本发明涉及电力配用电业务领域，更具体地，涉及一种适用于配用电业务的 D2D双流无线网络接入方法。
背景技术：
为了满足本地通信负荷增长的需求和提供更优质的用户体验，D2D (Device-to-Device，设备至设备)通信技术被提出应用于LTE-Advanced(LTE-A) 系统[1,2]。LTE-A是LTE的演进版本，其目的是为满足未来无线通信市场以及 多样化无线应用的更高需求，满足甚至超越高级国际移动通信(International Mobile Telecommunications-Advanced，IMT-A)系统的要求，同时还保持对LTE 系统较好的后向兼容性。D2D通信是一种在宏基站的控制下，允许终端之间通 过复用小区资源直接进行通信的新型技术，它能够增加蜂窝通信系统频谱效率， 降低终端发射功率，在一定程度上解决无线通信系统频谱资源匮乏的问题。在 3GPP(The 3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划)提出的LTE-A 的研究项目中，需要在LTE的基础上提供新的技术来满足IMT-A的要求，提供 更高的数据速率和系统容量。IMT-A系统在小区蜂窝网络下允许支持D2D通信 来提高频谱利用率。D2D通信在小区网络的控制下与小区用户共享资源，因此 频谱的利用率将得到提升[3]。此外，它还能带来的优势包括：减轻蜂窝网络的 负担、减少移动终端的电池功耗、增加比特速率、提高网络基础设施故障的鲁棒 性等，还能支持新型的小范围点对点数据服务。
图1表示的是在传统蜂窝网络的架构下D2D用户对(红色虚线椭圆所选定 的用户)的通信模式。用户不仅仅可以与宏基站进行交互，还可以通过D2D链 路直接与相近的用户直接进行D2D信息传输，这些需要强调的是，D2D链路上 的用户仍然受宏基站的控制并可以进行与宏基站的信令交互[1]。宏基站协调着 蜂窝通信和D2D链路通信的资源分配，此外，基站还可以限制D2D用户对的发 射功率以降低D2D通信对宏基站用户接收机的干扰。在LTE网络满载的情况下， 无线资源可以分配给D2D链路，相比之下，认知无线电用户不具备这种情况下 的本地频谱空洞检测。
现有的多种技术与D2D有一些功能相似，而本质上是大相径庭的。无线局 域网(Wireless Local Area Networks,WLAN)提供了设施廉价、低成本高速接入 因特网和本地服务[4]，然而WLAN使用的是公共频段，干扰是无法预知的，其 他设备使用该频段可导致WLAN网络拥塞，此外WLAN接入点无法掌管各个用 户的资源使用量，而D2D利用授权频段进行通信可以掌控传输链路的干扰状况。 因此，基于授权频段的接入，本地服务提供商可以更加方便地明确规划策略和提 供更好的用户体验。相对于蓝牙或者WLAN等本地网络接入策略，D2D可以广 播下载业务节点从而避免蓝牙、WLAN等技术的动态寻找和用户间的配对，降 低能效，其次，D2D设备的密钥由基站统一分配，无需设备的配对或者建立新 的密钥，加强了信息传输的安全性。此外，3GPP组织引入家庭基站(Femto Base Station)方案以解决室内覆盖的问题[5]。用户可以根据需要自行搭建家庭基站来 提高室内覆盖网络容量和频谱利用率，然而家庭基站接入点需要通过有线网络通 过因特网接入到蜂窝网络核心网。
D2D技术与认知无线电技术都是通过复用宏蜂窝的资源以提高网络吞吐量 和频谱利用率，但是两者却是有区别的，D2D用户对直接通信时仍然收到宏基 站的控制，但是在认知无线电网络中，从用户占用主用户资源时不受主用户约束。 这个区别带来了资源复用的可操作复杂度、资源利用率以及对网络现有用户通信 的干扰影响的不同，相比认知无线电，D2D通信完全是在受控条件下复用资源， 更有更为现实的意义。
对于D2D通信内嵌于现有蜂窝网的复杂结构来说，干扰管理是亟待解决的 关键技术问题之一，D2D通信设计是否合理会给现有的蜂窝网络带来干扰[6]。 现有的Hiperlan2[7]、TETRA[7]等标准通过都是通过分配给D2D用户与蜂窝网 络不同的资源(比如时隙，频域信道等)来避免干扰，但是对于宽带系统(比如 LTE系统)来说，这种预留资源给D2D通信必然会使得资源利用率的下降。在 基于IEEE802.11的部分Wi-Fi技术中，D2D用户可以感知并接入信道当且仅当 该信道处于空闲状态，Wi-Fi提供的直联模式运行用户通过与蓝牙类似的方式进 行配对传输。为了降低D2D通信对现有蜂窝网络用户的干扰，文献[1]提出限制 D2D链路的传输功率以及D2D用户对的距离的方式。接下来，一种固定的升压 和补偿因子被提出以动态地控制D2D的功率等级而限制D2D的干扰[2]。基于预 先设定的信干比，干扰限制区域(interference limited area,ILA)的概念被提出[9]，D2D用户允许在干扰限制区域外与蜂窝用户共享资源。
