CN109151911A - 一种电力无线专网混合通信业务中的干扰协同方法 - Google Patents

一种电力无线专网混合通信业务中的干扰协同方法 Download PDF

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Abstract

本发明针对电力无线专网中不同的设备传输不同数据业务的场景，提供了一种电力无线专网混合通信业务的干扰协同方法。基站根据不同的数据业务对设备进行分类，不同的设备类型采用不同的频谱资源分配策略；并且不同的类型的设备采用不同的调制和传输方式；基于本方法能够实现有效多业务数据传输，有效减小混合通信业务场景下的干扰，支持低速数据业务设备的同步和异步传输。本发明方法既适用于单小区场景，也适用于多小区场景，应用范围广泛。

Description

一种电力无线专网混合通信业务中的干扰协同方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及无线网络中的干扰协同方法，更为具体的说，是涉及一种电力无线专网中混合通信业务下的干扰协同方法。
背景技术
智能电网是在信息技术高速发展的基础上产生的，智能化、集成化是智能电网的特点。电力无线网络是智能电网的核心。电力无线网络的建设可分为公网和专网两种方式。其中，公网建设即利用现有的通信运营商网络的数据通道业务，实现对电力设备的数据采集、监控等。利用公网可以有效的降低成本，但是在电力无线网络中的场景和业务需要与移动通信中的大不相同，很难得到满足；另外，利用公网不便于对电力网络的维护和管理。因此，电力无线专网的建设受到越来越大的关注。
在电力无线专网中，传输的可靠性要求越来越高，网络的覆盖范围不断增加，网络的拓扑结构越来越复杂。现有的电力无线专网的大部分套用公网的通信方式和协议。公网的网络规模大，组网协议复杂、接入设备计算复杂度大，数据延迟严重。因此，需要根据电力设备无线网络的特点和电力业务的需求，设计一个节约网络资源、增强传输可靠性的无线通信专网。
与移动通信不同，电力无线专网的上行数据传输要求较高；且业务类型也与移动通信不一样。电力无线专网中的业务可以分为：不间断、高速数据传输业务，例如视频监控；低速、间隙发送的传输业务，例如电表数据收集、传感器数据采集等。随着业务量的不断增加，不同设备之间的无线干扰会变得越来越严重，并且制约了电力无线专网的性能。目前，尚缺乏针对电力无线专网中多通信业务下的有效的干扰协同方法。
发明内容
为解决上述问题，本发明针对电力无线专网中不同的设备传输不同数据业务的场景，提供了一种针对电力无线专网中混合通信业务的干扰协同方法，能够实现有效多业务数据传输。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种针对电力无线专网中混合通信业务的干扰协同方法，包括如下步骤：
步骤1，不同的设备向基站上报自己的数据业务需求；
步骤2，基站根据设备的数据业务需求对设备进行分类，分为高速数据业务设备和低速数据业务设备；
步骤3，基站为不同类型的设备分配频谱资源、确定调制和传输方式，并将相关信息告知设备；
步骤4，设备根据基站发送的信息对数据进行相应的调制；
步骤5，高速数据业务设备根据基站确定的调制和传输方式将信息数据连续发送给基站；低速数据业务设备根据基站确定的调制和传输方式间隙地将信息数据发送给基站；
步骤6，基站根据预先设定的传输方式对设备的数据进行估计。
进一步的，步骤3中所述分配频谱资源的步骤具体包括：基站为高速数据业务设备分配相互正交的频谱资源，即采用正交频分多址来消除不同的高速数据业务设备之间的干扰；基站为低速数据业务设备分配相互间隔的子载波频谱资源，根据子载波的数量和低速数据业务设备的关系，来确定子载波的分配方式。
进一步的，步骤3中为低速业务设备分配时，当子载波的数目大于低速数据业务设备的数量时，基站为每个低速业务设备分配相互正交的子载波；当子载波的数目小于低速数据业务设备的数量时，基站为每个低速业务设备随机分配子载波。
进一步的，高速数据业务设备在所分配的频域子载波资源上采用码分复用进行传输；低速数据业务设备在所分配的频域子载波资源上采用传统的调制方式进行传输。传统的调制方式可采用相移键控或者正交幅度调制方式。
进一步的，当子载波的数目小于低速数据业务设备的数量时采用碰撞避免的方式实现数据的传输。
