CN112217586B - 一种步进宽带频谱认知方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种步进宽带频谱认知方法和系统，包括：步骤1：设定开始频率值；步骤2：采用多个监测节点，从开始频率值开始检测第一步长覆盖的频段是否被占用，如果被占用，则以第二步长在第一步长覆盖频段之内进行检测，找出空闲频段；步骤3：将开始频率值增加一个第一步长，判断增加第一步长后的开始频率值是否达到检测范围：是则结束，否则执行步骤2。该方法和系统兼顾频段检测精度和检测时间，能够快速高精度的检测频谱是否被占用，找出空闲频段。

Description

一种步进宽带频谱认知方法和系统

技术领域

本发明属于电力通信技术领域，具体涉及一种步进宽带频谱认知方法和系统。

背景技术

承载电力通信业务的电力无线专网，由于频点是离散、非连续分布，无线电设备使用时需要报备核准分配可用频点，灵活性差，使用效率低，而系统间相互干扰难以避免。

能源互联网的不断发展，配电自动化、精准负荷控制、用电信息智能采集等业务规模的快速增长，以及移动应用等新型业务的不断涌现，使得频谱资源有限且利用率低、传输速率难以满足电力现有业务需求等问题已成为电力无线通信网络建设中亟待解决的技术难题。动态频谱认知技术被广泛应用于电力行业，以推进共网建设、优化频谱资源分配。采用频谱认知技术，捕捉监测频谱范围内的信号，为电力无线通信网络中的不同系统、终端提供频谱使用信息，系统可根据反馈信息选择合适的空闲频点完成数据传输。当发现两个系统使用相同频点传输数据时采取冲突避让机制，解决不同系统、终端占用同一频点进行通信传输而引发干扰的问题，保障各系统稳定运行，提高频谱利用率。冲突避让机制的基础是频谱检测认知，只有识别出其他系统占用的频段，并找出空闲频段，才能避开被占频段，在空闲频段展开工作。目前采用的常用做法是协作能量检测算法，该算法采用较大检测步长时，检测时间短，但检测精度低；或采用较小检测步长时，检测精度高，但检测时间长。

传统协作能量检测算法不能兼顾频段检测精度和检测时间。

发明内容

为克服上述现有技术的不能兼顾频段检测精度和检测时间的不足，本发明提出一种步进宽带频谱认知方法和系统。该方法和系统提出一种电力无线通信的宽带频谱认知方法，，兼顾频段检测精度和检测时间，在不显著增加复杂度的同时，能够快速高精度的检测频谱是否被占用，找出空闲频段。

实现上述目的所采用的解决方案为：

一种步进宽带频谱认知方法，其改进之处在于，包括：

步骤1：设定开始频率值；

步骤2：采用多个监测节点，从所述开始频率值开始检测和第一步长覆盖的频段是否被占用，如果被占用，则以第二步长在所述第一步长覆盖频段之内进行检测，找出空闲频段；

步骤3：将开始频率值增加一个第一步长步进频率值，判断增加第一步长后的开始频率值是否达到检测范围：是则结束，否则执行步骤2；

其中，所述第一步长比所述第二步长长。

本发明提供的第一优选技术方案，其改进之处在于，所述以第二步长在所述第一步长覆盖频段之内进行检测，找出空闲频段，包括：

步骤2-1：将第一步长的步长覆盖频段的最小频率值设为初始频率值；

步骤2-2：采用多个监测节点，从初始频率值开始检测第二步长覆盖的频段是否被占用；

步骤2-3：将初始频率值增加一个第二步长步进频率值，判断增加第二步长后的初始频率值是否超出第一步长覆盖的频率范围：是则找出第一步长覆盖的频率范围的空闲频段并结束，否则执行步骤2-2。

本发明提供的第二优选技术方案，其改进之处在于，所述检测步长覆盖的频段是否被占用，包括：

针对每个监测节点，分别统计所述频段内的能量值是否大于或等于门限值：

若是，则所述监测节点对应的判断结果为频段被占用，否则所述监测节点对应的判断结果为频段空闲；

基于所有监测节点对应的判断结果，融合判断频段内的能量值是否大于或等于门限值：

若是，则判断步长覆盖频段被占用，否则判断步长覆盖频段空闲；

其中，所述门限值是根据预设虚警概率计算的。

本发明提供的第三优选技术方案，其改进之处在于，所述门限值是通过如下式计算的：

其中，λ_i表示第i个监测节点的门限值，N表示采样点数，P_f表示预设虚警概率，Q表示标准正态分布的右尾函数，σ² _{n_i}表示第i个监测节点观测得到的背景噪声方差，下标n表示背景噪声。

