0 引言

    隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模不斷發(fā)展壯大，各種新業(yè)務(wù)對(duì)通信速率和質(zhì)量的要求不盡相同，因此對(duì)傳輸帶寬的需求也不盡相同。為了同時(shí)支持對(duì)速率、質(zhì)量要求不同的各種業(yè)務(wù)，需要一種頻譜效率更高，并且能靈活分配帶寬的技術(shù)?；谡J(rèn)知無(wú)線(xiàn)電（Cognitive Radio，CR）的頻譜共享正是一種能有效解決頻譜稀缺問(wèn)題的技術(shù)，其主要目標(biāo)在于最大化頻譜利用率并兼顧共享用戶(hù)之間的公平性。目前，基于CR的頻譜共享的研究主要基于頻譜共享池（Spectrum Pooling）這一策略，基本思想是將一部分分配給不同業(yè)務(wù)的頻譜合并成一個(gè)公共的頻譜池，并將整個(gè)頻譜池劃分為若干個(gè)子信道。因此，信道是頻譜分配的基本單位，頻譜共享問(wèn)題可以轉(zhuǎn)化為信道分配問(wèn)題，以最大化信道利用率為主要目標(biāo)的同時(shí)考慮干擾的最小化和接入的公平性。

    作為電力骨干網(wǎng)的延伸，電力無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)智能化的重要保障，其中的230 MHz頻段是國(guó)家無(wú)委專(zhuān)門(mén)劃撥給電力、水力、地質(zhì)等行業(yè)的專(zhuān)用頻譜資源^[1]。目前，基于電力230 MHz頻段的傳輸方案只能支持很低的傳輸速率，為了促進(jìn)智能電網(wǎng)的發(fā)展，必須提高230 MHz頻段的頻譜使用效率，以承載更高速率和質(zhì)量要求的業(yè)務(wù)。正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)能夠有效地提高頻譜效率，增加系統(tǒng)容量^[2]，同時(shí)還能抵抗多徑干擾，是一種優(yōu)秀的物理層技術(shù)。同時(shí)，OFDM把實(shí)際信道劃分成若干個(gè)子信道，這樣做的好處之一就是能根據(jù)各個(gè)子信道的實(shí)際情況靈活地分配傳輸功率，以提高系統(tǒng)容量。為此，本文提出了一種基于OFDM和功率分配技術(shù)的傳輸方案，以提高230 MHz頻段的頻譜效率。仿真結(jié)果表明，這種算法在信噪比正常的情況下(10 dB~20 dB)，能將頻譜效率提高30%~40%左右，這就給無(wú)委會(huì)對(duì)230 MHz頻段進(jìn)行規(guī)劃決策提供了非常有效的參考。

1 電力專(zhuān)網(wǎng)通信與業(yè)務(wù)需求

    不久前，全國(guó)首個(gè)TD-LTE 230 MHz電力無(wú)線(xiàn)寬帶通信系統(tǒng)在浙江海鹽建成，將為智能電網(wǎng)配用電側(cè)的信息傳輸提供專(zhuān)門(mén)的無(wú)線(xiàn)信號(hào)通道，是智能電網(wǎng)通信技術(shù)的重大突破。根據(jù)國(guó)家無(wú)線(xiàn)電管理委員會(huì)的規(guī)劃，電力專(zhuān)網(wǎng)離散分布于223 MHz~235 MHz頻段內(nèi)，共有40個(gè)頻點(diǎn)，每個(gè)離散頻點(diǎn)帶寬為25 kHz。其中，單頻頻段共包含10個(gè)頻點(diǎn)，離散不均勻地分布于228 MHz~230 MHz頻段，頻道間隔為25 kHz；雙頻組網(wǎng)頻段包含30個(gè)頻點(diǎn)，離散不等間隔分布于223 MHz~228 MHz頻段和230 MHz~235 MHz頻段，收發(fā)頻率間隔為7 MHz，頻道間隔為25 kHz。

