CN112601233A - 一种应用于智能电网的免授权频段信道接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种应用于智能电网的免授权频段信道接入方法，包括：S1：在随机退避数的取值区间[0,CW]内产生随机数N∈[0,CW]，CW表示竞争窗口长度；S2：以固定的时隙周期T_d为单位，基站执行CCA检测，在周期T_d内持续侦听多个信道，若检测到存在空闲信道，将其标记为空闲信道集合

S3：以固定的时隙周期T_sl为单位，基站执行CCA检测，在周期T_sl内对空闲信道集合中的信道

进行侦听，若检测结果存在n个空闲信道，则更新随机退避数N＝max{N‑n,0}，并更新空闲信道集合

为该n个空闲信道：判断N是否减至0，若N为0，则选择信道开始数据传输，否则继续步骤S3，直至N减为0。本发明可以有效的减小数据传输时由免授权频段的信道接入引起的时延。

Description

一种应用于智能电网的免授权频段信道接入方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种应用于智能电网的免授权频段信道接入方法。

背景技术

应用于电网的传统无线通信技术主要使用授权频段进行通信，然而授权频段由运营商代理，需要购买，而随着通信需求的迅速增长，授权频段的频谱资源变得十分稀缺和昂贵。基于此，在智能电网中使用无需国家授权的免授权频段(包括2.4 GHz、5 GHz等)，能够很好的应对授权频段频谱资源稀缺的问题，并缓解授权频段拥挤、费用高的问题，同时有助于提升系统传输的数据速率。对于使用免授权频段进行传输的智能电网，首先需要考虑其与免授权频段中的其他通信技术(例如WiFi传输、蓝牙、ZigBee等)之间的公平共存，以确保传输的有效进行。先听后说(listen-before-talk，LBT)机制，是用于免授权频段信道接入的一种方法，其在使用信道之前，首先对信道进行侦听，进行空闲信道评估(clear channelaccess，CCA)，若信道空闲，方能接入该免授权信道，开始进行通信。

为了实现智能电网系统在免授权频段通信时与其他免授权频段通信技术之间的和谐共存，在传统的LBT机制中，发射机通过CCA对某一个信道进行检测，若检测到信道空闲，则产生随机数N作为竞争窗口的长度，开始随机退避。这种机制下的一个问题是，若基站侦听的信道繁忙，却存在其他可以进行传输的空闲信道，基站将仍在该繁忙的信道上进行随机退避，而不会在空闲的信道传输，这降低了传输数据的效率也增大了时延。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种应用于智能电网的免授权频段信道接入方法。