本发明提供的第四优选技术方案，其改进之处在于，所述融合判断频段内的能量值是否大于或等于门限值，包括：

基于所有监测节点对应的判断结果，统计是否有大于或等于预设标准个数的监测节点对应的判断结果为频段内的能量值大于或等于门限值：

若是，则判断频段内的能量值大于或等于门限值，否则判断频段内的能量值小于门限值。

本发明提供的第五优选技术方案，其改进之处在于，所述以第一步长检测步长覆盖频段是否被占用之前，还包括：

设置检测范围以及第一步长检测步长和第二步长检测步长的值。

本发明提供的第六优选技术方案，其改进之处在于，所述判断步长覆盖频段空闲之后，还包括：

标记空闲频段并记录。

若优化过程有设备的调整，则重新进行潮流计算再判断越限情况。

一种步进宽带频谱认知系统，其改进之处在于，包括：开始频率模块、一次检测模块和第一步进及判断模块；

所述开始频率模块，用于设定开始频率值；

所述一次检测模块，用于采用多个监测节点，从所述开始频率值开始检测第一步长检测步长覆盖的频段是否被占用，如果被占用，则以第二步长在所述第一步长覆盖频段之内进行检测，找出空闲频段；

所述第一步进及判断模块，用于将开始频率值增加一个第一步长步进频率值，判断增加第一步长后的开始频率值是否达到检测范围：是则结束，否则调用所述一次检测模块；

其中，所述第一步长比所述第二步长长。

本发明提供的第七优选技术方案，其改进之处在于，所述一次检测模块包括：初始频率单元、二次检测单元和第二步进及判断单元；

所述初始频率单元；用于将第一步长的步长覆盖频段的最小频率值设为初始频率值；

所述二次检测单元，用于采用多个监测节点，从所述初始频率值开始检测第二步长覆盖的频段是否被占用；

所述第二步进及判断单元，用于将初始频率值增加一个第二步长，判断增加第二步长后的初始频率值是否超出第一步长覆盖的频率范围：是则找出第一步长覆盖的频率范围的空闲频段并结束，否则调用所述二次检测单元。

本发明提供的第八优选技术方案，其改进之处在于，还包括用于检测步长覆盖频段是否被占用的步长检测模块，所述步长检测模块包括单节点判断单元和融合判断单元；

所述单节点判断单元，用于针对每个监测节点，分别统计所述频段内的能量值是否大于或等于门限值：若是，则所述监测节点对应的判断结果为频段被占用，否则所述监测节点对应的判断结果为频段空闲；

所述融合判断单元，用于基于所有监测节点对应的判断结果，融合判断频段内的能量值是否大于或等于门限值：若是，则判断频段被占用，否则判断频段空闲；

其中，所述门限值是根据预设虚警概率计算的。

与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：

本发明提出一种步进宽带频谱认知方法和系统，包括：步骤1：设定开始频率值；步骤2：采用多个监测节点，从开始频率值开始检测第一步长覆盖的频段是否被占用，如果被占用，则以第二步长在第一步长覆盖频段之内进行检测，找出空闲频段；步骤3：将开始频率值增加一个第一步长步，判断增加第一步长后的开始频率值是否达到检测范围：是则结束，否则执行步骤2。该方法和系统兼顾频段检测精度和检测时间，能够快速高精度的检测频谱是否被占用，找出空闲频段。

本发明提供的方法和系统无需任何先验信息，计算量小，易于实现，可自行设置监测频段、步进值等关键参数适应不同场景的应用需求。本发明所提算法可用于其他频段的频谱认知，也可应用于宽带信号干扰检测中，具有实用意义。