    目前，這種傳統(tǒng)的單頻點(diǎn)信道只能提供低速率的數(shù)據(jù)傳輸，然而隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，電力系統(tǒng)對(duì)設(shè)備的監(jiān)控和維護(hù)方面的需求逐漸加大，這就需要電力通信專(zhuān)網(wǎng)能夠提供圖像和視頻傳輸?shù)葘?duì)速率要求較高的業(yè)務(wù)，也意味著電力通信專(zhuān)網(wǎng)需要提供更高的數(shù)據(jù)傳輸能力。隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，傳統(tǒng)的數(shù)傳電臺(tái)由于帶寬較小、時(shí)延長(zhǎng)、頻譜利用率低，已不能支持一些新興業(yè)務(wù)對(duì)傳輸速率的要求，也不能滿(mǎn)足智能配電業(yè)務(wù)日益增長(zhǎng)的需求。為了更合理地利用230 MHz稀缺的頻譜資源，必須提升該頻段的傳輸速率和頻譜效率。

2 電力專(zhuān)網(wǎng)OFDM方案設(shè)計(jì)

    在OFDM系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要折中考慮各種系統(tǒng)要求，這些需求常常是相互矛盾的。通常有三個(gè)主要的系統(tǒng)參數(shù)需要重點(diǎn)考慮：系統(tǒng)帶寬W，業(yè)務(wù)傳輸速率R以及多徑時(shí)延拓展。

    工信部無(wú)線(xiàn)電管理局規(guī)劃的230 MHz頻段中，子載波間隔為25 kHz，其中電力通信專(zhuān)網(wǎng)總計(jì)有40個(gè)頻點(diǎn)，即40個(gè)子信道，共計(jì)1 MHz帶寬。因此，應(yīng)用于電力通信專(zhuān)網(wǎng)的OFDM信號(hào)帶寬應(yīng)小于或等于1 MHz，這里設(shè)計(jì)OFDM信號(hào)帶寬W為1 MHz。

    OFDM信號(hào)子載波間必須滿(mǎn)足相互正交的條件，由于230 MHz電力通信專(zhuān)網(wǎng)是離散分布的，這會(huì)導(dǎo)致OFDM子載波間出現(xiàn)不連續(xù)的情況，給OFDM子載波設(shè)計(jì)帶來(lái)困難。為了保證正交性，本文設(shè)計(jì)子載波間隔Δf為25 kHz，正好為無(wú)委會(huì)規(guī)劃的頻道間隔的一半，這樣即使子載波是離散分布的，也能保證兩個(gè)子載波間相差整數(shù)倍個(gè)Δf，從而保證了子載波間的正交性，同時(shí)又保證每個(gè)子載波的帶寬為25 kHz，不會(huì)超出信道帶寬。

    下面確定保護(hù)時(shí)間T_G。多徑時(shí)延擴(kuò)展直接決定了保護(hù)時(shí)間的大小，作為重要的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，保護(hù)時(shí)間應(yīng)當(dāng)至少是多徑時(shí)延均方根的2~4倍，即T_G≥(2～4)τ_rms。在電力系統(tǒng)中，由于大部分移動(dòng)終端都是固定安裝的，因此τ_rms很小，即T_G<<T_OFDM，意味著T_G設(shè)計(jì)要求較為寬松，工業(yè)上一般保證T_OFDM至少為T(mén)_G的5倍，因此設(shè)計(jì)T_G=8 μs。這樣OFDM的符號(hào)持續(xù)時(shí)間T_s=T_G+T_OFDM=48 μs。

    由于工業(yè)上一般采用快速傅里葉變換FFT來(lái)實(shí)現(xiàn)OFDM信號(hào)，F(xiàn)FT要求采樣點(diǎn)數(shù)為2的整數(shù)次冪，這里可設(shè)計(jì)為64個(gè)采樣點(diǎn)，這樣就需對(duì)OFDM信號(hào)進(jìn)行過(guò)采樣，即加入24個(gè)0載波。0載波不承載信息，因此不會(huì)造成系統(tǒng)帶寬擴(kuò)大。

