劉喆，楊迎春，周劍，張頡，傅寧，白暉峰

(1.西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 611756；2.國網(wǎng)四川省電力公司，四川 成都 610041；3.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041；4.國網(wǎng)思極神往位置服務(wù)(北京)有限公司，北京 102211；5.北京智芯微電子科技有限公司，北京 102299)

0 引言

電力工業(yè)是社會發(fā)展的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，在國民經(jīng)濟中占據(jù)關(guān)鍵地位[1]，而電力通信系統(tǒng)的高質(zhì)量服務(wù)對整個電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行起著至關(guān)重要的作用.我國電力通信系統(tǒng)主要包含光纖通信、電力無線專網(wǎng)通信和電力無線公網(wǎng)通信三種數(shù)據(jù)通信方式.當(dāng)重大自然災(zāi)害發(fā)生時電力通信系統(tǒng)有可能受到嚴(yán)重破壞,進而影響各個電力設(shè)備的正常運行，甚至?xí)?dǎo)致整個電網(wǎng)癱瘓.為提高電力通信系統(tǒng)抵御大型自然災(zāi)害的能力，近年來出現(xiàn)了利用Wi-Fi結(jié)合北斗技術(shù)來快速構(gòu)建災(zāi)后電力應(yīng)急通信系統(tǒng)的抗災(zāi)方案[2].該方案選擇Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)中的無線AP(access point)作為電力設(shè)備通信的無線接入點，解決信號的本地覆蓋問題.AP是Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點，相比于蜂窩無線網(wǎng)絡(luò)中的基站，Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)AP節(jié)點部署靈活、方便，搭建時間、人力、經(jīng)濟成本大大減少，因此選擇Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)AP節(jié)點來提供本地?zé)o線空口接入能力可有效克服自然災(zāi)害后，災(zāi)區(qū)通行困難、物資匱乏等諸多網(wǎng)絡(luò)布置障礙.另一方面，該方案選擇北斗衛(wèi)星系統(tǒng)作為災(zāi)區(qū)和外界遠距離通信的載體.北斗衛(wèi)星系統(tǒng)具備跨地域信號覆蓋、不受地表環(huán)境影響、可全天候、全天時提供通信服務(wù)的獨特優(yōu)勢，能有效滿足災(zāi)區(qū)臨時布置的電力Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)和外界進行遠距離應(yīng)急通信的需求.如何增大災(zāi)后電力應(yīng)急通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸能力、本地覆蓋能力以及用戶承載能力是當(dāng)前該領(lǐng)域的熱點研究問題.

災(zāi)后電力應(yīng)急通信系統(tǒng)通過布置多個AP為災(zāi)區(qū)電力設(shè)備提供本地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，但布置的多個AP之間，進行頻率復(fù)用時會產(chǎn)生同頻干擾.因此，做好多AP間的干擾管理對于提高災(zāi)后電力應(yīng)急通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸能力至關(guān)重要.文獻[3-5]中研究了協(xié)作空間復(fù)用(coordinated spatial reuse,CSR)技術(shù)，通過AP間協(xié)作，聯(lián)合控制各自發(fā)射功率，減小了AP間同頻干擾，明顯提高了數(shù)據(jù)傳輸速率.然而，CSR技術(shù)在密集型場景下存在重疊基本服務(wù)集(overlapping basic service set,OBSS)，處在OBSS區(qū)域內(nèi)的用戶仍會受到嚴(yán)重干擾.文獻[6-7]中研究了協(xié)作正交頻分多址(coordinated orthogonal frequency division multiple access,C-OFDMA)技術(shù)，通過AP間協(xié)作,為不同AP分配正交的頻譜資源，從而消除AP間干擾，明顯擴大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍.但是，其頻譜效率低下，導(dǎo)致系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸能力下降.Yang[8]將CSR技術(shù)和C-OFDMA技術(shù)進行結(jié)合，在不同區(qū)域使用不同頻率復(fù)用因子，并提出了協(xié)作空間復(fù)用結(jié)合正交頻分多址(joint coordinated spatial reuse and orthogonal frequency division multiple access,CSR&OFDMA)技術(shù)，最終提高了系統(tǒng)整體容量.文獻[9-11]中研究了軟頻率復(fù)用技術(shù)，將用戶分為中心區(qū)域用戶和邊緣區(qū)域用戶，AP向不同區(qū)域用戶發(fā)送下行數(shù)據(jù)時使用不同發(fā)射功率，在獲得較高頻率復(fù)用率的同時減小了AP間干擾，提高了系統(tǒng)整體傳輸和覆蓋能力.

