基于半授权传输的电力物联网设备接入方法和通信系统

1.本发明涉及通信技术领域，具体而言，涉及一种基于半授权传输的电力物联网设备接入方法和通信系统。


背景技术：

2.随着移动通信设备的不断智能化，电力物联网集成了越来越多的智能传感设备。这些智能设备时时感知着电网发电、输电、变电、配电等各个环节的状态，并将收集的信息发送给数据中心进行处理，这让电网的运作变得更高效更智能，但也给通信带来了巨大的挑战。一方面，电力物联网中的终端设备数量庞大而又分布分散，海量的数据同时上传会带来巨大的带宽压力，并增加上行链路的控制难度，很容易出现拥塞以及控制信令过多的问题；另一方面，电力物联网中各类设备的数据内容差异性较大，传统的上行链路很难给每个设备提供相应的通信服务。比如智能电表、温度变送器等设备产生的数据具有数据短、次数多以及时延不敏感的特点，异常检测器等保护设备产生的数据具有数据短、次数少以及时延敏感的特点，远程操控机器人等操控设备产生的数据则具有数据长、次数多以及时延敏感的特点。
3.电力物联网是一个复杂的大规模机器通信场景，其采集到的数据量庞大并且可能是高度异构的。现有电力物联网通信系统为了保证具有差异性通信需求的设备的可靠通信，往往是以增加控制信令以及数据中心的计算量来解决的，这对数据中心的计算能力以及能耗是一个巨大的考验。因此电力物联网急需一种新的上行通信接入策略，在保证通信可靠性的前提下减少控制信令。
4.现有技术中，非正交多址接入技术(noma)是一种允许多用户同时共享同一频率资源的接入技术，可以大大提高频带利用率，被视作是解决电力物联网海量接入的重要技术。但该目前对于该技术的应用还存在许多问题，如无法处理差异化较大的设备通信场景，每个设备的接入需要向中心进行申请以获取授权，面对设备数巨大的电力物联网会产生海量控制信令，并且用户间干扰过多，容易产生中断。一方面，noma虽然能够让多个设备同时共享同一频带资源，但如果不对共享同一资源块的设备数加以限制，会增加接收端的解码复杂度，进而导致较差的通信质量以及较高的中断概率，因此需要数据中心与各个设备不断地进行“交流”来减小信号冲突。在设备较少的场景下这是可行的，但在电力物联网这种大规模机器通信场景下，这种方式会带来过多的控制信令，这不仅增加了数据中心的计算难度，而且会产生巨大的能耗；另一方面，要想减少电力物联网中控制信令的数量则需要降低数据中心的参与，如何控制每个资源块内的用户数成了一个难题，并且在该情况下如何兼顾设备间差异化的通信需求也是一个难点。


技术实现要素：

5.本发明旨在至少解决现有技术中存在电力物联网中控制信令过多，设备间通信需求存在的差异化较大，用户间干扰过多，容易产生中断的技术问题之一。
6.为此，本发明第一方面提供了一种基于半授权传输的电力物联网设备接入方法。
7.本发明第二方面提供了一种通信系统。
8.本发明提供了一种基于半授权传输的电力物联网设备接入方法，包括以下步骤：
9.s1、授权设备基于授权传输方式获取数据中心的授权，在获取授权的过程中，估算与数据中心间的信道系数，并将自身的状态信息传送至数据中心；
10.s2、数据中心根据授权设备的状态信息计算授权设备能忍受的最大干扰，并根据该值估算在不影响授权设备正常通信的情况下允许接入的无授权设备数；
11.s3、数据中心向所有的无授权设备广播允许接入的无授权设备数以及用于信道估算的导频信号，无授权设备根据该广播信号估算与数据中心间的信道系数；
12.s4、对若干个无授权设备与数据中心间的信道系数进行对比，信道系数最优的l个无授权设备获得传输权，以向数据中心发送信号；
13.s5、数据中心接收到来自授权设备以及信道系数最优的l个无授权设备发送的信号，利用串行干扰消除技术对各信号进行解调。
14.根据本发明上述技术方案的基于半授权传输的电力物联网设备接入方法，还可以具有以下附加技术特征：
15.进一步地，步骤s1包括以下步骤：
16.s11、数据中心向设备广播可用的随机接入前导码序列；
17.s12、授权设备从可用的随机接入前导码序列中选取一个前导码，并将该前导码上传给数据中心，用以识别占用的信道；