附图说明

图1为本发明提供的一种步进宽带频谱认知方法流程示意图；

图2为本发明提供的一种步进宽带频谱认知方法中单频点频域能力监测实现框图；

图3为本发明提供的一种步进宽带频谱认知方法中步进频域能量检测算法实现框图；

图4为本发明提供的一种步进宽带频谱认知系统基本结构示意图；

图5为本发明提供的一种步进宽带频谱认知系统详细结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

实施例1：

本发明提供的一种步进宽带频谱认知方法流程示意图如图1所示，包括：

步骤1：设定开始频率值；

步骤2：采用多个监测节点，从开始频率值开始检测第一步长覆盖的频段是否被占用，如果被占用，则以第二步长在第一步长覆盖频段之内进行检测，找出空闲频段；

步骤3：将开始频率值增加一个第一步长，判断增加第一步长后的开始频率值是否达到检测范围：是则结束，否则执行步骤2；

其中，第一步长比第二步长长。

下面，以230MHz频段为例，对步进宽带频谱认知方法进行具体说明。

223-235MHz频段(统称230MHz频段)国家无线电委员会划分给电力、燃气、人防、水利等行业无线数据传输应用的行业专用无线电频段。总带宽为12MHz，包含480个带宽为25kHz的频点。分配情况方面，我国无线电管理委员会分配给电力行业280个频点，总带宽7MHz，用于建设电力无线专网，承载电力通信业务。由于频点是离散、非连续分布，无线电设备使用时需要报备当地无委会核准分配可用频点，灵活性差，使用效率低，而系统间相互干扰难以避免。

本发明提出一种步进宽带频谱认知方法，用于230MHz频段电力无线通信的宽带频谱认知，采用协作式步进频域能量检测算法实现对223-235MHz频段频谱使用情况的实时监测，简称CSFDED算法。所提算法在频域进行2次步进能量检测，在不显著增加复杂度的同时，可给出230MHz频段可用频点的具体分布信息。

1、单节点频域能量检测

图2是单频点频域能力监测实现框图。基于频域能量检测的频谱认知技术是在一定时间、特定频段内利用周期图方法直接计算信号的功率谱，并将其与预设门限值进行比较，判断该频段是否被占用。

假设y(t)是监测节点接收到的信号，s(t)是占用该频谱的设备发出的信号，n(t)是对应通道的加性高斯白噪声，且n(t)和s(t)之间相互独立，则特定频段的频谱认知问题可建模为：

其中，H₀表示频谱未被占用，即频谱空闲的情况，H₁表示频谱被占用，频谱认知判决规则为：

其中，T为一段时间内特定频段的检测统计量，具体为一段时间内特定频段的统计的能量值，λ是预设的判决门限，即门限值。在高斯白噪声环境下对特定频点进行频谱监测，当采样点数N足够大时，根据中心极限定理可得检测统计量T满足：

其中，表示正态分布的方差，/>为高斯白噪声的方差，u和/>分别是电力系统内有用信号的均值和方差，函数T～N(x1,x2)表示变量T服从期望为x1，方差为x2的正态分布，即公式(3)给出了H₀和H₁情况下，T的分布情况。频谱认知算法的性能通常用检测概率P_d和虚警概率P_f衡量，P_d表示频谱被占用时的准确判决概率，而P_f表示频谱空闲但被错误判决为频谱被占用的概率。单节点频域能量检测概率P_d和虚警概率P_f分别为：

其中，为标准正态分布的右尾函数。

2、协作式步进频域能量检测

为实现电力通信网络中230MHz频段的频谱认知，考虑到需实时监测的频段带宽较宽(12M)、硬件设备处理能力有限，同时认知结果应结合最新频谱政策，给出带宽为25KHz的频点使用状况，本专利提出一种协作式步进频域能量检测算法。感知频段较宽，在工程上一次性完成全频段的频谱检测实现难度较大，为此采取多次步进频域能量检测，并综合检测结果实现大范围的宽带频谱认知。

2.1、门限选取

实际应用中，过高的虚警概率将导致空闲频谱搜寻失败、频谱效率降低，而检测概率过低将误导用户接入被占用的频谱，引发通信冲突、扰乱该通道上的正常通信。在保证虚警概率足够小的前提下，改进频谱认知算法尽可能提高检测概率，保证实时、准确地检测出空闲频谱是电力网络中频谱认知的关键。CSFED算法采用固定单个监测节点虚警概率的方式，即保证空闲频段检测失败的概率维持一个足够低的水平，各个监测节点根据信道环境自适应调整各自的判决门限值，避免人为设定判决门限值对算法稳定性造成的影响。同时，各个节点独立设置门限值，可在一定程度上减小噪声不确定度带来的影响。由式(5)可得门限值的计算式为：

其中，是第i个监测节点长时间观测得到的背景噪声即高斯白噪声的方差。则由式(4)、(6)可得各个监测节点的检测概率为：

其中，为第i个监测节点接收信号的方差。和u_i分别是第i个监测节点接收到的其他设备发出信号的方差和均值。

2.2、协作策略

在实际环境中，单节点检测容易受到衰落、多径、强背景噪声等因素的影响，导致检测性能急剧恶化，协作频谱认知可以通过多个节点协同检测、融合判决对抗多径效应、阴影效应、隐藏终端等问题。