之前提到的几个文献的研究目的在于增加网络吞吐量[1,2,9]或者保证D2D 通信的可靠传输[3,6]，而文献[10-13]则综合考虑网络吞吐量和传输可靠性两个 指标。在保证蜂窝用户的QoS(Quality of Service，服务质量)需求情况下，文献 [10]分析具有单个D2D对和单个蜂窝用户的网络以最大化网络吞吐量。对于多个 D2D对和多个蜂窝用户的场景，文献[2,11,13]则综合考虑了蜂窝用户和D2D用 户的QoS需求。具体来说，一种固定的发射功率差值方案被提出来协调D2D用 户和蜂窝用户的干扰[11,12]，然而合适的功率差值并不是很容易得到，D2D接 入不能大规模采用高功率差值的方案，而低功率差值降低了用户QoS得到满足 的概率。一种启发式的算法被提出以解决混合线性非线性规划问题建模的资源分 配问题[13]，但是文献没有考虑蜂窝用户和D2D用户对的协作。
现有的技术方案中，解决盲区覆盖有以下几种：
1.盲区(地下室)建设室内分布系统，运营商的方案。
2.通过中继(A：1.8GHz基站-中继+230MHz中继-CPE(Customer Premise Equipment客户终端设备)终端，B:230MHz基站-中继+470MHz中继-CPE终端) 补充覆盖。东莞采用A，花都采用B方案。
现有技术的缺点为分布式系统成本较高，经济效益差，为单个CPE建设分 布式系统资源利用率低；中继供电问题(目前采用应急电源取电)。中继安装在 电房外，无法保证设备安全。同时，增加中继设备提高建设成本。并未大规模展 开建设。
本发明主要解决的问题有三点：1)电力无线网络盲区覆盖的问题，具体来 说就是地下室及小区边缘配用电终端的接入问题；2)海量配用电终端并发接入 问题，电力无线网络的频率带宽有限，即并发接入终端的数量有限；3)通过双 流方式增强配用电业务通信接入可靠性。每个终端通过不同的簇头接入D2D服 务器，两份数据通过不同的衰落信道传输，可以提高分集增益。
技术实现要素：
本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种适用于配用电业 务的D2D双流无线网络接入方法，解决电力无线网络盲区覆盖的问题、海量配 用电终端并发接入问题，以及通过双流方式增强配用电业务通信接入可靠性问 题。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种适用于配用电业务的D2D双流无线网络接入方法，D2D双流接入采用区 域化集中汇聚的机制，一片区域的CPE选择一个簇头作为数据汇聚节点CPE；所 述的节点CPE即簇头，与簇内其他CPE采用D2D直连链路通信，并把此簇内所有 CPE的数据汇聚完成后统一通过LTE(Long Term Evolution，长期演进)空口与 ENodeB(Evolved Node B，即演进型Node B简称eNB，LTE中基站的名称)通 信发送至ENodeB；该方法设计了独特的目标函数及约束条件，进行分治算法简 化优化求解，具体步骤如下：
S1：判断CPE是否处于ENodeB信号覆盖范围内，注册D2D设备；
S2：注册成功后，CPE发出物理探测帧寻找供D2D设备接入的CPE，完成领 域探测过程；
S3：D2D服务器收到所有CPE领域探测列表后，启动拓扑决策过程；
S4：D2D双流接入拓扑更新。
在一种优选的方案中，步骤S1中分两种情况：第一种情况，如果CPE处于 ENodeB信号覆盖范围内，则CPE向ENodeB请求接入网络，启动初始化附着 (attach)流程，完成D2D设备注册；CPE将终端信息、当前信道状态、系统容 量等数据加入附着请求报文中发送至ENodeB，传送至MME；D2D服务器通过MME (Mobility Management Entity，移动管理实体)得到CPE信息，核对预先设定的 相关接入策略之后，准入该CPE，分配唯一的D2D设备ID给该CPE，并记录该 CPE的上报信息及接入的MME和ENodeB；
