CN107426735B - 一种智能电网通信底衬式频谱接入方法 - Google Patents

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Abstract

本发明设计了智能电网通信一种底衬式频谱接入方法，利用同一频段同时传输上行和下行数据，该方法适用于智能电网通信系统。在智能电网的电力无线通信专网，终端可以按业务流向分为下行关键类智能电网用户与上行大规模智能电网用户。其中，CSU直接接受宏小区基站的下行控制类业务。在上行用户密集区域设置有数据汇聚单元，接受MSU传输的上行采集类业务。本发明在TD‑LTE的下行时隙，为专网内每个CSU分配不同的频率资源。在保证每个CSU的通信速率的基础之上，并限制BS的下行总发射功率与每个MSU的上行发射功率，允许单个MSU复用单个CSU的频率资源。通过为MSU其分配合适的CSU频率资源复用，使得专网系统接入的MSU总体上行通信速率最大化。

Description

一种智能电网通信底衬式频谱接入方法
技术领域
本发明涉及一种智能电网通信底衬式频谱接入方法，属于无线通信频谱资源管理和功率控制设计领域。
背景技术
底衬式频谱接入方法涉及两个通信系统，分别是频谱内的授权用户与底衬式频谱接入用户。底衬式方式通过功率控制技术，在不影响原授权用户通信速率的基础上，允许底衬式接入用户系统在时间上不间断地接入授权用户的频谱。在智能电网的通信环境下，底衬式接入技术可以灵活地应用在上下行频谱资源的分配上，利用闲置的下行频率资源传输上行数据。
智能电网用户用户分为传输上行的关键机器类通信(Critical Machine TypeCommunication)的智能电网用户(Critical Smart Grid User，CSU)和传输下行的大规模机器类通信(Massive Machine Type Communication)的智能电网用户(Massive SmartGrid User，MSU)，它们工作在同一频段。其中CSU主要传输控制类业务，下行数据量较少，但对时延和可靠性要求较高。MSU主要传输采集类业务，上行数据量比下行大很多，但所需服务质量没有上行业务高。通过功率控制技术，保证CSU的最低通信需求，并限制单个MSU的功率使得总体上行数据容量最大化。
本发明设计了一种底衬式频谱接入方法，利用同一频段同时传输上行和下行数据，该方法适用于无线专用通信网络系统。本发明限制单个用户的上下行功率，为其分配合适的频谱资源，在上下行流量非对称的条件下保证了CSU数据的快速可靠传输，同时通过功率控制和频谱分配为MSU提供合适的频率资源使得总体系统上行容量最大。
发明内容
发明目的：本发明针对电力无线通信专网的上下行流量非对称特性，设计了一种底衬式频谱接入技术，传输上行数据的MSU复用了传输下行数据的CSU的频率资源，缓解了频谱紧张问题并解决实际传输需求。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种智能电网通信底衬式频谱接入方法，应用于包含一个宏小区基站BS，N个数据汇聚单元DAU，K个正交的关键类智能电网用户CSU和S个大规模智能电网用户MSU的电力无线通信专网，该底衬式频谱接入方法在保证每个CSU的通信速率的基础之上，并限制BS的下行总发射功率与每个MSU的上行发射功率，通过分配CSU频段给MSU复用来最大化所有MSU的总体通信速率，并且协调MSU和CSU之间的传输功率。
作为优选，所述一种智能电网通信底衬式频谱接入方法包括如下步骤：
(1)初始化判决精度ε，拉格朗日乘子上下界la＝0,lb＝a，其中a是一个足够大的正数，令循环次数m＝1,计算变量其中P为基站最大发射功率，bk为基站到第k个CSU的信道增益，Rk为第k个CSU所需的最低通信速率；
(2)在第m次迭代中，对于给定的λm，计算任意s，k的当前迭代轮次的最佳拉格朗日乘子和最佳发射功率，s＝1,2,…,S，k＝1,2,…,K；步骤包括：
(2.1)初始化内循环次数j＝1，令拉格朗日乘子μj＝(μ1，j,...,μs，j,...,μS，j)取某一正向量；
(2.2)根据下式计算发射功率ps,k：
其中， cs,k为第s个MSU复用第k个CSU的频段时MSU到DAU的信道增益，an,k为基站使用第k个CSU的频段对第n个DAU造成干扰的信道增益，ds,k为第s个MSU到第k个CSU的干扰信道增益；
(2.3)根据下式计算Hs,k：
(2.4)根据如下规则为MSU做频谱分配：
其中，xs,k∈{0,1}为第s个MSU复用第k个CSU的频段k的标识，xs,k＝1表示第s个MSU将在与第k个CSU相同的频段上向邻近的DAU传输数据，否则xs,k＝0；
(2.5)更新μs,j+1，对于其中θj是步递减量，[z]+＝max(z,0)；更新j＝j+1；
(2.6)对于所有的s，若满足|μs,j-μs,j-1|＜ε，得到最佳频段分配方案和MSU最佳发射功率为否则，返回步骤(2.2)；
(3)计算变量
(4)判断Psur'与Psur的大小，当Psur'＜Psur，lb＝λk；否则，la＝λk；若|la-lb|≤ε，步骤(2.6)得到和即为全局最佳发射功率和最佳分配方案，否则更新λm+1＝(la+lb)/2，m＝m+1，返回步骤(2)；
(5)对于所有的s,k中计算第k个CSU的最佳发射功率
有益效果：与现有技术相比，本发明优点如下：
1)本发明适用于电力无线通信专网并考开展上下行电力业务流量的非对称特性；
