CN104660703B - 多网络融合用电信息采集系统及最优通信网络的选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了多网络融合用电信息采集系统及最优通信网络的选择方法，系统包括:通信接口服务器，所述通信接口服务器接收异构网络融合资源管理单元采集的不同通信方式上传的数据，经过处理上传给控制中心；所述异构网络融合资源管理单元接收WiMAX接入网关、光交换机和无线公网接入网关上传的数据；所述WiMAX接入网关通过WiMAX网络基站接收用电信息采集终端上传的数据；所述光交换机通过光纤合路器接收用电信息采集终端上传的数据；所述无线公网接入网关通过WiMAX网络基站、LTE网络基站、TD‑SCDMA网络基站或GPRS网络基站接收用电信息采集终端上传的数据。本发明针对提出的多网融合的通信系统，从可靠性和实时性两个方面考虑选择不同具体场景下最优通信接入网络。

Description

多网络融合用电信息采集系统及最优通信网络的选择方法

技术领域

本发明涉及一种多网络融合用电信息采集系统及最优通信网络的选择方法。

背景技术

用电信息采集系统是现代智能电网不可缺少的一部分，其主要功能包括数据采集，数据管理，数据应用，运行维护管理，系统接口信息交互等。

用电信息采集系统的设计旨在通过在采集终端进行电能的数据统计，并及时收集用电信息进行数据分析，掌握用户的用电情况，可以及时的发现电力问题，通过电力控制系统进行故障排除等。

国家明确规定223～231MHz频段15个双频频点和10个单频频点总共40个频点，作为电力专用频段，总带宽为1MHz。在此频段上采用的230MHz-WiMAX通信技术采用了 OFDM/SC-FDE相结合的技术。用电信息采集终端模块至基站的上行通信链路选用SC-FDE，基站到用户终端的下行链路则采用OFDM技术。

OFDM是一种并行多载波调制传输数据技术，使得WiMAX在对抗多径衰落、抗窄带干扰多址接人和信号处理方面显示出明显的优势，而SC-FDE技术，采用单载波传输而保留了OFDM对信息的处理方式，将OFDM发射端的IFFT模块移至接收端，避免了OFDM技术峰平比高，无法很好的实现帧同步的不足，有效综合了单载波和OFDM技术的优点，可以有效对抗信道的频率选择性衰落，满足用电采集系统高速率，大容量的通信传输需求；

除此之外，230MHz WiMAX通过载波聚合技术使得在有限的频率资源中为用电采集系统提供更大的频带，根据不同用户的不同需求，为其分配不同的带宽，实现更高速的传输速率。光纤专网传输速率较高，受外界干扰影响较小，传输时延较小，可靠性高；2G/3G/4G无线公网具有不需要额外铺设网络，覆盖范围广等优势。

现阶段，由于大多数用电信息采集系统只考虑一种通信方式进行数据传输，信息采集效率、成功率都很低，无法满足人们对电力需求可靠实时的要求，并没有根据实际的地理、用户情况和通信环境，选择合适的通信方式，保证用户信息的实时性、可靠性，正成为解决以上问题的完善方案。

电力专用的通信信道保证了信道通畅，负荷管理系统的数据收发延迟小，并且可以避免数据涌堵。然而，目前该频段主要部署的是传输网络独占一个频率资源的230MHz数传电台，而随着各种先进电力设备不断创新，电力采集方面的密度和数据量也在不断增大，不论在设备上还是在技术上，无线电台已经都无法满足现在用电信息采集的需要。除了其本身存在的通信技术问题，比如覆盖受地形影响大、易受突发的电磁波干扰、传输速率很低等，用户规模的增大，信道资源已接近满负荷，系统容量的超负荷，同时对无线专网的安装，运行，维护都需要一定的专业技能才行，尤其是对频段资源利用上的浪费等因素都限制了数传电台通信方式的发展。

