CN111465106B - 一种用于智能电网的免授权频段通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电力物联网领域，尤其涉及一种用于智能电网的免授权频段通信方法，包括：基站在多个免授权频段信道中根据评估的信道负载情况选择负载最轻的信道；基站根据接入的用户总数，确定上下行业务负载，再根据上下行负载配置上下行子帧；基站将用户的信道的分配结果通过授权频段上的广播消息通知用户，用户则根据接收到的广播消息在对应的免授权频段信道上根据配置的上下行子帧进行数据收发。本发明可以实现以下效果：避免智能电网通信与免授权频段中已有的通信系统产生相互干扰，保证数据传输的效率；保证智能电网通信支持与基于免授权频段的多种通信技术的友好共存。

Description

一种用于智能电网的免授权频段通信方法
技术领域
本发明涉及电力物联网领域，尤其涉及一种用于智能电网的免授权频段通信方法。
背景技术
“智能电网”(Smart Grid，SG)作为全球能源互联网基石，面对海量多样化的电力智能终端接入，打通“最后一公里”通信势在必行。目前，智能电网的发展，已形成以骨干光纤为主体，多种接入技术共同发展的趋势，无线通信由于其部署便利性、安全性和灵活性，已成为智能电网发展的最佳通信接入方式。智能电网将数字化技术与传统的物理电网技术相结合，运用现代化的智能传感技术、通信技术、储能技术以及智能控制技术等先进的方法，实现更安全、更可靠、更经济、更高效、更环保的新型电力系统。相比传统的电力网络，智能电网的自动化与信息化程度更高，能够有效提升电网的运行效率，增强电网的运行可靠性。
传统的电网通信主要使用授权频段的频谱资源，但由于这类频段频谱资源主要由运营商代理，随着智能终端数目的日益增加，频谱资源紧张且难以申请，通信的成本较高、效率较差。在智能电网的通信场景中，合法的使用免授权频段进行信息传输能够避免使用较为拥挤且传输成本较高的授权频段频谱资源，能够有效节省通信费用的开销。此外，为了避免与免授权频段中已有的通信系统产生相互干扰，保证数据传输的效率，智能电网通信支持与基于免授权频段的多种通信技术的友好共存。因此，通信资源丰富且利用率低下的免授权频段更加适合智能电网的数据传输。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种用于智能电网的免授权频段通信方法。
一种用于智能电网的免授权频段通信方法，包括：
基站在多个免授权频段信道中根据评估的信道负载情况选择负载最轻的信道；
基站根据接入的用户总数，确定上下行业务负载，再根据上下行负载配置上下行子帧；
基站将用户的信道的分配结果通过授权频段上的广播消息通知用户，用户则根据接收到的广播消息在对应的免授权频段信道上根据配置的上下行子帧进行数据收发。
优选的，所述基站在多个免授权频段信道中根据评估的信道负载情况选择负载最轻的信道包括：
基站根据基站覆盖范围内所有处于连接状态的用户的业务需求估计数据申请，并侦听免许可频段信道上的占空比状态；
并根据各个免授权频段的信道占空比和用户的业务需求估计所需要占用的免授权频段信道数和每个免授权频段上分配的用户数；
在多个免授权频段信道中根据评估的信道负载情况选择负载最轻的信道。
优选的，当基站所属区域无LBT要求时，基站以空闲子帧方式调节信道占空比，在每个无线帧周期性地空出部分子帧给交互系统使用。
优选的，所述当基站所属区域无LBT要求时，基站以空闲子帧方式调节信道占空比，在每个无线帧周期性地空出部分子帧给交互系统使用包括：
判断当前子帧是否为空闲子帧，若是，则进行数据传输；
判断数据传输是否发生冲突，若否，则等待下一子帧并进行是否为空闲子帧的判断；若是，则判断在指定时间内是否接收到确认消息；若接收到确认消息，则完成数据传输，若未接收到确认消息，则等待下一子帧并进行是否为空闲子帧的判断。
优选的，当基站所属区域有LBT要求时，判断信道是否空闲，若是，则进行数据传输；
