CN112468248B - 基于电力无线专网的认知无线电频谱检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电力无线专网的认知无线电频谱检测方法，属于无线通信技术领域。该方法首先采集类业务终端周期性地对非授权频率进行频谱感知；频谱服务器基于地理信息，融合判决是否存在频谱空洞；采集类业务终端传输采集类业务数据；控制类业务终端传输控制类业务数据。本发明方法方法基于电力采集类和控制类业务的数据传输要求，采用计量类业务终端作为认知无线电的频谱感知节点，有效地检测频谱空洞，提高电力无线专网的网络吞吐量，并可以有效降低控制类业务的传输延时。

Description

基于电力无线专网的认知无线电频谱检测方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于电力无线专网的认知无线电频谱检测方法。

背景技术

随着智能电网的飞速发展，现有的无线网络资源已经无法满足电网各类通信业务的多样化需求。由于频谱分配历史等原因，电力行业现有授权可用的频段只有基于230MHz频率的40个离散频点，每个频点25kHz带宽，共1MHz带宽。面对配网自动化、计量自动化，电动汽车桩、视频监控业务、能源互联网等各类电力业务的发展，无线专网覆盖终端数量的迅速增长，通信服务类业务和信息化业务呈爆发式增长，1MHz带宽的频谱是远远不够的，海量数据并发采集势必带来数据无线传输的丢包及延时。认知无线电技术的引入可在充分使用现有电力授权频谱的基础上，增加非授权频谱的使用，从而有效解决智能电网无线网络面临频谱资源紧张、频谱资源利用率较低等问题。

由于频谱资源利用率偏低，在空域、时域和频域都会出现对于当前通信冗余的、可以被利用的频率资源，这些频率资源被称为频谱空洞。认知无线电的基本思路就是在不影响授权频段的正常通信的基础上，具有一定感知能力的无线通信设备可以按照某种机会方式来接入授权的频段内，并动态地利用频谱空洞。如果一种通信系统中能完成如下的功能：具备认知功能，以“机会方式”接入频谱的次级用户能够通过对频谱的感知和分析，智能地使用空闲频谱并避免对拥有授权频段的主用户形成干扰；而主用户以最高的优先级使用被授权的频段。当主用户要使用授权频段时，次级用户需要及时停止使用频谱，将信道让给主用户，那么当前频谱效率低下的现状将得以大大的改善。在本发明的应用背景下，电力业务终端为次级用户，以期通过使用223-235MHz频段内非授权的频率，提高电力无线专网的吞吐量。

现有的认知无线电频谱感知的专利比较丰富，例如CN1885741A认知无线电系统的授权用户信号检测方法、US10555180B2 Systems,methods,and devices for electronicspectrum management、CN101123477A认知无线电频谱感测用长延迟生成技术的系统、方法和装置。这些专利都是基于一般的应用场景的分析，如果认知无线电的感知节点的数量有限，不能达到一个比较良好的检查效果。因此如何克服现有技术的不足是目前无线通信技术领域亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种基于电力无线专网的认知无线电频谱检测方法，该方法基于电力采集类和控制类业务的数据传输要求，采用计量类业务终端作为认知无线电的频谱感知节点，有效地检测频谱空洞，提高电力无线专网的网络吞吐量，并可以有效降低控制类业务的传输延时。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

基于电力无线专网的认知无线电频谱检测方法，包括如下步骤：

步骤S1：采集类业务终端周期性地对非授权频率进行频谱感知；

步骤S2：频谱服务器基于地理信息，融合判决是否存在频谱空洞；

步骤S3：采集类业务终端传输采集类业务数据；

步骤S4：控制类业务终端传输控制类业务数据。

进一步，优选的是，步骤S1的具体方法为：

采集类业务终端的单位时隙包括频谱感知时隙和数据传输时隙；在频谱感知时隙，采集类业务终端采用前导序列检测的方式进行主用户检测；

如果在频谱感知时隙，采集类业务终端接收到的N个信号采样点为y₀,y₁,…y_N-1，该采样点为基带信号；已知主用户前导序列为s₀,s₁,…s_K-1，前导序列的长度为K，N>K；则检测判决序列为

