CN108156666B - 一种面向配电自动化业务的无线专网组网方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向配电自动化业务的无线专网组网方法，包括：建立用于配电终端连接的无线专网网络；对连接入无线专网网络的配电终端，采用准静态资源调配方法为网络中每个配电终端调配通信资源，包括利用资源块调配算法分配分配资源块以及利用最优功率分配算法获取在资源块上的发送功率，包括：定义基站到各配单终端以及反向链路的信道系数，及上下行链路的归一化信道增益；根据资源块分配变量和基站在每个链路资源块上的发送功率，对上下行配电自动化业务上下行数据传输建模优化问题；求解优化问题获得最优解，以得到最优功率分配结果。本发明可以保证单个配电终端的最大通信需求，确保了配电自动化业务传输的可靠性与高效性。

Description

一种面向配电自动化业务的无线专网组网方法

技术领域

本发明涉及一种面向配电自动化业务的无线专网组网方法，属于配电自动化的技术领域。

背景技术

目前配电通信网的主要通信技术包括有线专网、无线专网、中压载波通信和无线公网。有线专网具有高可靠通信、安全隐秘性强、带宽大、系统容量大等特点，但新建有线专网敷设光缆施工难度大，在骨干网应用较多。中压电力线载波利用配电网线路资源实施通信，安装维护简单，但是通信传输衰耗较大，且遇到故障时需要停电检修。无线公网采用运营商已有GPRS网络开展数据传输，无需维护、建设成本低，但是安全保障措施不完善、传输通道稳定性低、传输容量不高。自建无线专网易于实施、带宽容量大、业务数据传输有保障，且安全可靠性强。作为配电通信网的一项重要技术补充，电力无线专网可以充分利用现有光纤资源实现快速部署，从而达到对配电终端延伸覆盖的目的。

如何分析配电自动化业务通信需求与电力无线专网承载能力的适配性，面向业务需求设计无线专网系统，对配电通信网的安全稳定运行有着重要意义。基于标准化的无线通信技术建立了适配的数据传输模式，提出了面向配电自动化业务的无线专网组网方案与空口准静态资源调配方案。结合准静态资源调配技术可以有效地提高配电自动化业务数据传输的可靠性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种面向配电自动化业务的无线专网组网方法，解决结合准静态资源调配技术提高配电自动化业务数据传输的可靠性的问题。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种面向配电自动化业务的无线专网组网方法，包括以下步骤：

建立用于配电终端连接的配电自动化业务的无线专网网络；

对连接入无线专网网络的配电终端，采用准静态资源调配方法为网络中每个配电终端调配通信资源，包括利用资源块调配算法分配资源块以及利用最优功率分配算法获取在资源块上的发送功率；

其中，利用资源块调配算法分配，包括：计算各配电终端平均信道增益并按照升序排列；对排列后的配电终端按照平均信道增益升序排列次序，依次选择出信道增益最大的资源块，并从系统内所有资源块集合中剔除；循环执行以上步骤，直到资源块集合为空集；

以及，利用最优功率分配算法获取在资源块上的发送功率，包括：定义基站到各配电终端以及反向链路的信道系数，及上下行链路的归一化信道增益；根据资源块分配变量和基站在每个链路资源块上的发送功率，对上下行配电自动化业务上下行数据传输建模优化问题；求解优化问题获得最优解，并根据最优解调整下行发送功率以得到最优功率分配结果。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述方法中对上下行配电自动化业务上下行数据传输建模优化问题为：

其约束条件为：

其中，函数[z]⁺＝max(z,0)，p_n,k是基站在每个下行链路资源块上的发送功率；x_n,k是资源块分配变量；

是下行链路的归一化信道增益；

为下行控制类业务数据传输频谱效率；k为基站数；n为配电终端数；p*_n,k是最优功率。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述方法利用二分搜索法求解优化问题获得最优解。

本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：

本发明采用准静态资源调配技术为每个配电终端调配必要的通信资源，包括分配合适的资源块以及在其上的发送功率。该发明针对电力行业无线专网应用需求，分析了配电自动化业务的通信需求，包括数据传输的时延、频度、带宽要求与可接入终端数目；结合3GPP LTE技术标准，由物理层帧结构来确定准静态的资源调配模型；依据该资源调配模型，分别针对上行采集类业务与下行控制类业务，计算了确保配电终端通信需求的终端接入功率要求与资源占用方式。通过仿真分析表明：准静态资源调配方法可以保证单个配电终端的最大通信需求，等价于为每个配电自动化终端分配了固定的通信通道，从而确保了配电自动化业务传输的可靠性与高效性。