光纤专网虽然传输速率较高，受外界干扰影响较小，传输时延较小，可靠性高，但光纤专网的部署有一定难度，特别是在居民小区中，光纤铺设成本较高；2G/3G/4G无线公网具有不需要额外铺设网络的好处，覆盖范围大，但由于网络不被电力系统专有，信息保密性较差，同时由于无线公网的主要业务是移动通信业务，对电力信息传输过程的实时性会有影响，也容易受到外界干扰；

而230MHz WiMAX无线专网具有部署较灵活，不用担心居民小区入户问题，但也面临需要重新铺设网络，并且由于无线环境的开放性，容易受到外界环境的干扰；所以无论单独使用哪一种通信方式都不能很好的解决现今用电信息采集系统的问题。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种多网络融合用电信息采集系统及最优通信网络的选择方法，该发明融合了多种通信方式的优点，并可以通过方案中提供的可靠性、实时性评估方法根据用户所在位置、通信环境、传输信息量等方面对各个通信方式进行选择。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种多网络融合的用电信息采集系统，包括:通信接口服务器，所述通信接口服务器接收异构网络融合资源管理单元采集的不同通信方式上传的数据，经过处理上传给控制中心；

所述异构网络融合资源管理单元接收WiMAX接入网关、光交换机和无线公网接入网关上传的数据；

所述WiMAX接入网关通过WiMAX网络基站接收用电信息采集终端上传的数据；

所述光交换机通过光纤合路器接收用电信息采集终端上传的数据；

所述无线公网接入网关通过WiMAX网络基站、LTE网络基站、TD-SCDMA网络基站或GPRS网络基站接收用电信息采集终端上传的数据。

所述用电信息采集终端设置于每个用电用户处，用于采集用户的用电数据。

所述异构网络融合资源管理单元通过光纤与WiMAX接入网关、光交换机和无线公网接入网关通信。

异构网络融合资源管理单元对接收的不同通信方式的数据处理后，上传至用电信息采集终端。

多网络融合用电信息采集系统的最优通信网络的选择方法，包括以下步骤：

步骤a)：建立可用网络集合；

步骤b)：建立判决参数集合；

步骤c)：根据步骤b)中的判决参数得到步骤a)中可用网络的权重系数集合；

步骤d)：利用步骤c)得到的权重系数集合计算步骤a)中的各网络的网络效用，选取网络效用最大值的网络为多融合接入网络。

所述步骤a)的步骤为：

建立包括5个可用网络的集合W,

W＝{W₁,W₂,W₃,W₄,W₅}

其中，W₁代表GPRS网络，W₂代表TD-SCDMA网络，W₃代表LTE网络，W₄代表WiMAX 网络，W₅代表光纤网络。

所述步骤b)的步骤为：

建立3个影响网络选择的参数列表P,P＝{P₁,P₂,P₃}，形成判决参数集合；

其中，P₁代表集合W中各网络可承载的速率与用户需求速率的比值；P₂代表集合W中网络数据采集成功率，P₃代表集合W中各网络的时延。

所述步骤b)中判决参数集合P中各元素的求取通过以下步骤来实现：

步骤b-1)：求取用户需求传输速率，设用户类型分为低压三相一般工商业、低压单相一般工商业、居民用户和公变考核点用户，根据具体的场景，依据公式(5)计算出该场景下用户对特定通信方式的宽带需求h_{i网络下需求速率}：

h_{i网络下需求速率}＝低压三相一般工商业用户数×其宽带需求

+低压单相一般工商业用户数×其宽带需求 (5)

+居民用户数×其宽带需求

+公变考核点数×其宽带需求

步骤b-2)：根据公式(6)，计算5种通信网络可承载的速率h_{i网络下需求速率}与用户需求速率 h_{i网络下需求速率}的比值h_i1：

i＝1,2,3,4,5 (6)