其中，i＝0,1,…,(N-K)；该判决序列的长度为N+1-K；

表示的是s_j的共轭，Re表示取复数的实部；

整个共轭序列的平均值为：

则判决准则为：当存在一个M_i,i＝0,...,N-K，使得

则判断主用户在使用该频点，即活跃状态，电力次级用户不能动态使用该频点；若所有的M_i,i＝0,...,N-K都小于

则判断主用户未使用该频点，即空闲状态；其中，λ为常数；

完成判决后，终端把判决结果上传至频谱服务器。

进一步，优选的是，步骤S2的具体方法为：

步骤S21：频谱服务器接收到多个终端上传的判决结果后，根据判决为主用户为活跃状态的业务终端的地理位置，生成判决区域；

步骤S22：频谱服务器在得到有效的判决区域后，判决是否存在频谱空洞。

进一步，优选的是，步骤S22中当该判决区域80％终端对于某频点的判决结果均为空闲状态，则该频点为频谱空洞。

进一步，优选的是，步骤S3的具体方法为：

步骤S31：采集类业务终端通过频谱服务器获取可用的频率，可用频率包括了授权频率和存在频谱空洞的非授权频率；频谱服务器根据该采集类业务终端是否在有效的判决区域内，判断该采集类业务是否能动态使用频谱空洞进行业务传输；

步骤S32：在数据传输时隙，采集类业务终端使用可用频率传输数据业务。

进一步，优选的是，步骤S4的具体方法为：

步骤S41：当控制类业务需要传输数据时，该终端向频谱服务器获取可用的频率；频谱服务器根据该控制类业务终端是否在有效的判决区域内，判断该控制类业务是否能动态使用频谱空洞进行业务传输；

步骤S42：控制类业务终端使用可用频率传输数据业务。

进一步，优选的是，判决区域的计算方法如下：

步骤X1：频谱服务器接收采集类终端的判决结果，在频谱感知时隙结束后进入步骤X2；

步骤X2：从电力数据库获取已判决主用户为活跃状态的终端的地理位置，进入步骤X3；

步骤X3：初始化判决点集，一个终端的地理位置为一个点，判决点集包括了所有判决主用户为活跃状态的点；进入步骤X4；

步骤X4：基于判决点集，计算判决区域，进入步骤X5；

步骤X5：定义判决区域半径的最大值为判决半径门限；如果当前判决区域的半径小于该门限，则认为该区域为有效的判决区域，进入步骤X6，否则该判决区域不是有效判决区域，进去步骤X9剔除判决点重新生成新的判决区域；

步骤X6：输出有效的判决区域，在该区域进行最终的频谱空洞判决；如果最终判决该区域不存在频谱空洞，即主用户存在，则在该有效判决区域内的所有终端都不能使用非授权频点进行数据传输；进入步骤X7；

步骤X7：如果所有判决点集都在判决区域内，则结束，否则从判决点集中剔除在有效判决区域内的点，进入步骤X8；

步骤X8：迭代计算下一个判决区域，基于新的判决点集，进入步骤X4，计算下一个判决区域；

步骤X9：从判决点集中剔除对于判决区域半径影响最大的点。

本发明基于电力无线专网架构下，采集类电力业务终端作为认知无线电的感知节点，可以有效地检测认知无线电主用户的活跃状态，为电力次级用户动态使用非授权频点提供了保证。

频谱服务器根据采集类电力业务终端频谱空洞的判决结果，计算判决区域，融合判决频谱空洞的存在。

本发明方法应用场景的特殊性：电力无线专网的认知无线电应用场景。

本发明中的其中λ为一个大于1的常数，取值取决于前导序列的长度K以及采样点数N。λ建议取值为在1.5至2的区间内。

本发明中判决半径门限根据项目信号覆盖情况来定义，优选为2KM或3KM。

本发明与现有技术相比，其有益效果为：

本专利采用电力采集类终端作为感知节点，由于电力采集类终端数量大而且在城市区域分布广泛，可以有效地为电力业务检测非授权频点的频谱空洞。且由于电力业务终端可以动态使用非授权频谱进行业务数据传输，因此提高了电力无线专网的网络吞吐量，并且保证控制类业务终端较低的传输延时。

附图说明

图1为网络拓扑图；

图2为时隙分配图；

图3为基于电力无线专网的认知无线电频谱检测机制流程图；

图4为频谱服务器基于地理划分的融合判决；

图5为计算判决区域流程图；

图6为判决区域计算实例。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。

本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料或设备未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。

