为预设的每个子信道带宽；
贪心算法(又称贪婪算法)是指，在对问题求解时，总是做出在当前看来是最好的选择。也就是说，不从整体最优上加以考虑，他所做出的仅是在某种意义上的局部最优解。贪心算法不是对所有问题都能得到整体最优解，但对范围相当广泛的许多问题都能产生整体最优解或者是整体最优解的近似解，在此不再赘述。
通过把可用信道带宽划分为若干个较窄的子信道，使得每个子信道的传输特性能够接近理想(传输特性接近理想是指窄带信号能较好地抗多径干扰，信号衰弱较小)，即能有效地对抗多久干扰，减少信号衰减。
在本发明实施例中选取信道质量最好的前N个子信道，以便充分利用空闲频道的带宽增益，其中，N＝W/Δf个，W为电力无线专网的可用带宽，Δf为预设的每个子信道带宽，且应满足如下条件：H(f)2/N(f)在一个子信道频段内近似恒定或恒定，而且信号的发送功率满足式(3)的约束。其中，H(f)为空闲信道的传输函数，N(f)为空闲信道内存在的加性高斯白噪声(AWGN)的功率谱密度函数。
在AWGN信道中，信道容量可表示为：
其中，N0为噪声功率谱密度。
步骤S103：根据注水功率分配方法对所述N个子信道进行功率分配，以使信道容量C最大化maxC，且满足式(3)的功率约束条件。
步骤S104：根据步骤S103得出的子信道功率分配结果发送信号并计算信道容量C。
本发明的基于电力无线专网的频谱共享方法，能够使电力企业不再局限于固定的频点，而是在确保不干扰正在进行的通信的情况下，可以灵活使用完整的230MHz频段。不仅保证了230MHz频段用户接入的公平性，还能使电网用户能灵活地接入质量较好的空闲信道，充分利用了空闲频谱所带来的增益，大大提高了230MHz频段的频谱效率，促进高速率需求业务的实现。而且在保证公平性的前提下，充分利用230MHz特殊行业专业频道的频谱资源，避免了大量的频谱资源浪费。
实施例二
如图3所示，本实施例对上述步骤S103进行详细说明，包括：
步骤S201：将每个子信道的子信道容量表示为
其中，H(fi)为H(f)的离散化，N(fi)为N(f)的离散化；
在载波系统中，如果子信道的频率响应在Δf范围内为平坦衰弱，可视为Δf足够小，即可视子信道频带范围内参数(即下文的P(fi)，H(fi)，N(fi))是恒定的，则子信道容量Ci可表示为如式(5)所示。
步骤S202：根据所述子信道容量Ci将所述空闲信道的信道容量表示为
当Δf→0时，对其进行积分替代：
根据式(3)的约束条件，为了实现信道容量C的最大化，利用变分法将式(7)变换为
其中，λ为拉格朗日乘子，其值应满足式(3)的限制。
步骤S203：计算功率分配函数
其中，K为经计算得出的一个常数，f是频率。
在本发明实施例二中，当N(f)、H(f)、PT已知时，根据下式计算K：
根据式(9)计算功率分配函数P(f)，对于等效噪声很大，即的子信道不分配功率，最后可通过式(6)计算信道容量C。
本实施例二为实施例一中步骤S103的具体方法流程描述，本实施例具有实施例一的全部有益技术效果，在此不再赘述。
实施例三
如图4所示，本发明实施例的基于电力无线专网的频谱共享系统包括：
信道检测模块10，用于检测电力无线专网载波系统的空闲信道及信道质量；
信道划分模块20，用于采用贪心算法将信道检测模块检测出的空闲信道按照信道质量从高到低进行依次排序，选取前N个信道质量最好的子信道，其中，N＝W/Δf，W为电力无线专网的可用带宽，Δf为预设的每个子信道带宽；
功率分配模块30，用于根据注水功率分配方法对所述N个子信道进行功率分配，以使信道容量C最大化maxC，且满足功率约束条件；
发送计算模块40，用于根据功率分配模块得出的子信道功率分配结果发送信号并计算信道容量C。
优选的，所述功率约束条件为：
其中，P(fi)表示每个信道所分配的功率，PT表示所述N个子信道的总功率。
优选的，在所述信道划分模块预设每个子信道的带宽时，
还满足以下条件：H(f)2/N(f)在每个子信道频段内恒定，
其中，H(f)为空闲信道的传输函数，N(f)为空闲信道内存在的加性高斯白噪声的功率谱密度函数。
优选的，所述功率分配模块30具体包括：
第一表示子模块，用于将每个子信道的子信道容量表示为其中，H(fi)为H(f)的离散化，N(fi)为N(f)的离散化；
第二表示子模块，用于根据所述子信道容量Ci将所述空闲信道的信道容量表示为
当Δf→0时，对其进行积分替代：
根据所述功率约束条件和maxC，利用变分法将其变换为其中，λ为拉格朗日乘子；
功率计算子模块，用于计算功率分配函数K为经计算得出的一个常数，f是频率。
优选的，当N(f)、H(f)、PT已知时，根据下式计算K：
根据计算功率分配函数P(f)，对于等效噪声很大，即的信道不分配功率，并根据计算信道容量C。
本发明的基于电力无线专网的频谱共享系统，能够使电力企业不再局限于固定的频点，而是在确保不干扰正在进行的通信的情况下，可以灵活使用完整的230MHz频段。不仅保证了230MHz频段用户接入的公平性，还能使电网用户能灵活地接入质量较好的空闲信道，充分利用了空闲频谱所带来的增益，大大提高了230MHz频段的频谱效率，促进高速率需求业务的实现。而且在保证公平性的前提下，充分利用230MHz特殊行业专业频道的频谱资源，避免了大量的频谱资源浪费。
本发明能有多种不同形式的具体实施方式，上面以图1-图4为例结合附图对本发明的技术方案作举例说明，这并不意味着本发明所应用的具体实例只能局限在特定的流程或实施例结构中，本领域的普通技术人员应当了解，上文所提供的具体实施方案只是多种优选用法中的一些示例，任何体现本发明权利要求的实施方式均应在本发明技术方案所要求保护的范围之内。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于电力无线专网的频谱共享方法，其特征在于，包括：
步骤1：检测电力无线专网载波系统的空闲信道及信道质量；
步骤2：采用贪心算法将步骤1中检测出的空闲信道按照信道质量从高到低进行依次排序，选取前N个信道质量最好的子信道，其中，N＝W/Δf，W为电力无线专网的可用带宽，Δf为预设的每个子信道带宽；
