智能電網(wǎng)中異構通信網(wǎng)絡的共存問題研究.pdf

1、智能電網(wǎng)是融合了先進電力、通信與控制技術的智慧能源網(wǎng)絡，其主要特點是能在電網(wǎng)各組成部分之間同時傳輸雙向的電能和數(shù)據(jù)，從而優(yōu)化全網(wǎng)的電力產(chǎn)生和使用。傳統(tǒng)電網(wǎng)向智能電網(wǎng)演進是電力工業(yè)發(fā)展的必然方向，并且隨著通信技術的發(fā)展這一演進過程正在逐漸加快。
　　雙向?qū)崟r的數(shù)據(jù)傳輸是實現(xiàn)電網(wǎng)智能化的關鍵，因而無處不在的通信網(wǎng)絡是智能電網(wǎng)的基本組成架構之一。考慮到電網(wǎng)各組成部分的分布特點，沒有任何一種通信技術可以實現(xiàn)這種“無處不在”，所以其基本通信

2、架構一定是異構的分層通信網(wǎng)絡架構，不同的層次對應不同的通信技術。特別是在節(jié)點分布相對復雜的鄰域和家域，低成本的異構無線通信網(wǎng)絡架構是必然的選擇。為此，IEEE專門制定了面向智能電網(wǎng)鄰域數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜聼o線網(wǎng)絡標準SUN(Smart Utility Network)，但SUN工作在免許可頻段，其工作信道與鄰域和家域的許多其它無線網(wǎng)絡的工作信道是相互交疊的，異構網(wǎng)絡間因爭用信道而引起的共存問題顯得尤為突出。因此，如何更精確地評估異構網(wǎng)絡間的共

3、存性能以及建立更有效的共存機制是智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡設計過程中必須要解決的問題，本文以此為出發(fā)點，選擇WLAN作為SUN的典型共存系統(tǒng)，對二者的共存問題進行研究。
　　本文首先通過理論分析模型確定共存系統(tǒng)的信道中心頻率間隔和節(jié)點距離是影響共存性能的關鍵因素，為后續(xù)共存機制的提出奠定理論基礎。選擇誤碼率(BER)和誤包率(PER)作為多系統(tǒng)共存性能的基本評價指標，先建立用于共存干擾分析的BER計算模型，由路徑衰減模型反映節(jié)點的相對距離關

4、系，功率因子反映干擾信號和期望信號中心頻率及功率譜密度相對關系，證明增大共存系統(tǒng)的中心頻率間隔可以有效減少彼此之間的相互干擾；然后基于傳統(tǒng)的PER計算模型歸納出不同共存場景中SUN與WLAN/ZigBee的安全距離。
　　考慮到傳統(tǒng)PER計算模型不能反映共存系統(tǒng)數(shù)據(jù)包的傳輸特性，得到的PER值并不精確，本文引入數(shù)據(jù)包碰撞思想計算PER理論值。先根據(jù)各系統(tǒng)數(shù)據(jù)包傳輸?shù)亩〞r關系，建立SUN與WLAN的基本包碰撞模型，由于將期望數(shù)據(jù)包分

5、為碰撞和非碰撞兩部分，更符合實際數(shù)據(jù)包傳輸中的相互干擾情形，因而其PER計算的精確性優(yōu)于傳統(tǒng)方法；然后，證明基本包碰撞模型不適用于多干擾源情形，并由此提出一種基于干擾數(shù)量的期望數(shù)據(jù)包分段方法，不同的分段對應不同的BER值，從概率論角度推導出各分段的平均長度；接著，基于該分段理論，建立多干擾源包碰撞模型，通過分段處理得到期望數(shù)據(jù)包各段的BER性能，進而獲得整個數(shù)據(jù)包更精確的PER理論值，仿真證明了其在多干擾源條件下的優(yōu)越性。
　　考

6、慮到實際共存場景中的干擾節(jié)點分布的隨機性，本文給出一種干擾節(jié)點在二維平面服從泊松點分布時期望節(jié)點理論PER值的計算方法，通過推導期望節(jié)點處干擾總功率的統(tǒng)計平均值，得到期望節(jié)點PER值的理論上界，并給出這種場景中包碰撞模型的應用方法。
　　針對共存機制，本文先對按需干擾避免方案進行研究。首先，結合SUN與WLAN的信道配置特點，為單網(wǎng)關SUN建立一種按需信道選擇機制，使得SUN可以周期性檢測信道中的WLAN干擾，并根據(jù)檢測結果決定信

7、道的切換與否，檢測到干擾則進行信道切換，仿真結果顯示采用該機制可以保證SUN在共存環(huán)境中的工作性能，但由于PER檢測周期的存在該機制并不能對信道中的WLAN干擾做出及時的反應；考慮到這一不足，本文提出一種改進方案，通過對每個數(shù)據(jù)包進行LQI檢測實現(xiàn)對信道中WLAN干擾的及時反應，仿真結果證明了其有效性；最后，本文針對多網(wǎng)關SUN提出一種按需信道選擇方案，該方案為不同的網(wǎng)關節(jié)點分配不同的工作信道并充分利用節(jié)點的路由信息，使得子節(jié)點可以通過

8、切換根網(wǎng)關實現(xiàn)工作信道的切換，但該機制的具體性能如何還有待于更深入的研究。
　　按需信道選擇機制是被動共存機制，并不能從本質(zhì)上避免SUN與WLAN之間的相互干擾。針對這一問題，本文從認知無線電角度提出一種基于動態(tài)頻譜共享的共存方案，在鄰域和家域網(wǎng)絡中增加網(wǎng)間和網(wǎng)內(nèi)的頻譜數(shù)據(jù)交互，由具有頻譜管理功能的網(wǎng)關節(jié)點按需為SUN與WLAN業(yè)務分配信道，因此這是一種主動共存機制，可以從根本上避免SUN與WLAN同一時刻對同一信道的競爭。另外，