周 靜，陳 希，趙子巖，盧利峰

（中國電力科學(xué)研究院 北京 100192）

1 引言

隨著信息與通信技術(shù)的發(fā)展和電力通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，新一代寬帶無線移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于電力通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)，智能電網(wǎng)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(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)全自動化，需要采用先進(jìn)的通信技術(shù)以保證信息高效傳輸。由于3G、WiMAX具有雙向通信系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)智能電表的數(shù)據(jù)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(shí)現(xiàn)智能電表的無線接入；具有較好的傳輸帶寬，可以實(shí)現(xiàn)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(wǎng)中有線通信技術(shù)的有益補(bǔ)充。

此外，智能電網(wǎng)的建設(shè)和實(shí)施必將進(jìn)一步帶動多媒體通信業(yè)務(wù)的發(fā)展，從而使得通信系統(tǒng)對無線頻譜資源的需求也不斷增加。盡管相比3G系統(tǒng)，未來4G系統(tǒng)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(xù)加大，這已成為全球無線電管理高度關(guān)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(guī)則都是靜態(tài)的，通信系統(tǒng)只能在指配的專有頻段上工作。隨著各種無線通信新技術(shù)和應(yīng)用的不斷出現(xiàn)，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(jī)制，是電力通信應(yīng)對智能電網(wǎng)環(huán)境下的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)頻譜資源危機(jī)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(tǒng)整體效能的不可缺少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

2 基于動態(tài)頻譜接入的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

無線通信技術(shù)朝著高傳輸速率發(fā)展，導(dǎo)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(fā)展的新瓶頸。另一方面，已經(jīng)分配給現(xiàn)有很多無線系統(tǒng)的頻譜資源卻在時(shí)間和空間上存在不同程度的閑置。動態(tài)頻譜接入(dynamic spectrum access，DSA）的核心思想是，在不對授權(quán)用戶造成干擾的前提下，非授權(quán)用戶伺機(jī)使用未被利用的授權(quán)頻段，以增加時(shí)域、空域以及頻譜域上的頻譜服用[3]。DSA技術(shù)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(wǎng)絡(luò)的性能；還有望在日益擁擠的無線環(huán)境中實(shí)現(xiàn)各種通信系統(tǒng)的共存、兼容和互用。

DSA網(wǎng)絡(luò)是指具有動態(tài)頻譜接入能力的網(wǎng)絡(luò)，沒有頻譜所有權(quán)，有些文獻(xiàn)也稱其為認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)[4～6]，其結(jié)點(diǎn)基于認(rèn)知無線電與超寬帶技術(shù)?？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(tài)頻譜接入能力的用戶。除了能夠使用DSA網(wǎng)絡(luò)提供的接入能力以外，還可以接入授權(quán)網(wǎng)絡(luò)的基站。DSA基站是指在單跳DSA網(wǎng)絡(luò)中，向動態(tài)頻譜接入用戶提供網(wǎng)絡(luò)接入的基站。頻譜使用代理是一個(gè)中心網(wǎng)絡(luò)實(shí)體，當(dāng)多個(gè)DSA網(wǎng)絡(luò)共存時(shí)，負(fù)責(zé)彼此之間的頻譜分配。

DSA網(wǎng)絡(luò)可以工作在授權(quán)頻段和非授權(quán)頻段。當(dāng)工作在授權(quán)頻段時(shí)，基本原則是在不影響授權(quán)用戶的情況下，在特定的時(shí)間和空間對“頻譜空洞”進(jìn)行重用。由于授權(quán)用戶具有頻譜使用的優(yōu)先權(quán)，當(dāng)檢測到授權(quán)用戶重新回到該頻段時(shí)，認(rèn)知用戶必須立刻離開，進(jìn)行頻譜切換。在非授權(quán)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(quán)，此時(shí)認(rèn)知用戶需要檢測其他認(rèn)知用戶的存在，為了避免多用戶之間的競爭導(dǎo)致系統(tǒng)性能惡化，必須設(shè)計(jì)靈活高效的頻譜共享方式提高利用率。

圖1為采用DSA的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。其中授權(quán)網(wǎng)絡(luò)是指目前已經(jīng)取得某些頻譜所有權(quán)的網(wǎng)絡(luò)（如GSM/TV等），這些網(wǎng)絡(luò)對所占用的頻譜具有專有權(quán)。授權(quán)用戶可以接入授權(quán)網(wǎng)絡(luò)，不受認(rèn)知用戶的影響。授權(quán)網(wǎng)絡(luò)基站是指現(xiàn)有的無線授權(quán)網(wǎng)絡(luò)，一般采用蜂窩結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)中的基站。為了更好地向認(rèn)知用戶提供服務(wù)，授權(quán)網(wǎng)絡(luò)基站可以同時(shí)具有授權(quán)用戶接入和認(rèn)知用戶接入的功能。