判断数据传输是否发生冲突，若否，则按照设定的退避算法延迟重发；若是，则在指定时间内是否接收到确认消息；若没有接收到确认消息，则按照设定的退避算法延迟重发，若接收到确认消息，则完成数据传输。
优选的，所述接入的用户总数的计算包括：
步骤1：判定待接入的新用户的业务类型是否为时延敏感业务，如果是，进入步骤2；否则进入步骤4；
步骤2：判断免授权频段资源可否满足该用户的上行和下行数据传输时延要求；如果是，接入该用户，进入下一步骤，否则拒绝该用户接入，返回步骤1；需要指出，只有上下行接入判决均成功，该业务接入才算成功，否则均列为接入不成功；
步骤3：接入的用户数总数加1，直至无新增用户数为止，从而根据接入的用户总数，确定上下行业务负载；
步骤4：判断免授权频段资源可否满足该用户的上行和下行数据传输速率要求；如果是，接入该用户，进入步骤3，否则拒绝该用户接入，返回步骤1。
优选的，所述基站根据上下行负载配置上下行子帧包括：
当上行传输数据量较大时，提高上行子帧的配置数量，同时保证下行子帧进行信息传输反馈；当下行传输数据量较大时，提高下行子帧的配置数量，同时保证上行子帧进行信息传输反馈。
优选的，基站通过侦听技术对所述免授权频段进行侦听，以获得侦听结果，并根据侦听结果抢占非授权频段。
优选的，还包括：
基站广播基站清除发送帧以抢占所述非授权频段。
优选的，所述基站清除发送帧包括第一部分信息以及第二部分信息，所述第一部分信息包括避免所述基站在抢占所述非授权频段时与其他节点发生冲突所必须的信息，所述第二部分信息包括所述基站与终端设备建立无线承载时所必须的信息。
通过使用本发明，可以实现以下效果：
1.基站将用户的信道的分配结果通过授权频段上的广播消息通知用户，用户则根据接收到的广播消息在对应的免授权频段信道上根据配置的上下行子帧进行数据收发，避免智能电网通信与免授权频段中已有的通信系统产生相互干扰，保证数据传输的效率，保证智能电网通信支持与基于免授权频段的多种通信技术的友好共存；
2.基站根据接入的用户总数，确定上下行业务负载，再根据上下行负载配置上下行子帧，可高效利用免授权频段的资源进行数据传输。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明一实施例一种用于智能电网的免授权频段通信方法中的网络构架示意图；
图2是本发明一实施例一种用于智能电网的免授权频段通信方法的示意性流程图；
图3是本发明一实施例一种用于智能电网的免授权频段通信方法中步骤S1的示意性流程图；
图4是本发明一实施例一种用于智能电网的免授权频段通信方法中无LBT要求时的流程图；
图5是本发明一实施例一种用于智能电网的免授权频段通信方法中有LBT要求时的流程图；
图6是本发明一实施例一种用于智能电网的免授权频段通信方法中用户总数的计算流程图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
本发明实施例提供一种网络架构示意图如图1所示，免授权频段的基站覆盖范围内包含多个终端，多个终端可以完成不同的上下行业务。其中，免授权频段的基站和终端可以是一个或多个，图1给出了1个基站和4个信号发射设备的示意图，本发明实施例不做限定。
在本实施例中，一个信号发射设备覆盖的范围称为一个信号发射设备的小区，一个信号发射设备的标识也可对应表示为该信号发射设备覆盖的信号发射设备的小区标识。一个信号发射设备可以支持使用的通信频段或频段信道既可包括免授权频段(信道)，还可包括授权频段(信道)。这里的使用的频段可包括例如无线保真(WiFi)、蓝牙(Bluetooth)、Zigbee等无线接入技术所支持适用的频段。
为解决授权频段内频谱资源稀缺的问题，提出信号发射设备可占用免授权频段为用户终端提供服务，例如上述的免授权频段信号发射设备的系统。在用户终端UE开机后，可在可用的的频段内进行小区搜索。在UE驻留到一个信号发射设备的小区(即信号发射设备)后，信号发射设备可利用使用的免授权频段来为UE提供相应地通信服务。