18.s13、数据中心发送随机接入响应，包括最高数据速率、资源分配和同步消息；
19.s14、授权设备向数据中心发送无线资源控制请求，数据中心响应该请求以识别所使用的临时终端标识；
20.s15、将授权设备安排到目标资源块中，并进行调度请求，如果没有发生冲突，授权设备占用当前信道并发送连接请求；否则，授权设备将经历一段争用访问期来解决冲突；
21.s16，获得数据中心的许可后，开始传输数据。
22.进一步地，所述授权设备的状态信息包括发射功率、信道系数和目标速率；
23.s2中数据中心根据授权设备的状态信息和信道噪声，计算授权设备能忍受的最大设备间干扰，具体方法如下：
[0024][0025]
其中，为授权设备能忍受的最大设备间干扰；p0为授权设备的发射功率；h0为信道系数；r0为目标速率；m为信道噪声。
[0026]
进一步地，数据中心根据授权设备能忍受的最大设备间干扰以及无授权设备在基站处接收功率的统计特性估算无授权设备接入个数l，具体方法如下：
[0027][0028]
其中，μw为无授权设备在基站处接收功率的均值；σw为无授权设备在基站处接收功率的方差；d为保护差值，是关于σw的单调递增函数。
[0029]
进一步地，步骤s4包括以下步骤：
[0030]
s41、所有无授权设备在接收到数据中心广播的允许接入的无授权设备数l后，在本地设置一个数值为l的计数器；
[0031]
s42、所有无授权设备根据自身信道系数退避一段时间，退避时间为关于信道增益的严格递减函数；
[0032]
s43、信道系数最优的无授权设备最先结束退避时间，优先向数据中心发送信号；
[0033]
s44、其余仍处于退避状态的无授权设备在听到此次传输后，将计数器数值减1，变为l-1；
[0034]
s45，剩余无授权设备根据信道系数从大到小依次结束退避时间向数据中心发送信号，数据中心接收到第l个无授权设备的信号后，其余仍处于退避状态的无授权设备的计数器减为0，不再发送信号。
[0035]
进一步地，忽略无授权设备退避的时间，将接入至数据中心的各无授权设备等同为同时与数据中心建立连接。
[0036]
进一步地，步骤s5包括以下步骤：
[0037]
s51、数据中心接收到来自于授权设备以及信道系数最优的l个无授权设备发送的信号，该信号表示为：
[0038][0039]
其中，p
n-l+1
,
…
,pn分别表示无授权设备u
n-l+1
,
…
,un的信号发射功率，h
n-l+1
,
…
,hn分别表示无授权设备u
n-l+1
,
…
,un与数据中心之间的信道系数，x0(t),x
n-l+1
(t),
…
,xn(t)分别表示授权用户u0以及无授权设备u
n-l+1
,
…
,un向数据中心发送的信号。
[0040]
s52、数据中心通过串行干扰消除技术解调各设备信号，其中，授权设备的信号x0(t)最先被解调，相应的解码信干噪比γ0可以表示为：
[0041][0042]
s53、数据中心以xn(t)
→
x
n-l+1
(t)的顺序依次解调，中间解调的信号xn(t),
…
,x
n-l+2
(t)在解调时会受到噪声以及其余信号的干扰，其解码的信干噪比可以表示为：
[0043][0044]
s54、最后解调的信号x
n-l+1
(t)，只会受到噪声的干扰，其解码的信噪比γ
n-l+1
可以表示为：
[0045][0046]
本发明提供了一种通信系统，包括数据中心、授权设备和无授权设备，所述授权设备基于授权传输方式获取数据中心的授权；所述无授权设备通过基于半授权传输的电力物联网设备接入方法获取数据中心的授权。
[0047]
根据本发明上述技术方案的通信系统，还可以具有以下附加技术特征：
[0048]
进一步地，所述授权设备和/或无授权设备设于电力系统用户站，所述数据中心设于电力系统基站。
[0049]
进一步地，所述无授权设备和/或授权设备设于智能电表抄送系统，实现智能电表向数据中心发送电表信息。
[0050]
综上所述，由于采用了上述技术特征，本发明的有益效果是：
[0051]