    系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)額外要求是滿(mǎn)足在一個(gè)符號(hào)周期(T_s)內(nèi)和FFT/IFFT處理時(shí)間(T_OFDM)內(nèi)采樣數(shù)都是整數(shù)。根據(jù)上述分析，要求在FFT/IFFT處理時(shí)間內(nèi)都是精確的64個(gè)樣值。選擇采樣率為可以滿(mǎn)足這一要求。但是這一采樣率不能在48 μs的符號(hào)周期內(nèi)得到整數(shù)個(gè)樣值(1.6 MHz×48 μs=76.8)。解決方法就是對(duì)某個(gè)參數(shù)略微放松要求，從而滿(mǎn)足整數(shù)約束。根據(jù)上述分析，電力系統(tǒng)對(duì)保護(hù)時(shí)延T_G要求較松，這里將T_G降至5 μs，這樣每個(gè)OFDM符號(hào)周期內(nèi)采樣數(shù)為1.6 MHz×45 μs=72，滿(mǎn)足整數(shù)約束，同時(shí)又不需要改變其他參數(shù)。

3 功率分配

3.1 常規(guī)功率分配

    香農(nóng)定理指出：理論上講，只要實(shí)際傳輸速率低于信道容量，在該信道中就可以任意小的誤碼率來(lái)傳輸信息。因此，信道容量是實(shí)現(xiàn)可靠通信的最大傳輸極限。正交頻分復(fù)用（OFDM）把實(shí)際信道劃分成若干個(gè)子信道，這樣做的好處之一就是能根據(jù)各個(gè)子信道的實(shí)際情況靈活地分配傳輸功率，以提高系統(tǒng)容量。

    本文所研究的OFDM系統(tǒng)由一個(gè)基站和多個(gè)用戶(hù)組成，子載波數(shù)為N。系統(tǒng)受到一定的總功率約束，即需滿(mǎn)足：

    上述優(yōu)化問(wèn)題是一個(gè)帶有約束條件的優(yōu)化問(wèn)題，通常，對(duì)于等式約束，可采用拉格朗日乘子法求解，對(duì)于不等式約束，可采用KKT(Karush-Kuhn-Tucker)條件求解。下面給出拉格朗日乘子法求解的過(guò)程。

    通過(guò)把可用信道帶寬劃分為若干個(gè)較窄的子信道，使得每個(gè)子信道的傳輸特性能夠接近理想。假設(shè)H(f)為帶寬為W的信道的傳輸函數(shù)，信道內(nèi)存在功率譜密度為N(f)的加性高斯噪聲。因此可以把信道劃分為N=W/Δf個(gè)子信道，Δf為每個(gè)子信道帶寬，且應(yīng)滿(mǎn)足如下條件：即H(f)²/N(f)在一個(gè)子信道頻段內(nèi)近似恒定，而且信號(hào)的發(fā)送功率滿(mǎn)足式(3)的約束。

    在AWGN信道中，信道容量可表示為：

    上式的基本物理意義為：當(dāng)信道的信噪比H(f)²/N(f)較大時(shí)，信道的對(duì)應(yīng)功率也應(yīng)較大，信道的信噪比較低時(shí)，信號(hào)功率也應(yīng)較低。圖1給出了這種信號(hào)發(fā)射功率分配的示意圖。如圖所示，實(shí)曲線(xiàn)表示信道帶寬內(nèi)不同頻率對(duì)應(yīng)信噪比的倒數(shù)，實(shí)現(xiàn)信道容量最大化的方法類(lèi)似于把水(陰影部分，即P_av)倒入實(shí)曲線(xiàn)所表示的碗中，這樣得到的P(f)就可以實(shí)現(xiàn)信道容量的最大化，這就是注水功率分配法。

    在實(shí)際應(yīng)用中，由于最優(yōu)注水分配法是一個(gè)算法復(fù)雜度很高的問(wèn)題，這里退而求其次，采用拉格朗日乘子法來(lái)求得功率分配次優(yōu)解。本文在后續(xù)的MATLAB仿真中就是采用拉格朗日乘子法進(jìn)行的。

3.2 基于頻譜共享的功率分配

    為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)容量，本文在前文所述的常規(guī)功率分配方法的基礎(chǔ)上，考慮頻譜共享利用貪心算法，提出了一種新的功率分配方案。