基于以上框架，本发明提出了一种用于智能电网的免授权频段通信方法，如图2所示，包括以下步骤：
S1：基站在多个免授权频段信道中根据评估的信道负载情况选择负载最轻的信道；
S2：基站根据接入的用户总数，确定上下行业务负载，再根据上下行负载配置上下行子帧；
S3：基站将用户的信道的分配结果通过授权频段上的广播消息通知用户，用户则根据接收到的广播消息在对应的免授权频段信道上根据配置的上下行子帧进行数据收发。
在本实施例中，如图3所示，所述基站在多个免授权频段信道中根据评估的信道负载情况选择负载最轻的信道的方法包括以下步骤：
S11：基站根据基站覆盖范围内所有处于连接状态的用户的业务需求估计数据申请，并侦听免许可频段信道上的占空比状态；
S12：并根据各个免授权频段的信道占空比和用户的业务需求估计所需要占用的免授权频段信道数和每个免授权频段上分配的用户数；
S13：在多个免授权频段信道中根据评估的信道负载情况选择负载最轻的信道。
在本实施例中，本发明通过选择负载最轻的信道进行通信，从而避免与免授权频段中已有的通信系统产生相互干扰，保证数据传输的效率，智能电网通信支持与基于免授权频段的多种通信技术的友好共存。
在一实施例中，当基站所属区域无LBT要求时，基站以空闲子帧方式调节信道占空比，在每个无线帧周期性地空出部分子帧给交互系统使用。
LBT(监听避让机制)是一种信道接入机制，能使无限局域网之间有效共享相同的频谱资源。因为非授权频段上信道的可用性并不能时刻得到保证，LBT要求在传输数据前先监听信道，进行空闲信道评估(CCA)，在确保信道空闲的情况下再进行数据传输。
具体的，如图4所示，所述当基站所属区域无LBT要求时，基站以空闲子帧方式调节信道占空比，在每个无线帧周期性地空出部分子帧给交互系统使用的方法为：判断当前子帧是否为空闲子帧，若是，则进行数据传输；判断数据传输是否发生冲突，若否，则等待下一子帧并进行是否为空闲子帧的判断；若是，则判断在指定时间内是否接收到确认消息；若接收到确认消息，则完成数据传输，若未接收到确认消息，则等待下一子帧并进行是否为空闲子帧的判断。
为使系统可以支持灵活的数据传输要求，基站可以对现有LTE系统子帧结构配比进行灵活拓展，以便更动态地配置ABS。
在另一实施例中，当基站所属区域有LBT要求时，基站基于LBT方案接入信道。具体的，如图5所示，所述当基站所属区域有LBT要求时，基站基于LBT方案接入信道的方法为：判断信道是否空闲，若是，则进行数据传输；判断数据传输是否发生冲突，若否，则按照设定的退避算法延迟重发；若是，则在指定时间内是否接收到确认消息；若没有接收到确认消息，则按照设定的退避算法延迟重发，若接收到确认消息，则完成数据传输。
目前的解决方案里，从多个信道中选择一个信道时都是基于侦听估计到的所有免授权频段信道的负载进行选择接入，而实际上基站接入免授权频段后，若基站的负载较重会严重影响所使用的信道的整体负载，使原本免许可频段上负载较轻的信道转变成信道较重的信道，严重干扰原本轻负载信道上的Wi-Fi节点的数据传输，因此基站本身业务的需求在接入免许可频段后也会影响免许可频段信道上原来的负载。目前基站从多个免授权信道中选择轻负载信道的方案并未考虑到这种制约影响关系。
本发明提出的方法以便实现免授权频段上信道之间的负载均衡，使基站系统接入免授权频段信道后能够降低对原免授权频段上Wi-Fi等系统的干扰。
基站根据基站覆盖范围内所有处于连接状态的用户的业务需求估计数据申请。基站侦听免授权频段信道上的占空比状态，并根据各个免授权频段的信道占空比和用户的业务需求估计所需要占用的免授权频段信道数和每个免授权频段上分配的用户数。基站将用户的信道分配结果通过授权频段上的广播消息通知用户，用户则根据接收到的广播消息在对应的免授权频段信道上进行数据收发。
在本实施例中，如图6所示，所述接入的用户总数的计算的方法为：
