CN108900325A - 一种电力通信业务与无线专网技术的适配性评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力通信业务与无线专网技术的适配性评估方法，将网络看作一系列通信链路的集合，确定智能电网业务与无线通信技术间的适配性评估框架，分析电力业务需求输入以及对应的无线技术，给出适配性评估结果。然后对于电力业务的特点展开分析，确定各类业务的需求指标。本发明分别从智能电网配用电测的业务特点以及智能电网网络拓扑结构展开研究，确定了各类电力业务的业务特点以及评估指标。本发明提出的电力业务与通信技术适配性评估框架可以为智能电网业务选择最优的无线通信技术，构建更加高效，可靠的通信环境，同时也能更加充分的利用无线通信技术，提高无线资源利用率。

Description

一种电力通信业务与无线专网技术的适配性评估方法

技术领域

本发明涉及一种电力通信业务与无线专网技术的适配性评估方法，属于智能电网技术领域。

背景技术

目前，基于无线通信的智能电网业务不仅具备传统的电能输送功能，更是资源优化配置的载体。它将现代的信息通信技术应用于电网业务，实现了高度的信息化、自动化及互动化，符合社会的经济发展的必然要求。在智能电网环境中，存在着各种各样的电力业务需求，例如：负载管理、实时定价、自动抄表(AMR)、高级计量基础设施(AMI)、分布式发电等。其中由于不同的电力业务间业务属性的差异性，也就对应着不同的业务需求。

通信网络是电力业务智能化的基础，为各类电力业务的承载提供安全、可靠、高效的传输通信，各类通信网络技术与电力业务紧密耦合。目前有多种成熟的无线接入技术可以为电力业务终端提供接入，特别是无线专网技术，包括1.8G TD-LTE以及LTE 230，这些通信技术给电力业务提供更高的服务质量，更低的建设成本以及更可靠的安全保障。无线专网技术不但有效的解决了光纤通信成本高且公网可靠性低等问题，同时对智能电网的进一步发展提供了数据及技术支持。

随着无线接入技术的发展，以及电力业务的多样性，需要根据不同电力业务的需求选择合适的接入技术，建设高效、可靠的智能电网。但是传统的终端通信网络接入技术选择时(特别是无线专网)，并未考虑不同业务的不同需求，为其适配合适的接入技术，同时目前的电力业务与通信技术的适配过程仅为简单的依循一些简单的技术评估指标，这些适配指标的选取不仅不够全面，同时也没有明确的适配性评估方法。这将导致无线通信网络资源利用率不高、可扩展性不足、可靠性不够等问题。因此亟待提出一种通用的适配性分析模型来根据不同电力业务的需求适配不同的无线通信技术、构建高效、灵活、可靠的智能电网。下面简要介绍几种电力业务与通信技术适配性评估策略：

方案1：专利号CN201510496630.7提供了一种配用电业务与通信技术的适配方法。该方法根据业务需求、应用场景和发展状况提取出一级适配指标，其具体为技术类指标、经济类指标和发展类指标。然后采用层次分析法对一级适配指标分解，形成若干级子指标，构建了适配指标体系，然后采用德费尔法计算各级指标权重，最后迭代计算给出综合适配结果。

方案1:该方案通过对业务需求、应用场景和发展状况提取共性指标。在共性指标基础上进一步细化到各级子指标，通过将最低一级子指标对应的通信需求值与配用电通信技术对该子指标的满足程度进行比较，以此来评判配用电业务与通信技术的适配性情况。该方案给出了各项评估指标的详细论述，但是并没有给出各项指标的具体值，很多是理论计算和经验分析，不具有普遍适用性。

方案2:专利号CN201410673883.2提供了一种多目标决策的电力通信接入网设计评价方法。可以根据用户需求确定对应的评价指标和评价方法，并且根据用户需求加权和不同指标间的相互影响，得出综合评价结果。该方法能够对于通信接入网的经济性、可靠性、技术性和安全性给出全面的评价，促进电力通信网的改进并提升网络设计及规划水平。

方案2：该方案基于各类电力业务特点，综合考虑经济性指标、可靠性指标和安全性指标建立了评价指标库和评价方法库。根据用户查询需求结合标准规范及设计方案所对于的评价指标为索引，得出综合评估结果，为电力通信接入网设计方案的评价和改进提供参考，但是，该方法只是针对各类电力业务需求及通信网络状态构建评价指标，没有结合各类通信网络的网络模型及通信环境进行分析，不能从根本上选取最优的通信网络，提高网络资源利用率，提升电力业务服务质量。