协作检测中融合判准则分为硬融合判决和软融合判决，常用的硬融合判决准则有“或”准则、“与”准则和“K秩”准则。实际上，“或”准则是K＝1的“K秩”准则，“与”准则是K＝L的“K秩”准则。考虑电网频谱认知中监测节点应满足广地域覆盖、低功耗工作、传输时延尽可能小等需求，所提算法采用硬融合判决中的“K秩”准则，即在参与协作的监测节点中若有K个或大于K个监测节点判决频谱被占用，汇聚节点才判决频谱处于非空闲状态，其中K值可根据实际应用场景调整。硬融合判决虽在检测性能上稍逊于软融合判决准则，但在信息融合时各个监测节点只需发送0或1到汇聚节点(0表示频谱空闲、1表示频谱被占用)，在一定程度上减小了数据传输开销和传输时延。假设参与协作的监测节点数为L，以T_i表示第i个监测节点的检测统计量，R_i表示各个监测节点发送到汇聚节点的频谱认知数据，则有：

其中，i＝1,…,L。汇聚节点融合各个监测节点的频谱感知结果，判决准则如下：

其中，K是判决准则的关键参数，根据实际应用场景及具体技术指标，可自由选取合适的K值以最大化检测概率。

2.3、CSFDED算法

在步进检测中，检测频带带宽分辨率和检测时长受步进值影响，步进值越小，则检测频带带宽分辨率越高、检测耗时越长。较大的步进值可以减少检测复杂度，减小检测时长，但会导致检测分辨率降低。为满足各项检测需求，兼顾230MHz频段频谱认知的检测耗时与检测分辨率，所提算法第一次检测采用较大的步进值完成全认知频段的快速粗检测，第二次检测采用较小的步进值完成频段内可用频点的细搜索。CSFED算法的实现框图如图3所示。

首先根据实际应用需求设置两次检测的步进值，在230MHz频谱认知中感知频段为223-235MHz，较大的步进值即第一步长和较小的步进值即第二步长可分别设为2MHz和25kHz。基本参数设置完毕后，参与协作的检测节点独立完成频域能量检测，汇聚节点融合判决。为减少检测时长，仅对第一次频谱认知中判决为频带被占用的频段进行二次检测，以较小的步进值再进行多次单步检测，直到以25kHz为单位精确检测到整个230MHz频段内被占用的所有频点，以此找到整个230MHz频段的空闲频段并记录与保存。

实施例2：

基于同一发明构思，本发明还提供了一种步进宽带频谱认知系统，由于这些设备解决技术问题的原理与步进宽带频谱认知方法相似，重复之处不再赘述。

该系统基本结构如图4所示，包括：开始频率模块、一次检测模块和第一步进及判断模块；

其中，开始频率模块，用于设定开始频率值；

一次检测模块，用于采用多个监测节点，从开始频率值开始检测第一步长覆盖的频段是否被占用，如果被占用，则以第二步长在第一步长覆盖频段之内进行检测，找出空闲频段；

第一步进及判断模块，用于将开始频率值增加一个第一步长步进频率值，判断增加第一步长后的开始频率值是否达到检测范围：是则结束，否则调用一次检测模块；

其中，第一步长比第二步长长。

步进宽带频谱认知系统详细结构如图5所示。

其中，一次检测模块包括：初始频率单元、二次检测单元和第二步进及判断单元；

初始频率单元；用于将第一步长的步长覆盖频段的最小频率值设为初始频率值；

二次检测单元，用于采用多个监测节点，从初始频率值开始检测第二步长覆盖的频段是否被占用；

第二步进及判断单元，用于将初始频率值增加一个第二步长步进频率值，判断增加第二步长后的初始频率值是否超出第一步长覆盖的频率范围：是则找出第一步长覆盖的频率范围的空闲频段并结束，否则调用二次检测单元。

其中，该系统还包括用于检测步长覆盖频段是否被占用的步长检测模块，步长检测模块包括单节点判断单元和融合判断单元；

单节点判断单元，用于针对每个监测节点，分别统计所述频段内的能量值是否大于或等于门限值：若是，则监测节点对应的判断结果为频段被占用，否则监测节点对应的判断结果为频段空闲；

融合判断单元，用于基于所有监测节点对应的判断结果，融合判断频段内的能量值是否大于或等于门限值：若是，则判断频段被占用，否则判断频段空闲；

其中，门限值是根据预设虚警概率计算的。

其中，融合判断单元基于所有监测节点对应的判断结果，统计是否有大于或等于预设标准个数的监测节点对应的判断结果为频段内的能量值大于或等于门限值：若是，则判断频段内的能量值大于或等于门限值，否则判断频段内的能量值小于门限值。