一系列針對北斗技術(shù)的改進都可用于增大災(zāi)后電力應(yīng)急通信系統(tǒng)的遠距離通信能力.楊雙[12]針對北斗衛(wèi)星鏈路易受大氣條件、電磁環(huán)境等因素影響，數(shù)據(jù)頻繁丟包的問題，提出了一種適用于北斗大容量通信的丟包重傳機制，提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性.張薇[13]基于用戶接收天線合成波束增益和所處地理位置的北斗衛(wèi)星發(fā)射波束增益，提出了一種天線波束指向算法，可以保證用戶接收天線合成波束實時指向最優(yōu)北斗衛(wèi)星，從而提高北斗系統(tǒng)傳輸能力.徐挺[14]研究了按需分配的單路單載波(single channel per carrier/demand assigned multiple access,SCPC/DAMA)技術(shù)，在保證系統(tǒng)通信正常的基礎(chǔ)上，降低了設(shè)備成本，增強了系統(tǒng)部署靈活性.王曉明[15]針對應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜多變的問題，采用多網(wǎng)融合技術(shù)，將Wi-Fi和北斗通信網(wǎng)絡(luò)融合應(yīng)用到了災(zāi)后電力應(yīng)急通信系統(tǒng)當(dāng)中，提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性.

在上述工程需求和技術(shù)發(fā)展的背景下，本研究基于第7代Wi-Fi多AP協(xié)作通信技術(shù)，提出一種協(xié)作式功率控制技術(shù)，有效改善災(zāi)后電力應(yīng)急通信系統(tǒng)本地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)接入能力.具體而言：增加無線接入過程中用戶類型，并調(diào)整部分協(xié)議幀結(jié)構(gòu)，具化相關(guān)字段用于指示新增用戶類型；結(jié)合AP協(xié)作技術(shù)和軟頻率復(fù)用技術(shù)設(shè)計了頻譜資源分配算法和AP中心功率控制算法.仿真結(jié)果表明，與現(xiàn)有Wi-Fi系統(tǒng)多AP協(xié)作技術(shù)和軟頻率復(fù)用技術(shù)相比，所提算法有效提高了數(shù)據(jù)傳輸能力；與現(xiàn)有多AP協(xié)作技術(shù)相比，在用戶承載能力相近條件下，可提高信號覆蓋范圍.

1 系統(tǒng)模型及用戶識別過程

1.1 網(wǎng)絡(luò)模型本研究考慮的網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示.在鏈路上行，災(zāi)區(qū)電力設(shè)備通過Wi-Fi無線AP節(jié)點完成本地入網(wǎng)，“AP+北斗模塊”通過北斗通信鏈路向北斗衛(wèi)星發(fā)送上行數(shù)據(jù)包.在鏈路下行,北斗衛(wèi)星通過北斗通信鏈路向“AP+北斗模塊”發(fā)送下行數(shù)據(jù)包，“AP+北斗模塊”通過無線AP節(jié)點，將下行數(shù)據(jù)包發(fā)送給災(zāi)區(qū)電力設(shè)備.

圖1 災(zāi)后電力應(yīng)急通信系統(tǒng)

1.2 接入用戶類型及其識別方法為了協(xié)調(diào)好多AP間的干擾管理，軟頻率復(fù)用技術(shù)中將用戶類型識別為中心區(qū)域用戶和邊緣區(qū)域用戶.在此基礎(chǔ)上，本研究對邊緣區(qū)域用戶類型進一步細分，將用戶識別為CSR區(qū)域用戶、3 dB區(qū)域用戶和C-OFDMA區(qū)域用戶.