第二种情况，如果CPE处于ENodeB覆盖盲区，CPE目前无法接入无线网络； CPE无法接收到ENodeB广播信号，则自动启动初始化领域探测流程，搜索领域 可以接入的CPE终端；此时该CPE并未向D2D服务器注册，采用预先设定的临时 D2D设备ID接入；如果初始化D2D链路建立成功，则通过该可接入的CPE把当 前盲区CPE的信息及D2D直连信道状态发送至ENodeB，完成D2D设备注册；如 果初始化D2D链路建立失败，则该CPE无法接入网络。
在一种优选的方案中，在步骤S2中，D2D设备注册成功之后，D2D服务器向 该CPE发出领域探测请求，CPE收到请求后启动领域探测，并把探测信息发送至 D2D服务器；服务器收到信息后回复ACK，完成领域探测过程；在第二种情况， 初始化领域探测是为了尽可能接入，并未完成所有的可接入的CPE探测，所以D2D服务器将会请求该CPE重新探测，并反馈完整的探测列表。
领域探测是CPE发出物理探测帧寻找可供D2D接入CPE的过程。处于领域的 其他CPE收到该探测帧后，反馈其ID及信道状态信息。完成该领域探测后，该 CPE得到领域内可供D2D链路建立的CPE候选列表(包含对应的信道质量情况)。 物理探测帧可以是预先设定的固定序列或者伪随机序列，接收端通过相关检测来 判断探测帧的出现与否。在CPE无法接入网络状态情况下，将周期性地发送探测 帧，以寻求领域其他CPE的D2D接入。
在一种优选的方案中，在步骤S3中，所述的拓扑决策过程为：
在接入信道有限情况下，尽可能汇聚领域CPE，减少簇头数量，降低并发冲 突概率，保证海量的CPE终端尽可能接入；
在接入信道充足或未充分利用情况下，缩小簇头覆盖范围，提升候选簇头作 为簇头；
上述过程的详细步骤如下：
Y1：假设有N个可接入CPE设备，D2D设备ID为集合Ω＝{D1,D2,…,DN}， 每个设备的ID是唯一的；当前接入信道的数量为M，即并发的接入数量为M； 对于CPEDi定义其与CPEDj信道状态为hi-j；
当认为该信道不可用，即无连接；时认为该信道传输目 前业务；速率大于ri，可通过香农公式求得；
特别地，定义hi为CPEDi与ENodeB空口信道状态；当认为该信道不 能用，即与ENodeB无连接；时认为该信道为优质信道，即信道传输质量 好，衰减较小。
Y2：令ri为CPEDi当前业务传输速率；Bi为CPEDi当前基站传输最大传输 速率，用香农公式直接求得Bi和hi是密切相关；令簇头集合为Γ，当Di∈Γ时 CPEDi被D2D服务器选定为当前的簇头，该簇头通过D2D连接的CPE为集合ΦDi， CPEDj连接的簇头集合为XDj，XDj的元素有0、1或者2个；
Di∈Γ必须满足以下条件：
定义信道可靠性为
其中J(hj)为用户定义的信道可靠性函数，可根据具体情况来定；
Y3：双流接入拓扑决策问题转化为选择簇头以及D2D连接的问题，即最大化 目标函数：约束条件为公式(1)和Γ的元素个数小于等于M；解 决该问题采用分治算法，根据D2D领域探测列表，排序最多连接数量的CPE为优 选簇头，同时列出无法参与该优化的CPE，即只有1条链路连接或者无法连接的 CPE；
Y4：如果约束条件仍有优化空间，选择最大的簇进行簇裂变分为2个小簇； 迭代计算约束条件和目标函数，在约束条件满足情况下，寻求进一步簇裂变，直 到最优解产生。
在一种优选的方案中，在步骤S4中，D2D双流接入拓扑更新分为三种情况：
第一种情况，簇头信道状况严重下降，影响本簇信息传输，上行链路会根据 误码率信息反馈给D2D服务器，进行拓扑更新；
第二种情况，当有新的CPE加入，步骤3的约束条件不满足时，进行拓扑更 新；
第三种情况，现有的CPE停用或者移动，导致约束条件仍然存在优化簇裂变 空间，进行拓扑更新。
拓扑更新策略与步骤3的优化策略一样，如果目前约束条件无法满足，将重 新启动步骤3以便统筹重新部署拓扑结构。
拓扑完成更新或者优化后，D2D服务把最新拓扑通过控制信令发送至所有可 连接的CPE，重新完成数据的传输。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
1)对于地下室及边缘的无线信号盲区配用电终端可使用本发明进行延伸覆 盖；
2)有效提高海量数据接入效率，降低由于接入信道有限带来的并发冲突， 约束条件中明确簇头数量小于接入信道数量；
3)双流接入有效提高数据可靠性，同一份数据通过不同的衰落信道到达 ENodeB，可采用分集接收。