不同的通信网络可承载的速率h_{i网络承载速率}不同，因此所求取的h_i1也不同，通信网络可承载的速率与用户需求速率的比值越大，说明该通信系统可靠性越高；

步骤b-3)：根据公式(7)计算5种通信网络的数据采集成功率h_i2：

其中，i＝1,2,3，4, 5；

步骤b-4)：根据公式(8)计算5种通信网络的时延h_i3：

i＝1,2,3,4,5 (8)

其中，t代表传输用电信息所需的一定的时间；当某一通信网络用电信息采集传输时间少时，表明该通信系统时延小，说明其通信系统实时性较好。

所述步骤c)的步骤为：

首先建立矩阵H：

其中，h_i,j代表网络W_i中对应P_i判决参数的值；

建立判决参数的权重系数集合X：

X＝(x₁,x₂,x₃)，x₁代表判决指标P₁的权重系数、x₂代表判决指标P₂的权重系数、x₃代表判决指标P₃的权重系数。

所述步骤c)中所述的权重系数集合X的求取，通过以下步骤来实现：

步骤c-1)：建立比较矩阵，建立判决参数之间的两两比较矩阵R；

R＝(r_ij)_3×3

其中，r_ij代表影响判决的第i个参数与第j个参数之间的重要程度比较的参考值；由r_ij的定义可知：r_ii＝1，

步骤c-2)：计算乘积并求3次根，首先计算矩阵R中每一行元素的乘积，计算公式如(2) 所示：

再根据公式(3)计算A_i的3次方根

步骤c-3)：计算权重集合X，对向量根据公式(4)做进一步归一化处理，得到每个参数的权重系数x_i；

进而获取判决参数的权重系数集合X＝(x₁,x₂,x₃)。

所述步骤d)的步骤为：

各个网络的网络效用z_i的计算采用每个参数权重和该参数下的计算测量值的乘积加权得到，其计算公式如公式(1)所示：

z_i＝x₁h_i1+x₂h_i2-x₃h_i3，i＝1,2,3,4,5； (1)

网络可承载的速率与用户需求速率的比值P₁、网络数据采集成功率P₂这两个参数体现了网络可靠性，是越大越好型的参数；

网络时延P₃体现了网络实时性，是越小越好型的参数；因此为了保证用电数据的可靠、实时传输，通过计算，选取z_i的最大值所对应的网络作为多融合的接入网络。

所述步骤c-1)中矩阵R的元素r_ij的取值如表1所示：

表1

i与j重要性比较	相等	较强	强	很强	绝对强
						rij	1	3	5	7	9

第i个参数相对于第j个参数相比较分别为相等、较强、强、很强、绝对强时，r_ij的取值分别为1、3、5、7、9。

所述步骤b-1)中不同用户的宽带需求如表2所示：

表2

其中，宽带需求的单位为bps；LTE网络、TD-SCDMA网络和GPRS网络下用户的宽带需求均与无线公网相同。

本发明的有益效果是：本发明提出了一种应用于用电信息采集系统中的基于230MHz WiMAX和多网融合的通信信道解决方案，并针对提出的多网融合的通信系统从可靠性和实时性两个方面考虑选择不同具体场景下最优通信接入网络。

与传统用电信息采集系统中的单一网络通信信道相比，该发明融合了多种通信方式的优点，并可以通过方案中提供的可靠性、实时性评估方法根据用户所在位置、通信环境、传输信息量等方面对各个通信方式进行选择，利用异构网络融合资源管理，最终选定在具体采集场景下最优采集系统接入网络，实现在多种通信方案之间进行实时动态切换，保证用户用电信息传输的及时性和可靠性。

附图说明

图1为本发明的多网络融合的用电信息采集系统的原理图。

图中：1用电信息采集终端，2WiMAX网络基站，3LTE网络基站，4TD-SCDMA网络基站，5GPRS网络基站，6光纤合路器，7WiMAX接入网关，8无线公网接入网关，9光交换机，10异构网络融合资源管理单元，11通信接口服务器。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，给出了本发明的多网络融合的用电信息采集系统的原理图，其由用电信息采集终端1、WiMAX网络基站2、LTE网络基站3、TD-SCDMA网络基站4、GPRS网络基站5、光纤合路器6、异构网络融合资源管理单元10、通信接口服务器11；用电信息采集终端1设置于用电用户处，对用户的用电数据进行采集。用电信息采集终端1采集的用电数据，通过WiMAX网络基站2、LTE网络基站3、TD-SCDMA网络基站5、光纤合路器6进行上传，本发明就是要建立这种多网融合的用电信息采集系统，并选择出最优的网络进行上传，以保证上传数据的稳定性和时效性。

