王尘宇

陆 川，杨 超，陈 新

（广东工业大学 主动化学院，广东 广州510006）

针对智能电网中频谱资本欠缺问题，认知无线电手艺被引入到智能电网中，构建认知智能电网。然而，认知无线收集中频谱资本的不确定和智能电网中节点通信情况的不确定性间接影响到系统性能。为此，提出一种认知智能电网中频谱接入战略优化选择机造。电网节点按照本身的实时传输需乞降实时可用频谱资本情况，选择差别的频谱接入战略，以更大化节点的有效传输范畴。仿实成果验证了所提选择机造的有效性。

智能电网；认知无线电；频谱接入战略

中图分类号：TN92

文献标识码：A

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.166774

中文引用格局：陆川，杨超，陈新. 一种认知智能电网中频谱接入战略选择机造[J].电子手艺应用，2017，43(9)：114-118.

英文引用格局：Lu Chuan，Yang Chao，Chen Xin. A spectrum access strategy selection scheme for the cognitive radio based smart grid network[J].Application of Electronic Technique，2017，43(9)：114-118.

0 引言

跟着物联网手艺的快速开展，需要通信的电力末端数量急剧增长，频谱资本欠缺起头呈现，并日益严峻。为此，认知无线电手艺被引入到智能电网的无线通信收集，构建认知智能电网（Cognitive radio based Smart Grid network，CR-based SG）。其通过动态频谱接入手艺，为SG节点弥补可用频谱资本[1-3]。在CR-based SG中，SG内的节点和网关被称为是次用户，TV频段用户被称为主用户[4]。现有的CR-based SG文献往往只考虑了CR收集的不确定性，详细包罗感知误差、对主用户的干扰等[2-3]。至今，若何将CR收集的可用频谱资本的不确定性和SG收集内节点通信情况的不确定性结合停止考虑，并以此为根底设想响应的SG无线通信收集，照旧是一个现实存在的问题。

SG节点中通信情况的不确定性暗示节点的通信负载跟着时间而变革。一般的，单个节点的通信负载包罗：控造信息、系统监测信息和电表读数[5-6]。跟着无线多媒体传感收集的大规模普及和成本降低，在智能电网中，对电力消费末端和清洁能源的发电端施行实时监测逐步普及。前者次要集中在对电力消耗末端的利用情况停止监测，确保电网的高效和不变；后者指对清洁能源设备的监测，以对其实时发电量停止有效地预测，保障SG能量调度系统的平稳运行。基于此，当SG节点的电力负载增大时，意味着较多家用电器被开启，SG系统内的监测数据量大幅增加，SG节点的通信负载也大幅增大。此外，室第区部门家用电器在三更会被封闭，因为监测信号的缘故，需要传输的总数据量下降，节点通信负载下降。然而，此时部门TV频段可能会封闭，呈现空闲的频谱资本。为此，关于CR-based SG节点来说，传输通信负载与可用频谱资本之间存在折衷问题。

基于上述阐发，本文起首构建一种合适于CR-based SG收集的阐发模子，并提出一种频谱接入战略优化选择机造。SG节点可用按照本身的传输需乞降其所处情况的实时可用频谱资本情况，在每个时隙起头时优化选择差别的频谱接入战略（即：Underlay，混合接入），以更大化节点的有效传输笼盖范畴。最初，本文给出了响应的仿实阐发案例，以验证所提优化战略的有效性。

1 系统模子

CR-based SG系统模子如图1所示。节点代表的是家庭内智能电表，通过无线通信手艺与网关相连，如图1(a)所示。SG内节点的数据传输路由战略并非本文重点，接纳一种常规的聚集树形拓扑构造[7]，设定为路由战略。每层均设有一个网关，且网关与节点之间是通过Underlay接入战略相连，以包管链路的通顺。在Underlay接入战略下，无论节点与网关之间的信道能否被占据，节点均能够将数据有效地传输到网关。基于此，数据路由战略设想为：每一个SG节点将其传输的数据发送给与统一层的网关，通过一跳的链接链路。然后，网关由上到下通过多跳的数据传输，最末由更底层的网关将数据发送到户外的基站。

两层的SG节点和网关构造如图1(b)所示。图中，根据其所处的位置差别，网关分为中继网关和下一层网关。中继网关指在Underlay接入战略下就存在的网关，无论其与节点间信道被占据与否，该网关与其统一层SG节点之间链路通顺。下一层网关指安插在紧接着中继网关的下一层的网关。假定单个SG节点不克不及间接传输数据到两层之外的网关，其传输范畴只能笼盖下一层。关于SG节点来说，按照其传输范畴，存在两种传输数据形式：间接传输和中继传输形式。间接传输指SG节点间接将数据传输到下一层网关。与之相对应，中继传输指的是SG节点将数据传输给中继网关，再由中继网关将领受到的数据转发给下一层网关。