步骤3：根据注水功率分配方法对所述N个子信道进行功率分配，以使信道容量C最大化maxC，且满足功率约束条件；
步骤4：根据步骤3得出的子信道功率分配结果发送信号并计算信道容量C；
所述步骤3具体包括：
将每个子信道的子信道容量表示为其中，H(fi)为H(f)的离散化，N(fi)为N(f)的离散化；
根据所述子信道容量Ci将所述空闲信道的信道容量表示为
当Δf→0时，对其进行积分替代：
根据所述功率约束条件和maxC，利用变分法将其变换为其中，λ为拉格朗日乘子；
计算功率分配函数K为经计算得出的一个常数，f是频率。
2.根据权利要求1所述的基于电力无线专网的频谱共享方法，其特征在于，所述功率约束条件为：
其中，P(fi)表示每个信道所分配的功率，PT表示所述N个子信道的总功率。
3.根据权利要求1所述的基于电力无线专网的频谱共享方法，其特征在于，在所述步骤2中，预设每个子信道的带宽时，
还满足以下条件：N(f)2/N(f)在每个子信道频段内恒定，其中，H(f)为空闲信道的传输函数，N(f)为空闲信道内存在的加性高斯白噪声的功率谱密度函数。
4.根据权利要求1所述的基于电力无线专网的频谱共享方法，其特征在于，当N(f)、H(f)、PT已知时，根据下式计算K：
根据计算功率分配函数P(f)，对于等效噪声很大，即的信道不分配功率，并根据计算信道容量C。
5.一种基于电力无线专网的频谱共享系统，其特征在于，包括：
信道检测模块，用于检测电力无线专网载波系统的空闲信道及信道质量；
信道划分模块，用于采用贪心算法将信道检测模块检测出的空闲信道按照信道质量从高到低进行依次排序，选取前N个信道质量最好的子信道，其中，N＝W/Δf，W为电力无线专网的可用带宽，Δf为预设的每个子信道带宽；
功率分配模块，用于根据注水功率分配方法对所述N个子信道进行功率分配，以使信道容量C最大化maxC，且满足功率约束条件；
发送计算模块，用于根据功率分配模块得出的子信道功率分配结果发送信号并计算信道容量C；
所述功率分配模块具体包括：
第一表示子模块，用于将每个子信道的子信道容量表示为其中，H(fi)为H(f)的离散化，N(fi)为N(f)的离散化；
第二表示子模块，用于根据所述子信道容量Ci将所述空闲信道的信道容量表示为
当Δf→0时，对其进行积分替代：
根据所述功率约束条件和maxC，利用变分法将其变换为其中，λ为拉格朗日乘子；
功率计算子模块，用于计算功率分配函数K为经计算得出的一个常数，f是频率。
6.根据权利要求5所述的基于电力无线专网的频谱共享系统，其特征在于，所述功率约束条件为：
其中，P(fi)表示每个信道所分配的功率，PT表示所述N个子信道的总功率。
7.根据权利要求5所述的基于电力无线专网的频谱共享系统，其特征在于，在所述信道划分模块预设每个子信道的带宽时，
还满足以下条件：H(f)2/N(f)在每个子信道频段内恒定，
其中，H(f)为空闲信道的传输函数，N(f)为空闲信道内存在的加性高斯白噪声的功率谱密度函数。
8.根据权利要求5所述的基于电力无线专网的频谱共享系统，其特征在于，当N(f)、H(f)、PT已知时，根据下式计算K：
根据计算功率分配函数P(f)，对于等效噪声很大，即的信道不分配功率，并根据计算信道容量C。
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| CB02 | Change of applicant information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Zhao Dongyan Inventor after: Yuan Yidong Inventor after: Xie Gang Inventor after: Wu Guangyu Inventor after: Mao Min Inventor after: Fan Wei Inventor before: Zhao Dongyan Inventor before: Yuan Yidong Inventor before: Xie Gang Inventor before: Wu Guangyu Inventor before: Mao Min |
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20170825 Address after: 100031 Xicheng District West Chang'an Avenue, No. 86, Beijing Applicant after: State Grid Corporation of China Applicant after: BEIJING SMARTCHIP MICROELECTRONICS TECHNOLOGY Co.,Ltd. Applicant after: Beijing University of Posts and Telecommunications Applicant after: STATE GRID INFORMATION & TELECOMMUNICATION GROUP Co.,Ltd. Applicant after: STATE GRID LIAONING ELECTRIC POWER Research Institute Address before: 100031 Xicheng District West Chang'an Avenue, No. 86, Beijing Applicant before: State Grid Corporation of China Applicant before: BEIJING SMARTCHIP MICROELECTRONICS TECHNOLOGY Co.,Ltd. Applicant before: Beijing University of Posts and Telecommunications |
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |