智能電網異構通信網絡環境下的動態頻譜接入技術探討*

周 靜，陳 希，趙子巖，盧利峰

（中國電力科學研究院 北京 100192）

1 引言

隨著信息與通信技術的發展和電力通信網絡的發展，新一代寬帶無線移動通信網絡技術應用于電力通信網絡已經成為行業關注的熱點，智能電網的配電、用電需求對寬帶無線移動通信提出了更高的要求[1，2]。

為了實現智能電網全自動化，需要采用先進的通信技術以保證信息高效傳輸。由于3G、WiMAX具有雙向通信系統，可實現智能電表的數據采集和控制，部署較為靈活方便；通過用戶附近的基站就可以實現智能電表的無線接入；具有較好的傳輸帶寬，可以實現較高速率的傳輸；無線覆蓋面廣，可以用于不具備有線通信條件或有線通信無法滿足需求的情況，成為智能電網中有線通信技術的有益補充。

此外，智能電網的建設和實施必將進一步帶動多媒體通信業務的發展，從而使得通信系統對無線頻譜資源的需求也不斷增加。盡管相比3G系統，未來4G系統的頻譜資源利用率有了很大提高，但用戶日益增長的無線通信需求與有限的無線頻率資源之間的矛盾依然持續加大，這已成為全球無線電管理高度關注的共同命題。

3000 GHz以下的電磁波頻段為無線電頻譜。頻譜是一種有限的自然資源，它與森林、礦場等自然資源不同的是：頻譜可以被利用，但是不會被消耗掉。早期的無線電頻率使用規則都是靜態的，通信系統只能在指配的專有頻段上工作。隨著各種無線通信新技術和應用的不斷出現，頻譜資源變得越來越緊張。因此，建立有效的頻譜資源管理機制，是電力通信應對智能電網環境下的異構無線網絡頻譜資源危機的重要手段，是提高電力通信安全性和可靠性的必要措施，也是提高電力通信系統整體效能的不可缺少的關鍵環節之一。

2 基于動態頻譜接入的網絡架構

無線通信技術朝著高傳輸速率發展，導致了適用于無線通信的頻譜資源變得日益緊張，成為制約無線通信發展的新瓶頸。另一方面，已經分配給現有很多無線系統的頻譜資源卻在時間和空間上存在不同程度的閑置。動態頻譜接入(dynamic spectrum access，DSA）的核心思想是，在不對授權用戶造成干擾的前提下，非授權用戶伺機使用未被利用的授權頻段，以增加時域、空域以及頻譜域上的頻譜服用[3]。DSA技術不僅能解決頻譜稀缺問題，挖掘潛在的帶寬并減少干擾，從而大幅度提升無線網絡的性能；還有望在日益擁擠的無線環境中實現各種通信系統的共存、兼容和互用。

DSA網絡是指具有動態頻譜接入能力的網絡，沒有頻譜所有權，有些文獻也稱其為認知網絡[4～6]，其結點基于認知無線電與超寬帶技術?？商峁┒嗵ˋd-hoc）或單跳（利用DSA基站）接入能力。DSA用戶是指具有動態頻譜接入能力的用戶。除了能夠使用DSA網絡提供的接入能力以外，還可以接入授權網絡的基站。DSA基站是指在單跳DSA網絡中，向動態頻譜接入用戶提供網絡接入的基站。頻譜使用代理是一個中心網絡實體，當多個DSA網絡共存時，負責彼此之間的頻譜分配。

DSA網絡可以工作在授權頻段和非授權頻段。當工作在授權頻段時，基本原則是在不影響授權用戶的情況下，在特定的時間和空間對“頻譜空洞”進行重用。由于授權用戶具有頻譜使用的優先權，當檢測到授權用戶重新回到該頻段時，認知用戶必須立刻離開，進行頻譜切換。在非授權的開放公共頻段（ISM頻段），所有工作在該頻段的用戶具有同樣的頻譜使用權，此時認知用戶需要檢測其他認知用戶的存在，為了避免多用戶之間的競爭導致系統性能惡化，必須設計靈活高效的頻譜共享方式提高利用率。