SG节点（如：次用户）以时隙的形式与主用户共享频谱资本。在差别的时隙，次用户节点的电力负载、通信负载和可用频谱资本存在差别。假定CLn(i)与PLn(i)为次用户n在时隙i的通信和电力负载，n∈[1，2，…，N]，i∈[1，2，…，I]。CLn(i)会跟着PLn(i)的增大而增大。当节点的电力负载增大时，那意味着室第内家用电器被开启。然而，当所有家用电器都被开启时，PLn(i)≥PL2，节点的通信负载到达更大值，CLn(i)=CLmax。反之，当节点的电力负载低于某预定值时，PLn(i)≤PL1，此时，CLn(i)=CLmin。在其余常规时隙内，假定PLn(i)与CLn(i)从命独立平均散布，节点的通信负载CLn(i)能够暗示为：

式中，PL1与PL2暗示电力负载的门限值，CLmax与CLmin为通信负载的门限值。

关于CR收集，假定当SG节点的电力负载较大时，PLn(i)≥PL2，CLn(i)=CLmax，主用户信道的空闲概率较低，即Pn，i(H0)≤Pth(H0)，Pn，i(H0)为信道n在时隙i的空闲概率，Pth(H0)为空闲概率的门限值。在其余时隙，信道空闲概率满足独立随机平均散布。在本文，频谱资本分配问题不讨论，每一个用户能够分配一条信道，n也暗示次用户所占据的主用户信道编号。

2 频谱接入战略优化选择

为了确保收集笼盖，网关的安插是以收集情况最差情况安插的，Underlay接入战略成为选择。然而，节点的通信负载和可用频谱资本是时变的。SG节点可优化选择频谱接入战略，以获得较大的数据传输速度。基于此，做者将对SG节点的频谱接入战略选择停止阐发，以平衡节点通信负载与可用频谱资本之间的矛盾。

当PLn(i)≥PL2，CLn(i)=CLmax时，SG节点的通信负载到达更大值，主用户信道空闲概率为Pn，i(H0)≤Pth(H0)。此时，Pn，i(H0)已足够小，次用户不合错误信道停止感知即可获得更大的均匀传输速度。为此，次用户能够间接选Underlay接入战略[3]，选择中继传输形式。P1n(i)暗示为次用户在n时隙i的发射功率。为了庇护主用户的通信遭到的干扰低于预定值，P1n(i)严酷受限，P1n(i)≤P1，P1暗示在Underlay接入战略下的发射功率门限值。

当信道空闲概率增加时，Pn，i(H0)>Pth(H0)，若是其选择对信道停止感知，次用户能够获得较大均匀传输速度。若此时节点的通信负载下降，频谱资本的供给与需求均发作了变革。为此，混合接入战略成为节点传输战略的更佳选择。SG节点选择对间接传输信道停止感知。按照差别的感知成果、信道占据与否的现实情况以及节点的实时传输需求，节点可用选择两类传输形式：间接传输与中继传输形式。在混合接入战略下，节点n在时隙i的传输构造如图2所示。节点n起首对间接传输信道停止探测。均匀传输速度Rdn(i)为：

式中，T暗示时隙的时长，τn，i暗示感知时间长度，Pd，n(i)和Pf，n(i)别离暗示感知的判决概率和虚警概率。本文选择能量检测办法停止频谱感知[8]。

当感知成果为信道占据时，节点n需要返回到中继传输形式，如图2(b)所示。利用半双工中继转发办法，仅一半时隙被节点用于传输数据，中继传输信道的均匀传输速度Rr n(i)为：

式中，R00n(i)、R01n(i)、R10n(i)、R11n(i)别离暗示在差别的感知成果和信道现实占据情况下的信道传输速度[3]。P2n(i)暗示感知成果为空闲时，次用户的发射功率，P2n(i)≤P2。

在时隙i起头时，节点n需要判断能否对间接传输信道感知。为此，需要计算间接传输信道的更大均匀传输速度。然而感知会消耗时间，当成果为占据时，需要返回中继传输形式。为了满足笼盖需求，Rdn(i)和Rrn(i)均需大于通信负载，即无论是选择何种形式，其均匀传输速度均应该大于通信负载。阐发发现，间接传输信道的均匀传输速度Rdn(i)与信道的感知时间τn，i，发射功率P2n(i)和空闲概率Pn，i(H0)有关。因而，需要对τn，i和P2n(i)停止结合优化，以更大化Rdn(i)，同时，包管对主用户的干扰低于预定值，满足SG节点的传输需求。该优化问题P1为：

式中，Pd，th与Pf，th别离暗示判决概率和虚警概率的门限值。式(5)暗示当感知成果为占据时，节点退回到中继传输形式，中继传输的均匀信道速度大于节点的传输通信负载，以包管通信收集笼盖。式(6)暗示节点n对主用户的均匀干扰值低于预定值Qav，hspn暗示节点n与主用户领受端之间的信道增益。为了确保感知准确性，一般而言Pd，th=0.9，Pf，th=0.1[4]。

至此，优化问题P1酿成一个变量为感知时间的单变量优化问题，而且自变量的取值范畴在封锁区间。为此，接纳一维穷举办法得到更优感知时间τn，i，并得到Rdn(i)的更大值，记为Rdn，max(i)。当Rdn，max(i)≥CLn(i)，需要对间接传输信道停止感知。当感知成果为空闲时，次用户选择间接传输形式。反之，节点返回中继传输形式，以确保网关笼盖完好。