根据业务对最大传输延时的要求，本发明对于常见的电力业务分为两类：控制类业务和采集类业务。控制类业务包括毫秒级精准负荷控制、配电自动化三遥、汽车充电桩分布式能源的实时控制、电力视频监控等，这类业务对于通信的延时要求高，具备不定时发送的特征。采集类业务包括电力用户的用电信息采集、充电桩设备状态信息采集等，这类业务对于通信延时低，一般传输延时要求为15秒内。采集类业务具备周期性采集的特征，目前采集类业务终端每小时产生1次脉冲心跳，未来根据用电信息采集业务需求，采集频次可能将提升至每15分钟1次或更高。

本专利基于电力无线专网的网络架构，如图1所示，业务终端通过无线链路与基站通信，基站接入电力光纤传输网络，与业务服务器(包括配网主站、计量主站等)、频谱服务器、核心网设备以及网管系统等通信。

1)核心网设备：负责终端认证、终端IP地址管理、移动性管理等，提供接口直接连接电力业务主站。

2)网管系统：负责核心网、基站、无线终端的远程配置管理和状态监测。

3)基站设备：负责通过空间接口与无线终端通信，实现资源调度、无线资源管理、无线接入控制、移动性管理等功能。

4)无线业务终端：无线业务终端提供无线数据的采集与传输，可直接嵌入式安装于电力用采集中器、负荷控制等电力终端中。

5)频谱服务器：负责认知无线电频谱空洞的融合判决。

电力无线专网采用223-235MHz频段内的40个电力授权频率和非授权频率进行数据传输。本专利通过认知无线电技术检测非授权频率的频谱空洞，即在主用户不使用的时间内动态使用非授权频率进行数据传输。

本发明使用采集类业务终端作为认知无线电主用户频谱感知的节点，即采集类业务终端具备传输采集业务数据和检测感知两种功能。检测感知是本专利提出的采集类业务终端的新功能。

由于采集类业务的时延要求低，采集类业务对于增加感知时隙带来的数据延时并不敏感。由于控制类业务对于传输时延的要求高，该类型的终端不参与认知无线电的频谱感知。

本发明的流程图如图3所示，步骤如下：

步骤S1：采集类业务终端周期性地对非授权频率进行频谱感知。

步骤S2：频谱服务器基于地理信息，融合判决是否存在频谱空洞。

步骤S3：采集类业务终端传输采集类业务数据。

步骤S4：控制类业务终端传输控制类业务数据。

其中步骤S1具体包括：

步骤S11：采集类业务终端把单位时隙划分为频谱感知时隙和数据传输时隙两部分，如图2所示。频谱感知时隙和数据传输时隙的比例不属于本发明的范畴，感知时隙越长则感知的精度越高，但是数据传输时隙则相应变短，影响数据传输速率。因此该比例是感知准确性和数据传输速率的折中。

步骤S12：在频谱感知时隙，采集类业务终端采用前导序列检测的方式进行主用户检测。

前导序列检测方式说明如下。

如图2所示，如果在频谱感知时隙，采集类业务终端接收到的N个信号采样点为y₀,y₁,…y_N-1，该采样点为基带信号。我们已知主用户前导序列为s₀,s₁,…s_K-1，前导序列的长度为K，我们要求N>K。则检测判决序列为

其中i＝0,1,…,(N-K)。该判决序列的长度为N+1-K。

表示的是s_j的共轭。Re表示取复数的实部。

整个共轭序列的平均值为

则判决准则为：当存在一个M_i,i＝0,...,N-K,使得

则判断主用户在使用该频点(即活跃状态)，电力次级用户不能动态使用该频点；若所有的M_i,i＝0,...,N-K都小于

则判断主用户未使用该频点(即空闲状态)，即存在频谱空洞。其中λ为一个大于1的常数，取值取决于前导序列的长度K以及采样点数N。

步骤S13：完成判决后，终端把决策结果上传至频谱服务器。采集类业务终端周期性地上传判决结果。

其中步骤S2具体包括：

步骤S21：如图4所示，频谱服务器接收到多个终端(包括判决主用户为空闲状态的终端4-1和判决主用户为活跃状态的终端4-2)上传的判决结果后，根据判决为主用户为活跃状态的业务终端4-2的地理位置，生成判决区域4-2，其中4-3是判决区域4-2的中心。具体步骤见步骤X1-X9。

步骤S22：频谱服务器在得到有效的判决区域后，利用一定的准则进行最终的判决。频谱空洞的判决准则有多种选择：大于或者等于某比例(例如80％、100％)的终端判决频谱空洞等。

其中步骤S3具体包括：

步骤S31：采集类业务终端通过频谱服务器获取可用的频率，可用频率包括了授权频率和存在频谱空洞的非授权频率。频谱服务器根据该采集类业务终端是否在有效的判决区域内，判断该采集类业务是否能动态使用频谱空洞进行业务传输。

