《电子技术应用》

电力无线专网中基于频谱检测的SDR技术

2017年电子技术应用第4期
王继业1,赵东艳2,3,原义栋2,3,毛 敏4,靳嘉桢2,3
(1.国家电网公司,北京100031; 2.北京智芯微电子科技有限公司 国家电网公司重点实验室 电力芯片设计分析实验室,北京100192; 3.北京智芯微电子科技有限公司 北京市电力高可靠性集成电路设计工程技术研究中心,北京100192; 4.北京邮电大学,北京100876)
摘要: 230 MHz电力无线专网系统作为目前电力负荷管理系统的主要构成部分之一,随着服务面的扩展和服务量的增大,传输速率低下、频谱资源浪费的缺点日益突出。频谱检测机制能够有效地搜索未使用的频谱空穴,而软件无线电可以充分利用检测到的频谱空穴并有效地提高频带利用率。提出了一种针对电力无线专网的基于频谱检测的软件无线电技术,结合电力无线专网230 MHz频段特点设计了通信系统中收发信机的数字电路,并通过MATLAB仿真验证了方案在在频谱检测上的性能表现。
中图分类号: TN915
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.04.027
中文引用格式: 王继业,赵东艳,原义栋,等. 电力无线专网中基于频谱检测的SDR技术[J].电子技术应用,2017,43(4):102-106.
英文引用格式: Wang Jiye,Zhao Dongyan,Yuan Yidong,et al. Spectrum detection based software defined radio in power private wireless network[J].Application of Electronic Technique,2017,43(4):102-106.

Spectrum detection based software defined radio in power private wireless network

Wang Jiye1,Zhao Dongyan2,3,Yuan Yidong2,3,Mao Min4,Jin Jiazhen2,3
(1.State Grid Corporation of China,Beijing 100031,China; 2.State Grid Key Laboratory of Power Industrial Chip Design and Analysis Technology, Beijing Smart-Chip Microelectronics Technology Co.,Ltd.,Beijing 100192,China; 3.Beijing Engineering Research Center of High-reliability IC with Power Industrial Grade, Beijing Smart-Chip Microelectronics Technology Co.,Ltd.,Beijing 100192,China; 4.Beijing University of Posts and Telecommunications,Beijing 100876,China)
Abstract: Power private wireless network on 230 MHz is an important part of the power load management system, however, along with the expanding of service range and the increasing of service volume, its shortcomings of low transmission rate and low spectrum efficiency stand out. Spectrum detection mechanism can effectively find out the idle spectra, while the software defined radio can fully make use of the detected spectrum holes and thus raise the spectrum efficiency. Accordingly, the paper proposes an implementation applying spectrum detection based software defined radio technology into the power private wireless networks. Take the 230 MHz private spectrum of power system for example, the digital circuit of the transceiver in the communication system in accordance with its spectrum characteristics is designed, and performance on spectrum detection is tested and verified through MATLAB at last.

0 引言

    无线通信自20世纪初发展至今,已然取得了斐然的成绩,给人类社会带来了诸多便利,成为人们生活中不可或缺的部分。我国的电力通信技术也得益于此,完成了从依靠电力线载波到无线通信为主的转变。目前常用的无线通信方式有基于无线公网的通用分组无线业务(General Packet Radio Service,GPRS)技术、码分多址(Code Division Multiple Access,CDMA)方式和传统230 MHz数传电台等[1]。由于专用频段较公网而言更安全、可靠,所以自1991年国家无线电管理委员批复电力负荷控制专用频点以来,经过多年发展,230 MHz数传电台无线系统已基本在全国大部分城市实现。

    230 MHz无线通信系统具有投资少、建设周期短、维护简单等优点,因此非常适用于通信节点分散的配电网,在2005年之前被各县级电力公司选用以实现专变用户的数据采集与负荷控制等功能。然而由于其频带资源有限、传输速率低,随着通信信息量的急剧增加,传统数传电台技术已经远远不能满足电网通信业务的需求,业界也正在对此积极地寻找解决对策。2010年,LTE230无线宽带系统试点工程在浙江省海盐县开展,此项目采用第四代TD-LTE通信技术研制开发,通过频谱聚合、自适应调制编码等技术将230 MHz频谱资源的利用率提高到最大[2]。目前该方案已得到充分肯定,在不久的将来或许便能投入产业化使用。但其仍未摆脱电力无线专网在230 MHz频段上可使用频点的局限性,仅着眼于分配的1 MHz的带宽,而随着未来频谱资源愈发紧张的局势,对频谱资源的更高效灵活的分配利用必将成为大势所趋,并带来收发信机结构上的变化和对频谱检测技术的进一步探索的需求。本文在后面章节有给出关于这两点的讨论。