其中，该系统还包括设置模块，设置模块用于设置检测范围以及第一步长检测步长和第二步长检测步长的值。

其中，该系统还包括标记记录模块，标记记录模块用于标记空闲频段并记录。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种步进宽带频谱认知方法，其特征在于，包括：

步骤1：设定开始频率值；

步骤2：采用多个监测节点，从开始频率值开始检测第一步长覆盖的频段是否被占用，如果被占用，则以第二步长在所述第一步长覆盖频段之内进行检测，找出空闲频段；

步骤3：将开始频率值增加一个第一步长，判断增加第一步长后的开始频率值是否达到检测范围：是则结束，否则执行步骤2；

其中，所述第一步长比所述第二步长长；

所述以第二步长在所述第一步长覆盖频段之内进行检测，找出空闲频段，包括：

步骤2-1：将第一步长的步长覆盖频段的最小频率值设为初始频率值；

步骤2-2：采用多个监测节点，从初始频率值开始检测第二步长覆盖的频段是否被占用；

步骤2-3：将初始频率值增加一个第二步长，判断增加第二步长后的初始频率值是否超出第一步长覆盖的频率范围：是则找出第一步长覆盖的频率范围的空闲频段并结束，否则执行步骤2-2。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述检测步长覆盖的频段是否被占用，包括：

针对每个监测节点，分别统计所述频段内的能量值是否大于或等于门限值：

若是，则所述监测节点对应的判断结果为频段被占用，否则所述监测节点对应的判断结果为频段空闲；

基于所有监测节点对应的判断结果，融合判断频段内的能量值是否大于或等于门限值：

若是，则判断步长覆盖频段被占用，否则判断步长覆盖频段空闲；

其中，所述门限值是根据预设虚警概率计算的。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述门限值是通过如下式计算的：

其中，λ_i表示第i个监测节点的门限值，N表示采样点数，P_f表示预设虚警概率，Q表示标准正态分布的右尾函数，表示第i个监测节点观测得到的背景噪声方差，下标n表示背景噪声。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述融合判断频段内的能量值是否大于或等于门限值，包括：

基于所有监测节点对应的判断结果，统计是否有大于或等于预设标准个数的监测节点对应的判断结果为频段内的能量值大于或等于门限值：

若是，则判断频段内的能量值大于或等于门限值，否则判断频段内的能量值小于门限值。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述以第一步长检测步长覆盖频段是否被占用之前，还包括：

设置检测范围以及第一步长检测步长和第二步长检测步长的值。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述判断步长覆盖频段空闲之后，还包括：

标记空闲频段并记录。

7.一种步进宽带频谱认知系统，其特征在于，包括：开始频率模块、一次检测模块和第一步进及判断模块；

所述开始频率模块，用于设定开始频率值；

所述一次检测模块，用于采用多个监测节点，从所述开始频率值开始检测第一步长覆盖的频段是否被占用，如果被占用，则以第二步长在所述第一步长覆盖频段之内进行检测，找出空闲频段；

所述第一步进及判断模块，用于将开始频率值增加一个第一步长步，判断增加第一步长后的开始频率值是否达到检测范围：是则结束，否则调用所述一次检测模块；

其中，所述第一步长比所述第二步长长；

所述一次检测模块包括：初始频率单元、二次检测单元和第二步进及判断单元；

所述初始频率单元；用于将第一步长的步长覆盖频段的最小频率值设为初始频率值；

所述二次检测单元，用于采用多个监测节点，从初始频率值开始检测第二步长覆盖的频段是否被占用；

所述第二步进及判断单元，用于将初始频率值增加一个第二步长步，判断增加第二步长后的初始频率值是否超出第一步长覆盖的频率范围：是则找出第一步长覆盖的频率范围的空闲频段并结束，否则调用所述二次检测单元。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，还包括用于检测步长覆盖频段是否被占用的步长检测模块，所述步长检测模块包括单节点判断单元和融合判断单元；

所述单节点判断单元，用于针对每个监测节点，分别统计所述频段内的能量值是否大于或等于门限值：若是，则所述监测节点对应的判断结果为频段被占用，否则所述监测节点对应的判断结果为频段空闲；

所述融合判断单元，用于基于所有监测节点对应的判断结果，融合判断频段内的能量值是否大于或等于门限值：若是，则判断频段被占用，否则判断频段空闲；

其中，所述门限值是根据预设虚警概率计算的。