步骤S32：在特定的周期性地数据传输时隙，采集类业务终端使用可用频率传输数据业务。由于采集类终端是周期性传输数据，在两次数据传输间隔的传输时隙内不传输业务，但是在两次数据传输间隔的频谱感知时隙仍然不间断地感知主用户的状态并把判决结果上传至频谱服务器。

其中步骤S4具体包括：

步骤S41：当控制类业务需要传输数据时，该终端向频谱服务器获取可用的频率。频谱服务器根据该控制类业务终端是否在有效的判决区域内，判断该控制类业务是否能动态使用频谱空洞进行业务传输。

步骤S42：控制类业务终端使用可用频率传输数据业务。控制类业务终端不参与频谱感知，即可以有效地降低传输延时。

频谱服务器计算判决区域的步骤如下：

步骤X1：频谱服务器接收采集类终端的判决结果。在频谱感知时隙结束后进入步骤X2。

步骤X2：从电力数据库获取终端的地理位置。这里需要获取地理位置的终端为已判决主用户为活跃状态的终端。如果频谱服务器已经缓存了信息，则无需重新向数据库获取。进入步骤X3。

步骤X3：初始化判决点集。一个终端的地理位置(即经纬度)为一个点，判决点集包括了所有判决主用户为活跃状态的点。进入步骤X4。

步骤X4：计算判决区域。基于判决点集，计算判决区域。判决区域4-2可以为圆形、矩形或者其他形状，与终端分布的地形和分布密度相关。以圆形判决区域为例，计算判决区域方法可以分为两个步骤：1)判决区域圆心的横坐标值为判决点集最大横坐标和最小横坐标的中间值，圆心纵坐标的计算同理；2)判决区域圆半径为判决点集与圆心距离的最大值。进入步骤X5。

步骤X5：定义判决区域半径的最大值为判决半径门限。如果当前判决区域的半径小于该门限，则认为该区域为有效的判决区域，进入步骤X6，否则该判决区域不是有效判决区域，进去步骤X9剔除判决点重新生成新的判决区域。

步骤X6：输出有效的判决区域。利用一定的准则在该区域进行最终的频谱空洞判决。如果最终判决该区域不存在频谱空洞，即主用户存在，则在该有效判决区域内的所有终端(包括计量类和控制类业务终端)都不能使用非授权频点进行数据传输；进入步骤X7；

步骤X7：如果所有判决点集都在判决区域内，则结束，否则从判决点集中剔除在有效判决区域内的点。进入步骤X8。

步骤X8：迭代计算下一个判决区域。基于新的判决点集，进入步骤X4，计算下一个判决区域。

步骤X9：从判决点集中剔除判决点。从判决点集中剔除对于判决区域半径影响最大的点。

基于图6，下面详细说明判决区域计算的步骤：

1.步骤X1：频谱服务器接收到终端6-1、6-2、6-3、6-4、6-5、6-6、6-7的主用户活跃检测结果。

2.步骤X2：频谱服务器获取这7个终端的地理位置。(x₁,y₁)为终端6-1的经纬度，以此类推(x_n,y_n)为终端6-n的经纬度。

3.步骤X3初始化点集(x₁,y₁),(x₂,y₂),(x₃,y₃),(x₄,y₄),(x₅,y₅),(x₆,y₆),(x₇,y₇)

4.步骤X4:计算判决区域为6-8。

5.步骤X5:判决区域6-8的半径大于区域半径门限。剔除点6-1，判决点集更新为(x₂,y₂),(x₃,y₃),(x₄,y₄),(x₅,y₅),(x₆,y₆),(x₇,y₇)。

6.步骤X4:重新计算判决区域。

7.步骤X5:该判决区域的半径仍然大于区域半径门限。剔除点6-2，判决点集更新为(x₃,y₃),(x₄,y₄),(x₅,y₅),(x₆,y₆),(x₇,y₇)。

8.步骤X4:重新计算判决区域。

9.步骤X5:该判决区域的半径仍然大于区域半径门限。剔除点6-3，判决点集更新为(x₄,y₄),(x₅,y₅),(x₆,y₆),(x₇,y₇)。

10.步骤X4:重新计算判决区域，得到判决区域6-9。

11.步骤X5:判决区域6-9的半径小于区域半径门限，满足有效区域的判决条件。步骤X6:输出有效区域6-9。

12.步骤X8:剔除有效区域6-9内的点，生成新的判决点集(x₁,y₁),(x₂,y₂),(x₃,y₃)。

13.步骤X4:计算判决区域6-10。

14.步骤X5:判决区域6-10的半径小于区域半径门限，满足有效区域的判决条件。步骤X6:输出有效区域6-10。

15.步骤X7：所有的点集在有效判决区域内，结束本流程

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.基于电力无线专网的认知无线电频谱检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1：采集类业务终端周期性地对非授权频率进行频谱感知；

