《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于智能電網(wǎng)的頻譜感知算法研究
電子技術(shù)應(yīng)用 2023年3期
陳卓，文淳，呂志恒
（重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065）
摘要： 寬帶微功率（Broadband Micro-Power， BMP）無(wú)線通信系統(tǒng)是為滿足智能配用電系統(tǒng)的通信需求，在非授權(quán)頻譜資源上研究開發(fā)的電力無(wú)線專網(wǎng)系統(tǒng)。認(rèn)知無(wú)線電（Cognitive Radio， CR）的頻譜感知技術(shù)的引入，雖緩解了目前智能電網(wǎng)頻譜資源緊張的問題，但系統(tǒng)在低信噪比下單用戶的感知準(zhǔn)確性仍需提高。針對(duì)上述問題，提出一種基于變步長(zhǎng)的最小均方（Variable Step Size Least Mean Square， VSS-LMS）頻譜感知算法。該算法在對(duì)原始發(fā)送信號(hào)幅度進(jìn)行迭代估計(jì)時(shí)，增加兩個(gè)參數(shù)作為調(diào)節(jié)器，可以靈活地調(diào)整步長(zhǎng)，并對(duì)誤差信號(hào)進(jìn)行平滑處理，從而解決收斂速度與穩(wěn)態(tài)誤差的矛盾，實(shí)現(xiàn)高效的頻譜感知。仿真實(shí)驗(yàn)表明，該算法不僅具有較好的收斂性，且在低信噪比下仍有較好的檢測(cè)性能。與能量檢測(cè)算法和LMS頻譜感知算法相比，該算法使系統(tǒng)的頻譜檢測(cè)性能得到提升。
中圖分類號(hào)：TP929.5 文獻(xiàn)標(biāo)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(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)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(guó)內(nèi)電力無(wú)線通信使用較多的通信方式有通用無(wú)線分組(General Packet Radio Service，GPRS)、碼分多址(Code Division Multiple Access，CDMA)和230 MHz無(wú)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(fèi)用。而230 MHz無(wú)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(wú)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(guó)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(wú)線通信技術(shù)，該技術(shù)可快速自主組網(wǎng)，采用chrip擴(kuò)頻調(diào)制、自定義幀結(jié)構(gòu)、干擾抑制等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)業(yè)務(wù)的定制開發(fā)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)掛樁測(cè)試，與傳統(tǒng)技術(shù)相比該技術(shù)具有通信容量大、時(shí)延低、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。但近年來(lái)隨著智能電網(wǎng)的大力推廣使用場(chǎng)景的增多，使得BMP網(wǎng)絡(luò)中大量設(shè)備共存，進(jìn)而導(dǎo)致頻譜資源短缺。然而針對(duì)這一問題，傳統(tǒng)的靜態(tài)頻譜分配策略已無(wú)法有效地應(yīng)對(duì)。因此，需通過動(dòng)態(tài)頻譜資源來(lái)尋找新的解決方法。認(rèn)知無(wú)線電(Cognitive Radio, CR)的提出為解決這些問題提供了一個(gè)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(jìn)而發(fā)現(xiàn)頻譜空穴讓次用戶(Second User, SU)動(dòng)態(tài)接入。當(dāng)PU再次始于該頻段時(shí)，SU要及時(shí)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(lái)解決，即寬帶微功率認(rèn)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(lái)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(cè)法、循環(huán)平穩(wěn)特征檢測(cè)法、匹配濾波檢測(cè)法，但這些算法各有優(yōu)缺點(diǎn)。能量檢測(cè)法算法復(fù)雜度小，但卻不能有效地區(qū)分噪聲和信號(hào)樣本，具有較大的不確定性，且在低信噪比條件下的信號(hào)檢測(cè)性能不高；循環(huán)平穩(wěn)特征檢測(cè)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(hào)長(zhǎng)度的增加，計(jì)算量亦增大；匹配濾波檢測(cè)法則需要了解發(fā)送信號(hào)的先驗(yàn)信息，對(duì)場(chǎng)景的依賴性較大。多用戶感知是指多個(gè)次用戶進(jìn)行合作，共同對(duì)頻譜資源進(jìn)行檢測(cè)，在判決之前也需要每個(gè)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(jiǎn)單、復(fù)雜度低的算法，被廣泛應(yīng)用于信號(hào)處理領(lǐng)域。近幾年國(guó)內(nèi)外也有不少學(xué)者將LMS算法應(yīng)用于頻譜感知領(lǐng)域。其中,文獻(xiàn)[13]-[15]將LMS算法與能量檢測(cè)算法相結(jié)合，引入一個(gè)新的代價(jià)函數(shù)來(lái)改變檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量，從而提高能量檢測(cè)法的檢測(cè)能力，但該方法計(jì)算復(fù)雜度較大且針對(duì)單用戶感知提升有限。文獻(xiàn)[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(duì)發(fā)送信號(hào)的幅度進(jìn)行多次迭代估計(jì)，并將該估計(jì)值作為檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量來(lái)進(jìn)行判決檢測(cè)，以此來(lái)提高低信噪比條件下的檢測(cè)概率。但是該算法中的固定步長(zhǎng)不能打破高收斂速度與小穩(wěn)態(tài)誤差同時(shí)共存這一悖論。

本文將基于智能電網(wǎng)的CBMPNs場(chǎng)景，在LMS頻譜感知算法模型中引入變步長(zhǎng)的概念，提出一種基于變步長(zhǎng)的最小均方(Variable Step Size Least Mean Square, VSS-LMS)頻譜感知算法，以此來(lái)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(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065）


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