圖1為采用DSA的網絡架構。其中授權網絡是指目前已經取得某些頻譜所有權的網絡（如GSM/TV等），這些網絡對所占用的頻譜具有專有權。授權用戶可以接入授權網絡，不受認知用戶的影響。授權網絡基站是指現有的無線授權網絡，一般采用蜂窩結構，相當于GSM/GPRS網絡中的基站。為了更好地向認知用戶提供服務，授權網絡基站可以同時具有授權用戶接入和認知用戶接入的功能。

基于DSA技術的網絡具有多種潛在的應用場景,DSA技術與Mesh網絡相結合，能充分利用頻譜資源，減少沖突，增加網絡容量；DSA的高帶寬、可靠性與互操作性可用來構建軍事通信網絡、災難恢復現場網絡；此外，對于授權用戶而言，能使用DSA技術構建頻譜租賃網絡，挖掘新的商業價值。

3 電力通信無線頻譜管理體系設計

3.1 體系設計目標

目前，電力系統通信中仍然以具有高傳輸率、高帶寬、高可靠性等特性的光纖通信為主。隨著電網對災難應急、配網自動化、智能電網等需求的提出，無線通信以其迅速部署、不受地面限制等特點將逐步發展到在電力系統通信中得到廣泛深入的應用。無線通信可以成為電力系統通信的一個重要補充手段，為電力系統構建綜合通信網提供非常重要的一個部分[7]。

在自動抄表系統中，遠距離傳輸借用現有的各種通信網絡，如PSTN、Internet、GPRS/CDMA或電力企業自身的光纖以太網等，實現穩定可靠的數據傳輸，而技術瓶頸在于所謂的“最后一公里”。需要強調的一點是，現有的不需要使用許可的業務，比如無線互聯網服務提供商（WISP)、無線局域網（WLAN）等在目前無線法規規定的功率限制下，在人口密度較低的農村地區往往不能提供充分的信號覆蓋。我們知道，在農村地區，頻譜并沒有得到高效的利用，因而在不對法定業務造成干擾的情況下，采用動態頻譜接入技術提高農村地區的自動抄表等無線業務的傳輸功率是可行的。

電力通信動態頻譜管理體系設計的總體目標應該是根據電力通信網的拓撲結構、傳輸設備性能以及地理特征等情況，頻率管理系統能夠為通信管理和電網運行控制人員擬定最佳的頻率指配方案，使建成的通信網在惡劣的環境下具有較高的電磁兼容性和可靠性，此外，動態頻率管理系統能夠根據環境的實際情況，迅速有效地采取措施以適應環境情況的變化。當有意干擾的鏈路造成鏈路無法正常工作時，根據干擾等級，采用不同的處理方式，干擾較輕的鏈路由網控系統啟動備頻方案；干擾較重的由動態頻率管理模塊給出局部調整方案。除此之外，電力通信動態頻譜管理體系還應該滿足以下專網的設計目標。

· 確保在電力通信網覆蓋的區域，尤其是微電網、配用電網絡覆蓋的地理區域內，獲取有效的無線頻率資源。

·在確保安全可靠的情況下，提升電力無線通信系統和無線公網資源的共享程度。

·能夠在眾多可利用的無線電資源中實現優化選擇，從而提高通信系統整體效率和功能。

·利用網絡和移動終端之間的信息交互實現對珍貴的無線電資源的優化使用。

·通過無線頻率狀態管理系統的實施,能夠提高電力企業的運行效率。

3.2 體系架構設計

目前，國內有關動態頻譜管理的研究集中于動態頻譜分配算法和頻譜檢測技術的研究[8，9]，尚未見專用網絡環境下的無線頻譜資源管理整體功能結構的研究報導。IEEE1900 SC是2005年由IEEE的通信協會 （ComSoC）和IEEE電磁兼容協會（EMC）聯合成立的標準化組織。2007年，該標準協會就異構無線網絡環境下的無線電資源使用優化推出了P1900.4標準[10]。制定該標準的目的是解決如何建立系統的整體功能結構、進行信息交換以及在網絡和使用網絡的設備之間實現無縫切換等問題。P1900.4標準在設計之初僅考慮了架構和功能的定義，目前已經發布的功能有動態頻譜接入、動態頻譜分配和無線電資源使用優化三大功能。

圖2描述了由P1900.4標準模塊搭建的電力通信應用環境下的頻譜管理體系，該體系既包括靜態射頻網絡模塊，也包括了動態頻譜分配模塊。圖2所描述的體系所需實現的功能描述如下。