    软件无线电是一种基于软件定义的无线通信技术。不同于传统的无线电架构只能局限于特定的工作区域,它可以通过可编程软件同时支持广泛的频率和功能。而频谱检测则是一种有效的通过检测频谱空穴再施以灵活的频谱分配以应对频谱资源短缺的技术[3]。目前对于频谱资源管理的通用做法是实行授权和非授权频率管理机制,如230 MHz授权为电力专网,这造成了频谱利用率不一、频段资源供需不平衡的局面。本方案通过结合软件无线电和频谱检测的优势,设计了一种灵活高效的提高频谱利用率的方法以期打破该频谱资源紧张的局面。

1 电力无线专网

    1991年,国家无线电管理委员会发布了《关于印发民用超短波遥测、遥控、数据传输业务频段规划的通知》,规定223~235 MHz频段作为遥测、遥控、数据传输等业务使用的频段。该频段的特点是属于行业应用,并分配给了8个部委,其中有40个频点被分配给了能源部用于电力负荷监控系统,如表1所示。其中共有10个单频频点和15对双频频点,收发频率间隔为7 kHz。各相邻频点间隔为50~150 kHz,带宽为25 kHz。

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    电力企业在使用230 MHz频段无线资源时,采用数传电台作为通信终端。传统230 MHz数传电台遵循国际GB-T 16611-1996《数传电台通用规范》,采用2FSK、2PSK、4PSK等较落后的调制方式,数传速率规定为300 b/s、600 b/s、1 200 b/s、2 400 b/s、4 800 b/s、6 400 b/s、7 200 b/s和9 600 b/s 8种比特率中的一种或一种以上[4]。系统采用点对点的通信分配方式,并支持轮询的方式进行数据交换,因此带来了较长的传输延时。且数传电台之间各自分立,没有统一的网络管理,没有无线信号的同步,这必须增加空闲时间作为数据传输的保护间隔,使得频谱的利用率降低。电力系统中230 MHz频段的频点分配见表1。

    电力企业主要的业务需求基本可分为三类:用电信息采集、配电自动化和应急抢修、检修及移动资产可视化管理[5]。随着智能电网的发展,其信息化、数字化、自动化和互动化的基本特征决定了在不远的未来,用电信息采集的数据量将会出现一个飞速增长的阶段,同时对配电自动化提出了更高的实时性要求。应急抢修、检修及移动资产可视化管理业务主要通过视频监控实现,在数据传输、语音传输的基础上提出了图像传送和视频传送的业务需求,对带宽的需求最高。这些均对现有的230 MHz无线电力专网通信系统提出了严峻的挑战。230 MHz电力专用频段由于带宽较小、速率较低、频谱利用率低的局限性,无法满足快速增长的业务量的需求,也无法支持高实时性要求的配电自动化业务和高带宽需求的应急抢险、移动可视化业务。因此,设法提高其频谱利用率势在必行。

2 软件无线电

    早在20世纪90年代初,软件无线电的概念一经Joe Mitola提出之后便开始广泛流行。一方面,当时军事通信方面亟需一种方案来解决通信设备不兼容、互通困难的问题;另一方面,这也是由当时多种数字无线通信标准(如GSM、CDMA-IS95等)共存的时代背景决定的。因此,软件无线电的核心内容便是把硬件系统作为无线电通信的基本通用平台,而将通信的大部分功能,如选频、抽样、量化、编码、调制等信号处理过程均集合于软件实现中,从而构造出一套可通过软件更换而变化的灵活、开放、可重配的无线通信系统。

    图1所示的软件无线电结构是一种理想化的结构,主要由天线、射频模块、AD/DA转换器和通用数字信号处理器组成[6]。相比传统的无线电结构而言,其最大特点在于尽可能地减少模拟处理环节。理想的软件无线电实现完全的数字化、完全的可编程性和模块化。得益于此,软件无线电可以方便地支持多标准多频带的切换,并且通过软件升级来完成系统升级,缓解当前由于新标准新技术频出带来的硬件升级成本剧增的压力。