方案3:专利号CN201710508923.1提供了一种配用电业务与通信方式的匹配方法。该方法通过获取到的配用电业务终端信息和可用通信方式信息，结合配用电业务的性能需求，对于可用的通信技术承载各配用电业务终端时的业务性能展开评估，计算区域内各配用电业务终端与各可用通信方式的技术匹配度，选取最优的配用电通信方式。

方案3:该方案综合考虑了各配用电业务性能需求和可用通信技术的通信技术值，根据各配用电业务终端承载所对应业务类型时使用的可用通信技术的通信技术值和所述配用电业务性能需求，计算各配用电业务终端与各可用通信技术方式的技术匹配度。然而该方法对于计算电力业务终端与可用通信方式的技术匹配度和成本没有给出具体的指标体系，也没有考虑技术匹配度和成本指标之间的关系，因此不能给出可信的电力业务和通信技术的适配性评估结果。

发明内容

目的：为了克服现有技术中存在的不足，在智能电网环境中，依据不同的电力业务需求，本发明提供一种电力通信业务与无线专网技术的适配性评估方法，通过对各类电力业务展开研究，确定各类业务的不同需求，针对电力业务特点构建无线通信技术与电力业务适配性评估框架，从而更好的选择合适的无线技术来构建高效、灵活、可靠的智能电网通信网络，提高无线专网资源利用率，并给用户带来更好的业务体验。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种电力通信业务与无线专网技术的适配性评估方法，包括如下步骤：

步骤1：信道传播模型的确定；

步骤2：物理层模型计算系统中断概率；

步骤3：系统覆盖能力分析模型的确定；

步骤4：确定链路流量特征；

步骤5：适配性分析。

作为优选方案，所述步骤1包括：

1-1：业务链路所处的环境特征决定了信道传播模型，环境特征包括：大城市、中小城市、郊区、乡村；

1-2：对于基于LTE的无线专网，选择的信道传播模型为Okumura-Hata模型；

1-3：不同传播环境下，Okumura-Hata模型基本路径损耗计算为：

L₅₀dB＝69.55+26.16log₁₀f_c-13.82log₁₀h_tea h_re+[44.9-6.55log₁₀h_te]log₁₀d+C_cell+C_terrain

式中f_c(MHz)为工作频率；h_te(m)为基站天线有效高度；h_re(m)为移动台有效天线高度；d(km)为基站天线和移动台天线之间的水平距离；

C_cell为小区类型校正因子

C_terrain为地形校正因子，地形校正因子反映一些重要的地形环境因素对路径损耗的影响。

作为优选方案，所述步骤2包括：

2-1：定义中断概率为接收信噪比SNR低于操作链路所需的SNR的概率；

2-2：所需的信噪比取决于所考虑的无线技术，并作为分析的输入；

2-3：所接收的SNR被建模为具有基于发射机-接收机分离距离的确定性分量和由于阴影衰落引起的随机分量；

2-4：对于基于距离的确定性分量，假定路径损耗与距离为Okumura-Hata模型，对于阴影衰落，本发明假设其为对数正态分布；

2-5：距离d的中断概率是接收信号强度小于所需信号强度的概率：

其中X是由于阴影衰落的随机衰减，F_X(x)是随机变量X的累积分布函数cdf；

基于对数正态阴影的假设，阴影衰减XdB被建模为具有零均值和标准偏差为σ的高斯随机变量。

作为优选方案，所述步骤3包括：

对于某特定的无线技术所要求的在电力通信最小信号干扰噪声比γ_th下，为了保证电力通信系统的正常运行，发射机-接收机之间的最大传输距离D_max需要满足：

其中，P^T表示发射机的发射功率，N₀表示高斯白噪声，α是路损指数，为阴影衰落。

作为优选方案，所述步骤4包括：

4-1：给定智能电网网络链路拓扑结构，将电力通信业务需求转换为链路需求，以便分析每条链路上的业务流量；

4-2：每条链路上的业务流量由聚合链路消息速率和平均链路消息大小量化；

4-3：假设由不同来源产生的业务应用流量被建模为独立的泊松过程，其生成速率为和消息大小执行如下转换：假定每个业务应用索引i＝1,…,N_app来表示，其中N_app是业务应用总数；如果应用流量在链路(j,k)上流动，则将布尔变量设置为1，否则为0，那么链路(j,k)的聚合消息速率表示为：