进一步的，高速数据业务设备所采用的扩频码的长度与所分配的子载波的数量相等。最大限度地提高抗干扰和噪声的能力。
进一步的，步骤5中，高速数据业务设备采用同步传输方式，低速数据业务设备采用同步或异步传输方式。
进一步的，当高速数据业务设备和低速数据业务设备均采用同步传输时，步骤6中基站通过如下方式进行数据估计：基站根据不同的高速数据业务设备所分配的子载波资源进行相应的频域均衡，每个高速数据业务设备对均衡后的信息进行解码分复用，然后估计得到相应的数据；基站根据估计得到的高速数据业务设备的数据构造接收到的来自高速数据业务设备的信号，然后基站将接收到的信号减去构造的来自高速数据业务设备的信号，从而消除高速数据业务设备的干扰；基站根据每个子载波上信号的能量判断哪些低速数据业务设备处于活跃状态、向基站发送信号，并且基站对相应的数据进行估计。
进一步的，当高速数据业务设备采用同步传输、低速数据业务设备采用异步传输时，基站的数据估计步骤如下：基站根据不同的高速数据业务设备所分配的子载波资源进行相应的频域均衡，每个高速数据业务设备对均衡后的信息进行解码分复用，然后估计得到相应的数据；基站针对每个低速数据业务设备的频谱分配情况进行滤波，基站根据滤波后信号的能量判断相应的载波上是否有数据发射，从而判断哪些低速数据业务设备在向基站发送信号，并且基站对相应的数据进行估计。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
本发明根据不同的数据业务对设备进行分类，基站根据不同的设备类型，采用不同的频谱资源分配策略；并且不同的类型的设备采用不同的调制和传输方式；基于本方法能够有效减小混合通信业务场景下的干扰，支持低速数据业务设备的同步和异步传输。本发明方法既适用于单小区场景，也适用于多小区场景，应用范围广泛。
附图说明
图1为本发明方法的电力无线专网系统示意图，其中包含高速、连续数据业务和低速、间隙传输业务。
图2为本发明方法中基站针对不同类型的设备的频谱资源分配图。
图3为本发明方法中高速数据业务设备的发射机框图。
图4为本发明方法中低速数据业务设备的发射机框图。
图5为本发明方法中当低速数据业务设备采用同步传输时基站的接收框图。
图6为本发明方法中当低速数据业务设备采用异步传输时基站的接收框图。
图7为本发明在电力无线专网系统中的信令交互过程的流程图。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
本发明提供了一种针对电力无线专网中混合通信业务上行传输干扰协同方法。其中基站根据不同的业务需求和特点分配频谱资源。不同的业务需求采用不同的传输策略，从而消除电力无线专网中的干扰。以下基于实施例，对本发明方法进行具体说明。
在本实施例中，我们考虑单小区场景，如图1所示。在此小区中有R1个高速、持续数据业务设备(以下简称高速数据业务设备)，R2个低速、间隙数据业务设备(以下简称低速数据业务设备)。对于高速数据业务，基站会对设备进行同步，这R1个设备同步发送数据给基站。而对于低速数据业务，数据是突发的，这R2个设备可以采用同步传输，也可以采用异步传输。
当前小区可用的频谱资源的带宽为B，采用正交频分复用技术，总的可使用的子载波的个数为N。基站为高速数据业务的设备分配相互正交的、连续的子载波资源，每个设备采用多载波码分复用进行传输。假设给第j个高速数据业务设备分配Lj个连续的子载波，频谱资源分配如图2所示。其中，Lj为偶数。那么第j个高速数据业务设备所采用的扩频码的长度为Lj。对于长度为Lj的扩频码，可以得到Lj个相互正交的码字，即
其中，g(j,i)是第j个高速数据业务设备的长度为Lj的码字，并且g(j,i)的任意元素[g(j,i)]u表示码字g(j,i)的第u个元素。因此第j个高速数据业务设备在分配的子载波上的数据可以表示为：
其中a(j,k)为第j个高速数据业务设备的信息数据，E[|a(j,k)|2]＝1，p(j,k)是给数据a(j,k)所分配的功率。将bj的元素值映射到相应的子载波上，构造了新的长度为N的向量
dHigh,j＝[0,…,0,bj,0,…,0] (3)
定义离散傅里叶变换(Discrete Fouriertransform,DFT)矩阵W(N)为
因此，第j个高速数据业务设备发射的时域信号可以通过逆离散傅里叶变换(Inverse DiscreteFourier transform,IDFT)得到，可以表示为：