1.本发明通过非正交多址接入技术将实现了多个设备共享同一资源块进行传输，有效提高了频谱效率，缓解了电力物联网的带宽压力。
[0052]
2.本发明通过将半授权传输策略引入电力物联网的上行通信系统中，对时延敏感型设备进行通信授权，分配专用的资源块来保证其需求的高质量通信，对非时延敏感型设备则不进行通信授权，令其以机会主义的方式与授权设备共享资源块，这样既兼顾了不同设备差异性通信需求，又减少了系统中的控制信令。
[0053]
3.本发明通过将分布式控制方法引入半授权传输策略中，成功实现了在缺少基站授权的情况下，避免设备同时传输的冲突，并且严格控制共享资源块的无授权设备数，以保证无授权设备的通信不会影响授权设备的正常通信。
[0054]
本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0055]
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0056]
图1是本发明一个实施例的基于半授权传输的电力物联网设备接入方法的流程图；
[0057]
图2是本发明一个实施例的通信系统的模型图；
[0058]
图3是本发明一个实施例的基于半授权传输的电力物联网设备接入方法中在不同策略下，授权设备中断概率与竞争同一资源块的无授权设备数关系曲线图；
[0059]
图4是本发明一个实施例的基于半授权传输的电力物联网设备接入方法中在不同策略下，无授权设备中断概率与竞争同一资源块的无授权设备数关系曲线图；
[0060]
图5是本发明一个实施例的基于半授权传输的电力物联网设备接入方法中在不同允许接入的无授权设备数下，授权设备中断概率与竞争同一资源块的无授权设备数关系曲线图。
具体实施方式
[0061]
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0062]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其它不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
[0063]
下面参照图1至图5来描述根据本发明一些实施例提供的基于半授权传输的电力
物联网设备接入方法和通信系统。
[0064]
本技术的一些实施例提供了一种基于半授权传输的电力物联网设备接入方法。
[0065]
如图1至图5所示，本发明第一个实施例提出了一种基于半授权传输的电力物联网设备接入方法，在电力物联网内，包含一个数据中心，一个基于授权传输的授权设备u0，如远程操控设备等时延敏感设备；n个基于无授权传输的电网设备un，如智能电表等非时延敏感设备，(n∈{1,
…
,n})；其中，n个无授权设备以机会主义的方式与已授权设备共享同一频带资源向数据中心发送数据；
[0066]
方法具体包括以下步骤：
[0067]
s1、授权设备u0基于传统的授权传输方式(如noma)获取数据中心的授权，在获取授权的过程中，估算与数据中心间的信道系数，并将自身的状态信息传送至数据中心；
[0068]
s11、数据中心向所有设备广播可用的随机接入前导码序列；
[0069]
s12、授权设备u0从可用的随机接入前导码序列中选取一个前导码，并将该前导码上传给数据中心，用以识别占用的信道；
[0070]
s13、数据中心发送随机接入响应，包括最高数据速率、资源分配和同步消息，例如主同步信号和次同步信号；
[0071]
s14、授权设备u0向数据中心发送无线资源控制请求，数据中心响应该请求以识别所使用的临时终端标识；
[0072]
s15、将授权设备u0安排到目标资源块中，并进行调度请求，如果没有发生冲突，授权设备占用当前信道并发送连接请求；否则，授权设备u0将经历一段争用访问期来解决冲突，如随机等待一段时间并重试通道；
[0073]
s16，获得数据中心的许可后，开始传输数据。
[0074]
所述授权设备的状态信息包括发射功率、信道系数和目标速率；
[0075]
