0 引言

    隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，需要通信的電力終端數(shù)量急劇增長，頻譜資源短缺開始出現(xiàn)，并日益嚴重。為此，認知無線電技術(shù)被引入到智能電網(wǎng)的無線通信網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建認知智能電網(wǎng)（Cognitive radio based Smart Grid network，CR-based SG）。其通過動態(tài)頻譜接入技術(shù)，為SG節(jié)點補充可用頻譜資源^[1-3]。在CR-based SG中，SG內(nèi)的節(jié)點和網(wǎng)關(guān)被稱為是次用戶，TV頻段用戶被稱為主用戶^[4]。現(xiàn)有的CR-based SG文獻往往只考慮了CR網(wǎng)絡(luò)的不確定性，具體包括感知誤差、對主用戶的干擾等^[2-3]。至今，如何將CR網(wǎng)絡(luò)的可用頻譜資源的不確定性和SG網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點通信環(huán)境的不確定性聯(lián)合進行考慮，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計相應(yīng)的SG無線通信網(wǎng)絡(luò)，依舊是一個實際存在的問題。

    SG節(jié)點中通信環(huán)境的不確定性表示節(jié)點的通信負載隨著時間而變化。一般的，單個節(jié)點的通信負載包括：控制信息、系統(tǒng)監(jiān)測信息和電表讀數(shù)^[5-6]。隨著無線多媒體傳感網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模普及和成本降低，在智能電網(wǎng)中，對電力消費終端和清潔能源的發(fā)電端實施實時監(jiān)測逐漸普及。前者主要集中在對電力消耗終端的使用狀況進行監(jiān)測，確保電網(wǎng)的高效和穩(wěn)定；后者指對清潔能源設(shè)備的監(jiān)測，以對其實時發(fā)電量進行有效地預(yù)測，保障SG能量調(diào)度系統(tǒng)的平穩(wěn)運行。基于此，當SG節(jié)點的電力負載增大時，意味著較多家用電器被開啟，SG系統(tǒng)內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)量大幅增加，SG節(jié)點的通信負載也大幅增大。此外，住宅區(qū)部分家用電器在半夜會被關(guān)閉，由于監(jiān)測信號的緣故，需要傳輸?shù)目倲?shù)據(jù)量下降，節(jié)點通信負載下降。然而，此時部分TV頻段可能會關(guān)閉，出現(xiàn)空閑的頻譜資源。為此，對于CR-based SG節(jié)點來說，傳輸通信負載與可用頻譜資源之間存在折衷問題。

    基于上述分析，本文首先構(gòu)建一種適合于CR-based SG網(wǎng)絡(luò)的分析模型，并提出一種頻譜接入策略優(yōu)化選擇機制。SG節(jié)點可用根據(jù)自身的傳輸需求和其所處環(huán)境的實時可用頻譜資源狀況，在每個時隙開始時優(yōu)化選擇不同的頻譜接入策略（即：Underlay，混合接入），以最大化節(jié)點的有效傳輸覆蓋范圍。最后，本文給出了相應(yīng)的仿真分析案例，以驗證所提優(yōu)化策略的有效性。

1 系統(tǒng)模型

    CR-based SG系統(tǒng)模型如圖1所示。節(jié)點代表的是家庭內(nèi)智能電表，通過無線通信技術(shù)與網(wǎng)關(guān)相連，如圖1(a)所示。SG內(nèi)節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸路由策略并不是本文重點，采用一種常規(guī)的聚集樹形拓撲結(jié)構(gòu)^[7]，設(shè)定為路由策略。每層均設(shè)有一個網(wǎng)關(guān)，且網(wǎng)關(guān)與節(jié)點之間是通過Underlay接入策略相連，以保證鏈路的暢通。在Underlay接入策略下，無論節(jié)點與網(wǎng)關(guān)之間的信道是否被占據(jù)，節(jié)點均可以將數(shù)據(jù)有效地傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)?；诖?，數(shù)據(jù)路由策略設(shè)計為：每一個SG節(jié)點將其傳輸?shù)臄?shù)據(jù)發(fā)送給與同一層的網(wǎng)關(guān)，通過一跳的鏈接鏈路。然后，網(wǎng)關(guān)由上到下通過多跳的數(shù)據(jù)傳輸，最終由最底層的網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)發(fā)送到戶外的基站。