其中(·)H表示共轭转置，FHigh,j表示第j个高速数据业务设备使用的滤波器系数构成的(N+LHigh,FIR-1)×N托普利兹矩阵，并且第一列是[fHigh,j(0),fHigh,j(1),...,fHigh,j(LHigh,FIR-1),0,...,0]T，[·]T表示转置，LHigh,FIR表示高速数据业务设备使用的滤波器的长度。高速数据业务设备的发射机框图如图3所示。
对于低速数据业务的设备，基站为每个设备间隔着分配一个或者多个子载波资源。当子载波的数目大于低速数据业务设备的数量时，基站为每个低速业务设备分配相互正交的子载波。当子载波的数目小于低速数据业务设备的数量时，基站为每个低速业务设备随机分配子载波，此时采用碰撞避免的方式实现数据的传输。对于第u个低速数据业务设备，在所分配的子载波上进行数据调制，为第u个低速数据业务设备在所分配的下标为Ku的子载波上的数据，其中为第u个低速数据业务设备在下标为Ku的子载波上分配的功率，为第u个低速数据业务设备在下标为Ku的子载波上的信息数据，并且把相应的数据映射到分配的子载波上，构造一个的长度为N的向量
因此，第u个低速数据业务设备发射的时域信号可以表示为：
其中FLow,u表示第u个低速数据业务设备使用的滤波器系数构成的(N+LLow,FIR-1)×N托普利兹矩阵，并且第一列是[fLow,j(0),fLow,j(1),...,fLow,j(LLow,FIR-1),0,...,0]T，LLow,FIR表示低速数据业务设备使用的滤波器的长度。低速数据业务设备的发射机框图如图4所示。
基站的接收信号可以表示为：
其中表示卷积，hHigh,j(n)为第j个高速数据业务设备到基站的信道系数，hLow,u(n)为第u个低速数据业务设备到基站的信道系数；Iu∈{0,1}为活跃指示函数，当第u个低速数据业务设备向基站发送数据时Iu＝1，否则Iu＝0；w(n)为均值为零，方差为的噪声分量。
(1)低速数据业务设备采用同步传输
当高速数据业务设备和低速数据业务设备均采用同步传输时，基站的接收框图如图5所示。基站对接收的信号y(n)进行长度为2N的离散傅里叶变换得到频域数据
由于发射设备采用的是长度为N的逆离散傅里叶变换，基站接收过程中采用的是长度为2N的离散傅里叶变换，所以发射设备的第G个子载波上的数据与Y(K)的第2G个子载波上的数据相对应。基站对子载波上的数据重新进行分类，首先得到与高速数据业务设备相对应的子载波数据，并且对数据进行解调。例如与第j个高速数据业务设备相对应的子载波数据表示为：
其中，为与第j个高速数据业务设备相对应的子载波的下标。基站对数据yHigh,j进行频域均衡处理，得到：
其中为等效信道的频域表示。基站通过解扩操作对数据进行恢复。第j个高速数据业务设备的第k个数据流a(j,k)的估计可以表示为：
根据估计得到的数据，构造第j个高速数据业务设备的在对应子载波上的发射信号为：
从而可以构造相应的接收信号为：
定义在相应的子载波上的低速业务接收信号为：
基站对数据yLow,j进行频域均衡处理，得到：
其中为等效信道的在与第u个低速数据业务设备相对应的下标为Ku的子载波上的频域表示，基站根据zLow,j每个元素的能量的大小来判断在相应的Lj个子载波上是否有低速数据业务进行传输，并且可以确定是哪个低速数据业务设备在上传数据。例如第u2个用户在向基站发送数据，那么相应的数据估计可以表示为：
(2)低速数据业务设备采用异步传输
当高速数据业务设备采用同步传输，低速数据业务设备采用异步传输时，基站的接收框图如图6所示。基站对接收的信号y(n)滤波处理，将低速数据业务从接收信号中进行提取。无论低速数据业务设备采用同步传输，还是异步传输，高速数据业务的数据检测过程相同。当低速数据业务设备采用异步传输时，低速数据业务的检测过程如下。对于第u个低速数据业务设备，基站采用与其子载波频段相对应的滤波器对接收信号进行预处理，得到如下信号：
基站根据vLow,j(n)信号的能量判断相应的载波上是否有数据发射。然后将vLow,u(n)变换到与第u个低速数据业务设备相对应的子载波Ku上
最后进行频域均衡对数据进行估计，的估计可以表示为：
其中CLow,u(Ku)为等效信道的在下标为Ku的子载波上的频域表示。
为了更好地理解上述过程，下面将参照图7描述基站侧与设备侧的信令交互流程。图7为根据本发明的实施例的无线通信系统中的信令交互过程的流程图。