一种应用于智能电网的免授权频段信道接入方法，包括：

S1：需要进行数据传输时，在随机退避数的取值区间[0,CW]内产生随机数N∈[0,CW]，CW表示竞争窗口长度；

S2：以固定的时隙周期T_d为单位，基站执行CCA检测，在周期T_d内持续侦听多个信道，若检测到存在空闲信道，将其标记为空闲信道集合

进入步骤S3，否则返回步骤S1直到检测到存在空闲信道；

S3：以固定的时隙周期T_sl为单位，基站执行CCA检测，在周期T_sl内对空闲信道集合中的信道

进行侦听，若检测结果存在n个空闲信道，则更新随机退避数N＝max{N-n,0}，并更新空闲信道集合

为该n个空闲信道，进入步骤S4，否则若检测到所有信道均繁忙，则冻结N的值，返回步骤S2；

S4：判断N是否减至0，若N为0，则选择信道开始数据传输，否则继续步骤S3，直至N减为0。

优选的，若CCA检测结果小于CCA检测阈值，则判断该信道为空闲。

优选的，在随机退避数N减至0开始数据传输时，确定用于传输的信道数目和用于传输的信道。

优选的，所述确定用于传输的信道数目包括：

对所有待传输的数据，均使用1个信道进行传输。

优选的，所述确定用于传输的信道数目包括：

对所有待传输的数据，若存在不止1个空闲信道，使用2个信道同时传输相同的数据。

优选的，所述确定用于传输的信道数目包括：

根据待传输数据的重要程度，对于重要数据使用2个信道同时进行传输，对普通数据使用1个信道进行传输。

优选的，所述确定用于传输的信道包括：

在空闲信道中随机选择一个信道进行传输。

优选的，所述确定用于传输的信道包括：

按照频点由低到高对信道进行编号，根据信道标号大小，按照空闲信道的标号从小到大，优先选择标号小的信道进行传输。

优选的，所述确定用于传输的信道包括：

根据信道的负载，优先选择负载小的信道进行传输。

优选的，所述确定用于传输的信道包括：

根据信道的繁忙程度，优先选择信道繁忙概率低的信道进行传输。

通过使用本发明，可以实现以下效果：

1.与传统基站仅对一个信道进行侦听不同，在本发明中基站在侦听信道时可同时对多个信道进行侦听，从而避免在存在可传输的空闲信道的情况下，反复侦听繁忙信道。

2.基于基站可同时对多个信道进行侦听，提出了同时在时域与频域进行的退避机制，对随机退避数进行处理时同时考虑多个信道的侦听结果，随机退避数不仅仅是在检测到空闲时减1，在检测到多个信道空闲的情况下随机退避数将快速减小，这可以有效的减小数据传输时由免授权频段的信道接入引起的时延。

3.提出四种传输信道选择的方式，每种选择方式具有各自的特点，可根据信道繁忙状况与传输需求，选用合适的信道选择方式，以进一步减小发生碰撞的概率，提升数据传输效率。

4.与传统的传输方式仅使用一个信道用于数据传输不同，本方法中可同时使用两个信道传输相同的数据，从而提升数据传输的可靠性，并可大大减小由于在某信道传输出错导致数据传输出错的概率。

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是本发明实施例一种应用于智能电网的免授权频段信道接入方法的示意流程图；

图2是本发明实施例一种应用于智能电网的免授权频段信道接入方法中采用二进制指数退避的免授权频段信道接入方式的示意流程图；

图3是本发明实施例一种应用于智能电网的免授权频段信道接入方法中基于信道繁忙程度的传输信道选择方式的示意流程图。

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。

本发明实施例的基本思想是为了实现智能电网系统在免授权频段通信时与其他免授权频段通信技术之间的和谐共存，在传统的LBT机制中，发射机通过CCA对某一个信道进行检测，若检测到信道空闲，则产生随机数N作为竞争窗口的长度，开始随机退避。这种机制下的一个问题是，若基站侦听的信道繁忙，却存在其他可以进行传输的空闲信道，基站将仍在该繁忙的信道上进行随机退避，而不会在空闲的信道传输，这降低了传输数据的效率也增大了时延。基于此，本方案提出在基站同时对多个信道进行侦听的方式，在时域和频域均进行退避，这能有效的减小信道接入带来的时延。

基于上述思想，本发明实施例提出一种应用于智能电网的免授权频段信道接入方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1：需要进行数据传输时，在随机退避数的取值区间[0,CW]内产生随机数N∈[0,CW]，CW表示竞争窗口长度；

S2：以固定的时隙周期T_d为单位，基站执行CCA检测，在周期T_d内持续侦听多个信道，若检测到存在空闲信道，将其标记为空闲信道集合

进入步骤S3，否则返回步骤S1直到检测到存在空闲信道；

其中，判断信道空闲的方式为，在固定的时隙周期T_d内检测到信道始终空闲(即CCA检测结果始终小于CCA检测阈值)，该时隙周期长度T_d由电网系统定义，该CCA检测阈值与基站发送端的最大发送功率P_H正比，可由ETSI标准得到。若CCA检测结果小于CCA检测阈值，则判断该信道为空闲。

