一种智能电网通信中的高效频谱感知方法与流程

本发明涉及智能电网通信领域，主要解决智能电网无线接入时的高效频谱检测问题，具体涉及一种智能电网通信中的基于预测的高效频谱感知方法。

背景技术：

智能电网以传统的电网框架为基础，采用先进的传感、测量与设备和高效的控制方法，利用高速、双向、集成的通信网络和计算机信息网络为平台，实现电力、信息、业务的高度融合，使电网变得更加可靠与安全。与传统的电网相比，智能电网在传输的过程中，保障了网络结构的高速运行，能够实现与用户的交互，满足用户多样化的需求并对用户提供增值服务，从而发挥了智能电网的综合功能。在智能电网的建设中，通信技术的作用至关重要，建立高效、实时性、集成的通信系统是实现智能电网的基础。

在智能电网系统中，用户终端电表接入到本地控制中心的通信部分，通常称为最后一公里接入。相比其他已有的无线通信系统，智能电网最后一公里的无线接入具有自身的特点。首先，发射机和接收机是固定的，这缓解了许多移动通信中的问题，如快速信道变化、频繁切换等；其次，智能电网需要实现更多的终端用户互动，例如实时电表监测。实现以上要求，面临的挑战如下：(1)时间延迟要求高。如果因时延过大导致控制中心没有接收到来自终端传感器的消息输入，控制中心可能会给智能电表终端发送错误的控制消息。(2)传输信息量大。由于终端用户数量巨大，信息传输量必然很大，通信网络应能承载大数据量的消息传输。在设计智能电网最后一公里接入系统时，必须考虑上述因素，以实现可靠高效的通信。

本发明考虑用户终端电表和本地控制中心之间的通信链路采用无线链路的情况，此时最后一公里接入的首要任务是解决无线频谱的选择问题。根据现有技术发展，目前有三种可供选择的频谱方案：(1)电网系统向频谱管理部门申请专用的授权频谱；(2)使用无需授权的公共频谱；(3)采用认知无线电技术，动态利用已授权的频谱。由于当前频谱资源短缺问题比较突出，为电网系统分配专用频谱不太现实，而公共非授权频段当前已有很多应用技术，频谱干扰较大，不能满足电网系统对可靠高效通信的需求。因此，本发明主要关注利用认知无线电技术实现智能电网最后一公里的接入时的通信问题。认知无线电是一种智能软件定义的无线电技术，在无线电环境探测基础上，调整其配置的无线电频谱的部分，促进高效，可靠和动态使用未充分利用的授权频谱。ieee802.22是认知无线电基于电视频谱波段的机会利用的第一个标准化项目。利用ieee802.22实现智能电网最后一公里的接入方案，具有以下好处：(1)认知无线电充分利用了未使用的电视频段，可以极大的缓解频谱资源不足，满足智能电网对无线接入的频谱需求。(2)可实现高达数十mbps的传输速率。(3)由于长期支撑电视的传播特性带，覆盖面积可达100公里。(4)认知无线电是自适应的、可编程的和灵活的技术，能够实现对电视频段空闲频谱的动态利用。

根据认知无线电技术的应用模式，灵活利用电视频段白空实现智能电网通信最后一公里接入时，各认知设备(包括智能电表终端和电网控制中心)首先应对所处地理位置的电视频段使用情况进行检测，然后通信双方经过协商后伺机接入未使用的电视信道。在本发明所述的基于认知无线电的智能电网通信系统中，考虑到智能电表终端无线模块的存储和计算能力有限，而电网控制中心具有强大的存储和计算能力的特点，为提高电表终端的频谱感知效率，本发明提出一种基于电视信道占用度预测的高效频谱感知方法。

技术实现要素：

基于以上分析，为了提高智能电网通信系统中电表终端的频谱感知效率，本发明提出如下高效频谱感知方法及系统：

本发明仅考虑利用认知无线电解决智能电网通信最后一公里接入的问题，所述系统由智能电表终端、终端变电站控制中心和区域变电站控制中心组成，采用认知无线电技术动态利用电视频段的空闲频谱，智能电表终端和终端变电站控制中心为认知设备，认知设备在通信之前首先对电视信道进行检测，获取可用信道列表，通信双方经协商后选择一条共同的可用信道进行通信。

所述方法包括一种基于数字电视信号pn序列码的相关检测方法和一种基于三次指数平滑模型的信道占用度预测和选择方法。

一种基于数字电视信号pn序列码的相关检测方法的基本思路是：根据已知的数字电视信号帧头pn序列模式，智能电表终端在本地产生pn序列，将接收到的信号和本地pn序列做相关运算，得到相关信号；将相关信号峰值与判决门限做对比，得到电视信号空闲或占用的判决结果。该方法的实质是利用数字电视信号pn序列码已知的特点，采用相关检测法，与传统检测方法相比，检测可靠性高，抗噪声性能好。

一种基于三次指数平滑模型的信道占用度预测和选择方法的基本思路是：终端变电站控制中心根据存储的历史检测数据，采用三次指数平滑模型对不同电表终端的电视信道占用度做出预测，并按照预测结果优选出占用度较低的一组信道，组成一个较小的待检测信道集合。该方法的实质是利用智能电网控制中心存储和计算能力强的特点，由智能电网控制中心根据智能电表终端的历史检测结果进行电视信道占用度的预测，随后智能电表终端基于预测结果仅对占用度较低的信道执行频谱检测，从而节约了频谱感知的时间，提高了检测到空闲频谱的概率。