本发明应用于特定的场景电力配用电业务无线通信接入，基于数量巨大，通 信速率低这种业务特点。本发明使得双流接入(传输可靠性)和簇状汇聚(海量 数据并发性)得以兼顾。
附图说明
图1为D2D通信示意图。
图2为本发明实施例1的具备D2D功能3GPP LTE网络架构图。
图3为本发明实施例1的D2D双流接入方式示意图。
图4为本发明实施例1的D2D双流无线网络接入方法流程图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实 际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理 解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图2所示，现有的LTE网络架构需要增强相应支撑以支持D2D功能的实现， 具体网络架构可见文献[14]。该部分网络架构不是本发明的重心，其中CPE通 过网口或者RS232/458连接至配网自动化终端(DTU、RTU、FTU等)和计量自动 化设备(集中器、公变、负控终端等)。CPE通过无线空口连接至ENodeB设备， 把采集的数据回传至基站端。
ENodeB同时还集成了部分RNC(无线网络控制器，Radio Network Controller)的功能，减少了通信时协议的层次。MME主要负责移动性管理、承 载管理、用户的鉴权认证、SGW和PGW的选择等功能。SGW(Serving Gateway， 服务网关)，主要负责用户面处理，负责数据包的路由和转发等功能，支持3GPP 不同接入技术的切换，发生切换时作为用户面的锚点。PGW(Packet Data Network Gateway)，是3GPP与non-3GPP网络间的用户面数据链路的锚点，负责管理3GPP 和non-3GPP间的数据路由，管理3GPP接入和non-3GPP接入(如WLAN、WiMAX 等)间的移动，还负责DHCP、策略执行、计费等功能。Data Server这里是指 电力业务配网、计量的数据控制中心，一般来说配网和计量的数据控制中心是相 互独立的，具有不同的安全接入策略，并分属于电力公司不同的部门管辖。D2D Server(D2D服务器)实现D2D功能的重要管理单元，负责D2D设备ID的分发、 存储及维护，D2D链路的建立、跟踪、容量等。
一种适用于配用电业务的D2D双流无线网络接入方法，如图3所示，D2D双 流接入采用区域化集中汇聚的机制，一片区域的CPE选择一个簇头作为数据汇聚 节点CPE；所述的节点CPE即簇头，与簇内其他CPE采用D2D直连链路通信，并 把此簇内所有CPE的数据汇聚完成后统一通过LTE空口与ENodeB通信发送至 ENodeB；与传统的簇头方式不同，本发明采用双流方式，即每个CPE通过D2D链 路连接至2个不同的簇头，这两个簇头无法探测到对方，从而保证有效的分集增 益。一个CPE的数据将会有2份同样的数据通过不同的无线衰落信道发送至 ENodeB。双流接入适用于配用电类业务，因为这类业务的数据量小，重复发送对 于资源的浪费是可以接受的。
如图4所示，该方法设计了独特的目标函数及约束条件，进行分治算法简化 优化求解，具体步骤如下：
S1：判断CPE是否处于ENodeB信号覆盖范围内，注册D2D设备；
S2：注册成功后，CPE发出物理探测帧寻找供D2D设备接入的CPE，完成领 域探测过程；
S3：D2D服务器收到所有CPE领域探测列表后，启动拓扑决策过程；
S4：D2D双流接入拓扑更新。
在具体实施过程中，步骤S1中分两种情况：第一种情况，如果CPE处于ENodeB 信号覆盖范围内，则CPE向ENodeB请求接入网络，启动初始化附着(attach) 流程，完成D2D设备注册；CPE将终端信息、当前信道状态、系统容量等数据加 入附着请求报文中发送至ENodeB，传送至MME；D2D服务器通过MME得到CPE信 息，核对预先设定的相关接入策略之后，准入该CPE，分配唯一的D2D设备ID 给该CPE，并记录该CPE的上报信息及接入的MME和ENodeB；
第二种情况，如果CPE处于ENodeB覆盖盲区，CPE目前无法接入无线网络； CPE无法接收到ENodeB广播信号，则自动启动初始化领域探测流程，搜索领域 可以接入的CPE终端；此时该CPE并未向D2D服务器注册，采用预先设定的临时 D2D设备ID接入；如果初始化D2D链路建立成功，则通过该可接入的CPE把当 前盲区CPE的信息及D2D直连信道状态发送至ENodeB，完成D2D设备注册；如 果初始化D2D链路建立失败，则该CPE无法接入网络。