步骤1：判定待接入的新用户的业务类型是否为时延敏感业务，如果是，进入步骤2；否则进入步骤4；
步骤2：判断免授权频段资源可否满足该用户的上行和下行数据传输时延要求；如果是，接入该用户，进入下一步骤，否则拒绝该用户接入，返回步骤1；需要指出，只有上下行接入判决均成功，该业务接入才算成功，否则均列为接入不成功；
步骤3：接入的用户数总数加1，直至无新增用户数为止，从而根据接入的用户总数，确定上下行业务负载；
步骤4：判断免授权频段资源可否满足该用户的上行和下行数据传输速率要求；如果是，接入该用户，进入步骤3，否则拒绝该用户接入，返回步骤1。
在本实施例中，所述基站根据上下行负载配置上下行子帧包括：
当上行传输数据量较大时，提高上行子帧的配置数量，同时保证下行子帧进行信息传输反馈；当下行传输数据量较大时，提高下行子帧的配置数量，同时保证上行子帧进行信息传输反馈。
与传统固定子帧配置不同，在智能电网通信中，实际上下行业务需求不同，且以上行数据传输为主。本发明基于业务负载和接入用户数的动态上下行子帧配置方法，该方法即避免传统LTE系统帧结构效率低下的问题，又可高效利用免授权频段的资源进行数据传输。
为了快速建立无线链路，与传统蜂窝网络中广播信息不同，免授权频段下的基站可以提前广播一些与用户无线链路建立相关的必要信息。参照WLAN系统中请求发送(Request To Send，RTS)控制信令，本发明将其中的非必要的字段进行修改，使免授权频段的基站可以将该控制帧当做广播消息进行发送。一方面可以兼容WLAN控制帧结构；另一方面在基站占用信道时，可以避免WLAN节点占用信道。
帧控制消息包括：版本号(protocol)、类型(Type)、子类型(Sub type)，占据、ToDS、Form DS、More Frag、重试标识(Retry)、Pwr Mgmt、More Data、保护帧(Protect Frame)以及命令(order)。其中，版本号占据2个比特，类型占据2个比特，子类型占据2个比特，ToDS占据1个比特，Form DS占据1个比特，More Frag占据1个比特，重试标识占据1个比特，PwrMgmt占据一个比特，More Data占据一个比特，保护帧占据一个比特，命令占据一个比特。
本发明的方法由基站执行，原因在于，WLAN系统是非集中控制系统，也就是说，在WLAN系统中，系统中的终端设备公平地抢占免授权频段。而基站是集中控制系统。由基站统一为系统中的终端设备分配时频资源。所以，在WLAN系统与基站共享免授权频段的场景下，可以考虑由基站与WLAN系统中的终端设备一起公平地抢占免授权频段。基站在抢占到免授权频段之后，再利用免授权频段统一为系统中的终端设备分配时频资源。
首先，基站对通过侦听技术对所述非授权频段进行侦听，以获得侦听结果，然后基站根据侦听结果确定可以抢占非授权频段。
具体的，基站在抢占非授权频段前，将退避阶数设置为零。其中，退避阶数用于记录在一次抢占非授权频段的过程中，基站与WLAN系统中的终端设备因为同时抢占非授权频段而发生冲突的次数。具体地，如果基站在抢占非授权频段时，因为与WLAN系统中的终端设备同时抢占非授权频段而发生冲突，则基站将进行退避(即，基站放弃在这个时刻抢占非授权频段，并将抢占非授权频段的时间推后)，并将退避阶数加一。如果下一次基站去在抢占非授权频段时，再次因为与WLAN系统中的终端设备同时抢占非授权频段而发生冲突，则基站将再次进行退避，并将退避阶数再次加一，依次类推，直到基站成功抢占非授权频段，或者，退避阶数增加至最大值。可以理解，退避阶数大，说明系统比较繁忙，退避阶数越小，说明系统比较空闲。
基站从最大退避窗口中随机选择一个退避值。其中，最大退避窗口包括从小到大的多个退避值，例如，最大退避窗口包括5个退避值[0，5，10，15，20]。退避值用于确定基站下次抢占非授权频段的时刻，具体地，基站在选择到退避值之后，将退避值进行倒数，在退避值倒数为零时，基站将抢占非授权频段。可以理解，最大退避窗口与退避阶数相关，退避阶数越大，最大退避窗口中的最大退避值越大。例如，如果退避阶数为零，则最大退避窗口为[0，5，10，15，20]；如果退避阶数为一，则最大退避窗口为[5，10，15，20，25]；