附图说明

图1为本发明面向配电自动化业务的无线专网组网方法的原理示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。

如图1所示，本发明设计了一种面向配电自动化业务的无线专网组网方法，一个典型的无线专网小区内需要无线信号覆盖N个配电终端，接着采用准静态资源调配技术，具体为资源块调配算法以及最优功率分配算法为每个配电终端调配必要的通信资源，包括分配合适的资源块以及在其上的发送功率。本方法包括以下步骤：

首先，建立用于配电终端连接的配电自动化业务的无线专网网络。

承载配电自动化业务的电力无线专网系统分为三层，包括骨干通信网、接入通信网和终端层，典型的组网方案如附图1所示。骨干通信网承载核心网到配电自动化主站，以及核心网至地市公司所属的基站基带处理单元之间的通信。接入通信网包括基站、无线拉远单元，其中，基带处理单元(BBU)一般部署在220/110kV变电站，利用变电站内已有机房及通信资源与地市骨干通信网相连，基站铁塔可以建在变电站内，根据配电终端的分布状况，选取合适的供电所/营业厅/线路电力杆/35kV变电站架设多个无线拉远单元(RRU)，消除覆盖盲区，实现配电终端的无缝覆盖。

步骤2、对连接入无线专网网络的配电终端，采用准静态资源调配方法为网络中每个配电终端调配通信资源，包括利用资源块调配算法分配资源块以及利用最优功率分配算法获取在资源块上的发送功率。具体如下:

步骤21、利用资源块调配算法分配，包括：

①计算各配电终端平均信道增益并按照升序排列；

②对排列后的配电终端按照平均信道增益升序排列次序，依次选择出信道增益最大的资源块，并从系统内所有资源块集合Ω中剔除；循环执行以上步骤，直到资源块集合Ω为空集，以完成分配合适的资源块。

步骤22、利用最优功率分配算法获取在资源块上的发送功率，包括：定义基站到各配电终端以及反向链路的信道系数，及上下行链路的归一化信道增益；根据资源块分配变量和基站在每个链路资源块上的发送功率，对上下行配电自动化业务上下行数据传输建模优化问题；求解优化问题获得最优解，以得到最优功率分配结果。具体为：

①定义η^LB＝0，η^UB为一个足够大的正数，η₀＝(η^LB+η^UB)/2，i为循环计数变量，且i＝0。

②对所有配电终端在所调配的资源块集合上根据式(1)，如下：

和约束条件(2)，如下：

利用二分搜索法获得最优的

求解最优功率分配结果。

③若

η^LB＝η_i，否则，η^UB＝η_i。

④η_i+1＝(η^LB+η^UB)/2，i＝i+1，返回步骤2继续执行直到η^UB-η^LB＜ε，ε为一个很小的正数。

本实施例以一个典型的无线专网小区内需要无线信号覆盖N个配电终端为例，根据频率资源分配政策分析可知,系统带宽典型值为10MHz。采用准静态资源调配技术为每个配电终端调配必要的通信资源，包括分配合适的资源块以及在其上的发送功率。定义基站到各配电终端以及反向链路的信道系数分别为：

接收端白噪声功率为σ²，因此可以定义上下行链路的归一化信道增益分别为：

其中，n为配电终端数，k为基站数。

根据3GPP LTE标准，下行采用OFDMA方式接入多个终端完成控制类业务的数据传输。对于下行数据传输，将通过合理的调配资源块与功率资源来满足下行控制类业务数据传输频谱效率不低于

资源块分配变量为：

x_n,k∈{0,1},n＝1,2,...,N,k＝1,2,...,K (5)

基站在每个下行链路资源块上的发送功率为p_n,k,n＝1,2,...,N,k＝1,2,...,K，且基站最大发送功率为P_BS。

上行采用DFT-OFDM方式接入多个配电终端完成采集业务的数据传输，各个配电终端以OFDMA的方式接入，即

同下行数据传输类似，将通过合理的调配资源块与功率资源来满足上行采集类业务数据传输频谱效率不低于

上行发送功率为q_n,k,n＝1,2,...,N,k＝1,2,...,K，各配电终端总发送功率为P_n,n＝1,2,...,N。由于无线专网小区采用同频组网，因此为了降低系统整体干扰水平，同时保证每个配电终端上下行链路数据传输可靠性与有效性，分别针对上下行配电自动化业务上下行数据传输建模优化问题如下：