S3：以固定的时隙周期T_sl为单位，基站执行CCA检测，在周期T_sl内对空闲信道集合中的信道

进行侦听，若检测结果存在n个空闲信道，则更新随机退避数N＝max{N-n,0}，并更新空闲信道集合

为该n个空闲信道，进入步骤S4，否则若检测到所有信道均繁忙，则冻结N的值，返回步骤S2；

其中，判断信道空闲的方式为，在固定的时隙周期T_sl内至少有T_sl-min时间内的CCA检测结果低于CCA阈值，该时隙周期长度T_sl和T_sl-min由电网系统定义。

在一实施例中，基站为23dBm的等效全向辐射功率(e.i.r.p)的发射机，即基站的最大发送功率P_H＝23dBm，信道带宽为20MHz，根据ETSI标准中给出的能量检测阈值设定公式，CCA能量检测阈值为ED＝-85dBm/MHz+(23dBm-P_H)＝-75dBm/MHz＝-62dBm。

在该实施例中，需要传输数据时对信道进行首次CCA检测的时隙周期T_d＝20us，执行随机退避时进行CCA检测的时隙周期T_sl＝9us，T_sl-min＝4us。即步骤S3在一个时隙周期20us内持续进行CCA检测，检测结果均小于CCA阈值-62dBm，则判断信道空闲，产生随机退避数，开始随机退避，否则重新进行该20us内的CCA检测操作。在步骤S4，对每个信道进行CCA检测时，在每9us内有超过4us的检测值小于CCA阈值，则判断检测结果为空闲。

S4：判断N是否减至0，若N为0，则选择信道开始数据传输，否则继续步骤S3，直至N减为0。

竞争窗口长度CW用于确定发射机在进行随机退避时需要产生的随机数的取值范围，随机退避数将在[0,CW]范围内随机选取。在二进制指数退避机制下，若退避计数器减至0后数据仍传输失败(发送失败或发送冲突)，则将竞争窗口长度翻倍，重新进行选择随机退避数。具体的，如图2所示，包括如下步骤：

步骤1：基站完成初始化，配置初始参数；

步骤2：在需要传输数据时，设置CW＝CWmin，初始冲突次数k＝0；

步骤3：在[0,CW]区间内产生用于随机退避的随机数N；

步骤4：基站在时隙周期T_d内同时对多个信道进行CCA检测，若检测结果判断存在空闲信道，空闲信道标记为集合

进入步骤5，否则重复步骤4；

步骤5：在时隙周期T_sl内，对属于集合

的信道

进行CCA检测，若检测到存在n个空闲信道，则进入步骤6，否则，若未检测到空闲信道，则冻结随机退避数N，回到步骤4；

步骤6：更新随机退避数N＝max{N–n，0}，更新集合

为检测结果为空闲的n个信道；

步骤7：判断随机退避数N是否减至0，若N＝0，则选择信道开始进行数据传输，否则回到步骤5；

步骤8：判断数据传输是否成功，若数据传输失败，则将竞争窗口长度翻倍，即CW＝min{(CW+1)*2-1，CWmax}，更新冲突次数k＝k+1，进入步骤9，否则说明传输成功；

步骤9：判断冲突次数k是否到达最大冲突次数K，若k<K，回到步骤3，否则k＝K，则说明传输失败，丢弃该数据包。

在完成随机退避之后，进行数据传输时可以使用1个或多个信道进行传输，具体提出以下几种机制：

机制1：对所有数据，均使用1个信道进行传输。机制1与传统的机制相同，适用于免授权频段较为繁忙的情况，仅使用一个信道进行数据传输，不增加系统的通信负荷。

机制2：对所有数据，若在完成随机退避之后存在不止1个空闲信道，使用2个信道同时传输相同的数据。机制2在免授权频段较为空闲的情况下，能有效的提高数据传输的可靠性。

机制3：根据数据的重要程度选择，对重要数据使用2个信道同时进行传输，对普通数据使用1个信道进行传输。机制3为机制1与机制2的折中，提高重要数据传的输可靠性，同时也未给系统增加较多的传输负荷。