作为优选方案，所述步骤5包括：

5-1：覆盖能力分析：

对于不同的通信技术，结合通信环境，需要选择合适信道传播模型来确定路径损耗，在不同的电力业务服务区域，大城市、中小城市、乡村、郊区，不同的并发用户规模下，结合特定电力业务的业务距离，依据步骤3，计算出该无线通信技术可支持的最大传播距离D_max，当特定的电力通信业务所要求的最大发射机和接收机通信距离D_TX-_RX≤D_max时，表明该无线技术可以满足该电力通信业务的覆盖要求，否则不满足；

5.2可靠性分析：

根据步骤2，针对不同的通信技术，结合其信干噪比约束，确定该无线系统中断概率P_out，当特定的电力业务中断概率要求小于P_out时，则会由于该通信系统频繁的中断导致业务故障而无法满足电力通信业务的可靠性需求；否则，该无线技术可以满足该电力业务的可靠性要求；

5.3系统吞吐量分析：

依据步骤4，确定系统的消息传播速率对于特定的电力通信业务有着吞吐量要求，其在j,k节点之间的单位时间内的吞吐量要求大于时，则表明该通信技术无法满足该业务需求，不能满足，否则满足。

有益效果：本发明提供的一种电力通信业务与无线专网技术的适配性评估方法，构建了电力业务与无线专网通信技术的适配性评估模型，该模型能够综合考虑到无线通信技术的信道传播模型情况，计算出无线通信技术的最大覆盖范围，然后分析MAC层传播情况，给出设备发射故障概率及信噪比。根据信道质量来评判其对不同电力业务的接入条件，满足需求，则可以接入该业务，否则，拒绝该业务接入。能够根据不同的电力业务请求，给出其需求评估指标，根据需求评估指标对无线通信技术进行筛选，选择最符合的无线通信技术进行适配。其优点如下：

1、根据电力业务与无线通信技术适配性评估模型，能够评估不同的电力业务与不同的无线专网技术的适配性情况，保障电力业务服务质量。

2、根据本发明给出的电力业务需求指标，可以对于无线通信技术的服务质量给出评估，从而选择最佳的无线通信技术，提升了无线资源利用率。

附图说明

图1为本发明方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，一种电力通信业务与无线专网技术的适配性评估方法，构建智能电网业务与无线通信技术适配性评估框架，根据电力业务需求，给出其与特定无线通信技术的适配性分析结果。其具体过程为：

将网络看作一系列通信链路的集合，确定智能电网业务与无线通信技术间的适配性评估框架，其主要由信道传播模型、覆盖分析模型、物理层模型和MAC层模型所组成。首先根据业务链路所处的环境(大城市/中小城市/郊区/乡村)特征决定信道传播模型，由信道传播模型确定路径损耗。根据路径损耗进一步确定系统中断概率，系统的中断标准用覆盖区域中所有位置的平均中断概率表示。对于系统的覆盖能力会受到多种因素的影响，在给定了系统最大中断概率下可确定系统最大覆盖范围，确定该无线通信技术是否适合链接一对特定的节点、在点对多点安排中支持的节点数量以及由此产生的网络拓扑，同时测算该技术针对该业务的可靠性。

此外，将电力业务需求转换为了链路需求，以分析每个链路上的流量。最后针对确定的链路流量特征和覆盖区域，采用MAC模型来测量可靠性、吞吐量和吞吐量方面的链路性能，以此确定无线技术和电力通信业务的适配性。

本发明所提出的电力业务与通信技术适配性评估框架为智能电网业务选择最优的无线通信技术，构建更加高效，可靠的通信环境，同时也能更加充分的利用无线通信技术，提高无线资源利用率。

整个过程包括四个步骤：信道传播模型的确定、物理层模型计算系统中断概率、系统覆盖能力分析以及链路性能评估。

步骤1：信道传播模型的确定：

对于不同无线通信技术，选择其合适的信道传播模型，对其信道传播质量展开评估；

业务链路所处的环境(大城市/中小城市/郊区/乡村)特征决定了信道传播模型。对于基于LTE的无线专网，选择的信道传播模型为Okumura-Hata模型，该模型根据实测数据建立，提供的数据较齐全，应用较广泛，频率在150-1920MHz频段。

不同传播环境下，Okumura-Hata模型基本路径损耗计算为：

L₅₀dB＝69.55+26.16log₁₀f_c-13.82log₁₀h_tea h_re+[44.9-6.55log₁₀h_te]log₁₀d+C_cell+C_terrain

式中f_c(MHz)为工作频率；h_te(m)为基站天线有效高度；h_re(m)为移动台有效天线高度；d(km)为基站天线和移动台天线之间的水平距离；

C_cell为小区类型校正因子

C_terrain为地形校正因子。地形校正因子反映一些重要的地形环境因素对路径损耗的影响。

步骤2：物理层模型计算系统中断概率：

中断判断标准是无线发射机-接收机链路不可操作的概率。由于RF传播的不可预测的行为，中断使用概率表示，考虑到由于障碍物和反射引起的可能损耗，其通常被建模为随机过程。