与

优化问题(6)和(7)表示分别在上下行链路保证各配电终端最低传输频谱利用效率的同时，最小化发送功率之和，可以确保各配电终端恒定的通信通道带宽，同时将同频组网的干扰降到最低，更加保证了网络的稳定性与可靠性。

首先利用二分搜索法来求解优化问题(6)，由于优化问题(6)中包含了连续变量x_n,k和p_n,k离散变量，因此是一个组合优化问题，通过引入松弛变量来离散化连续变量x_n,k至连续区间[0,1]，可以获得一个标准凸优化问题。下面通过分析松弛后的凸优化问题来获得最优解的特性。然后基于最优解特性设计合理的准静态资源调配算法。

其中，λ≥0，

η≥0分别为约束条件(6b)、(6c)和(6d)的拉格朗日乘子。通过将(8)式拉格朗日算子分别对x_n,k和s_n,k求偏导数：

求解(9)式可获得最优功率p*_n,k为：

其中，[z]⁺＝max(z,0)。求解(10)式可获得最优资源块分配为：

其中，

式(12)表明给定功率分配后，将资源块k调配给具备最大H_n,k的配电终端。由于求解(9)式可获得最优功率，求解(10)式可获得最优资源块分配。通过此处得到的结论，进一步分析得出：根据式(13)的资源块调配方法最终有可能会导致某些配电终端由于信道条件不佳而未能获得足够的资源块完成下行通信，因此设计资源调配算法时需要兼顾公平性。为解决问题，进而引入准静态资源调配算法。

从式(13)可以看出，H_n,k关于

单调递增，因此可以得出结论：应当将资源块k调配给信道条件最好的配电终端。根据第2小节的分析，在保证1bit/(s·Hz)的条件下，满足配电自动化控制类业务的下行传输至少需要1个资源块。事实上，根据式(13)的资源块调配方法最终有可能会导致某些配电终端由于信道条件不佳而未能获得足够的资源块完成下行通信，因此设计资源调配算法时需要兼顾公平性。当资源块较少或配电终端并发数较高时，可以适当通过调整下行发送功率，具体为提高下行发送功率来达到下行链路可靠传输的目的，依据以上原理设计了无线专网承载配电自动化业务的准静态资源调配算法。

自建无线专网易于实施、带宽容量大、业务数据传输有保障，且安全可靠性强。在配电网通信中，3GPP提出的第四代移动通信技术LTE是最具有代表性的无线宽带技术，它具有产业链成熟、终端价格低廉、生命周期长等优点。

综上，本发明准静态资源调配方法可以保证单个配电终端的最大通信需求，等价于为每个配电自动化终端分配了固定的通信通道，从而确保了配电自动化业务传输的可靠性与高效性。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (2)

1.一种面向配电自动化业务的无线专网组网方法，其特征在于，包括以下步骤：

建立用于配电终端连接的配电自动化业务的无线专网网络；

对连接入无线专网网络的配电终端，采用准静态资源调配方法为网络中每个配电终端调配通信资源，包括利用资源块调配算法分配资源块以及利用最优功率分配算法获取在资源块上的发送功率；

其中，利用资源块调配算法分配，包括：计算各配电终端平均信道增益并按照升序排列；对排列后的配电终端按照平均信道增益升序排列次序，依次选择出信道增益最大的资源块，并从系统内所有资源块集合中剔除；循环执行以上步骤，直到资源块集合为空集；

以及，利用最优功率分配算法获取在资源块上的发送功率，包括：定义基站到各配电终端以及反向链路的信道系数，及上下行链路的归一化信道增益；根据资源块分配变量和基站在每个链路资源块上的发送功率，对上下行配电自动化业务上下行数据传输建模优化问题，具体为：

其约束条件为：

其中，函数[z]⁺＝max(z,0)，p_n,k是基站在每个下行链路资源块上的发送功率；x_n,k是资源块分配变量；

是下行链路的归一化信道增益；

为下行控制类业务数据传输频谱效率；k为基站数；n为配电终端数；p*_n,k是最优功率；

求解优化问题获得最优解，并根据最优解调整下行发送功率以得到最优功率分配结果。

2.根据权利要求1所述面向配电自动化业务的无线专网组网方法，其特征在于：所述方法利用二分搜索法求解优化问题获得最优解。

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