基于上述阐发，节点n在时隙的频谱接入战略优化选择机造，总结如算法1所示。次用户能够按照差别的信道情况和通信负载，选择适宜的频谱接入战略。

算法1：频谱接入战略优化选择机造：

输入：信道空闲概率Pn，i(H0)，通信负载CLn(i)，门限值PL1和PL2，

(1)If Pn，i(H0)≤Pth(H0)，then

(2)SG节点选择Underlay接入战略，优化传输功率。节点选择中继传输形式；

(3)Elseif Rdn，max(i)≥CLn(i)，then

(4)SG节点选择混合接入形式，并感知间接传输信道停止感知；

(5)If 感知成果为空闲，then

(6)SG节点选择间接传输形式；

(7)Else

(8)SG节点选择中继传输形式；

(9)End

(10)End

(11)SG返回到中继传输形式；

(12)输出：SG选择适宜的频谱接入战略，并选择适宜的传输形式。

3 仿实阐发

本节将对所提出的优化问题P1，以及相对应的频谱接入优化选择机造（简称：优化选择机造）停止仿实阐发。做为比力的机造别离是：中继传输和间接传输机造。在中继传输机造中，所有的SG节点均选择Underlay接入战略；在间接传输机造中，所有节点均选择Overlay接入战略，对间接传输信道停止感知，当感知成果为空闲时接入信道，当感知成果为占据时，则传输呈现中断。为了验证算法的有效性，本文选择楼宇情况对所提战略停止仿实阐发。网关和节点的坐标选择是在一个小范畴内随机拔取的。楼层的面积为20×20 m2，分为4个平均的区域，在每一个区域安顿一个SG节点。网关从中心区域半径为2 m随机拔取。假定所有楼层SG节点和网关的安插都是一样的。因为其存在随机变量，随机拔取位置，本文接纳蒙特卡洛办法停止仿实，随机独立停止200次仿实，加和取均匀值，若没出格申明，次要仿实参数如表1所示。

图3暗示在单个时隙内差别感知时间下，间接传输信道的均匀传输速度Rdn的变革情况。因为是在单个时隙内阐发问题，可将时隙标号i隐去，在两种情况下对Rdn停止阐发。在图3(a)中，节点的通信负载和干扰门限值差别，信道空闲概率为Pn(H0)=0.95。由图可知，当Qav=4 W和Qav=2 W两类情况下，当τn<14 ms时，上述两类情况下均匀传输速度是一样的。那是因为在上述情况下，节点的发射功率均等于P2。当τn≥14 ms，CLn=0.02 Mb/s时，传输速度为0。其原因在于当感知时间增大时，可用的传输时间减小，中继传输信道的均匀速度下降，已不克不及满足节点通信负载需求，传输呈现中断。图3(b)阐发在差别Pn(H0)时间接传输信道的均匀传输速度，节点的通信负载和干扰门限值设定为一样的。CLn=0.02 Mb/s，Qav=4 W。由图可知，当感知时间较小时，传输速度相关于感知时间是一个凸函数，那是因为感知时间的大小会间接影响到感知效果：Pd，n和Pf，n。当Pn(H0)=0.95，τn≥14 ms时，Rdn减小为0，那是因为当感知时间增大时，剩余的传输时间不敷，招致中继传输信道均匀速度Rrn小于通信负载，信道发作中断。

与图3阐发单个时隙内节点的信道均匀传输速度差别，在图4中将对多个时隙的节点信道均匀传输速度停止阐发。假按时隙时长是30 min，在差别的时隙，其间接传输信道的空闲概率差别。在时隙21～24，Pn，i(H0)=0.01，在其余时隙，Pn，i(H0)满足平均独立散布，区间是[0.01，1]。由图4可见，比拟于其余两种机造，所提出的优化选择机造下，节点能够获得更多的传输速度，且不会发作信道传输中断。在优化选择机造中，节点可得到的均匀传输速度为Rdn+Rrn，节点在Underlay和Overlay接入战略之间切换。在中继传输机造中，节点可得到的均匀传输速度为在间接传输机造中，节点的均匀传输速度为Rdn，显然，当感知成果为占据时，节点传输会发作中断。继续阐发能够发现，大部门时候（例如：时隙1～时隙20，时隙25～时隙30），优化选择机造所获得信道均匀传输速度是更好的。然而，在时隙21～25之间，优化选择机造的性能与中继传输一样。那是因为当信道空闲概率太小时，本文所提选择机造能够间接切换到Underlay接入战略，以包管系统不呈现中断。然而，在间接传输机造中会呈现中断，严峻影响系统性能。

4 总结

在CR-based NAN智能电网通信收集中，SG节点的电力负载、通信负载和主用户信道的空闲概率是实时变革的，与人们的生活和所处地息息相关。为此，为了平衡节点的通信负载与可用频谱资本之间的矛盾，本文提出了一类节点的频谱接入战略优化选择机造，SG节点按照差别的负载情况和实时的信道情况，选择适宜的频谱接入战略，并选择适宜的传输形式。数值仿实成果验证了所提战略的有效性。

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