智能电网异构通信网络环境下的动态频谱接入技术探讨*

周 静，陈 希，赵子岩，卢利峰

（中国电力科学研究院 北京 100192）

1 引言

随着信息与通信技术的发展和电力通信网络的发展，新一代宽带无线移动通信网络技术应用于电力通信网络已经成为行业关注的热点，智能电网的配电、用电需求对宽带无线移动通信提出了更高的要求[1，2]。

为了实现智能电网全自动化，需要采用先进的通信技术以保证信息高效传输。由于3G、WiMAX具有双向通信系统，可实现智能电表的数据采集和控制，部署较为灵活方便；通过用户附近的基站就可以实现智能电表的无线接入；具有较好的传输带宽，可以实现较高速率的传输；无线覆盖面广，可以用于不具备有线通信条件或有线通信无法满足需求的情况，成为智能电网中有线通信技术的有益补充。

此外，智能电网的建设和实施必将进一步带动多媒体通信业务的发展，从而使得通信系统对无线频谱资源的需求也不断增加。尽管相比3G系统，未来4G系统的频谱资源利用率有了很大提高，但用户日益增长的无线通信需求与有限的无线频率资源之间的矛盾依然持续加大，这已成为全球无线电管理高度关注的共同命题。

3000 GHz以下的电磁波频段为无线电频谱。频谱是一种有限的自然资源，它与森林、矿场等自然资源不同的是：频谱可以被利用，但是不会被消耗掉。早期的无线电频率使用规则都是静态的，通信系统只能在指配的专有频段上工作。随着各种无线通信新技术和应用的不断出现，频谱资源变得越来越紧张。因此，建立有效的频谱资源管理机制，是电力通信应对智能电网环境下的异构无线网络频谱资源危机的重要手段，是提高电力通信安全性和可靠性的必要措施，也是提高电力通信系统整体效能的不可缺少的关键环节之一。

2 基于动态频谱接入的网络架构

无线通信技术朝着高传输速率发展，导致了适用于无线通信的频谱资源变得日益紧张，成为制约无线通信发展的新瓶颈。另一方面，已经分配给现有很多无线系统的频谱资源却在时间和空间上存在不同程度的闲置。动态频谱接入(dynamic spectrum access，DSA）的核心思想是，在不对授权用户造成干扰的前提下，非授权用户伺机使用未被利用的授权频段，以增加时域、空域以及频谱域上的频谱服用[3]。DSA技术不仅能解决频谱稀缺问题，挖掘潜在的带宽并减少干扰，从而大幅度提升无线网络的性能；还有望在日益拥挤的无线环境中实现各种通信系统的共存、兼容和互用。

DSA网络是指具有动态频谱接入能力的网络，没有频谱所有权，有些文献也称其为认知网络[4～6]，其结点基于认知无线电与超宽带技术。可提供多跳（Ad-hoc）或单跳（利用DSA基站）接入能力。DSA用户是指具有动态频谱接入能力的用户。除了能够使用DSA网络提供的接入能力以外，还可以接入授权网络的基站。DSA基站是指在单跳DSA网络中，向动态频谱接入用户提供网络接入的基站。频谱使用代理是一个中心网络实体，当多个DSA网络共存时，负责彼此之间的频谱分配。

DSA网络可以工作在授权频段和非授权频段。当工作在授权频段时，基本原则是在不影响授权用户的情况下，在特定的时间和空间对“频谱空洞”进行重用。由于授权用户具有频谱使用的优先权，当检测到授权用户重新回到该频段时，认知用户必须立刻离开，进行频谱切换。在非授权的开放公共频段（ISM频段），所有工作在该频段的用户具有同样的频谱使用权，此时认知用户需要检测其他认知用户的存在，为了避免多用户之间的竞争导致系统性能恶化，必须设计灵活高效的频谱共享方式提高利用率。