信道选择方式在基站进行初始化时选定，本发明提出四种用于传输信道选择的方法：

方法1：在空闲信道中随机选择一个信道进行传输。

方法2：根据信道标号大小(按照频点由低到高对信道进行编号)，按照空闲信道的标号从小到大，优先选择标号小的信道进行传输。使用方法2，标号较小的信道将大概率较为繁忙，相应的标号较大的信号将大概率较为空闲，根据这一特点，可结合用于传输信道数目确定的机制3，对重要数据进行特殊传输处理。

在智能电网中，存在具有不同重要程度的数据，在本实施例中，需要进行传输的数据根据重要程度被分为两类，普通数据和重要数据，并使用IPT进行标记，IPT＝0表示普通数据，IPT＝1表示重要数据。

当随机退避数N为0时将开始数据传输，此时的空闲信道集合为

若需要传输的为IPT＝0的普通数据，则选择集合

中标号最小的一个空闲信道进行传输，若需要传输的为IPT＝1的重要数据，则选择集合

中标号最大的两个空闲信道进行传输。这能很大程度的降低用于传输重要数据的信道发生碰撞的概率，同时提升其传输可靠性。

方法3：根据信道的负载，优先选择负载小的信道进行传输。在CCA检测结果中优先选择能量负载较小的信道进行传输，能有效的降低由于CCA检测将繁忙信道误判为空闲而导致的传输碰撞的概率，并减小干扰对传输的影响。

方法4：根据信道的繁忙程度，优先选择信道繁忙概率低的信道进行传输。繁忙概率较低说明信道用于其他发射机或其他免授权通信系统的概率较低，选用这些信道能减小传输对其他发射机或其他通信系统传输的影响和发生碰撞的概率。

本实施例使用基于信道繁忙程度决定传输信道的方法，基站在LBT过程中对所有可用的免授权频段信道的繁忙情况进行统计，从而在其完成随机退避操作之后，选择繁忙概率低的信道用于传输。

本实施例中，在基站处为每个基站存储2个额外的参数Busy_times，Detection_times，用于信道繁忙概率的计算。参数Busy_times表示信道检测结果忙碌的次数，参数Detection_times表示检测的总次数。

信道繁忙概率具体计算方法如下，设置参数Busy_times、Detection_times初始值为0，在每次需要进行数据传输时，首先在周期T_d对所有信道进行检测后，更新Detection_times＝Detection_times+1，此时对于免授权信道C，若信道空闲则Busy_times^C＝Busy_times^C，否则若信道忙碌则Busy_times^C＝Busy_times^C+1。信道繁忙概率计算方式为η＝Busy_times^C/Detection_times。

考虑到系统状况随时间变化，本实施例在每进行一定次数检测Detection_times_max，后将参数Busy_times、Detection_times重新初始化为0，仅考虑各信道近期的繁忙程度，避免早期数据对结果产生的影响。

具体的，其流程图如图3所示，包括如下步骤：

步骤1：进行基站初始化；

步骤2：对参数Busy_times、Detection_times进行初始化，Busy_times＝0，Detection_times＝0；

步骤3：若需要进行数据传输，在时隙周期T_d内对所有信道进行CCA检测，Detection_times＝Detection_times+1，并根据检测结果更新每一信道的Busy_times参数值，对每一信道若信道空闲则Busy_times＝Busy_times，信道繁忙则Busy_times＝Busy_times+1。若检测结果存在空闲信道，则进入步骤4，否则若无空闲信道，则重复步骤3；

步骤4：开始随机退避过程，并根据每一步的随机退避更新空闲信道集合

若随机退避成功，则进入步骤5，否则回到步骤3；

步骤5：计算此时空闲信道集合

中所有信道的繁忙概率η^C＝Busy_times^C/Detection_times；

步骤6：在空闲信道集合

中选择繁忙概率η^C小的信道开始数据传输；

步骤7：判断参数Detection_times是否达到了设定的最大值Detection_times_max，若Detection_time＝Detection_times_max，则进入下一个周期，重新对Busy_times、Detection_times进行初始化，否则回到步骤3，等待下一次传请求。