s2、数据中心根据授权设备u0的状态信息计算授权设备能忍受的最大干扰，并根据该值估算在不影响授权设备u0正常通信的情况下允许接入的无授权设备数l，l≤n；
[0076]
s2中数据中心根据授权设备的状态信息和信道噪声，计算授权设备能忍受的最大设备间干扰，具体方法如下：
[0077][0078]
其中，为授权设备能忍受的最大设备间干扰；p0为授权设备的发射功率；h0为信道系数；r0为目标速率；m为信道噪声。
[0079]
s2中数据中心根据授权设备能忍受的最大设备间干扰以及无授权设备在基站处接收功率的统计特性估算无授权设备接入个数l，具体方法如下：
[0080][0081]
其中，μw为无授权设备在基站处接收功率的均值；σw为无授权设备在基站处接收功率的方差；d为保护差值，是关于σw的单调递增函数。
[0082]
s3、数据中心向所有的无授权设备广播允许接入的无授权设备数l以及用于信道估算的导频信号，无授权设备根据该广播信号估算与数据中心间的信道系数；
[0083]
s4、基于一种分布式控制的方法，对若干个无授权设备与数据中心间的信道系数进行对比，信道系数最优的l个无授权设备获得传输权，以向数据中心发送信号；
[0084]
数据中心根据授权设备能忍受的最大设备间干扰估算无授权设备接入个数l，无授权设备不需要与数据中心进行传统授权传输的“握手行为”，通过分布式控制的方法严格控制接入的无授权设备数不超过l；其中信道系数最优的无授权设备优先接入数据中心；可以理解为将n个无授权设备按信道系数升序排序为{u1,
…
,un}，其中信道系数最优的l个无授权设备{u
n-l+1
,
…
,un}获得接入权。
[0085]
步骤s4包括以下步骤：
[0086]
s41、所有无授权设备在接收到数据中心广播的允许接入的无授权设备数l后，在本地设置一个数值为l的计数器；
[0087]
s42、所有无授权设备根据自身信道系数退避一段时间，退避时间为关于信道增益的严格递减函数，且该退避时间足够小；
[0088]
s43、信道系数最优的无授权设备un最先结束退避时间，优先向数据中心发送信号；
[0089]
s44、其余仍处于退避状态的无授权设备在听到此次传输后，将计数器数值减1，变为l-1；
[0090]
s45，剩余无授权设备根据信道系数从大到小依次结束退避时间向数据中心发送信号，数据中心接收到第l个无授权设备的信号后，其余仍处于退避状态的无授权设备的计数器减为0，不再发送信号；可理解为信道系数最优的l-1个无授权设备un,
…
,u
n-l+1
依次结束退避时间向数据中心发送信号，当无授权设备u
n-l+1
发送信号后，其余仍处于退避状态的无授权设备的计数器减为0，则不再发送信号。
[0091]
虽然各个设备退避时间不一致，信号发送有先后顺序，但无授权设备退避的时间足够短，可忽略无授权设备退避的时间，将接入至数据中心的各无授权设备近似看作同时与数据中心建立连接。
[0092]
s5、数据中心接收到来自授权设备以及信道系数最优的l个无授权设备发送的信号，利用串行干扰消除技术对各信号进行解调。
[0093]
步骤s5包括以下步骤：
[0094]
s51、数据中心接收到来自于授权设备以及信道系数最优的l个无授权设备发送的信号，该信号表示为：
[0095][0096]
其中，p
n-l+1
,
…
,pn分别表示无授权设备u
n-l+1
,
…
,un的信号发射功率，h
n-l+1
,
…
,hn分别表示无授权设备u
n-l+1
,
…
,un与数据中心之间的信道系数，x0(t),x
n-l+1
(t),
…
,xn(t)分别表示授权用户u0以及无授权设备u
n-l+1
,
…
,un向数据中心发送的信号。
[0097]
s52、数据中心通过串行干扰消除技术解调各设备信号，其中，授权设备的信号x0(t)最先被解调，相应的解码信干噪比γ0可以表示为：
[0098]
[0099]
s53、数据中心以xn(t)
→
x
n-l+1
(t)的顺序依次解调，中间解调的信号xn(t),
…
,x
n-l+2
(t)在解调时会受到噪声以及其余信号的干扰，其解码的信干噪比可以表示为：
