《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于智能电网的频谱感知算法研究
电子技术应用 2023年3期
陈卓，文淳，吕志恒
（重庆邮电大学 通信与信息工程学院，重庆 400065）
摘要： 宽带微功率（Broadband Micro-Power， BMP）无线通信系统是为满足智能配用电系统的通信需求，在非授权频谱资源上研究开发的电力无线专网系统。认知无线电（Cognitive Radio， CR）的频谱感知技术的引入，虽缓解了目前智能电网频谱资源紧张的问题，但系统在低信噪比下单用户的感知准确性仍需提高。针对上述问题，提出一种基于变步长的最小均方（Variable Step Size Least Mean Square， VSS-LMS）频谱感知算法。该算法在对原始发送信号幅度进行迭代估计时，增加两个参数作为调节器，可以灵活地调整步长，并对误差信号进行平滑处理，从而解决收敛速度与稳态误差的矛盾，实现高效的频谱感知。仿真实验表明，该算法不仅具有较好的收敛性，且在低信噪比下仍有较好的检测性能。与能量检测算法和LMS频谱感知算法相比，该算法使系统的频谱检测性能得到提升。
中圖分類號：TP929.5 文獻標志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.223585
中文引用格式： 陳卓，文淳，呂志恒. 基于智能電網(wǎng)的頻譜感知算法研究[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2023，49(3)：100-105.
英文引用格式： Chen Zhuo，Wen Chun，Lv Zhiheng. Research on spectrum sensing algorithm based on smart grid[J]. Application of Electronic Technique，2023，49(3)：100-105.
Research on spectrum sensing algorithm based on smart grid
Chen Zhuo，Wen Chun，Lv Zhiheng
(School of Communication and Information Engineering， Chongqing University of Posts and Telecommunication， Chongqing 400065， China)
Abstract： Broadband micro-power (BMP) wireless communication system is a power wireless private network system researched and developed on unlicensed spectrum resources to meet the communication needs of smart grid systems. Although the introduction of spectrum sensing technology of cognitive radio (CR) has alleviated the current problem of shortage of spectrum resources in smart grids, the sensing accuracy of order users under low signal-to-noise ratio still needs to be improved. To solve the above problems, this paper proposes a Variable Step Size Least Mean Square (VSS-LMS) spectrum sensing algorithm based on variable step size. When estimating the amplitude of the originally transmitted signal, the algorithm adds two parameters as a regulator, which can flexibly adjust the step size and smooth the error signal, to solve the contradiction between convergence speed and steady-state error and realize efficient spectrum sensing. Simulation results show that the proposed algorithm not only has good convergence, but also has good detection performance under low signal-to-noise ratio. Compared with the energy detection algorithm and LMS spectrum sensing algorithm, the spectrum detection performance of the system is improved.
Key words : smart grid；broadband micro-power；cognitive radio；spectrum sensing；least mean square algorithm；variable step size component