2)本发明是针对多个CSU和MSU之间频谱资源共享设计的底衬式频谱接入和功率控制算法，因此适用范围广泛；
3)本发明同时兼顾了关键类的通信用户CSU的通信质量不会因MSU的复用导致过多下降，同时本发明还最大化了所有MSU上行容量之和，最大化的提高了频谱利用率和系统总体性能。
附图说明
图1是本发明提出的智能电网通信中底衬式频谱接入方法的系统框图。
图2是理论上界、底衬式频谱接入方法和随机频谱分配方法下，CSU下行通信质量需求和总体MSU通信速率之和的变化关系曲线对比图。
图3是理论上界、底衬式频谱接入方法和随机频谱分配方法下，CSU数量与总体MSU通信速率之和的变化关系曲线对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的说明。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示本发明所涉及的智能电网是一个分层级的电力无线通信专网，其中包含一个宏小区基站(BS)，几个数据汇聚单元(DAU)和两种类型的终端，其中有K个正交的CSU和连接到N个附近DAU的S个MSU。CSU直接与宏小区基站通信。图示阴影区域为一个DAU所覆盖的MSU范围，区域内的MSU与DAU通信上传数据。分别用下标k＝1,2,…,K；s＝1,2,…,S；n＝1,2,…,N分别表示CSU，MSU，和DAU。单个CSU只占用一个频段，称第k个CSU使用的频段为频段k。
令xs,k∈{0,1}作为MSU复用第k个CSU的频段k，如果xs,k＝1，MSU将在与第k个CSU相同的频段上向邻近的DAU传输数据。否则，xs,k＝0。为最大限度地利用频率资源，本发明并不限制单个MSU所复用的频段。
对于MSU s，本发明将MSU s到DAU n的传输信道增益表示为cs,k，并且在从基站到DAU的干扰信道表示为an,k。对于CSU k，我们引入bk和ds,k分别表示从基站到CSU k的传输信道和MSU s到CSU k的干扰信道增益。所有的bk、cs,k、an,k和ds,k都表示信道对噪声的归一化增益。计算MSU s到DAU n在频段k的传输信道容量。
本发明在保证每个CSU的通信速率的基础之上，并限制BS的下行总发射功率与每个MSU的上行发射功率，通过分配合适的CSU频段给MSU复用来最大化所有MSU的总体通信速率，并且协调MSU和CSU之间的传输功率。基站的最大发送功率为P，而每个MSU的最大发送功率为Ps。
基于上述场景模型及相关参数的设定，本发明实施例公开的底衬式频谱接入方法中，基站利用CSU频段合理分配给MSU复用，为保证CSU k的传输需求，为每个CSU安排一个最小通信速率需求Rk。在基站发射功率小于最大值P且每个MSU的发射功率小于最大值Ps的前提下，提供最大化的MSU总体上行通信速率。其具体实现如下步骤1-4：
步骤1：初始化输入以下变量：P为基站最大发射功率，Ps为第s个MSU的最大发射功率，Rk为第k个CSU所需的最低通信速率，bk为基站到CSU的信道增益，cs,k为第s个MSU复用第k个CSU的频段时MSU到DAU的信道增益，ds,k为第s个MSU到第k个CSU的干扰信道增益，an,k为基站使用第k个CSU的频段对DAU n造成干扰的信道增益。执行以下步骤2-4可以获得第k个CSU的最佳发射功率和最优的频谱分配方案以及第s个MSU的最佳发射功率。
步骤2：初始化判决精度ε，拉格朗日乘子上下界la＝0,lb＝a，其中a是一个足够大的正数(如105)。令循环次数m＝1,计算其中
步骤3：对于给定的λm，通过如下方法计算任意s,k的最佳拉格朗日乘子μ*和最佳发射功率
步骤(3.1)：初始化j＝1，μj＝(μ1，j,...,μs，j,...,μS，j)取某一正向量(如单位向量)。
步骤(3.2)：对于给定的s,k和λm，通过下式计算ps,k。
这里，
步骤(3.3)：根据下式计算Hs,k：
步骤(3.4)：根据如下规则为MSU做频谱分配：
步骤(3.5)：更新μs,j+1。对于这里θj是步递减量，[z]+＝max(z,0)。更新j＝j+1。
步骤(3.6)：对于所有的s，当|μs,j-μs,j-1|＜ε，结束上述步骤，得到本轮次最佳频段分配方案和MSU最佳发射功率为否则，返回步骤(3.2)。
步骤4：计算
步骤5：如果Psur'＜Psur，lb＝λm；否则，la＝λm；更新λm+1＝(la+lb)/2，m＝m+1；判断|la-lb|与ε的大小，当|la-lb|＞ε，返回步骤3；否则，步骤(3.6)得到和即为全局最佳发射功率和最佳分配方案，执行步骤6。
步骤6：对于所有的s,k中计算
图2是理论上界、底衬式频谱接入方法和随机频谱分配方法下，CSU下行通信质量需求和总体MSU通信速率之和的变化关系曲线。图中，热噪声功率谱密度为-174dBm/Hz，每个CSU使用的频段带宽为15kHz，基站和D2D发射机的功率预算分别为46dBm和23dBm。MSU和CSU是随机分布在宏小区覆盖范围之中的。CSU的最低通信速率要求从[12 14 16 18]bit/(s·Hz)，总体的MSU吞吐量之和为[122 100 76 49]bit/s/Hz，达到理论上界。
图3是理论上界、底衬式频谱接入方法和随机频谱分配方法下，CSU数量与总体MSU通信速率之和的变化关系曲线。这里CSU的通信速率需求设置为17bit/(s·Hz)图中接入的CSU数量从[51015]个，总体MSU吞吐量之和为[56 100 220]bit/(s·Hz)，达到了理论上界。