[0100][0101]
s54、最后解调的信号x
n-l+1
(t)，只会受到噪声的干扰，其解码的信噪比γ
n-l+1
可以表示为：
[0102][0103]
图3给出了在不同策略下，授权设备中断概率与竞争同一资源块的无授权设备数关系曲线图，即与其他技术的对比，本发明的授权设备中断概率随竞争同一资源块的无授权设备数变化的性能图。从图中可以看出，随着竞争同一资源块的无授权设备数的增加，授权设备中断概率逐渐上升。相比无分布式控制方案，本发明授权设备的中断概率整体上更低，可以更好地保证授权设备通信的可靠性，并且本发明性能曲线的斜率相比无分布式控制方案更低，说明本发明能更好的处理多设备的冲突。
[0104]
图4给出了在不同策略下，无授权设备中断概率与竞争同一资源块的无授权设备数关系曲线图，即与其他技术的对比，本发明的无授权设备中断概率随竞争同一资源块的无授权设备数变化的性能图。从图中可以看出，随着竞争同一资源块的无授权设备数的增加，无授权设备中断概率先快速减小后缓慢增加，说明本发明能够有效处理多设备的冲突，在保证授权设备的通信可靠性前提下，也兼顾无授权设备的可靠性。与无分布式控制方案相比，本发明显著的提升了无授权设备的可靠性。
[0105]
图5给出了在不同允许接入的无授权设备数下，授权设备中断概率与竞争同一资源块的无授权设备数关系曲线图，即与其他技术的对比，本发明在允许接入的无授权设备数不同条件下，授权设备中断概率随竞争同一资源块的无授权设备数变化的曲线。从该图可以看出，随着允许接入的无授权设备数的增多，授权设备的整体中断概率会增加。因此在实际传输中，可以根据竞争同一资源块的无授权设备数的变化相应的调整允许接入的无授权设备数，使得系统传输满足需求指标。
[0106]
本技术的一些实施例提供了一种通信系统。
[0107]
本发明第二个实施例提出了一种通信系统，且在第一个实施例的基础上，如图1至图5所示，包括数据中心、授权设备和无授权设备，所述授权设备基于授权传输方式获取数据中心的授权；所述无授权设备通过基于半授权传输的电力物联网设备接入方法获取数据中心的授权。具体为一种无线通信系统，利用第一个实施例所给出的基于半授权传输的电力物联网设备接入方法实现该无线通信系统中用户向基站发送信息的功能。
[0108]
本发明第三个实施例提出了一种通信系统，且在上述任一实施例的基础上，如图1至图5所示，包括数据中心、授权设备和无授权设备，所述授权设备基于授权传输方式获取数据中心的授权；所述无授权设备通过基于半授权传输的电力物联网设备接入方法获取数据中心的授权。具体为一种电力物联网上行通信系统，利用第一个实施例所给出的基于半授权传输的电力物联网设备接入方法实现该电力物联网上行通信系统中电力设备向数据中心发送监测信息的功能。
[0109]
本发明第四个实施例提出了一种通信系统，且在上述任一实施例的基础上，如图1至图5所示，包括数据中心、授权设备和无授权设备，所述授权设备基于授权传输方式获取数据中心的授权；所述无授权设备通过基于半授权传输的电力物联网设备接入方法获取数据中心的授权。具体为一种大规模机器通信系统，利用第一个实施例所给出的基于半授权传输的电力物联网设备接入方法实现该大规模机器通信系统中机器设备向基站发送信息的功能。
[0110]
本发明第五个实施例提出了一种通信系统，且在上述任一实施例的基础上，如图1至图5所示，包括数据中心、授权设备和无授权设备，所述授权设备基于授权传输方式获取数据中心的授权；所述无授权设备通过基于半授权传输的电力物联网设备接入方法获取数据中心的授权。具体为一种智能电表抄送系统，利用第一个实施例所给出的基于半授权传输的电力物联网设备接入方法实现该智能电表抄送系统中智能电表向数据中心发送电表信息的功能。
[0111]
在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0112]
凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。