    由于時(shí)變特性，無(wú)線(xiàn)信道對(duì)不同頻率會(huì)有不同的衰落特性，即頻率選擇性衰落?；谶@種特性，前文基于電力專(zhuān)用的1 MHz頻段采用了注水功率分配算法來(lái)提高系統(tǒng)容量?，F(xiàn)考慮頻譜共享的問(wèn)題，如果能在無(wú)委會(huì)規(guī)劃的230 MHz頻段共計(jì)12 MHz的頻段上實(shí)現(xiàn)頻率共享，就可以利用貪心算法，選擇出當(dāng)前信道質(zhì)量最好的1 MHz頻段來(lái)進(jìn)行功率分配。無(wú)線(xiàn)信道最大多徑時(shí)延擴(kuò)展一般為τ_max=5 μs，即相干帶寬12 MHz>>250 kHz。因此，可以預(yù)見(jiàn)，采用基于頻譜共享的功率分配方案能有效地提高系統(tǒng)容量。

4 仿真與結(jié)果分析

    對(duì)應(yīng)用于電力通信專(zhuān)網(wǎng)的OFDM系統(tǒng)功率分配進(jìn)行仿真，以觀(guān)察其對(duì)系統(tǒng)容量的影響。仿真采用了COST207典型城區(qū)的6徑頻率選擇性衰落信道模型^[3]，具體參數(shù)如表1。

    基于COST207多徑信道模型，采用OFDM系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)，對(duì)應(yīng)用于現(xiàn)有的無(wú)委會(huì)規(guī)劃的1M電力通信專(zhuān)網(wǎng)的OFDM系統(tǒng)進(jìn)行功率分配仿真，仿真結(jié)果如圖2所示。

    由仿真結(jié)果可見(jiàn)，在信噪比較低時(shí)，通過(guò)進(jìn)行功率分配，能明顯地提高系統(tǒng)容量，但是隨著信噪比的增加，提升的比例越來(lái)越低，這是因?yàn)樵谌我饨o定的一組信道實(shí)現(xiàn)下，當(dāng)信噪比趨于無(wú)窮時(shí)，每個(gè)信道分配的功率都趨于一個(gè)相同的值K（見(jiàn)式（9）），此時(shí)系統(tǒng)容量趨于一定值，即進(jìn)行注水功率分配與平均功率分配所到達(dá)的系統(tǒng)容量一樣，導(dǎo)致性能提升降低。

    下面對(duì)本文所提的頻譜共享算法進(jìn)行仿真，兩次仿真都采用注水功率分配，對(duì)第一次仿真進(jìn)行頻譜共享，即在230 MHz頻段上利用貪心算法，選擇出當(dāng)前信道質(zhì)量最好的1 M進(jìn)行功率分配，對(duì)第二次仿真直接采用給定的電力230 MHz頻點(diǎn)進(jìn)行功率分配。仿真結(jié)果如圖3。

    可見(jiàn)，采用基于頻譜共享的功率分配方案，確實(shí)能有效地提高系統(tǒng)容量，在信噪比為15 dB時(shí)，進(jìn)行頻譜共享的信道容量比不進(jìn)行頻譜共享的高約38%，即頻譜效率提升了約38%，在信噪比為20 dB時(shí)，提升達(dá)到了約42%。由此可見(jiàn)，采用該方案，能大大提高電力通信專(zhuān)網(wǎng)的頻譜效率，使其能承載更高速率的業(yè)務(wù)，有利于促進(jìn)智能電網(wǎng)的發(fā)展。同時(shí)，這種新的規(guī)劃思路，也將為無(wú)委會(huì)改善230 MHz頻段規(guī)劃提供有益參考。

5 結(jié)論

    為了適應(yīng)快速發(fā)展的智能電網(wǎng)的業(yè)務(wù)需求，提出了基于認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的OFDM傳輸方案，針對(duì)230 MHz電力專(zhuān)用頻譜的特性，分析和設(shè)計(jì)了OFDM系統(tǒng)參數(shù)。同時(shí)，為了提高系統(tǒng)容量，利用注水功率分配法，對(duì)OFDM系統(tǒng)進(jìn)行了功率分配和仿真。在此基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步提出了一種頻譜共享算法，并通過(guò)仿真驗(yàn)證，表明該算法能有效地提高頻譜效率，為無(wú)委會(huì)改善230 MHz頻譜的規(guī)劃以及促進(jìn)智能電網(wǎng)的發(fā)展提供了可靠的科學(xué)依據(jù)。

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