    兩層的SG節(jié)點和網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示。圖中，按照其所處的位置不同，網(wǎng)關(guān)分為中繼網(wǎng)關(guān)和下一層網(wǎng)關(guān)。中繼網(wǎng)關(guān)指在Underlay接入策略下就存在的網(wǎng)關(guān)，無論其與節(jié)點間信道被占據(jù)與否，該網(wǎng)關(guān)與其同一層SG節(jié)點之間鏈路暢通。下一層網(wǎng)關(guān)指布置在緊接著中繼網(wǎng)關(guān)的下一層的網(wǎng)關(guān)。假定單個SG節(jié)點不能直接傳輸數(shù)據(jù)到兩層之外的網(wǎng)關(guān)，其傳輸范圍只能覆蓋下一層。對于SG節(jié)點來說，根據(jù)其傳輸范圍，存在兩種傳輸數(shù)據(jù)模式：直接傳輸和中繼傳輸模式。直接傳輸指SG節(jié)點直接將數(shù)據(jù)傳輸?shù)较乱粚泳W(wǎng)關(guān)。與之相對應(yīng)，中繼傳輸指的是SG節(jié)點將數(shù)據(jù)傳輸給中繼網(wǎng)關(guān)，再由中繼網(wǎng)關(guān)將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給下一層網(wǎng)關(guān)。

    SG節(jié)點（如：次用戶）以時隙的形式與主用戶共享頻譜資源。在不同的時隙，次用戶節(jié)點的電力負載、通信負載和可用頻譜資源存在差異。假定CL_n(i)與PL_n(i)為次用戶n在時隙i的通信和電力負載，n∈[1，2，…，N]，i∈[1，2，…，I]。CL_n(i)會隨著PL_n(i)的增大而增大。當節(jié)點的電力負載增大時，這意味著住宅內(nèi)家用電器被開啟。然而，當所有家用電器都被開啟時，PL_n(i)≥PL₂，節(jié)點的通信負載達到最大值，CL_n(i)=CL_max。反之，當節(jié)點的電力負載低于某預(yù)定值時，PL_n(i)≤PL₁，此時，CL_n(i)=CL_min。在其余常規(guī)時隙內(nèi)，假定PL_n(i)與CL_n(i)服從獨立均勻分布，節(jié)點的通信負載CL_n(i)可以表示為：

式中，PL₁與PL₂表示電力負載的門限值，CL_max與CL_min為通信負載的門限值。

    對于CR網(wǎng)絡(luò)，假定當SG節(jié)點的電力負載較大時，PL_n(i)≥PL₂，CL_n(i)=CL_max，主用戶信道的空閑概率較低，即P_n，i(H₀)≤P_th(H₀)，P_n，i(H₀)為信道n在時隙i的空閑概率，P_th(H₀)為空閑概率的門限值。在其余時隙，信道空閑概率滿足獨立隨機均勻分布。在本文，頻譜資源分配問題不討論，每一個用戶可以分配一條信道，n也表示次用戶所占據(jù)的主用戶信道編號。

2 頻譜接入策略優(yōu)化選擇

    為了確保網(wǎng)絡(luò)覆蓋，網(wǎng)關(guān)的布置是以網(wǎng)絡(luò)狀況最差情況布置的，Underlay接入策略成為選擇。然而，節(jié)點的通信負載和可用頻譜資源是時變的。SG節(jié)點可優(yōu)化選擇頻譜接入策略，以獲得較大的數(shù)據(jù)傳輸速率。基于此，作者將對SG節(jié)點的頻譜接入策略選擇進行分析，以平衡節(jié)點通信負載與可用頻譜資源之間的矛盾。