步骤S2：频谱服务器基于地理信息，融合判决是否存在频谱空洞；

步骤S3：采集类业务终端传输采集类业务数据；

步骤S4：控制类业务终端传输控制类业务数据；

步骤S2的具体方法为：

步骤S21：频谱服务器接收到多个采集类业务终端上传的判决结果后，根据判决为主用户为活跃状态的采集类业务终端的地理位置，生成判决区域；

步骤S22：频谱服务器在得到有效的判决区域后，判决是否存在频谱空洞；

步骤S3的具体方法为：

步骤S31：采集类业务终端通过频谱服务器获取可用的频率，可用频率包括了授权频率和存在频谱空洞的非授权频率；频谱服务器根据该采集类业务终端是否在有效的判决区域内，判断该采集类业务是否能动态使用频谱空洞进行业务传输；

步骤S32：在数据传输时隙，采集类业务终端使用可用频率传输数据业务；

步骤S4的具体方法为：

步骤S41：当控制类业务需要传输数据时，该控制类业务终端向频谱服务器获取可用的频率；频谱服务器根据该控制类业务终端是否在有效的判决区域内，判断该控制类业务是否能动态使用频谱空洞进行业务传输；

步骤S42：控制类业务终端使用可用频率传输数据业务；

判决区域的计算方法如下：

步骤X1：频谱服务器接收采集类业务终端的判决结果，在频谱感知时隙结束后进入步骤X2；

步骤X2：从电力数据库获取已判决主用户为活跃状态的采集类业务终端的地理位置，进入步骤X3；

步骤X3：初始化判决点集，一个采集类业务终端的地理位置为一个点，判决点集包括了所有判决主用户为活跃状态的点；进入步骤X4；

步骤X4：基于判决点集，计算判决区域，进入步骤X5；

步骤X5：定义判决区域半径的最大值为判决半径门限；如果当前判决区域的半径小于该门限，则认为该区域为有效的判决区域，进入步骤X6，否则该判决区域不是有效判决区域，进去步骤X9剔除判决点重新生成新的判决区域；

步骤X6：输出有效的判决区域，在该区域进行最终的频谱空洞判决；如果最终判决该区域不存在频谱空洞，即主用户存在，则在该有效判决区域内的所有采集类业务终端都不能使用非授权频点进行数据传输；进入步骤X7；

步骤X7：如果所有判决点集都在判决区域内，则结束，否则从判决点集中剔除在有效判决区域内的点，进入步骤X8；

步骤X8：迭代计算下一个判决区域，基于新的判决点集，进入步骤X4，计算下一个判决区域；

步骤X9：从判决点集中剔除对于判决区域半径影响最大的点。

2.根据权利要求1所述的基于电力无线专网的认知无线电频谱检测方法，其特征在于，步骤S1的具体方法为：

采集类业务终端的单位时隙包括频谱感知时隙和数据传输时隙；

在频谱感知时隙，采集类业务终端采用前导序列检测的方式进行主用户检测；

如果在频谱感知时隙，采集类业务终端接收到的N个信号采样点为有y₀，y₁，...，y_N-1，该采样点为基带信号；已知主用户前导序列为s₀，s₁，...，s_K-1，前导序列的长度为K，N＞K；则检测判决序列为

其中，i＝0，1，...，(N-K)；该判决序列的长度为N+1-K；

表示的是s_j的共轭，Re表示取复数的实部；

整个共轭序列的平均值为：

则判决准则为：当存在一个M_i，i＝0，...，N-K，使得

则判断主用户在使用该频点，即活跃状态，电力次级用户不能动态使用该频点；若所有的M_i，i＝0，...，N-K都小于

则判断主用户未使用该频点，即空闲状态；其中，λ为常数；

完成判决后，采集类业务终端把判决结果上传至频谱服务器。

3.根据权利要求1所述的基于电力无线专网的认知无线电频谱检测方法，其特征在于，步骤S22中当该判决区域80％采集类业务终端对于某频点的判决结果均为空闲状态，则该频点为频谱空洞。

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