基于DSA技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)具有多種潛在的應(yīng)用場景,DSA技術(shù)與Mesh網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，能充分利用頻譜資源，減少沖突，增加網(wǎng)絡(luò)容量；DSA的高帶寬、可靠性與互操作性可用來構(gòu)建軍事通信網(wǎng)絡(luò)、災(zāi)難恢復(fù)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)；此外，對于授權(quán)用戶而言，能使用DSA技術(shù)構(gòu)建頻譜租賃網(wǎng)絡(luò)，挖掘新的商業(yè)價(jià)值。

3 電力通信無線頻譜管理體系設(shè)計(jì)

3.1 體系設(shè)計(jì)目標(biāo)

目前，電力系統(tǒng)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(wǎng)對災(zāi)難應(yīng)急、配網(wǎng)自動化、智能電網(wǎng)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(diǎn)將逐步發(fā)展到在電力系統(tǒng)通信中得到廣泛深入的應(yīng)用。無線通信可以成為電力系統(tǒng)通信的一個(gè)重要補(bǔ)充手段，為電力系統(tǒng)構(gòu)建綜合通信網(wǎng)提供非常重要的一個(gè)部分[7]。

在自動抄表系統(tǒng)中，遠(yuǎn)距離傳輸借用現(xiàn)有的各種通信網(wǎng)絡(luò)，如PSTN、Internet、GPRS/CDMA或電力企業(yè)自身的光纖以太網(wǎng)等，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸，而技術(shù)瓶頸在于所謂的“最后一公里”。需要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是，現(xiàn)有的不需要使用許可的業(yè)務(wù)，比如無線互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商（WISP)、無線局域網(wǎng)（WLAN）等在目前無線法規(guī)規(guī)定的功率限制下，在人口密度較低的農(nóng)村地區(qū)往往不能提供充分的信號覆蓋。我們知道，在農(nóng)村地區(qū)，頻譜并沒有得到高效的利用，因而在不對法定業(yè)務(wù)造成干擾的情況下，采用動態(tài)頻譜接入技術(shù)提高農(nóng)村地區(qū)的自動抄表等無線業(yè)務(wù)的傳輸功率是可行的。

電力通信動態(tài)頻譜管理體系設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)應(yīng)該是根據(jù)電力通信網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、傳輸設(shè)備性能以及地理特征等情況，頻率管理系統(tǒng)能夠?yàn)橥ㄐ殴芾砗碗娋W(wǎng)運(yùn)行控制人員擬定最佳的頻率指配方案，使建成的通信網(wǎng)在惡劣的環(huán)境下具有較高的電磁兼容性和可靠性，此外，動態(tài)頻率管理系統(tǒng)能夠根據(jù)環(huán)境的實(shí)際情況，迅速有效地采取措施以適應(yīng)環(huán)境情況的變化。當(dāng)有意干擾的鏈路造成鏈路無法正常工作時(shí)，根據(jù)干擾等級，采用不同的處理方式，干擾較輕的鏈路由網(wǎng)控系統(tǒng)啟動備頻方案；干擾較重的由動態(tài)頻率管理模塊給出局部調(diào)整方案。除此之外，電力通信動態(tài)頻譜管理體系還應(yīng)該滿足以下專網(wǎng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

· 確保在電力通信網(wǎng)覆蓋的區(qū)域，尤其是微電網(wǎng)、配用電網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地理區(qū)域內(nèi)，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(tǒng)和無線公網(wǎng)資源的共享程度。

·能夠在眾多可利用的無線電資源中實(shí)現(xiàn)優(yōu)化選擇，從而提高通信系統(tǒng)整體效率和功能。

·利用網(wǎng)絡(luò)和移動終端之間的信息交互實(shí)現(xiàn)對珍貴的無線電資源的優(yōu)化使用。

·通過無線頻率狀態(tài)管理系統(tǒng)的實(shí)施,能夠提高電力企業(yè)的運(yùn)行效率。

3.2 體系架構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，國內(nèi)有關(guān)動態(tài)頻譜管理的研究集中于動態(tài)頻譜分配算法和頻譜檢測技術(shù)的研究[8，9]，尚未見專用網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的無線頻譜資源管理整體功能結(jié)構(gòu)的研究報(bào)導(dǎo)。IEEE1900 SC是2005年由IEEE的通信協(xié)會 （ComSoC）和IEEE電磁兼容協(xié)會（EMC）聯(lián)合成立的標(biāo)準(zhǔn)化組織。2007年，該標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會就異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的無線電資源使用優(yōu)化推出了P1900.4標(biāo)準(zhǔn)[10]。制定該標(biāo)準(zhǔn)的目的是解決如何建立系統(tǒng)的整體功能結(jié)構(gòu)、進(jìn)行信息交換以及在網(wǎng)絡(luò)和使用網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)無縫切換等問題。P1900.4標(biāo)準(zhǔn)在設(shè)計(jì)之初僅考慮了架構(gòu)和功能的定義，目前已經(jīng)發(fā)布的功能有動態(tài)頻譜接入、動態(tài)頻譜分配和無線電資源使用優(yōu)化三大功能。

