CN109890010B - 一种电力通信d2d簇间均衡方法 - Google Patents

一种电力通信d2d簇间均衡方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电力通信D2D簇间均衡方法，包括以下步骤：判断簇的数量是否等于并发信道数量，结果为是则启动簇间二次均衡，完成后至步骤结束；结果为否则转入步骤S2；判断簇的数量是否小于并发信道数量，结果为是则进行簇内分解；结果为否则进行簇间合并；判断簇的数量是否发生变化，结果为是则转入步骤S1；结果为否则步骤结束。

Description

一种电力通信D2D簇间均衡方法
技术领域
本发明涉及电力通信领域，更具体地，涉及一种电力通信D2D簇间均衡方法。
背景技术
随着国内配网、计量自动化业务的开展，现有主网采用的光纤、电力线载波、无线公网技术在中低压配电网中应用存在诸多困难，而电力无线宽带专网具有非视距传输能力强、覆盖范围大、抵抗自然灾害能力强、接入灵活、扩容便利等优势，是智能电网配用电业务接入的理想方案。目前南方电网采用电力无线专网和运营商无线公网两种方式。图1表示的是南方电网在珠海、广州、深圳等多个城市建设的电力无线宽带专网试点工程组网示意图。双层无线接入网包括宏蜂窝广域网和Mesh邻域网两个部分：宏蜂窝基站架设在电网自有物业(变电站或者电网行政楼)，通过现有的光纤传输网，与核心网、网管系统、控制中心、发电厂通信；基站通过宏蜂窝广域网覆盖汇聚网关，而在终端侧，多个自动化终端构建Mesh邻域网把数据汇聚到网关统一回传。
目前邻域网组网有三种方式：1)宏蜂窝网络采用1.8GHz电力无线专网基站，领域网络采用230MHz专用频率中继；2)宏蜂窝网络采用230MHz电力无线专网基站，领域网络采用470MHz共用频率中继；3)宏蜂窝网络采用运营商无线公网，领域网络采用RF Mesh技术方式。
现有的这几种方式都有一个共同的缺点：需要引入一个中继设备用于数据的汇聚，中继供电问题(目前采用应急电源取电)是一个现实问题。此外，中继安装在电房外，无法保证设备安全。同时，增加中继设备提高建设成本。因此，现有方法只是出于试点建设(探索性)阶段，并未大规模建设。
发明内容
本发明的目的是解决上述一个或多个缺陷，提出一种电力通信D2D簇间均衡方法。
为实现以上发明目的，采用的技术方案是：
一种电力通信D2D簇间均衡方法，包括以下步骤：
S1：判断簇的数量是否等于并发信道数量，结果为是则启动簇间二次均衡，完成后至步骤结束；结果为否则转入步骤S2；
S2：判断簇的数量是否小于并发信道数量，结果为是则进行簇内分解；结果为否则进行簇间合并；
S3：判断簇的数量是否发生变化，结果为是则转入步骤S1；结果为否则步骤结束。
步骤S1簇间二次均衡包括以下步骤，如图4所示：
S1.1：判断初始状态标志，如果初始状态标志为0，则进入步骤S1.2；结果为否则进入步骤S1.6；
S1.2：以簇成员个数为准则对所有簇进行升序排序，簇成员个数少的优先，对数量最小的两个簇选择簇间合并。如果簇的总数减1，说明本次合并成功，则进入步骤S1.3，否则进入步骤S1.4；
S1.3：以簇成员个数为准则对所有簇进行降序排序，簇成员个数多的优先，对数量最大的簇进行簇内分解。如果簇的总数加1，说明本次分解成功，进入步骤S1.5，否则进入步骤S1.4；
S1.4：设置初始状态为1，返回至步骤S1.1；
S1.5：返回至步骤S1.1；
S1.6：簇间二次均衡结束。
步骤S2中簇内分解包括以下步骤：
S2.1：如果
Figure BDA0001525838480000021
进入步骤S2.6；否则，选择Ω内最多簇成员的簇Ωa(即
Figure BDA0001525838480000022
)。设簇Ωa的簇头为ua，候选簇头的集合为
Figure BDA0001525838480000023
即排除了簇头的簇成员集合，进入步骤S2.2；
S2.2：如果
Figure BDA0001525838480000024
则进入步骤S2.5；如果
Figure BDA0001525838480000025
在候选簇头集合
Figure BDA0001525838480000026
中选择与簇内其他成员最多连接数的簇成员ub。如果Wi-Fi连接数量大于||Ωa||/2，则进入步骤S2.3；如果Wi-Fi连接数量等于0，进入步骤S2.5；否则进入步骤S2.4；
S2.3：新簇簇成员的选取——如果与ub的Wi-Fi信道hi-b优于hi-a，则优先成为新簇成员，新簇成员数量限制为||Ωa||/2-1，进入步骤S2.6；
S2.4：新簇簇成员的选取——与ub有连接的CPE全部成为新簇成员，进入步骤S2.6；
S2.5：排除Ωa，即Ω＝Ω-Ωa；
S2.6：结束。
步骤S2中簇间合并包括以下步骤：
S3.1：如果
Figure BDA0001525838480000031
进入步骤S3.4；否则，选择Ω内最少簇成员的簇Ωa(即
Figure BDA0001525838480000032
)。进入步骤S3.2；