圖2 IEEE 802.11be協(xié)議幀發(fā)送流程舉例

圖2為IEEE 802.11be現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)提案[16]下，用戶接入過程中，協(xié)議幀類型和發(fā)送流程舉例.其中，aC表示主AP；aS表示從AP；第m個站點(station,STA)表示為um；假設(shè)aC需要與u1和u2建立連接，aS需要與u3和u4建立連接.首先，各個AP發(fā)送信標(biāo)幀，STA接收到信標(biāo)幀后計算其接收信號強度指示(received signal strength indicator,RSSI)值并選擇信號強度最大的AP進行連接；然后，由STA向AP發(fā)送連接請求幀，上報用戶信息，在此階段，aS向aC發(fā)送交換幀，上報與aS相連接的用戶信息；接著，aC向aS發(fā)送trigger幀，指示aS的發(fā)射功率等信息；最后，aC和aS向各自連接的STA發(fā)送trigger幀，此后可進行數(shù)據(jù)傳輸.

定義γm為um的實際信干噪比(signal to interference plus noise ratio,SINR)值，γTH為區(qū)分中心區(qū)域用戶和邊緣區(qū)域用戶的SINR閾值，γMIN為用戶達到數(shù)據(jù)最小傳輸速率所需SINR閾值.在用戶接入過程中，aC接收到aS所發(fā)交換幀后，通過交換幀中包含的RSSI信息，計算各用戶的SINR值γm，再將γm與預(yù)先設(shè)定的γTH和γMIN閾值進行比較，以此實現(xiàn)用戶類型劃分.

(1)

式(1)中，背景噪聲功率等于熱噪聲功率ωhot與噪聲系數(shù)ωf之和：

ω=ωhot+ωf

(2)

IEEE 802.11be中ωf為7 dB，ωhot的功率譜密度N0為-174dBm/Hz，則ωhot由下式給出：

ωhot=N0×Bm

(3)

其中，Bm是分配給um的帶寬，單位為Hz.

(4)

IEEE 802.11be中室外場景采納雙斜率路徑損耗模型，dm,n小于或等于斷點距離dBP和dm,n大于dBP時使用不同衰落模型：

(5)

(6)

其中dm,n的單位為m，f表示載波頻率，單位為Hz.公式(5)中η(dB)的概率密度函數(shù)為：

(7)

其中，σ在dm,n≤dBP時為3，在dm,n>dBP時為5.

在計算出各用戶信干噪比值γm后，通過以下1)～5)步驟識別用戶類型.如圖3所示，用戶被劃分為中心區(qū)域用戶、CSR區(qū)域用戶、3 dB區(qū)域用戶和C-OFDMA區(qū)域用戶四種類型.特別需要注意的是，IEEE 802.11be已采納的標(biāo)準(zhǔn)提案要求AP分配給遠近用戶的功率差需控制在3 dB以內(nèi)[16].因此，所提用戶類型識別方法中特別引入了該項約束條件：

1) 當(dāng)γm>γTH時，將um分類為中心區(qū)域用戶，用uCenter表示中心區(qū)域用戶的集合；

2) 當(dāng)γTH≥γm>γMIN時，表示um在進行頻率復(fù)用時仍具有較好的信號質(zhì)量，將um分類為CSR區(qū)域用戶，用uCSR表示CSR區(qū)域用戶的集合；

圖3 用戶類型及定義

主APaC為了計算每個接入STA的SINR數(shù)值，需要從連接幀和交換幀中獲取所有接入STA的RSSI值.因此需要在現(xiàn)有連接幀和交換幀中添加新的指示字段.連接幀由STA發(fā)送給關(guān)聯(lián)AP，本研究中在連接幀添加AP information字段，具體如圖4(a)所示.其中，Element ID占用一個字節(jié)，用于表示該字段類型；Length占用一個字節(jié)，用于指示整個字段長度(單位為字節(jié))；AP MAC address占用6個字節(jié)，用于表示STA從信標(biāo)幀中獲取的AP MAC地址信息；AP RSSI占用6個字節(jié)，用于表示STA根據(jù)信標(biāo)幀測得的AP信號強度.