圖2描述了由P1900.4標(biāo)準(zhǔn)模塊搭建的電力通信應(yīng)用環(huán)境下的頻譜管理體系，該體系既包括靜態(tài)射頻網(wǎng)絡(luò)模塊，也包括了動態(tài)頻譜分配模塊。圖2所描述的體系所需實(shí)現(xiàn)的功能描述如下。

（1）動態(tài)頻譜的接入功能

多個(gè)射頻網(wǎng)絡(luò)可以共享同一頻段，該功能描述射頻網(wǎng)絡(luò)之間的頻帶如何分配。通常在一個(gè)接入時(shí)隙里，用戶的數(shù)量將大于可用傳輸信道的數(shù)量，終端用戶為爭奪資源可能產(chǎn)生沖突碰撞，因此，必須選擇合適的接入策略以協(xié)調(diào)終端用戶的競爭，降低碰撞概率，減少接入時(shí)延的同時(shí)保證無線接入用戶之間的公平性，提高系統(tǒng)的吞吐量。DSA頻譜管理器可通過分析DSA的算法，動態(tài)地給出頻譜接入策略。目前，國內(nèi)外已有的接入策略包括隨機(jī)接入策略、最大速率接入策略、合作接入策略和自適應(yīng)分組接入策略等。

（2）動態(tài)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(qū)域分配不同的無線頻段。動態(tài)頻譜分配是實(shí)現(xiàn)動態(tài)頻譜管理的一個(gè)關(guān)鍵步驟，就是要求無線電系統(tǒng)在感知到當(dāng)前環(huán)境后，對當(dāng)前的頻譜進(jìn)行動態(tài)分配，以滿足當(dāng)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(yōu)化功能

該功能描述了P1900.4方法可以與傳統(tǒng)射頻網(wǎng)絡(luò)協(xié)同工作，提高整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)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(chǔ)上。頻譜切換是發(fā)生在當(dāng)前信道的性能下降或者具有第一優(yōu)先權(quán)用戶出現(xiàn)的時(shí)候。頻譜切換是一個(gè)復(fù)雜的問題，在頻譜切換過程中，不同層的協(xié)議必須很快適應(yīng)新工作頻道的信道參數(shù)。該模塊的主要功能目標(biāo)之一是確保在頻譜切換中最大限度地降低用戶業(yè)務(wù)性能的損失。

上述動態(tài)頻譜管理體系架構(gòu)的提出，對網(wǎng)絡(luò)中的無線設(shè)備提出了更高的要求。設(shè)備必須能夠探測到當(dāng)前的無線環(huán)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(wù)。也就是說，無線電設(shè)備要在多個(gè)可用的頻譜范圍和多種可以實(shí)現(xiàn)通信技術(shù)選擇一個(gè)最合適的方案來完成任務(wù)。

4 結(jié)束語

在智能電網(wǎng)通信領(lǐng)域，隨著技術(shù)和應(yīng)用的不斷發(fā)展，未來的電力通信網(wǎng)絡(luò)將是一個(gè)使用各種不同通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋和業(yè)務(wù)提供的異構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)環(huán)境?，F(xiàn)有的無線資源管理機(jī)制已經(jīng)不能適應(yīng)未來無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展需求，因此有必要探討適合未來智能電網(wǎng)無線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展特點(diǎn)以及電力企業(yè)環(huán)境特點(diǎn)的無線資源管理機(jī)制。本文基于IEEE P1900.4的模塊化建模思想，提出了電力通信網(wǎng)無線頻譜管理體系架構(gòu)，其主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)在智能電網(wǎng)異構(gòu)通信環(huán)境下對各種無線資源的合理配置和優(yōu)化。下一步工作將就電力無線通信環(huán)境下的就動態(tài)頻譜接入策略和對現(xiàn)有無線通信系統(tǒng)的后向兼容問題進(jìn)行深入的研究。

1 劉建明.3G和4G無線通信技術(shù)在ICT網(wǎng)絡(luò)模式中的應(yīng)用.電力系統(tǒng)通信,2009，30(201):1～13

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

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

4 芮國勝，張崇，尚崇偉.認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)及其頻譜管理技術(shù).海軍航空工程學(xué)院學(xué)報(bào),2009,24(2):181～183

5 李洋，董育寧，趙海濤.認(rèn)知Mesh網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)分層路由模型及路由策略.電子與信息學(xué)報(bào)，2009,8(10):1975～1979

6 鄒丹，鐘國輝，屈代明.無線認(rèn)知傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能頻譜感知策略.中國科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009,10(1):1052～1058

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

8 李禮，秦彬，張春元.動態(tài)頻譜訪問無線網(wǎng)絡(luò)的研究展望.計(jì)算機(jī)工程，2007，33(22):124～126

9 文展，曾曉輝，陳果.動態(tài)頻譜分配與頻譜共享研究綜述.通信技術(shù)，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