针对智能电网的无线异构网络高能效带宽分配

摘　要：

摘　要：高能量效率是智能电网无线通信系统的重要设计指标，，针对未来智能电网部署中会出现无线专网频谱资源有限和电力通信业务不均匀的特点，本文提出了一种针对智能电网的异构无线网络高能效高谱效带宽分配。首先刻画实际电力网络中存在的通信业务分布不均匀性，然后再针对高低不同的业务量需求，给出了正交频谱的带宽配置策略、部分频率复用的带宽配置策略，能够满足控制类和非控制类业务需求差异化，同时最大化无线网络的网络能量效率。针对所提的带宽分配策略，均给出最优带宽的数学表达式，能够定量反应出带宽分配策略与电力通信业务不均匀性的定量关系。最后通过无线异构网络系统级仿真，给出在典型应用场景下所提带宽配置策略的性能，证明其在实际系统中有很好的推广应用前景，并给出本文结论及未来工作展望。

关键词：

关键词：智能电网　无线异构网络　带宽分配　网络能效

　　近年来，由于智能电网成为未来电力网络的发展方向之一，而在智能电网中的电力通信网频谱分配问题必成会受到广泛关注，然而，在传统的同构网络中，频率资源的分配主要由无线基站间干扰决定，对于异构网络，需要重新考虑不同层基站服务的电力通信业务差异和覆盖区域不同所带来的制约。

　　已有文献的研究主要侧重于均匀电力通信业务分布场景，包括运用协作式的博弈论[1]和非协作式的博弈论[2]来进行带宽分配。文献[3]考虑到了不同类型的业务请求，提出了通过频谱感知技术辅助进行带宽分配。然而，还没有文献针对电力通信网业务的不均匀性进行建模分析并用于异构网络的带宽分配算法。

　　1　电力通信网业务不均匀性建模

　　在实际电力通信网络网络中，通信业务会存在不均匀的情况，具体表现为非控制类业务单个数据量小，但分布区域广阔，控制类业务单个数据量大，但分布区域集中，为此，对这样的电力通信业务会存在不均匀的场景进行建模，再通过业务聚集系数刻画这种分布不均匀性。在以下的电力通信业务不均匀性建模中，定义控制类业务区域单位面积业务量和非控制类业务单位面积业务量比例 ，以及控制类业务面积和非控制类业务区域面积比例 。

　　2　异构网络建模及吞吐量计算

　　假设异构网络有两层基站组成，基站架设在110KV变电站上。第一层为宏基站层，宏基站位置服从密度。

　　3　电力通信网络带宽分配

　　针对网络中电力通信业务分布不均匀的场景，对异构网络中的微基站，宏基站在高频段、低频段的带宽进行的最优化配置，使得异构网络的能效达到最优值，同时满足网络中电力通信业务不均匀性的特征。按照业务量大小的不同，分成三种情况进行讨论。

　　3.1　正交频谱的带宽配置策略

　　第一种是在业务需求比较低的情况下，低频带的带宽有富余，这个时候宏基站和微基站可以采用完全正交频谱的带宽资源配置方式。对异构网络频谱进行优化，目标是最大化网络能效，限制条件是满足控制类业务区域单位面积业务量和非控制类业务区域单位面积业务量的比例，和控制类业务区域面积和非控制类业务区域面积的比例，由此给出优化问题：

　　对目标函数进行化简并对 求导，可以得到最优的宏基站带宽为：。

　　3.2　部分频率复用的带宽配置策略

　　在业务需求比较高的情况下，低频带的带宽不足以支持微基站和宏基站采用部分复用频谱，这个时候，必须有一部分频谱资源进行复用，以扩大系统容量，支持更多的业务需求。此时，低频段采用部分频分复用的方式。针对该场景，可以给出优化问题为

　　通过化简，可以得到能效表达式，并对

　　以及微基站的正交频段最优带宽为：

　　4　仿真结果及分析

　　使用MATLAB仿真软件搭建模拟实际的电力通信系统并进行仿真，得到所提方案的仿真结果。图1是正交频谱的带宽配置策略与部分频率复用的带宽配置策略的对比，图中曲线画出了系统能量效率随着控制类业务区域面积和非控制类业务区域面积的比例的变化，不同曲线代表了不同的控制类业务区域单位面积业务量和非控制类业务区域单位面积业务量的比例。可见在所有情况下，正交频谱的带宽配置策略的能量效率都会比部分频率复用的能量效率要低。在控制类业务面积占非控制类业务面积40%的情况下，控制类业务业务量是非控制类业务业务量的1倍、3倍和5倍的情况下，系统能量效率提高了29%，19%，16%，从而证明了所提方案的高效性。

　　图1　单频段带宽配置策略的能效对比图

　　5　文章结论及展望

　　下一代电力通信网络将朝着混合频谱、高能效的方向发展。通过本文提出的正交频谱的带宽配置策略、部分频率复用的带宽配置策略，能够满足控制类业务电力通信业务和非控制类业务电力通信业务的业务需求差异化，同时最大化异构网络的网络能量效率，从而节省网络功率消耗。在未来的工作中，需要设计能够适应电力通信业务请求业务类型的差异性，并能够最大化电力通信网络能量效率的带宽分配策略。

　　参考文献：

　　[1] Y. Wang, C. Shi, T. Wang and Z. Feng. A Non-Cooperative Game Approach for Bandwidth Allocation in Heterogeneous Wireless Networks,IEEE VTC'12, Sep. 2012.

　　[2] X. J. Tan, L. Li and W. Guo. Bargaining-based spectrum sharing for cognitive radio networks with incomplete information,IEEE GLOBECOM'12, Dec. 2012.

　　[3] S. Wang, Z. Zhou, M. Ge and C. Wang. Resource Allocation for Heterogeneous Cognitive Radio Networks with Imperfect Spectrum Sensing ,IEEE J. Sel. Areas Commun., vol. 31, no. 3, pp. 464-475, Nov. 2013.