本发明定义中断概率为接收信噪比(SNR)低于操作链路所需的SNR的概率。所需的信噪比取决于所考虑的无线技术，并作为分析的输入。所接收的SNR被建模为具有基于发射机-接收机分离距离的确定性分量和由于阴影衰落引起的随机分量。对于基于距离的确定性分量，本发明假定路径损耗与距离为Okumura-Hata模型。对于阴影衰落，本发明假设其为对数正态分布。

距离d的中断概率是接收信号强度小于所需信号强度的概率：

其中X是由于阴影衰落的随机衰减，F_X(x)是随机变量X的累积分布函数(cdf)。

基于对数正态阴影的假设，阴影衰减X_dB被建模为具有零均值和标准偏差为σ的高斯随机变量。

步骤3：系统覆盖能力分析模型：

通过物理层模型提供的中断概率和信道传播模型给定的路径损耗，覆盖分析模型确定满足信号噪声干扰比约束下的最大发射机-接收机(TX-RX)距离。物理层模型为MAC层模型提供了在受到来自同一覆盖区域内的其他设备的干扰时传输失败的中断概率。当接收到的信号干扰噪声比(SINR)低于无线技术所要求的水平时，传输失败。对于某特定的无线技术所要求的在电力通信最小信号干扰噪声比γ_th下，为了保证电力通信系统的正常运行，发射机-接收机之间的最大传输距离D_max需要满足：

其中，P^T表示发射机的发射功率，N₀表示高斯白噪声，α是路损指数，ξ为阴影衰落。

步骤4：确定链路流量特征：

给定智能电网网络链路拓扑结构，将电力通信业务需求转换为链路需求，以便分析每条链路上的业务流量。链路(j,k)表示从j到k的下行消息流；一般来说，链路是不对称的，所以让链路(k,j)表示从k到j的上行消息流。每条链路上的业务流量由聚合链路消息速率和平均链路消息大小量化。假设由不同来源产生的业务应用流量被建模为独立的泊松过程，其生成速率为和消息大小执行如下转换：假定每个业务应用索引i＝1,…,N_app来表示，其中N_app是业务应用总数。如果应用流量在链路(j,k)上流动，则将布尔变量设置为1，否则为0，那么链路(j,k)的聚合消息速率表示为：

步骤5：适配性分析：

5.1覆盖能力分析：

在电网环境中，每种业务对应的终端数量差异明显，且终端行为存在突发性。在LTE网络覆盖分析中，终端数量也是不可缺少的一个影响因素。对于同一个蜂窝小区，相同的带宽分配下，用户数量越多，则边缘覆盖越差，从而导致有效覆盖范围降低。

对于不同的通信技术，结合通信环境，需要选择合适信道传播模型来确定路径损耗，在不同的电力业务服务区域(大城市、中小城市、乡村、郊区)，不同的并发用户规模下，结合特定电力业务的业务距离，依据步骤3，本发明算出该无线通信技术可支持的最大传播距离D_max，当特定的电力通信业务所要求的最大发射机和接收机通信距离D_TX-_RX≤D_max时，表明该无线技术可以满足该电力通信业务的覆盖要求，否则不满足。

5.2可靠性分析：

中断评判标准是表示电力业务设备受到来自同一覆盖区域内的其它设备的干扰时传输失败的中断概率。由于无线信号传播的不可预测的行为，所以以概率的形式表示。其受到系统信干噪比的约束，根据步骤2，针对不同的通信技术，结合其信干噪比约束，确定该无线系统中断概率P_out，当特定的电力业务中断概率要求小于P_out时，则会由于该通信系统频繁的中断导致业务故障而无法满足电力通信业务的可靠性需求；否则，该无线技术可以满足该电力业务的可靠性要求。

5.3系统吞吐量分析：

对于不同的无线专网技术，其有不同的资源分配策略，不同的资源块数量，其资源块大小也是不一致的，这样在不同的电力业务场景下，由于终端数量不同，以及数据包大小不同，会导致网络负载差别很大，结合链路流量特征，依据步骤4，本发明确定系统的消息传播速率对于特定的电力通信业务有着吞吐量要求，其在j,k节点之间的单位时间内的吞吐量要求大于时，则表明该通信技术无法满足该业务需求，不能适配，否则适配。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种电力通信业务与无线专网技术的适配性评估方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：信道传播模型的确定；