与传统基站仅对一个信道进行侦听不同，在本发明中基站在侦听信道时可同时对多个信道进行侦听，从而避免在存在可传输的空闲信道的情况下，反复侦听繁忙信道，这降低的数据传输的效率。

基于基站可同时对多个信道进行侦听，提出了同时在时域与频域进行的退避机制，对随机退避数进行处理时同时考虑多个信道的侦听结果，随机退避数不仅仅是在检测到空闲时减1，在检测到多个信道空闲的情况下随机退避数将快速减小，这可以有效的减小数据传输时由免授权频段的信道接入引起的时延。

本发明提出四种传输信道选择的方式，每种选择方式具有各自的特点，可根据信道繁忙状况与传输需求，选用合适的信道选择方式，以进一步减小发生碰撞的概率，提升数据传输效率。

与传统的传输方式仅使用一个信道用于数据传输不同，本方法中可同时使用两个信道传输相同的数据，从而提升数据传输的可靠性，并可大大减小由于在某信道传输出错导致数据传输出错的概率。

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 (10)

1.一种应用于智能电网的免授权频段信道接入方法，其特征在于，包括：

S1：需要进行数据传输时，在随机退避数的取值区间[0,CW]内产生随机数N∈[0,CW]，CW表示竞争窗口长度；

S2：以固定的时隙周期T_d为单位，基站执行CCA检测，在周期T_d内持续侦听多个信道，若检测到存在空闲信道，将其标记为空闲信道集合

进入步骤S3，否则返回步骤S1直到检测到存在空闲信道；

S3：以固定的时隙周期T_sl为单位，基站执行CCA检测，在周期T_sl内对空闲信道集合中的信道

进行侦听，若检测结果存在n个空闲信道，则更新随机退避数N＝max{N-n,0}，并更新空闲信道集合

为该n个空闲信道，进入步骤S4，否则若检测到所有信道均繁忙，则冻结N的值，返回步骤S2；

S4：判断N是否减至0，若N为0，则选择信道开始数据传输，否则继续步骤S3，直至N减为0。

2.根据权利要求1所述的一种应用于智能电网的免授权频段信道接入方法，其特征在于，若CCA检测结果小于CCA检测阈值，则判断该信道为空闲。

3.根据权利要求1所述的一种应用于智能电网的免授权频段信道接入方法，其特征在于，在随机退避数N减至0开始数据传输时，确定用于传输的信道数目和用于传输的信道。

4.根据权利要求3所述的一种应用于智能电网的免授权频段信道接入方法，其特征在于，所述确定用于传输的信道数目包括：

对所有待传输的数据，均使用1个信道进行传输。

5.根据权利要求3所述的一种应用于智能电网的免授权频段信道接入方法，其特征在于，所述确定用于传输的信道数目包括：

对所有待传输的数据，若存在不止1个空闲信道，使用2个信道同时传输相同的数据。

6.根据权利要求3所述的一种应用于智能电网的免授权频段信道接入方法，其特征在于，所述确定用于传输的信道数目包括：

根据待传输数据的重要程度，对于重要数据使用2个信道同时进行传输，对普通数据使用1个信道进行传输。

7.根据权利要求3所述的一种应用于智能电网的免授权频段信道接入方法，其特征在于，所述确定用于传输的信道包括：

在空闲信道中随机选择一个信道进行传输。

8.根据权利要求3所述的一种应用于智能电网的免授权频段信道接入方法，其特征在于，所述确定用于传输的信道包括：

按照频点由低到高对信道进行编号，根据信道标号大小，按照空闲信道的标号从小到大，优先选择标号小的信道进行传输。

9.根据权利要求3所述的一种应用于智能电网的免授权频段信道接入方法，其特征在于，所述确定用于传输的信道包括：

根据信道的负载，优先选择负载小的信道进行传输。

10.根据权利要求3所述的一种应用于智能电网的免授权频段信道接入方法，其特征在于，所述确定用于传输的信道包括：

根据信道的繁忙程度，优先选择信道繁忙概率低的信道进行传输。

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