WiMAX网络基站2通过WiMAX接入网关7进行协议转换并上传数据，光纤合路器6 采集的数据经光交换机9上传数据，LTE网络基站3、TD-SCDMA网络基站4、GPRS网络基站5均通过无线公网接入网关8进行上传数据。所述WiMAX接入网关7、光交换机9和无线公网接入网关8均通过光纤与异构网络融合资源管理单元10相连接，异构网络融合资源管理单元10将不同网络上传的数据进行整合、处理后，再上传至通信接口服务器11。

本发明的方法，通过以下步骤来实现：

a).建立可用网络集合，建立包括5个可用网络的集合W,

W＝{W₁,W₂,W₃,W₄,W₅}

其中，W₁代表GPRS网络，W₂代表TD-SCDMA网络，W₃代表LTE网络，W₄代表WiMAX 网络，W₅代表光纤专用网络；

b).建立判决参数集合，建立3个影响网络选择的参数列表P,P＝{P₁,P₂,P₃}，形成判决参数集合；

其中，P₁代表集合W中各网络可承载的速率与用户需求速率的比值；P₂代表集合W中网络数据采集成功率，P₃代表集合W中各网络的时延；

该步骤中，判决参数集合P中各元素的求取通过以下步骤来实现：

b-1).求取用户需求传输速率，设用户类型分为低压三相一般工商业、低压单相一般工商业、居民用户和公变考核点用户，根据具体的场景，依据公式(5)计算出该场景下用户对特定通信方式的宽带需求h_{i网络下需求速率}：

h_{i网络下需求速率}＝低压三相一般工商业用户数×其宽带需求

+低压单相一般工商业用户数×其宽带需求(5)

+居民用户数×其宽带需求

+公变考核点数×其宽带需求

该步骤中，不同用户的宽带需求可按表2进行取值：

表2

其中，宽带需求的单位为bps；LTE网络、TD-SCDMA网络和GPRS网络下用户的宽带需求均与无线公网相同。

b-2).根据公式(6)，计算5种通信网络可承载的速率h_{i网络下需求速率}与用户需求速率h_{i网络下需求速率}的比值h_i1：

i＝1,2,3,4,5 (6)

不同的通信网络可承载的速率h_{i网络承载速率}不同，因此所求取的h_i1也不同，通信网络可承载的速率与用户需求速率的比值越大，说明该通信系统可靠性越高；

b-3).根据公式(7)计算5种通信网络的数据采集成功率h_i2：

其中，i＝1,2,3，4, 5；

b-4).根据公式(8)计算5种通信网络的时延h_i3：

i＝1,2,3,4,5 (8)