從APaS發(fā)送交換幀給主APaC，本研究中在其所發(fā)交換幀添加STA information字段，具體如圖4(b)所示.其中，Element ID占用一個字節(jié)，用于表示該字段類型；Length占用一個字節(jié)，用于指示整個字段長度(單位為字節(jié))；AID占用兩個字節(jié)，用于表示與aS關(guān)聯(lián)的STA的MAC地址；AP MAC address占用6個字節(jié)，用于表示與aS關(guān)聯(lián)的STA通過信標(biāo)幀獲取的AP MAC地址信息；AP RSSI占用6個字節(jié)，用于表示與aS關(guān)聯(lián)的STA根據(jù)信標(biāo)幀測得的AP信號強度.

圖4 協(xié)議幀添加字段

2 協(xié)作式功率控制技術(shù)

2.1 頻譜資源分配算法為做好多AP間干擾管理，提高災(zāi)后電力應(yīng)急通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸與本地網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力，本研究在1.2小節(jié)新增用戶類型基礎(chǔ)上，提出新的頻譜資源分配算法，為集合uC-OFDMA、uCSR、u3 dB和uCenter中用戶分配頻譜資源.

算法1：頻譜資源分配算法.

定義uan為關(guān)聯(lián)到第n個APan上所有用戶的集合，1≤n≤N.

1) 將總帶寬切分為N+1份正交頻譜資源單元(resource unit,RU)，表示為βj，0≤j≤N，N為進行協(xié)作的AP總數(shù).將β0進一步切分為N份正交子RU，表示為αn；

2) 為C-OFDMA區(qū)域用戶分配頻譜資源，由于C-OFDMA區(qū)域用戶信號質(zhì)量最差，所以將αn分配給集合uC-OFDMA∩uan內(nèi)的用戶，且該部分頻譜資源不在各AP間復(fù)用，如圖5左側(cè)第一列圖形所示；

圖5列舉了上述頻譜資源分配方案.其中有4個AP，a1,a2,a3,a4進行協(xié)作通信，選擇a1舉例分析：α1分配給a1關(guān)聯(lián)的C-OFDMA區(qū)域用戶，α1不在各AP間復(fù)用，所以集合uC-OFDMA∩ua1內(nèi)的用戶不會與集合ua2∪ua3∪ua4內(nèi)的任何用戶干擾；β1分配給a1關(guān)聯(lián)的CSR區(qū)域及3 dB區(qū)域用戶，集合(uCSR∪u3dB)∩ua1內(nèi)的用戶不會與集合(uCSR∪u3dB)∩(ua2∪ua3∪a4)內(nèi)的用戶互相干擾，但會與集合CCenter∩(ua2∪ua3∪ua4)內(nèi)的用戶互相干擾；β2,β3,β4分配給a1關(guān)聯(lián)的中心區(qū)域用戶，集合uCenter∩ua1內(nèi)的用戶會與(uCSR∪u3dB∪uCenter)∩(ua2∪ua3∪ua4)內(nèi)的用戶互相干擾.

圖5 頻譜資源分配方案

2.2 AP中心功率控制算法在算法1中：an關(guān)聯(lián)的中心區(qū)域用戶會和an的協(xié)作AP關(guān)聯(lián)的CSR區(qū)域用戶、3 dB區(qū)域用戶及中心區(qū)域用戶因頻譜復(fù)用而相互干擾，如上一段圖5舉例說明中最后一種干擾情況.所以當(dāng)an向其中心區(qū)域用戶發(fā)送下行數(shù)據(jù)時，降低an發(fā)射功率能夠減小其對協(xié)作AP關(guān)聯(lián)用戶造成的干擾.因此，本研究在算法1的基礎(chǔ)上，提出AP中心功率控制算法.

算法2:AP中心功率控制算法.