    當PL_n(i)≥PL₂，CL_n(i)=CL_max時，SG節(jié)點的通信負載達到最大值，主用戶信道空閑概率為P_n，i(H₀)≤P_th(H₀)。此時，P_n，i(H₀)已足夠小，次用戶不對信道進行感知即可獲得更大的平均傳輸速率。為此，次用戶可以直接選Underlay接入策略^[3]，選擇中繼傳輸模式。P_1n(i)表示為次用戶在n時隙i的發(fā)射功率。為了保護主用戶的通信受到的干擾低于預(yù)定值，P_1n(i)嚴格受限，P_1n(i)≤P₁，P₁表示在Underlay接入策略下的發(fā)射功率門限值。

    當信道空閑概率增加時，P_n，i(H₀)>P_th(H₀)，若是其選擇對信道進行感知，次用戶可以獲得較大平均傳輸速率。若此時節(jié)點的通信負載下降，頻譜資源的供應(yīng)與需求均發(fā)生了變化。為此，混合接入策略成為節(jié)點傳輸策略的最佳選擇。SG節(jié)點選擇對直接傳輸信道進行感知。根據(jù)不同的感知結(jié)果、信道占據(jù)與否的實際狀況以及節(jié)點的實時傳輸需求，節(jié)點可用選擇兩類傳輸模式：直接傳輸與中繼傳輸模式。在混合接入策略下，節(jié)點n在時隙i的傳輸結(jié)構(gòu)如圖2所示。節(jié)點n首先對直接傳輸信道進行探測。平均傳輸速率R_dn(i)為：

式中，T表示時隙的時長，τ_n，i表示感知時間長度，P_d，n(i)和P_f，n(i)分別表示感知的判決概率和虛警概率。本文選擇能量檢測方法進行頻譜感知^[8]。

    當感知結(jié)果為信道占據(jù)時，節(jié)點n需要返回到中繼傳輸模式，如圖2(b)所示。使用半雙工中繼轉(zhuǎn)發(fā)方法，僅一半時隙被節(jié)點用于傳輸數(shù)據(jù)，中繼傳輸信道的平均傳輸速率R_{r n}(i)為：

式中，R_00n(i)、R_01n(i)、R_10n(i)、R_11n(i)分別表示在不同的感知結(jié)果和信道實際占據(jù)狀況下的信道傳輸速率^[3]。P_2n(i)表示感知結(jié)果為空閑時，次用戶的發(fā)射功率，P_2n(i)≤P₂。

    在時隙i開始時，節(jié)點n需要判斷是否對直接傳輸信道感知。為此，需要計算直接傳輸信道的最大平均傳輸速率。然而感知會消耗時間，當結(jié)果為占據(jù)時，需要返回中繼傳輸模式。為了滿足覆蓋需求，R_dn(i)和R_rn(i)均需大于通信負載，即無論是選擇何種模式，其平均傳輸速率均應(yīng)該大于通信負載。分析發(fā)現(xiàn)，直接傳輸信道的平均傳輸速率R_dn(i)與信道的感知時間τ_n，i，發(fā)射功率P_2n(i)和空閑概率P_n，i(H₀)有關(guān)。因此，需要對τ_n，i和P_2n(i)進行聯(lián)合優(yōu)化，以最大化R_dn(i)，同時，保證對主用戶的干擾低于預(yù)定值，滿足SG節(jié)點的傳輸需求。該優(yōu)化問題P1為：

式中，P_d，th與P_f，th分別表示判決概率和虛警概率的門限值。式(5)表示當感知結(jié)果為占據(jù)時，節(jié)點退回到中繼傳輸模式，中繼傳輸?shù)钠骄诺浪俾蚀笥诠?jié)點的傳輸通信負載，以保證通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋。式(6)表示節(jié)點n對主用戶的平均干擾值低于預(yù)定值Q_av，h_spn表示節(jié)點n與主用戶接收端之間的信道增益。為了確保感知準確性，一般而言P_d，th=0.9，P_f，th=0.1^[4]。

    至此，優(yōu)化問題P1變成一個變量為感知時間的單變量優(yōu)化問題，并且自變量的取值范圍在封閉區(qū)間。為此，采用一維窮舉方法得到最優(yōu)感知時間τ_n，i，并得到R_dn(i)的最大值，記為R_dn，max(i)。當R_{dn，max}(i)≥CL_n(i)，需要對直接傳輸信道進行感知。當感知結(jié)果為空閑時，次用戶選擇直接傳輸模式。反之，節(jié)點返回中繼傳輸模式，以確保網(wǎng)關(guān)覆蓋完整。