其中，t代表传输用电信息所需的一定的时间；当某一通信网络用电信息采集传输时间少时，表明该通信系统时延小，说明其通信系统实时性较好。

c).建立权重系数集合，

首先建立矩阵H：

其中，h_i,j代表网络W_i中对应P_i判决参数的值；

建立判决参数的权重系数集合X：

X＝(x₁,x₂,x₃)，x₁、x₂、x₃分别代表判决指标P₁、P₂、P₃的权重系数；

该步骤中，所述的权重系数集合X的求取，可通过以下步骤来实现：

c-1).建立比较矩阵，建立判决参数之间的两两比较矩阵R；

R＝(r_ij)_3×3

其中，r_ij代表影响判决的第i个参数与第j个参数之间的重要程度比较的参考值；由r_ij的定义可知：r_ii＝1，

该步骤中，矩阵R的元素r_ij的取值可按表1进行取值：

表1

i与j重要性比较	相等	较强	强	很强	绝对强
						rij	1	3	5	7	9

第i个参数相对于第j个参数相比较分别为相等、较强、强、很强、绝对强时，r_ij的取值分别为1、3、5、7、9。

c-2).计算乘积并求3次根，首先计算矩阵R中每一行元素的乘积，计算公式如(2)所示：

再根据公式(3)计算A_i的3次方根

c-3).计算权重集合X，对向量根据公式(4)做进一步归一化处理，得到每个参数的权重系数x_i；

进而获取判决参数的权重系数集合X＝(x₁,x₂,x₃)。

d).建立网络效用计算公式和选取网络，各个网络的网络效用z_i的计算采用每个参数权重和该参数下的计算测量值的乘积加权得到，其计算公式如公式(1)所示：

z_i＝x₁h_i1+x₂h_i2-x₃h_i3，i＝1,2,3,4,5； (1)

网络可承载的速率与用户需求速率的比值P₁、网络数据采集成功率P₂这两个参数体现了网络可靠性，是越大越好型的参数；网络时延P₃体现了网络实时性，是越小越好型的参数；因此为了保证用电数据的可靠、实时传输，通过计算，选取z_i的最大值所对应的网络作为多融合的接入网络。

与传统用电信息采集系统中的单一网络通信信道相比，该发明融合了多种通信方式的优点，并可以通过方案中提供的可靠性、实时性评估方法根据用户所在位置、通信环境、传输信息量等方面对各个通信方式进行评估，利用异构网络融合资源管理，最终选定在具体采集场景下最优采集系统接入网络，实现在多种通信方案之间进行实时动态切换，保证用户用电信息传输的及时性和可靠性。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.多网络融合用电信息采集系统的最优通信网络的选择方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤a)：建立可用网络集合；

步骤b)：建立判决参数集合；所述步骤b)的步骤为：

建立3个影响网络选择的参数列表P,P＝{P₁,P₂,P₃}，形成判决参数集合；

其中，P₁代表集合W中各网络可承载的速率与用户需求速率的比值；P₂代表集合W中网络数据采集成功率，P₃代表集合W中各网络的时延；

步骤c)：根据步骤b)中的判决参数得到步骤a)中可用网络的权重系数集合；

步骤d)：利用步骤c)得到的权重系数集合计算步骤a)中的各网络的网络效用，选取网络效用最大值的网络为多融合接入网络；

所述多网络融合的用电信息采集系统，包括：通信接口服务器，所述通信接口服务器接收异构网络融合资源管理单元采集的不同通信方式上传的数据，经过处理上传给控制中心；

所述异构网络融合资源管理单元接收WiMAX接入网关、光交换机和无线公网接入网关上传的数据；

所述WiMAX接入网关通过WiMAX网络基站接收用电信息采集终端上传的数据；

所述光交换机通过光纤合路器接收用电信息采集终端上传的数据；

所述无线公网接入网关通过WiMAX网络基站、LTE网络基站、TD-SCDMA网络基站或GPRS网络基站接收用电信息采集终端上传的数据。

2.如权利要求1所述的多网络融合用电信息采集系统的最优通信网络的选择方法，其特征是，所述步骤a)的步骤为：

建立包括5个可用网络的集合W,

W＝{W₁,W₂,W₃,W₄,W₅}

其中，W₁代表GPRS网络，W₂代表TD-SCDMA网络，W₃代表LTE网络，W₄代表WiMAX网络，W₅代表光纤网络。

3.如权利要求1所述的多网络融合用电信息采集系统的最优通信网络的选择方法，其特征是，所述步骤b)中判决参数集合P中各元素的求取通过以下步骤来实现：

步骤b-1)：求取用户需求传输速率，设用户类型分为低压三相一般工商业、低压单相一般工商业、居民用户和公变考核点用户，根据具体的场景，依据公式(5)计算出该场景下用户对特定通信方式的宽带需求h_{i网络下需求速率}：

h_{i网络下需求速率}＝低压三相一般工商业用户数×其宽带需求

+低压单相一般工商业用户数×其宽带需求 (5)