图1为采用DSA的网络架构。其中授权网络是指目前已经取得某些频谱所有权的网络（如GSM/TV等），这些网络对所占用的频谱具有专有权。授权用户可以接入授权网络，不受认知用户的影响。授权网络基站是指现有的无线授权网络，一般采用蜂窝结构，相当于GSM/GPRS网络中的基站。为了更好地向认知用户提供服务，授权网络基站可以同时具有授权用户接入和认知用户接入的功能。

基于DSA技术的网络具有多种潜在的应用场景,DSA技术与Mesh网络相结合，能充分利用频谱资源，减少冲突，增加网络容量；DSA的高带宽、可靠性与互操作性可用来构建军事通信网络、灾难恢复现场网络；此外，对于授权用户而言，能使用DSA技术构建频谱租赁网络，挖掘新的商业价值。

3 电力通信无线频谱管理体系设计

3.1 体系设计目标

目前，电力系统通信中仍然以具有高传输率、高带宽、高可靠性等特性的光纤通信为主。随着电网对灾难应急、配网自动化、智能电网等需求的提出，无线通信以其迅速部署、不受地面限制等特点将逐步发展到在电力系统通信中得到广泛深入的应用。无线通信可以成为电力系统通信的一个重要补充手段，为电力系统构建综合通信网提供非常重要的一个部分[7]。

在自动抄表系统中，远距离传输借用现有的各种通信网络，如PSTN、Internet、GPRS/CDMA或电力企业自身的光纤以太网等，实现稳定可靠的数据传输，而技术瓶颈在于所谓的“最后一公里”。需要强调的一点是，现有的不需要使用许可的业务，比如无线互联网服务提供商（WISP)、无线局域网（WLAN）等在目前无线法规规定的功率限制下，在人口密度较低的农村地区往往不能提供充分的信号覆盖。我们知道，在农村地区，频谱并没有得到高效的利用，因而在不对法定业务造成干扰的情况下，采用动态频谱接入技术提高农村地区的自动抄表等无线业务的传输功率是可行的。

电力通信动态频谱管理体系设计的总体目标应该是根据电力通信网的拓扑结构、传输设备性能以及地理特征等情况，频率管理系统能够为通信管理和电网运行控制人员拟定最佳的频率指配方案，使建成的通信网在恶劣的环境下具有较高的电磁兼容性和可靠性，此外，动态频率管理系统能够根据环境的实际情况，迅速有效地采取措施以适应环境情况的变化。当有意干扰的链路造成链路无法正常工作时，根据干扰等级，采用不同的处理方式，干扰较轻的链路由网控系统启动备频方案；干扰较重的由动态频率管理模块给出局部调整方案。除此之外，电力通信动态频谱管理体系还应该满足以下专网的设计目标。

· 确保在电力通信网覆盖的区域，尤其是微电网、配用电网络覆盖的地理区域内，获取有效的无线频率资源。

·在确保安全可靠的情况下，提升电力无线通信系统和无线公网资源的共享程度。

·能够在众多可利用的无线电资源中实现优化选择，从而提高通信系统整体效率和功能。

·利用网络和移动终端之间的信息交互实现对珍贵的无线电资源的优化使用。

·通过无线频率状态管理系统的实施,能够提高电力企业的运行效率。

3.2 体系架构设计

目前，国内有关动态频谱管理的研究集中于动态频谱分配算法和频谱检测技术的研究[8，9]，尚未见专用网络环境下的无线频谱资源管理整体功能结构的研究报导。IEEE1900 SC是2005年由IEEE的通信协会 （ComSoC）和IEEE电磁兼容协会（EMC）联合成立的标准化组织。2007年，该标准协会就异构无线网络环境下的无线电资源使用优化推出了P1900.4标准[10]。制定该标准的目的是解决如何建立系统的整体功能结构、进行信息交换以及在网络和使用网络的设备之间实现无缝切换等问题。P1900.4标准在设计之初仅考虑了架构和功能的定义，目前已经发布的功能有动态频谱接入、动态频谱分配和无线电资源使用优化三大功能。