在具体实施过程中，在步骤S2中，D2D设备注册成功之后，D2D服务器向该 CPE发出领域探测请求，CPE收到请求后启动领域探测，并把探测信息发送至D2D 服务器；服务器收到信息后回复ACK，完成领域探测过程；在第二种情况，初始 化领域探测是为了尽可能接入，并未完成所有的可接入的CPE探测，所以D2D服 务器将会请求该CPE重新探测，并反馈完整的探测列表。
领域探测是CPE发出物理探测帧寻找可供D2D接入CPE的过程。处于领域的 其他CPE收到该探测帧后，反馈其ID及信道状态信息。完成该领域探测后，该 CPE得到领域内可供D2D链路建立的CPE候选列表(包含对应的信道质量情况)。 物理探测帧可以是预先设定的固定序列或者伪随机序列，接收端通过相关检测来 判断探测帧的出现与否。在CPE无法接入网络状态情况下，将周期性地发送探测 帧，以寻求领域其他CPE的D2D接入。
在具体实施过程中，在步骤S3中，所述的拓扑决策过程为：
在接入信道有限情况下，尽可能汇聚领域CPE，减少簇头数量，降低并发冲 突概率，保证海量的CPE终端尽可能接入；
在接入信道充足或未充分利用情况下，缩小簇头覆盖范围，提升候选簇头作 为簇头；
上述过程的详细步骤如下：
Y1：假设有N个可接入CPE设备，D2D设备ID为集合Ω＝{D1,D2,…,DN}， 每个设备的ID是唯一的；当前接入信道的数量为M，即并发的接入数量为M； 对于CPEDi定义其与CPEDj信道状态为hi-j；
当认为该信道不可用，即无连接；时认为该信道传输目 前业务；速率大于ri，可通过香农公式求得；
特别地，定义hi为CPEDi与ENodeB空口信道状态；当认为该信道不 能用，即与ENodeB无连接；时认为该信道为优质信道，即信道传输质量 好，衰减较小。
Y2：令ri为CPEDi当前业务传输速率；Bi为CPEDi当前基站传输最大传输 速率，用香农公式直接求得Bi和hi是密切相关；令簇头集合为Γ，当Di∈Γ时 CPEDi被D2D服务器选定为当前的簇头，该簇头通过D2D连接的CPE为集合ΦDi， CPEDj连接的簇头集合为XDj，XDj的元素有0、1或者2个；
Di∈Γ必须满足以下条件：
定义信道可靠性为
其中J(hj)为用户定义的信道可靠性函数，可根据具体情况来定；
Y3：双流接入拓扑决策问题转化为选择簇头以及D2D连接的问题，即最大化 目标函数：约束条件为公式(1)和Γ的元素个数小于等于M；解 决该问题采用分治算法，根据D2D领域探测列表，排序最多连接数量的CPE为优 选簇头，同时列出无法参与该优化的CPE，即只有1条链路连接或者无法连接的 CPE；
Y4：如果约束条件仍有优化空间，选择最大的簇进行簇裂变分为2个小簇； 迭代计算约束条件和目标函数，在约束条件满足情况下，寻求进一步簇裂变，直 到最优解产生。
在具体实施过程中，在步骤S4中，D2D双流接入拓扑更新分为三种情况：
第一种情况，簇头信道状况严重下降，影响本簇信息传输，上行链路会根据 误码率信息反馈给D2D服务器，进行拓扑更新；
第二种情况，当有新的CPE加入，步骤3的约束条件不满足时，进行拓扑更 新；
第三种情况，现有的CPE停用或者移动，导致约束条件仍然存在优化簇裂变 空间，进行拓扑更新。
拓扑更新策略与步骤3的优化策略一样，如果目前约束条件无法满足，将重 新启动步骤3以便统筹重新部署拓扑结构。
拓扑完成更新或者优化后，D2D服务把最新拓扑通过控制信令发送至所有可 连接的CPE，重新完成数据的传输。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限 制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非 是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明 的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施 方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进 等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。