1) 初始化i=1；

2) 從A中取第i列，將其作為各AP發(fā)射功率下調(diào)值的一種組合，如式(8)：

[ΔP1,…,ΔPN]T=A[:,i]

(8)

(9)

5) 根據(jù)公式(1)計算各個用戶的SINR數(shù)值γm；

6) 計算系統(tǒng)中信號質(zhì)量較差(γm≤γMIN)的用戶個數(shù)K，并根據(jù)式(10)計算出系統(tǒng)干擾度δi，用δi來衡量AP間的干擾強度；

(10)

7) 若執(zhí)行步驟6)后有δi≤δTH，說明此時AP間干擾較小，向下執(zhí)行步驟8；否則，說明此時AP間干擾較大，需嘗試另一種各AP中心區(qū)域發(fā)射功率配置組合，令i=i+1，并返回步驟2；

8) 根據(jù)式(11)計算并存儲第i種功率配置組合下所達系統(tǒng)容量Ci，其中Bm表示分配給um的帶寬；

(11)

9) 若i<4N，令i=i+1，并返回步驟2).若i=4N，即集合中所有發(fā)射功率下調(diào)值的組合都已在步驟2)～8)中嘗試，根據(jù)式(12)～(13)求得使系統(tǒng)容量最大化的各AP最優(yōu)中心發(fā)射功率值

(12)

(13)

該算法具體描述如下：

圖6 Trigger幀中添加的Trigger power字段

3 仿真分析

為了驗證本研究中算法能有效改善災(zāi)后電力應(yīng)急通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸能力以及本地覆蓋能力，將本研究算法與現(xiàn)有多AP協(xié)作技術(shù)和軟頻率復(fù)用技術(shù)進行仿真對比.圖7是電力設(shè)備通過Wi-Fi無線AP節(jié)點完成本地入網(wǎng)后，與AP進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆抡鎴鼍笆疽鈭D.該仿真場景中共有4個AP進行協(xié)作通信，定義dAP為相鄰AP間距離，單位為m，且任意相鄰AP間距離相等；Mn表示第n個APan關(guān)聯(lián)電力設(shè)備個數(shù)，且每個電力設(shè)備都隨機分布在以APan為中心，邊長為2dAP的正方形區(qū)域內(nèi).其他仿真參數(shù)設(shè)置如下：系統(tǒng)帶寬為80 MHz；AP最大發(fā)射功率值為30 dBm；白噪聲系數(shù)為7 dB；信道衰落模型為IEEE 802.11be室外場景模型.

圖7 仿真場景示意圖

圖8仿真了當(dāng)dAP∈{100,150,200}，Mn=50，1≤n≤4時，本研究算法與CSR&OFDMA算法的系統(tǒng)容量對比，其中，兩種算法設(shè)置相同仿真參數(shù)；系統(tǒng)容量定義見式(11).根據(jù)圖8仿真結(jié)果可以得出結(jié)論：1) 本研究算法具有更大系統(tǒng)容量，提高了數(shù)據(jù)傳輸能力.這是因為CSR&OFDMA算法為了提升邊緣用戶SINR值，犧牲了一定頻譜復(fù)用率，而本研究算法在保證所有用戶通信速率大于或等于最低速率條件下盡量提高頻譜復(fù)用率，此時頻譜復(fù)用率提高對系統(tǒng)容量的增益貢獻大于用戶SINR值提升帶來的貢獻.2) 隨著dAP增大，系統(tǒng)容量也隨之增大.因為隨著dAP增大，用戶間干擾減小，用戶SINR值增大，從而整體系統(tǒng)容量也隨之增大.

圖9仿真了當(dāng)dAP=200，Mn=50，1≤n≤4時，本研究算法與CSR&OFDMA算法的AP容量對比，其中，兩種算法設(shè)置相同仿真參數(shù)；此處AP容量統(tǒng)計各AP關(guān)聯(lián)用戶信道容量之和.根據(jù)圖9仿真結(jié)果可以看出，本研究算法提升了a1,a2,a3,a4的AP容量，該結(jié)果表明本研究算法對各AP數(shù)據(jù)傳輸能力都有提升，因此，本研究算法具有很好的公平性.