如图7所示，首先，在步骤S1中，不同的设备向基站上报自己的数据业务需求。然后，在步骤S2中，基站根据设备的数据业务需求对设备进行分类，分为高速数据业务设备和低速数据业务设备。然后，在步骤S3中，基站为不同类型的设备分配频谱资源、确定调制和传输方式，并将相关信息告知设备。接下来，在步骤S4中，设备根据基站发送的信息对数据进行相应的调制。在步骤S5中，设备根据数据业务需求发射上行数据。在步骤S6中，基站根据预先设定的传输方式对设备的数据进行估计。本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种针对电力无线专网中混合通信业务的干扰协同方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，不同的设备向基站上报自己的数据业务需求；
步骤2，基站根据设备的数据业务需求对设备进行分类，分为高速数据业务设备和低速数据业务设备；
步骤3，基站为不同类型的设备分配频谱资源、确定调制和传输方式，并将相关信息告知设备；
步骤4，设备根据基站发送的信息对数据进行相应的调制；
步骤5，高速数据业务设备根据基站确定的调制和传输方式将信息数据连续发送给基站；低速数据业务设备根据基站确定的调制和传输方式间隙地将信息数据发送给基站；
步骤6，基站根据预先设定的传输方式对设备的数据进行估计。
2.根据权利要求1所述的针对电力无线专网中混合通信业务的干扰协同方法，其特征在于，步骤3中所述分配频谱资源的步骤具体包括：基站为高速数据业务设备分配相互正交的频谱资源；基站为低速数据业务设备分配相互间隔的子载波频谱资源，根据子载波的数量和低速数据业务设备的关系，来确定子载波的分配方式。
3.根据权利要求2所述的针对电力无线专网中混合通信业务的干扰协同方法，其特征在于，步骤3中为低速业务设备分配时，当子载波的数目大于低速数据业务设备的数量时，基站为每个低速业务设备分配相互正交的子载波；当子载波的数目小于低速数据业务设备的数量时，基站为每个低速业务设备随机分配子载波。
4.根据权利要求1所述的针对电力无线专网中混合通信业务的干扰协同方法，其特征在于，高速数据业务设备在所分配的频域子载波资源上采用码分复用进行传输；低速数据业务设备在所分配的频域子载波资源上采用传统的调制方式进行传输。
5.根据权利要求3所述的针对电力无线专网中混合通信业务的干扰协同方法，其特征在于，当子载波的数目小于低速数据业务设备的数量时采用碰撞避免的方式实现数据的传输。
6.根据权利要求1所述的针对电力无线专网中混合通信业务的干扰协同方法，其特征在于，高速数据业务设备所采用的扩频码的长度与所分配的子载波的数量相等。
7.根据权利要求1所述的针对电力无线专网中混合通信业务的干扰协同方法，其特征在于，步骤5中，高速数据业务设备采用同步传输方式，低速数据业务设备采用同步或异步传输方式。
8.根据权利要求7所述的针对电力无线专网中混合通信业务的干扰协同方法，其特征在于，当高速数据业务设备和低速数据业务设备均采用同步传输时，步骤6中基站通过如下方式进行数据估计：基站根据不同的高速数据业务设备所分配的子载波资源进行相应的频域均衡，每个高速数据业务设备对均衡后的信息进行解码分复用，然后估计得到相应的数据；基站根据估计得到的高速数据业务设备的数据构造接收到的来自高速数据业务设备的信号，然后基站将接收到的信号减去构造的来自高速数据业务设备的信号，从而消除高速数据业务设备的干扰；基站根据每个子载波上信号的能量判断哪些低速数据业务设备处于活跃状态、向基站发送信号，并且基站对相应的数据进行估计。
9.根据权利要求7所述的针对电力无线专网中混合通信业务的干扰协同方法，其特征在于，当高速数据业务设备采用同步传输、低速数据业务设备采用异步传输时，基站的数据估计步骤如下：基站根据不同的高速数据业务设备所分配的子载波资源进行相应的频域均衡，每个高速数据业务设备对均衡后的信息进行解码分复用，然后估计得到相应的数据；基站针对每个低速数据业务设备的频谱分配情况进行滤波，基站根据滤波后信号的能量判断相应的载波上是否有数据发射，从而判断哪些低速数据业务设备在向基站发送信号，并且基站对相应的数据进行估计。
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