步骤2：物理层模型计算系统中断概率；

步骤3：系统覆盖能力分析模型的确定；

步骤4：确定链路流量特征；

步骤5：适配性分析。

2.根据权利要求1所述的一种电力通信业务与无线专网技术的适配性评估方法，其特征在于：所述步骤1包括：

1-1：业务链路所处的环境特征决定了信道传播模型，环境特征包括：大城市、中小城市、郊区、乡村；

1-2：对于基于LTE的无线专网，选择的信道传播模型为Okumura-Hata模型；

1-3：不同传播环境下，Okumura-Hata模型基本路径损耗计算为：

L₅₀dB＝69.55+26.16log₁₀f_c-13.82log₁₀h_te-a h_re+[44.9-6.55log₁₀h_te]log₁₀d+C_cell+C_terrain

式中f_c(MHz)为工作频率；h_te(m)为基站天线有效高度；h_re(m)为移动台有效天线高度；d(km)为基站天线和移动台天线之间的水平距离；

C_cell为小区类型校正因子

C_terrain为地形校正因子，地形校正因子反映一些重要的地形环境因素对路径损耗的影响。

3.根据权利要求1所述的一种电力通信业务与无线专网技术的适配性评估方法，其特征在于：所述步骤2包括：

2-1：定义中断概率为接收信噪比SNR低于操作链路所需的SNR的概率；

2-2：所需的信噪比取决于所考虑的无线技术，并作为分析的输入；

2-3：所接收的SNR被建模为具有基于发射机-接收机分离距离的确定性分量和由于阴影衰落引起的随机分量；

2-4：对于基于距离的确定性分量，假定路径损耗与距离为Okumura-Hata模型，对于阴影衰落，本发明假设其为对数正态分布；

2-5：距离d的中断概率是接收信号强度小于所需信号强度的概率：

其中X是由于阴影衰落的随机衰减，F_X(x)是随机变量X的累积分布函数cdf；

基于对数正态阴影的假设，阴影衰减X_dB被建模为具有零均值和标准偏差为σ的高斯随机变量。

4.根据权利要求1所述的一种电力通信业务与无线专网技术的适配性评估方法，其特征在于：所述步骤3包括：

对于某特定的无线技术所要求的在电力通信最小信号干扰噪声比γ_th下，为了保证电力通信系统的正常运行，发射机-接收机之间的最大传输距离D_max需要满足：

其中，P^T表示发射机的发射功率，N₀表示高斯白噪声，α是路损指数，ξ为阴影衰落。

5.根据权利要求1所述的一种电力通信业务与无线专网技术的适配性评估方法，其特征在于：所述步骤4包括：

4-1：给定智能电网网络链路拓扑结构，将电力通信业务需求转换为链路需求，以便分析每条链路上的业务流量；

4-2：每条链路上的业务流量由聚合链路消息速率和平均链路消息大小量化；

4-3：假设由不同来源产生的业务应用流量被建模为独立的泊松过程，其生成速率为和消息大小执行如下转换：假定每个业务应用索引i＝1,…,N_app来表示，其中N_app是业务应用总数；如果应用流量在链路(j,k)上流动，则将布尔变量设置为1，否则为0，那么链路(j,k)的聚合消息速率表示为：

6.根据权利要求1所述的一种电力通信业务与无线专网技术的适配性评估方法，其特征在于：所述步骤5包括：

5-1：覆盖能力分析：

对于不同的通信技术，结合通信环境，需要选择合适信道传播模型来确定路径损耗，在不同的电力业务服务区域，大城市、中小城市、乡村、郊区，不同的并发用户规模下，结合特定电力业务的业务距离，依据步骤3，计算出该无线通信技术可支持的最大传播距离D_max，当特定的电力通信业务所要求的最大发射机和接收机通信距离D_TX-RX≤D_max时，表明该无线技术可以满足该电力通信业务的覆盖要求，否则不满足；

5.2可靠性分析：

根据步骤2，针对不同的通信技术，结合其信干噪比约束，确定该无线系统中断概率P_out，当特定的电力业务中断概率要求小于P_out时，则会由于该通信系统频繁的中断导致业务故障而无法满足电力通信业务的可靠性需求；否则，该无线技术可以满足该电力业务的可靠性要求；

5.3系统吞吐量分析：

依据步骤4，确定系统的消息传播速率对于特定的电力通信业务有着吞吐量要求，其在j,k节点之间的单位时间内的吞吐量要求大于时，则表明该通信技术无法满足该业务需求，不能满足，否则满足。