基站通过侦听技术对所述非授权频段进行侦听，以获得侦听结果。其中，侦听技术可以是避免冲突载波侦听多址接入技术(Carrier Sense Multiple Access/CollisionAvoidance，CSMA/CA)。可以理解，侦听技术还可以是对CSMA/CA技术进行改进所得到的技术，或者其他的技术，此处不作具体限定。
具体地，如果基站侦听到非授权频段空闲的时间等于退避时隙的长度，则将退避值减一；如果基站侦听到非授权频段忙，即其他设备正在使用非授权频段，则保持退避值不变。
当退避值被减为零时，基站确定可以抢占非授权频段。然后基站广播基站清除发送帧以抢占所述非授权频段。
在本申请实施中，LTE-U系统中的基站清除发送帧需要承载第一部分信息以及第二部分信息。其中，所述第一部分信息为避免所述基站在抢占所述非授权频段时与其他节点发生冲突所必须的信息，所述第二部分信息为所述基站与所述LTE-U系统中终端设备建立无线承载时所必须的信息。
第一部分信息与与WLAN系统中的清除发送帧的用途都是一样的，均是用于通知其他的终端设备需要占用非授权频段，同时，告知其他的终端设备需要占用非授权频段的时长。
第二部分信息包括CRS发射功率、天线端口号、物理小区标识、PRACH配置以及定时提前量，其中，所述定时提前量用于指示所述基站与所述LTE-U系统中终端设备开始数据传输的时间点。如表1所示，CRS发射功率需要占据6个比特，天线端口号需要占据2个比特，物理小区标识需要占据9个比特，PRACH配置需要占据4个比特，定时提前量需要占据10个比特。
为了使得WLAN系统中终端设备能够识别出LTE-U系统中的基站所发出的基站清除发送帧(LTE Request To Send，LRTS)，基站清除发送帧的结构必须与清除发送帧(RequestTo Send，RTS)的结构相同。下面将详细地进行介绍。
基站清除发送帧基本沿用清除发送帧的结构，即，基站清除发送帧同样包括帧控制字段、持续时间字段、接收地址字段以及FCS字段，并且，基站清除发送帧中的四个字段的长度均与清除发送帧中的四个字段的长度相同。但是，基站清除发送帧不需要使用帧控制字段中的To DS、Form DS、More Frag、重试标识、Pwr Mgmt、More Data、保护帧以及命令标识，即，基站清除发送帧不需要使用帧控制字段中的比特8至比特15，共8个比特。另外，基站清除发送帧中接收地址字段只需要使用2个字节(即16个比特的无线网络临时标识(RadioNetwork Temporary Identity，RNTI))，因此不需要使用剩余的4个字节(即32个比特)。为了简便起见，下面将基站清除发送帧需要使用到的比特称为非空闲比特，不需要使用到的比特称为空闲比特。明显地，空闲比特的数量为40个比特。
所述的基站清除发送帧可以用非空闲比特来承载第一部分信息，用非空闲比特用承载第二部分信息。帧控制字段中的空闲比特可以用于承载CRS发射功率以及天线端口号，而接收地址字段中的空闲比特可以用于承载物理小区标识、PRACH配置以及定时提前量。在另一具体的实施例中，接收地址字段可以用于承载CRS发射功率、天线端口号、物理小区标识、PRACH配置以及定时提前量。
基站基于所述第二部分信息与终端设备完成随机接入过程，最终基站与终端设备之间建立无线承载。
在传统蜂窝网络的无线承载建立方法中，终端设备需经过信号同步以及读取广播消息的步骤才能够获得建立无线承载所必须的参考信号发射功率、天线端口号、物理小区标识、随机接入配置等信息。但是，在本申请中基站在发送CTS(Clear To Send)帧时，就将建立无线承载所必须的信息发送给终端设备。所以，终端设备无需经过信号同步以及读取广播消息的步骤就能够建立无线承载，从而减少了基站与终端设备之间建立无线承载所需要的时间，实现快速建立无线承载。