具体而言，基于相关检测和预测的高效频谱感知方法，包括以下步骤：

步骤101)终端变电站控制中心将其管理范围内所有智能电表终端按照地理位置分为若干个簇；

步骤102)系统启动后，第i个簇的智能电表终端，采用相关检测法检测所在位置的电视信道占用情况，设电视信道集合为a，其中包含n条信道。智能电表终端选定一条信道j，采用相关检测法检测信道j的占用情况，相关检测法的具体实现如下：设接收信号为r(n),信道j的pn序列长度为l，则相关计算的结果记为：

将相关信号rj(n)的峰值rj-max(n)与判决门限λ做对比，若rj-max(n)>λ,则判定电视信道占用，否则判定电视信道空闲。

步骤103)第i个簇内的智能电表终端将n条信道的检测结果发送至控制中心；

步骤104)控制中心根据存储的第i个簇的历史检测数据，对集合a内n条信道的占用度进行预测和排序，具体预测和排序方法如下：

步骤104-1)控制中心针对待检测电视信道集合中的某一信道，对历史检测数据进行统计分析，得到该信道占用度的时间序列，设信道占用度序列为{st}；

步骤104-2)使用三次指数平滑模型，对占用度时间序列{st}进行预测，得到信道占用度的预测结果yt。三次指数平滑预测是二次平滑基础上的再平滑，其基本思想是：预测值是以前观测值的加权和，且对不同的数据给予不同的权，新数据给较大的权，旧数据给较小的权。其预测公式是：

三次指数平滑法的预测模型为：

其中，

步骤104-3)控制中心根据预测的频谱占用度，由低到高对信道进行排序，将排在前列的信道组成一个较小的待检测信道子集。按照占用度由低到高排序，取出前m(m<n)条信道，组成新的待检测信道子集a1，a1∈a；

步骤105)控制中心将待检测信道子集a1广播给第i个簇内终端；

步骤106)第i个簇内终端仅对待检测信道子集a1内的信道进行频谱检测，得到检测结果，将m条信道的检测结果上报给控制中心。下一步转移到步骤104继续执行。

附图说明

附图1为本发明提出的基于认知无线电的智能电网通信系统结构图。

附图2为基于相关检测和预测的高效频谱感知方法。

具体实施方式

下面结合附图1和附图2，详细说明本发明提出的方案。

图1所示为基于认知无线电的智能电网通信系统结构图，该系统由智能电表终端、终端变电站控制中心和区域变电站控制中心组成，本发明仅考虑智能电网通信最后一公里无线接入的问题，采用认知无线电技术动态利用电视频段的空闲频谱，智能电表终端和终端变电站控制中心为认知设备，认知设备在通信之前首先对电视信道进行检测，获取可用信道列表，通信双方经协商后选择一条共同的可用信道进行通信。本发明仅考虑图1所示系统的高效频谱检测问题，采用图2所示方法执行频谱检测。

图2所示基于相关检测和预测的高效频谱感知方法，包括以下步骤：

步骤101)如图1所示系统中，终端变电站控制中心将其管理范围内所有智能电表终端按照地理位置分为若干个簇；

步骤102)系统启动后，第i个簇的智能电表终端，采用相关检测法检测所在位置的电视信道占用情况，设电视信道集合为a，其中包含n条信道。智能电表终端选定一条信道j，采用相关检测法检测信道j的占用情况，相关检测法的具体实现如下：设接收信号为r(n),信道j的pn序列长度为l，则相关计算的结果记为：

对上式计算结果进行峰值搜索，取出最高峰值rj-max(n)与判决门限γ做对比，若rj-max(n)>γ,则判定电视信道占用，否则判定电视信道空闲。其中，判决门限γ的取值由虚警概率pf决定，二者的关系式为：

其中，为噪声平均功率，为pn序列平均功率。

步骤103)第i个簇内的智能电表终端将n条信道的检测结果发送至控制中心；

步骤104)控制中心根据存储的第i个簇的历史检测数据，对集合a内n条信道的占用度进行预测和排序，具体预测和排序方法如下：

步骤104-1)控制中心针对待检测电视信道集合中的某一信道，对历史检测数据进行统计分析，得到该信道占用度的时间序列，设信道占用度序列为{st}；

步骤104-2)使用三次指数平滑模型，对占用度时间序列{st}进行预测，得到信道占用度的预测结果yt。三次指数平滑预测是二次平滑基础上的再平滑，其基本思想是：预测值是以前观测值的加权和，且对不同的数据给予不同的权，新数据给较大的权，旧数据给较小的权。其预测公式是：

三次指数平滑法的预测模型为：

其中，

步骤104-3)控制中心根据预测的频谱占用度，由低到高对信道进行排序，将排在前列的信道组成一个较小的待检测信道子集。按照占用度由低到高排序，取出前m(m<n)条信道，组成新的待检测信道子集a1，a1∈a；

步骤105)控制中心将待检测信道子集a1广播给第i个簇内终端；

步骤106)第i个簇内终端仅对待检测信道子集a1内的信道进行频谱检测，得到检测结果，将m条信道的检测结果上报给控制中心。下一步转移到步骤104继续执行。