（1）動態頻譜的接入功能

多個射頻網絡可以共享同一頻段，該功能描述射頻網絡之間的頻帶如何分配。通常在一個接入時隙里，用戶的數量將大于可用傳輸信道的數量，終端用戶為爭奪資源可能產生沖突碰撞，因此，必須選擇合適的接入策略以協調終端用戶的競爭，降低碰撞概率，減少接入時延的同時保證無線接入用戶之間的公平性，提高系統的吞吐量。DSA頻譜管理器可通過分析DSA的算法，動態地給出頻譜接入策略。目前，國內外已有的接入策略包括隨機接入策略、最大速率接入策略、合作接入策略和自適應分組接入策略等。

（2）動態頻譜分配功能

該功能描述了頻譜管理者如何生成頻譜分配策略，頻譜管理者給各區域分配不同的無線頻段。動態頻譜分配是實現動態頻譜管理的一個關鍵步驟，就是要求無線電系統在感知到當前環境后，對當前的頻譜進行動態分配，以滿足當前的需求，它將改變目前的“命令和控制”的頻譜分配方式，讓頻譜做到“按需分配”。

（3）無線資源使用優化功能

該功能描述了P1900.4方法可以與傳統射頻網絡協同工作，提高整個無線網絡的頻譜利用率。但是，該功能模塊是建立在支持頻譜切換功能的基礎上。頻譜切換是發生在當前信道的性能下降或者具有第一優先權用戶出現的時候。頻譜切換是一個復雜的問題，在頻譜切換過程中，不同層的協議必須很快適應新工作頻道的信道參數。該模塊的主要功能目標之一是確保在頻譜切換中最大限度地降低用戶業務性能的損失。

上述動態頻譜管理體系架構的提出，對網絡中的無線設備提出了更高的要求。設備必須能夠探測到當前的無線環境和用戶的通信需求，并且要為這些需求提供最合適的無線資源和服務。也就是說，無線電設備要在多個可用的頻譜范圍和多種可以實現通信技術選擇一個最合適的方案來完成任務。

4 結束語

在智能電網通信領域，隨著技術和應用的不斷發展，未來的電力通信網絡將是一個使用各種不同通信技術實現網絡覆蓋和業務提供的異構化網絡環境?，F有的無線資源管理機制已經不能適應未來無線網絡的發展需求，因此有必要探討適合未來智能電網無線通信網絡發展特點以及電力企業環境特點的無線資源管理機制。本文基于IEEE P1900.4的模塊化建模思想，提出了電力通信網無線頻譜管理體系架構，其主要目標是實現在智能電網異構通信環境下對各種無線資源的合理配置和優化。下一步工作將就電力無線通信環境下的就動態頻譜接入策略和對現有無線通信系統的后向兼容問題進行深入的研究。

1 劉建明.3G和4G無線通信技術在ICT網絡模式中的應用.電力系統通信,2009，30(201):1～13

2 劉建明.用于智能電網的新一代寬帶無線移動通信技術.電力系統通信，2009,30(204):1～8

3 蔣師，屈代明.動態頻譜接入技術的分類和研究現狀.通信技術，2008,41(11):18～22

4 芮國勝，張崇，尚崇偉.認知無線網絡及其頻譜管理技術.海軍航空工程學院學報,2009,24(2):181～183

5 李洋，董育寧，趙海濤.認知Mesh網絡的動態分層路由模型及路由策略.電子與信息學報，2009,8(10):1975～1979

6 鄒丹，鐘國輝，屈代明.無線認知傳感器網絡的節能頻譜感知策略.中國科技大學學報，2009,10(1):1052～1058

7 周立逾.新一代通信技術在配電網自動化中的應用.華東電力,2009,5(7):780～782

8 李禮，秦彬，張春元.動態頻譜訪問無線網絡的研究展望.計算機工程，2007，33(22):124～126

9 文展，曾曉輝，陳果.動態頻譜分配與頻譜共享研究綜述.通信技術，2008,7(41):60～63

10 IEEE standard for Architectural Building Blocks Enabling Network-Device Distributed Decision Making for Optimized Radio Resource Usage in Heterogeneous Wireless Access Networks,IEEE P1900.4 Standard.http://electronics.ihs.com/news/2009/ieee-heterogeneous-wireless-21309.htm