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    然而,软件无线电的发展仍面临着许多技术难题[7]。首先,宽带智能天线和高速率的数模转换是软件无线电通信中不可或缺的硬件模块。根据软件无线电的理想化需要,该天线需要具备极宽的频率覆盖范围并能自动感知干扰源的存在并抑制其影响的能力,同时兼容各种无线电通信制式[8]。广覆盖的工作带宽也为数模转换模块的采样速率提出了巨大的挑战。其次,高采样速率又对ADC后续的信号处理增加了实现难度,对其处理速度要求大大提高。最后,现在的软件无线电实现基本上是基于双总线结构,其中的高速数据总线结构是该体系结构的关键,但目前还没有形成标准。

3 频谱检测

3.1 频谱检测原理

    频谱检测是认知无线电中的一大关键技术,在该机制下,用户通过各种信号检测和处理手段来获取无线网络中的频谱使用信息。若检测到空闲频带,则在其上进行通信,且在使用空闲频段进行通信的同时不断地检测授权用户的出现,一旦检测到授权用户要使用该频段,便自动退出并转移到其他空闲频段继续通信,确保在不干扰授权用户的情况下进行频谱共享[9]。因此,频谱检测过程,并辅以灵活的频带动态分配可以有效地应对当前频谱资源随着无线通信需求的不断增长而日益紧张的局势。

3.2 频谱检测的实现

    频谱检测的实现算法有很多,按照其检测策略基本分为两种,形象地称为单带频谱检测方案和多带频谱检测方案。一种是通过逐个检测每个频段并通过特定准则来确定信道是否被占用,如常见的能量检测算法、匹配滤波算法。另一种则是同时对比所有信道来确定占用的信道。相比单带频谱检测,该方案可以比对多个信道,对噪声方差信息的依赖也较小,从而带来更好的检测性能[10]

    这里介绍一种基于最短描述长度(Minimum Description Length,MDL)准则排序算法的多带频谱检测方案,如图2,用R={1,2,…,Q}表示整个待检测信道的索引,R1={q1,q2,…,qK}表示其中被占用信道的索引,则最后需确定的目标参数为K和R1。算法性能仍由检测概率和虚警概率来描述,即被占用信道被正确检测的概率和空闲信道被误判为被占用信道的概率。算法的具体实现过程如下:

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    用yq(n)表示第q个信道中第n个接收信号的抽样,q=1,2,…,Q,n=1,2,…,N,则其可以被建模为:

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4 SDR收发机原型结构及仿真验证

4.1 一种基于频谱检测的230 MHz SDR收发信机

    该基于频谱检测的软件无线电在230 MHz频段上的收发机在传统软件无线电收发信机架构的基础上主要做了如下变动:细化射频前端模块的模拟信号处理过程,及增加频谱检测装置[11]。该装置包括检测模块、记录模块和频谱切换模块,旨在通过频谱检测寻找频谱空穴的作用,在不干扰其他该频段使用权持有者通信的情况下,充分利用230 MHz整个频段,而不仅仅局限于40个频点进行通信。

    电力企业在使用230 MHz频段时,固定信道带宽为25 kHz,所以230 MHz频段即223~235 MHz可被划分为480个通信信道。为了减轻频谱检测的工作压力,把230 MHz整个频段先以每1 MHz设为一个子频段单位,划分为CH1,CH2,…,CH12共12个子频段。检测模块的工作流程如图3所示,当有信息在空闲信道上传输时,同时检测频段使用情况,从CH1开始检测子频段使用情况,当发现空闲信道时立即更新记录模块中的频谱使用情况以供下次信息传输时选择空闲信道。

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    收发机主要由双工器、接收机、发送机、频谱检测装置和基带处理模块组成,如图4所示。接收机主要完成接收信号数模转换前的处理过程,包括数控可调谐的射频预选低通滤波器、低噪声放大器(Low Noise Amplifier,LNA)、二次混频器和自适应增益控制器(Adaptive Gain Control,AGC)。其中,数控可调谐的射频预选低通滤波器能滤除所需子频段外的信号,有效避免了镜像和谐波干扰。低噪声放大器将接收的信号进行放大及抑制噪声功率,而二次变频由一个数控可调本振频率的上变频和一个固定本振频率的下变频组成,确保可进行频段选择。频谱检测装置中检测模块机制如前所述,频谱切换模块负责从记录模块中读取空闲信道信息,为下次传输做好准备,它为每个子频段单位提供相应的射频预选可调谐低通滤波器的频段选择控制字和第一本地振荡频率。当下次传输到达时,选择空闲信道,即先完成相应的子频段和本地振荡频率的设置。对接收机中出来的数字信号做所需的基带处理之后送入发射机。发射机则主要由数模转换器、二次变频模块、自适应增益控制和功率放大器(Power Amplifier,PA)组成。