+居民用户数×其宽带需求

+公变考核点数×其宽带需求

步骤b-2)：根据公式(6)，计算5种通信网络可承载的速率h_{i网络承载速率}与用户需求速率h_{i网络下需求速率}的比值h_i1：

i＝1,2,3,4,5 (6)

不同的通信网络可承载的速率h_{i网络承载速率}不同，因此所求取的h_i1也不同，通信网络可承载的速率与用户需求速率的比值越大，说明该通信系统可靠性越高；

步骤b-3)：根据公式(7)计算5种通信网络的数据采集成功率h_i2：

其中，i＝1,2,3，4, 5；

步骤b-4)：根据公式(8)计算5种通信网络的时延h_i3：

i＝1,2,3,4,5 (8)

其中，t代表传输用电信息所需的一定的时间；当某一通信网络用电信息采集传输时间少时，表明该通信系统时延小，说明其通信系统实时性较好。

4.如权利要求1所述的多网络融合用电信息采集系统的最优通信网络的选择方法，其特征是，所述步骤c)的步骤为：

首先建立矩阵H：

其中，h_i,j代表网络W_i中对应P_i判决参数的值；

建立判决参数的权重系数集合X：

X＝(x₁,x₂,x₃)，x₁代表判决指标P₁的权重系数、x₂代表判决指标P₂的权重系数、x₃代表判决指标P₃的权重系数。

5.如权利要求4所述的多网络融合用电信息采集系统的最优通信网络的选择方法，其特征是，所述步骤c)中所述的权重系数集合X的求取，通过以下步骤来实现：

步骤c-1)：建立比较矩阵，建立判决参数之间的两两比较矩阵R；

R＝(r_ij)_3×3

其中，r_ij代表影响判决的第i个参数与第j个参数之间的重要程度比较的参考值；由r_ij的定义可知：r_ii＝1，

步骤c-2)：计算乘积并求3次根，首先计算矩阵R中每一行元素的乘积，计算公式如(2)所示：

再根据公式(3)计算A_i的3次方根

步骤c-3)：计算权重集合X，对向量根据公式(4)做进一步归一化处理，得到每个参数的权重系数x_i；

进而获取判决参数的权重系数集合X＝(x₁,x₂,x₃)。

6.如权利要求1所述的多网络融合用电信息采集系统的最优通信网络的选择方法，其特征是，所述步骤d)的步骤为：

各个网络的网络效用z_i的计算采用每个参数权重和该参数下的计算测量值的乘积加权得到，其计算公式如公式(1)所示：

z_i＝x₁h_i1+x₂h_i2-x₃h_i3，i＝1,2,3,4,5； (1)

网络可承载的速率与用户需求速率的比值P₁、网络数据采集成功率P₂这两个参数体现了网络可靠性，是越大越好型的参数；

网络时延P₃体现了网络实时性，是越小越好型的参数；因此为了保证用电数据的可靠、实时传输，通过计算，选取z_i的最大值所对应的网络作为多融合的接入网络。

7.如权利要求5所述的多网络融合用电信息采集系统的最优通信网络的选择方法，其特征是，所述步骤c-1)中矩阵R的元素r_ij的取值如表1所示：

表1

i与j重要性比较 相等 较强 强 很强 绝对强 r_ij 1 3 5 7 9

第i个参数相对于第j个参数相比较分别为相等、较强、强、很强、绝对强时，r_ij的取值分别为1、3、5、7、9。

8.如权利要求3所述的多网络融合用电信息采集系统的最优通信网络的选择方法，其特征是，所述步骤b-1)中不同用户的宽带需求如表2所示：

表2

其中，宽带需求的单位为bps；LTE网络、TD-SCDMA网络和GPRS网络下用户的宽带需求均与无线公网相同。