本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (8)

1.一种用于智能电网的免授权频段通信方法，其特征在于，包括：
基站在多个免授权频段信道中根据评估的信道负载情况选择负载最轻的信道；
基站根据接入的用户总数，确定上下行业务负载，再根据上下行负载配置上下行子帧；
基站将用户的信道的分配结果通过授权频段上的广播消息通知用户，用户则根据接收到的广播消息在对应的免授权频段信道上根据配置的上下行子帧进行数据收发；
当基站所属区域无LBT要求时，基站以空闲子帧方式调节信道占空比，在每个无线帧周期性地空出部分子帧给交互系统使用，包括：
判断当前子帧是否为空闲子帧，若是，则进行数据传输；
判断数据传输是否发生冲突，若否，则等待下一子帧并进行是否为空闲子帧的判断；若是，则判断在指定时间内是否接收到确认消息；若接收到确认消息，则完成数据传输，若未接收到确认消息，则等待下一子帧并进行是否为空闲子帧的判断。
2.根据权利要求1所述的一种用于智能电网的免授权频段通信方法，其特征在于，所述基站在多个免授权频段信道中根据评估的信道负载情况选择负载最轻的信道包括：
基站根据基站覆盖范围内所有处于连接状态的用户的业务需求估计数据申请，并侦听免许可频段信道上的占空比状态；
并根据各个免授权频段的信道占空比和用户的业务需求估计所需要占用的免授权频段信道数和每个免授权频段上分配的用户数；
在多个免授权频段信道中根据评估的信道负载情况选择负载最轻的信道。
3.根据权利要求1所述的一种用于智能电网的免授权频段通信方法，其特征在于，
当基站所属区域有LBT要求时，判断信道是否空闲，若是，则进行数据传输；
判断数据传输是否发生冲突，若否，则按照设定的退避算法延迟重发；若是，则在指定时间内是否接收到确认消息；若没有接收到确认消息，则按照设定的退避算法延迟重发，若接收到确认消息，则完成数据传输。
4.根据权利要求1所述的一种用于智能电网的免授权频段通信方法，其特征在于，所述接入的用户总数的计算包括：
步骤1：判定待接入的新用户的业务类型是否为时延敏感业务，如果是，进入步骤2；否则进入步骤4；
步骤2：判断免授权频段资源可否满足该用户的上行和下行数据传输时延要求；如果是，接入该用户，进入下一步骤，否则拒绝该用户接入，返回步骤1；需要指出，只有上下行接入判决均成功，该业务接入才算成功，否则均列为接入不成功；
步骤3：接入的用户数总数加1，直至无新增用户数为止，从而根据接入的用户总数，确定上下行业务负载；
步骤4：判断免授权频段资源可否满足该用户的上行和下行数据传输速率要求；如果是，接入该用户，进入步骤3，否则拒绝该用户接入，返回步骤1。
5.根据权利要求1所述的一种用于智能电网的免授权频段通信方法，其特征在于，所述基站根据上下行负载配置上下行子帧包括：
当上行传输数据量较大时，提高上行子帧的配置数量，同时保证下行子帧进行信息传输反馈；当下行传输数据量较大时，提高下行子帧的配置数量，同时保证上行子帧进行信息传输反馈。
6.根据权利要求1所述的一种用于智能电网的免授权频段通信方法，其特征在于，基站通过侦听技术对所述免授权频段进行侦听，以获得侦听结果，并根据侦听结果抢占非授权频段。
7.根据权利要求6所述的一种用于智能电网的免授权频段通信方法，其特征在于，还包括：
基站广播基站清除发送帧以抢占所述非授权频段。
8.根据权利要求7所述的一种用于智能电网的免授权频段通信方法，其特征在于，所述基站清除发送帧包括第一部分信息以及第二部分信息，所述第一部分信息包括避免所述基站在抢占所述非授权频段时与其他节点发生冲突所必须的信息，所述第二部分信息包括所述基站与终端设备建立无线承载时所必须的信息。
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