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4.2 频谱检测技术仿真测试

    为了形象地体现频谱检测技术在寻找频谱空穴功能上的性能表现,利用MATLAB模拟对230 MHz频段上的一个1 MHz宽度的子频带进行仿真实验,即共有40个待检测信道,在其中寻找被占用的信道。仿真时,信道环境设置为均值为0、方差为1的加性高斯白噪声信道,信噪比SNR为-10 dB~10 dB。简化起见,假设信号也是服从均值为0的高斯分布。其中,信道被占用情况如表2中所示设置。

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    仿真结果与期望相符。如图5所示,当信道环境过于恶劣时,频谱检测性能极差。此时,信号成分极易被与噪声混淆,所以当取样100个点时,几乎完全不能检测出有信号的存在,检测概率与虚警概率均趋于零。而当取样仅10个点时,受随机干扰大,判断不充分,因而产生了检测概率和虚警概率虚高的现象,通过信噪比增大和不断重复实验可提高性能,然而在实际中最根本的解决措施应为提高采样点数。当SNR=-2 dB,N=100时,检测概率已达到0.9以上,虚警概率趋近于0,检测效果较理想。且随着SNR增大,检测概率不断趋近于1。

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    当采样数增加时,相应的对信噪比的要求就会下降,从图6中可看出,当N=1 000、SNR=-5 dB时,检测概率能达到0.7,且在信噪比不变的情况下随采样点数的增加快速提升检测概率直至完全检测。这充分说明了基于MDL算法的多带频谱检测技术在实际场景中的可应用性,性能所需的采样数N和信噪比SNR是可实现的。

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5 结语

    为了提高230 MHz电力专用频段的频谱利用率,改变其一贯的在40个专用频点中进行通信的制式,选择使用频谱检测在确保不干扰正在进行的通信的情况下使用完整的230 MHz频段。本文提出了一种基于频谱检测的软件无线电架构,并给出了相应的灵活高效的收发信机的数字电路以适应该改变趋势。 

    随着无线通信的发展,频谱资源供需不平衡、频谱资源利用率不一的状况在各处频发,若没有采取得当的处理措施,将愈演愈烈。基于频谱检测的软件无线电不失为一个优秀的解决方案。随着对软件无线电和频谱检测技术的深入研究,势必能够为提高频谱利用率带来更好的效果。

参考文献

[1] 翟章.无线通信技术在电力通信中的应用[J].电力系统通信,2006,27(5):1-2.

[2] 吴文炤.TD-LTE230无线宽带系统在县电力公司中的应用[J].电力信息化,2012,10(11):58-62.

[3] 丁汉清.认知无线电频谱感知技术研究[D].西安:西安电子科技大学,2011.

[4] GB/T 16611-1996 数传电台通用规范[S].1996.

[5] 曹津平,刘建明,李祥珍.基于230 MHz电力专用频谱的载波聚合技术[J].电力系统自动,2013,37(12):63-68.

[6] 杨小牛.从软件无线电到认知无线电,走向终极无线电——无线通信发展展望[J].中国电子科学研究院学报,2008,3(1):1-7.

[7] 王忠思.软件无线电关键技术分析[J].信息通信,2011(6):57-58.

[8] Tore Ulversoy.Software defined radio:challenges and opportunities[J].IEEE communications Surveys & Tutorials,2010,12(4):531-550.

[9] ABIDI A A.The path to the software-defined radio receiver[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits,2007,42(5):592-597.

[10] 刘思杨.下一代无线通信系统中高效传输及频谱感知关键技术的研究[D].北京:北京邮电大学,2009.

[11] 肖海林,韩霄,王丽元.认知频谱感知接收机的射频前端接收方法和单元[P].中国专利:103338048A,2013-10-2.



作者信息:

王继业1,赵东艳2,3,原义栋2,3,毛  敏4,靳嘉桢2,3

(1.国家电网公司,北京100031;

2.北京智芯微电子科技有限公司 国家电网公司重点实验室 电力芯片设计分析实验室,北京100192;

3.北京智芯微电子科技有限公司 北京市电力高可靠性集成电路设计工程技术研究中心,北京100192;

4.北京邮电大学,北京100876)

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