圖8 CSR&OFDMA算法與本文中算法的系統(tǒng)容量對比

圖9 CSR&OFDMA算法與本文中算法的AP容量對比

圖10 軟頻率復(fù)用技術(shù)與本文中算法的系統(tǒng)容量對比

本研究仿真并分析了在系統(tǒng)用戶承載能力相近條件下，所提算法與現(xiàn)有AP協(xié)作技術(shù)的系統(tǒng)覆蓋性能對比，其中，兩種算法設(shè)置相同仿真參數(shù).Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)使用OFDMA技術(shù)來增強系統(tǒng)用戶承載能力，當(dāng)AP分配到更多頻譜資源時，其可用子載波更多，從而提升系統(tǒng)用戶承載能力.在CSR技術(shù)中，每個AP都能復(fù)用全部頻譜資源，具有較高的用戶承載能力.本研究中所提算法將一小部分頻譜資源分配給C-OFDMA區(qū)域用戶，每個AP都可復(fù)用剩余的頻譜資源，同樣具有較高的用戶承載能力.

圖11(a)仿真了當(dāng)dAP=100時，CSR技術(shù)的系統(tǒng)覆蓋性能.圖中非OBSS區(qū)域表示該區(qū)域用戶具有較高的SINR，用戶通信質(zhì)量良好；OBSS區(qū)域表示該區(qū)域用戶受到干擾較大，系統(tǒng)對該區(qū)域信號覆蓋較差，OBSS區(qū)域用戶SINR低于γMIN，因此OBSS區(qū)域用戶不能正常通信.圖11(a)計算得，在CSR技術(shù)下用戶通信質(zhì)量良好區(qū)域占整個系統(tǒng)覆蓋區(qū)域的84%.

圖11 系統(tǒng)覆蓋性能對比

圖11(b)仿真了當(dāng)dAP=100時，本研究所提算法的系統(tǒng)覆蓋性能.其中，在中心區(qū)域和CSR區(qū)域中用戶具有較高的SINR，用戶通信質(zhì)量良好；在3 dB區(qū)域中用戶受到干擾較大，但通過所提算法2，提升了用戶SINR，使得3 dB區(qū)域用戶獲得良好通信質(zhì)量；在C-OFDMA區(qū)域中用戶受到干擾較大，但所提算法1為C-OFDMA區(qū)域用戶分配正交的RU，且該部分頻譜資源不在各AP間復(fù)用，因此C-OFDMA區(qū)域用戶不受其他協(xié)作AP的干擾，從而獲得良好通信質(zhì)量，且C-OFDMA區(qū)域面積較小，向該區(qū)域用戶分配小部分頻譜資源即可.圖11(b)計算得，在本研究所提協(xié)作式功率控制技術(shù)下用戶通信質(zhì)量良好區(qū)域占整個系統(tǒng)覆蓋區(qū)域的100%，相比于CSR技術(shù)下用戶通信質(zhì)量良好區(qū)域占系統(tǒng)覆蓋區(qū)域的84%，本研究所提算法提高了系統(tǒng)本地覆蓋能力.

4 結(jié)語

基于第7代Wi-Fi多AP協(xié)作通信技術(shù)，提出了一種協(xié)作式功率控制技術(shù)，有效地管理好多AP間干擾，改善災(zāi)后電力應(yīng)急通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸能力和本地覆蓋能力.本研究增加無線接入過程中用戶類型，并調(diào)整部分協(xié)議幀結(jié)構(gòu)，具化相關(guān)字段用于指示新增用戶類型；結(jié)合AP協(xié)作技術(shù)和軟頻率復(fù)用技術(shù)設(shè)計了頻譜資源分配算法和AP中心功率控制算法.仿真結(jié)果表明，與現(xiàn)有Wi-Fi系統(tǒng)多AP協(xié)作技術(shù)和軟頻率復(fù)用技術(shù)相比，所提算法有效提高了數(shù)據(jù)傳輸能力；與現(xiàn)有多AP協(xié)作技術(shù)相比，在用戶承載能力相近條件下，可提高信號覆蓋范圍.