    基于上述分析，節(jié)點n在時隙的頻譜接入策略優(yōu)化選擇機制，總結(jié)如算法1所示。次用戶可以根據(jù)不同的信道狀況和通信負載，選擇合適的頻譜接入策略。

算法1：頻譜接入策略優(yōu)化選擇機制：

輸入：信道空閑概率P_n，i(H₀)，通信負載CL_n(i)，門限值PL₁和PL₂，

    (1) If P_n，i(H₀)≤P_th(H₀)，then

    (2) SG節(jié)點選擇Underlay接入策略，優(yōu)化傳輸功率。節(jié)點選擇中繼傳輸模式；

    (3) Elseif R_dn，max(i)≥CL_n(i)，then

    (4) SG節(jié)點選擇混合接入模式，并感知直接傳輸信道進行感知；

    (5) If 感知結(jié)果為空閑，then

    (6) SG節(jié)點選擇直接傳輸模式；

    (7) Else 

    (8) SG節(jié)點選擇中繼傳輸模式；

    (9) End

    (10) End

    (11) SG返回到中繼傳輸模式；

    (12) 輸出：SG選擇合適的頻譜接入策略，并選擇合適的傳輸模式。

3 仿真分析

    本節(jié)將對所提出的優(yōu)化問題P1，以及相對應(yīng)的頻譜接入優(yōu)化選擇機制（簡稱：優(yōu)化選擇機制）進行仿真分析。作為比較的機制分別是：中繼傳輸和直接傳輸機制。在中繼傳輸機制中，所有的SG節(jié)點均選擇Underlay接入策略；在直接傳輸機制中，所有節(jié)點均選擇Overlay接入策略，對直接傳輸信道進行感知，當感知結(jié)果為空閑時接入信道，當感知結(jié)果為占據(jù)時，則傳輸出現(xiàn)中斷。為了驗證算法的有效性，本文選擇樓宇環(huán)境對所提策略進行仿真分析。網(wǎng)關(guān)和節(jié)點的坐標選擇是在一個小范圍內(nèi)隨機選取的。樓層的面積為20×20 m²，分為4個均勻的區(qū)域，在每一個區(qū)域安放一個SG節(jié)點。網(wǎng)關(guān)從中心區(qū)域半徑為2 m隨機選取。假定所有樓層SG節(jié)點和網(wǎng)關(guān)的布置都是一樣的。由于其存在隨機變量，隨機選取位置，本文采用蒙特卡洛方法進行仿真，隨機獨立進行200次仿真，加和取平均值，若沒特別說明，主要仿真參數(shù)如表1所示。

    圖3表示在單個時隙內(nèi)不同感知時間下，直接傳輸信道的平均傳輸速率R_dn的變化情況。因為是在單個時隙內(nèi)分析問題，可將時隙標號i隱去，在兩種狀況下對R_dn進行分析。在圖3(a)中，節(jié)點的通信負載和干擾門限值不同，信道空閑概率為P_n(H₀)=0.95。由圖可知，當Q_av=4 W和Q_av=2 W兩類狀況下，當τ_n<14 ms時，上述兩類狀況下平均傳輸速率是一樣的。這是因為在上述情況下，節(jié)點的發(fā)射功率均等于P₂。當τ_n≥14 ms，CL_n=0.02 Mb/s時，傳輸速率為0。其原因在于當感知時間增大時，可用的傳輸時間減小，中繼傳輸信道的平均速率下降，已不能滿足節(jié)點通信負載需求，傳輸出現(xiàn)中斷。圖3(b)分析在不同P_n(H₀)時直接傳輸信道的平均傳輸速率，節(jié)點的通信負載和干擾門限值設(shè)定為一樣的。CL_n=0.02 Mb/s，Q_av=4 W。由圖可知，當感知時間較小時，傳輸速率相對于感知時間是一個凸函數(shù)，這是因為感知時間的大小會直接影響到感知效果：P_d，n和P_f，n。當P_n(H₀)=0.95，τ_n≥14 ms時，R_dn減小為0，這是因為當感知時間增大時，剩余的傳輸時間不足，導致中繼傳輸信道平均速率R_rn小于通信負載，信道發(fā)生中斷。