Claims (2)

1.一种智能电网通信底衬式频谱接入方法，应用于包含一个宏小区基站BS，N个数据汇聚单元DAU，K个正交的关键类智能电网用户CSU和S个大规模智能电网用户MSU的电力无线通信专网，其特征在于：该底衬式频谱接入方法在保证每个CSU的通信速率的基础之上，并限制BS的下行总发射功率与每个MSU的上行发射功率，通过分配CSU频段给MSU复用来最大化所有MSU的总体通信速率，并且协调MSU和CSU之间的传输功率；包括如下步骤：
(1)初始化判决精度ε，拉格朗日乘子上下界la＝0,lb＝a，其中a是一个正数，令循环次数m＝1计算变量其中P为基站最大发射功率，bk为基站到第k个CSU的信道增益，Rk为第k个CSU所需的最低通信速率；
(2)在第m次迭代中，对于给定的λm，计算任意s，k的当前迭代轮次的最佳拉格朗日乘子和最佳发射功率，s＝1,2,…,S，k＝1,2,…,K；步骤包括：
(2.1)初始化内循环次数j＝1，令拉格朗日乘子μj＝(μ1，j,...,μs，j,...,μS，j)取某一正向量；
(2.2)根据下式计算发射功率ps,k：
其中， cs,k为第s个MSU复用第k个CSU的频段时MSU到DAU的信道增益，an,k为基站使用第k个CSU的频段对第n个DAU造成干扰的信道增益，ds,k为第s个MSU到第k个CSU的干扰信道增益；
(2.3)根据下式计算Hs,k：
(2.4)根据如下规则为MSU做频谱分配：
xs,k＝1,xs,k＝0,
其中，xs,k∈{0,1}为第s个MSU复用第k个CSU的频段k的标识，xs,k＝1表示第s个MSU将在与第k个CSU相同的频段上向邻近的DAU传输数据，否则xs,k＝0；
(2.5)更新μs,j+1，对于其中Ps为每个MSU的最大发送功率，θj是步递减量，[z]+＝max(z,0)；更新j＝j+1；
(2.6)对于所有的s，若满足|μs,j-μs,j-1|＜ε，得到最佳频段分配方案和MSU最佳发射功率为否则，返回步骤(2.2)；
(3)计算变量
(4)判断Psur'与Psur的大小，当Psur'＜Psur，lb＝λm；否则，la＝λm；若|la-lb|≤ε，步骤(2.6)得到和即为全局最佳发射功率和最佳分配方案，否则更新λm+1＝(la+lb)/2，m＝m+1，返回步骤(2)；
(5)对于所有的s,k中计算第k个CSU的最佳发射功率
2.根据权利要求1所述的一种智能电网通信底衬式频谱接入方法，其特征在于，公式中的bk、cs,k、an,k和ds,k都为信道对噪声的归一化增益。
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