图2描述了由P1900.4标准模块搭建的电力通信应用环境下的频谱管理体系，该体系既包括静态射频网络模块，也包括了动态频谱分配模块。图2所描述的体系所需实现的功能描述如下。

（1）动态频谱的接入功能

多个射频网络可以共享同一频段，该功能描述射频网络之间的频带如何分配。通常在一个接入时隙里，用户的数量将大于可用传输信道的数量，终端用户为争夺资源可能产生冲突碰撞，因此，必须选择合适的接入策略以协调终端用户的竞争，降低碰撞概率，减少接入时延的同时保证无线接入用户之间的公平性，提高系统的吞吐量。DSA频谱管理器可通过分析DSA的算法，动态地给出频谱接入策略。目前，国内外已有的接入策略包括随机接入策略、最大速率接入策略、合作接入策略和自适应分组接入策略等。

（2）动态频谱分配功能

该功能描述了频谱管理者如何生成频谱分配策略，频谱管理者给各区域分配不同的无线频段。动态频谱分配是实现动态频谱管理的一个关键步骤，就是要求无线电系统在感知到当前环境后，对当前的频谱进行动态分配，以满足当前的需求，它将改变目前的“命令和控制”的频谱分配方式，让频谱做到“按需分配”。

（3）无线资源使用优化功能

该功能描述了P1900.4方法可以与传统射频网络协同工作，提高整个无线网络的频谱利用率。但是，该功能模块是建立在支持频谱切换功能的基础上。频谱切换是发生在当前信道的性能下降或者具有第一优先权用户出现的时候。频谱切换是一个复杂的问题，在频谱切换过程中，不同层的协议必须很快适应新工作频道的信道参数。该模块的主要功能目标之一是确保在频谱切换中最大限度地降低用户业务性能的损失。

上述动态频谱管理体系架构的提出，对网络中的无线设备提出了更高的要求。设备必须能够探测到当前的无线环境和用户的通信需求，并且要为这些需求提供最合适的无线资源和服务。也就是说，无线电设备要在多个可用的频谱范围和多种可以实现通信技术选择一个最合适的方案来完成任务。

4 结束语

在智能电网通信领域，随着技术和应用的不断发展，未来的电力通信网络将是一个使用各种不同通信技术实现网络覆盖和业务提供的异构化网络环境。现有的无线资源管理机制已经不能适应未来无线网络的发展需求，因此有必要探讨适合未来智能电网无线通信网络发展特点以及电力企业环境特点的无线资源管理机制。本文基于IEEE P1900.4的模块化建模思想，提出了电力通信网无线频谱管理体系架构，其主要目标是实现在智能电网异构通信环境下对各种无线资源的合理配置和优化。下一步工作将就电力无线通信环境下的就动态频谱接入策略和对现有无线通信系统的后向兼容问题进行深入的研究。

1 刘建明.3G和4G无线通信技术在ICT网络模式中的应用.电力系统通信,2009，30(201):1～13

2 刘建明.用于智能电网的新一代宽带无线移动通信技术.电力系统通信，2009,30(204):1～8

3 蒋师，屈代明.动态频谱接入技术的分类和研究现状.通信技术，2008,41(11):18～22

4 芮国胜，张崇，尚崇伟.认知无线网络及其频谱管理技术.海军航空工程学院学报,2009,24(2):181～183

5 李洋，董育宁，赵海涛.认知Mesh网络的动态分层路由模型及路由策略.电子与信息学报，2009,8(10):1975～1979

6 邹丹，钟国辉，屈代明.无线认知传感器网络的节能频谱感知策略.中国科技大学学报，2009,10(1):1052～1058

7 周立逾.新一代通信技术在配电网自动化中的应用.华东电力,2009,5(7):780～782

8 李礼，秦彬，张春元.动态频谱访问无线网络的研究展望.计算机工程，2007，33(22):124～126

9 文展，曾晓辉，陈果.动态频谱分配与频谱共享研究综述.通信技术，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