    與圖3分析單個時隙內(nèi)節(jié)點的信道平均傳輸速率不同，在圖4中將對多個時隙的節(jié)點信道平均傳輸速率進行分析。假定時隙時長是30 min，在不同的時隙，其直接傳輸信道的空閑概率不同。在時隙21～24，P_n，i(H₀)=0.01，在其余時隙，P_n，i(H₀)滿足均勻獨立分布，區(qū)間是[0.01，1]。由圖4可見，相比于其余兩種機制，所提出的優(yōu)化選擇機制下，節(jié)點可以獲得更多的傳輸速率，且不會發(fā)生信道傳輸中斷。在優(yōu)化選擇機制中，節(jié)點可得到的平均傳輸速率為R_dn+R_rn，節(jié)點在Underlay和Overlay接入策略之間切換。在中繼傳輸機制中，節(jié)點可得到的平均傳輸速率為在直接傳輸機制中，節(jié)點的平均傳輸速率為R_dn，顯然，當感知結(jié)果為占據(jù)時，節(jié)點傳輸會發(fā)生中斷。繼續(xù)分析可以發(fā)現(xiàn)，大部分時候（例如：時隙1～時隙20，時隙25～時隙30），優(yōu)化選擇機制所獲得信道平均傳輸速率是最好的。然而，在時隙21～25之間，優(yōu)化選擇機制的性能與中繼傳輸一樣。這是因為當信道空閑概率太小時，本文所提選擇機制可以直接切換到Underlay接入策略，以保證系統(tǒng)不出現(xiàn)中斷。然而，在直接傳輸機制中會出現(xiàn)中斷，嚴重影響系統(tǒng)性能。

4 總結(jié)

    在CR-based NAN智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)中，SG節(jié)點的電力負載、通信負載和主用戶信道的空閑概率是實時變化的，與人們的生活和所處地息息相關(guān)。為此，為了平衡節(jié)點的通信負載與可用頻譜資源之間的矛盾，本文提出了一類節(jié)點的頻譜接入策略優(yōu)化選擇機制，SG節(jié)點根據(jù)不同的負載情況和實時的信道狀況，選擇合適的頻譜接入策略，并選擇合適的傳輸模式。數(shù)值仿真結(jié)果驗證了所提策略的有效性。

參考文獻

[1] ZHANG Y，YU R，NEKOVEE M，et al.Cognitive machine-to-machine communications：Visions and potentials for the smartgrid[J].IEEE Network，2012，26(3)：6-13.

[2] DENG R，CHEN J，CAO X，et al.Sensing-performance tradeoff in cognitive radio enabled smart grid[J].IEEE Transactions on Smart Grid，2013，4(1)：302-310.

[3] YU R，ZHANG C，ZHANG X，et al.Hybrid spectrum access in cognitive radio based smart grid communications systems[J].IEEE Systems Journal，2014，8(2)：577-587.

[4] STEVENSON C，CHOUINARD G，LEI Z，et al.IEEE 802.22：The first cognitive radio wireless regional area network standard[J].IEEE Communications Magazine，2009，47(1)：131-139.

[5] WANG H，QIAN Y，SHARIF H.Multimedia communications over cognitive radio networks for smart grid applications[J].IEEE Wireless Communications，2013，20(4)：125-132.

[6] HUANG J，WANG H，QIAN Y，et al.Priority-based traffic scheduling and utility optimization for cognitive radio communication infrastructure-based smart grid[J].IEEE Transactions on Smart Grid，2013，4(1)：78-86.

[7] AL-ANBAGI I，EROL-KANTARCI M，MOUFTACH H.Delay-aware medium access schemes for WSN-based partial discharge measurement[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2012，63(12)：3045-3057.

[8] LIANG Y，ZENG Y，PEH E，et al.Sensing-throughput tradeoff for cognitive radio networks[J].IEEE Transactions on Wireless Communications，2008，7(3)：1326-1337.

作者信息：

陸  川，楊  超，陳  新

（廣東工業(yè)大學 自動化學院，廣東 廣州510006）