0　引言

在能源和用電需求增長的驅(qū)動下，全球電網(wǎng)智能化和信息化水平不斷提高，形成了新一代電力通信系統(tǒng)——智能電網(wǎng)。目前國內(nèi)電力無線通信使用較多的通信方式有通用無線分組(General Packet Radio Service，GPRS)、碼分多址(Code Division Multiple Access，CDMA)和230 MHz無線專網(wǎng)通信和窄帶微功率通信等。其中GPRS和CDMA屬于公網(wǎng)，雖不需專門搭建網(wǎng)絡(luò)，但其安全性，可靠性不高，且往往需要高額的租賃費用。而230 MHz無線專網(wǎng)與窄帶微功率通信也由于其技術(shù)落后、傳輸效率低下等問題，無法滿足智能電網(wǎng)的需求。為了滿足智能配用電系統(tǒng)的發(fā)展建設(shè)需要，國家電網(wǎng)公司在470 MHz~510 MHz頻段研究開發(fā)了一種新型寬帶微功率（Broadband Micro-Power, BMP）無線通信技術(shù)，該技術(shù)可快速自主組網(wǎng)，采用chrip擴頻調(diào)制、自定義幀結(jié)構(gòu)、干擾抑制等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)對電網(wǎng)業(yè)務(wù)的定制開發(fā)。經(jīng)現(xiàn)場掛樁測試，與傳統(tǒng)技術(shù)相比該技術(shù)具有通信容量大、時延低、傳輸距離遠等特點。但近年來隨著智能電網(wǎng)的大力推廣使用場景的增多，使得BMP網(wǎng)絡(luò)中大量設(shè)備共存，進而導致頻譜資源短缺。然而針對這一問題，傳統(tǒng)的靜態(tài)頻譜分配策略已無法有效地應(yīng)對。因此，需通過動態(tài)頻譜資源來尋找新的解決方法。認知無線電(Cognitive Radio, CR)的提出為解決這些問題提供了一個突破口。該技術(shù)核心是頻譜感知技術(shù)，要求在不影響主用戶(Primary User, PU)的情況下快速獲取頻譜使用情況判斷PU是否存在，進而發(fā)現(xiàn)頻譜空穴讓次用戶(Second User, SU)動態(tài)接入。當PU再次始于該頻段時，SU要及時撤出，保證PU的優(yōu)先使用權(quán)。BMP網(wǎng)絡(luò)中頻譜稀缺問題同樣可以通過訪問可用空閑頻段來解決，即寬帶微功率認知網(wǎng)絡(luò)(Cognitive BMP Networks, CBMPNs)。CBMPNs的核心任務(wù)是尋找頻譜空白區(qū)域，通過頻譜感知獲取可用頻譜信息。

近年來頻譜感知的研究主要分為單用戶感知和多用戶感知。單用戶感知中較為經(jīng)典的算法有能量檢測法、循環(huán)平穩(wěn)特征檢測法、匹配濾波檢測法，但這些算法各有優(yōu)缺點。能量檢測法算法復雜度小，但卻不能有效地區(qū)分噪聲和信號樣本，具有較大的不確定性，且在低信噪比條件下的信號檢測性能不高；循環(huán)平穩(wěn)特征檢測法不易受到噪聲不確定性的影響，在低信噪比下的誤檢概率較低，但隨著接受信號長度的增加，計算量亦增大；匹配濾波檢測法則需要了解發(fā)送信號的先驗信息，對場景的依賴性較大。多用戶感知是指多個次用戶進行合作，共同對頻譜資源進行檢測，在判決之前也需要每個次用戶完成各自的頻譜感知。

最小均方誤差(Least Mean Square, LMS)自適應(yīng)算法是一種結(jié)構(gòu)簡單、復雜度低的算法，被廣泛應(yīng)用于信號處理領(lǐng)域。近幾年國內(nèi)外也有不少學者將LMS算法應(yīng)用于頻譜感知領(lǐng)域。其中,文獻[13]-[15]將LMS算法與能量檢測算法相結(jié)合，引入一個新的代價函數(shù)來改變檢驗統(tǒng)計量，從而提高能量檢測法的檢測能力，但該方法計算復雜度較大且針對單用戶感知提升有限。文獻[16]、[17]提出一種基于LMS頻譜感知算法，該算法將LMS算法與頻譜感知模型直接結(jié)合，對發(fā)送信號的幅度進行多次迭代估計，并將該估計值作為檢驗統(tǒng)計量來進行判決檢測，以此來提高低信噪比條件下的檢測概率。但是該算法中的固定步長不能打破高收斂速度與小穩(wěn)態(tài)誤差同時共存這一悖論。

本文將基于智能電網(wǎng)的CBMPNs場景，在LMS頻譜感知算法模型中引入變步長的概念，提出一種基于變步長的最小均方(Variable Step Size Least Mean Square, VSS-LMS)頻譜感知算法，以此來更好地平衡收斂速度和穩(wěn)態(tài)誤差。




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作者信息：

陳卓，文淳，呂志恒

（重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶 400065）


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