S3.2：对于Ωa，寻求被合并的其他簇，若存在Ωb，满足hi-k≥hWi-Fi,
Figure BDA0001525838480000033
uk＝H(Ωb)，则进入步骤S3.4；否则不存在Ωb，进入步骤S3.3；
S3.3：排除Ωa，即Ω＝Ω-Ωa；
S3.4：结束。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明介绍了一种电力通信D2D簇间均衡方法，包括簇内分解、簇间合并和二次簇间均衡三个步骤。本发明可均衡所有簇的数量，避免某个簇头所汇聚的簇成员过多，减少由于簇头信道状态变差或者簇头故障带来的簇成员接入丢失，提高配用电业务接入可靠性。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明中所述簇间二次均衡流程图；
图3为本发明中所述簇内分解流程图；
图4为本发明中所述簇间合并流程图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
实施例1
基于D2D分簇的网络架构，本发明提出一种D2D簇间均衡的方法，采用的数学模型如下：
设在ENB 0的覆盖范围内有N个CPE终端U＝{u1,u2,…uN}，可形成P个簇Ω＝{Ω1,Ω2,…ΩP}，满足：
Figure BDA0001525838480000034
不同簇之间的簇成员是相互独立(不重叠)的，即不存在一个CPE属于2个及以上的簇。定义||Ωk||为簇Ωk内CPE的总数，包括||Ωk||-1个簇成员和1个簇头。
令h0-i为
Figure BDA0001525838480000041
与当前连接ENB的LTE信道状态(信噪比或者接收功率)。令hi-j为
Figure BDA0001525838480000042
与
Figure BDA0001525838480000043
的Wi-Fi信道状态。定义信道状态门限值为hLTE和hWi-Fi，当且仅当信道状态大于该门限值(h0-i≥hLTE，hi-j≥hWi-Fi)时，该信道是可连通的，即QoS指标满足业务传输要求。
令ri为
Figure BDA0001525838480000044
当前业务传输速率最低要求，Ri为
Figure BDA0001525838480000045
作为簇头与ENB的空口传输速率。hWi-Fi的设定需要考虑当前带宽大于ri，由于配用电类业务的带宽通常小于1k bps，所以该门限值的设定比较容易。Ri是所分配带宽(资源块的数量)及当前信噪比(与h0-i密切相关)的函数，可由香农公式求得。
若ui为Ωk的唯一簇头，可定义为ui＝H(Ωk)，应满足：
Figure BDA0001525838480000046
这里存在一种特殊情况，该簇只有一个簇头，没有簇成员。定义这种类型簇为孤立簇。孤立簇也需要满足(2)的要求。
令当前ENB的接入信道数量为M，配用电业务的并发率为α，则簇的数量P应小于并发信道数量，即
Figure BDA0001525838480000047
其中，
Figure BDA0001525838480000048
为下取整符号。
基于上述模型，本发明的目标是：均衡所有簇内成员数量，使之达到平衡，即在满足(1)(2)(3)的条件下，最小化簇内CPE的数量，即
Figure BDA0001525838480000049
基于上述模型，本发明的流程图如图1所示，包括以下步骤：
S1：判断簇的数量是否等于并发信道数量，结果为是则启动簇间二次均衡，完成后至步骤结束；结果为否则转入步骤S2；
S2：判断簇的数量是否小于并发信道数量，结果为是则进行簇内分解；结果为否则进行簇间合并；
S3：判断簇的数量是否发生变化，结果为是则转入步骤S1；结果为否则步骤结束。
步骤S1簇间二次均衡包括以下步骤：
S1.1：判断初始状态标志，如果初始状态标志为0，则进入步骤S1.2；结果为否则进入步骤S1.6；
S1.2：以簇成员个数为准则对所有簇进行升序排序，簇成员个数少的优先，对数量最小的两个簇选择簇间合并。如果簇的总数减1，说明本次合并成功，则进入步骤S1.3，否则进入步骤S1.4；
S1.3：以簇成员个数为准则对所有簇进行降序排序，簇成员个数多的优先，对数量最大的簇进行簇内分解。如果簇的总数加1，说明本次分解成功，进入步骤S1.5，否则进入步骤S1.4；
S1.4：设置初始状态为1，返回至步骤S1.1；
S1.5：返回至步骤S1.1；
S1.6：簇间二次均衡结束。
在传统的D2D服务器决策的基础上，本发明新增了两个决策用于调整簇的大小，包括簇间分解和簇间合并，如图3-4所述。其中簇间分解指当D2D服务器决策该簇执行簇内分解操作时，D2D服务器下达指令的同时会把新簇的簇头及簇成员信息发送至当前簇。当前簇头CPE1把新簇的簇头信息发送至CPE2，CPE2将成为新簇的簇头，同时通知本簇内需要调整至新簇的簇成员发送簇头切换，完成簇内分解；簇间合并指当D2D服务器决策该簇执行簇间合并操作时，D2D服务器下达指令的同时会把合并的簇头及簇成员信息发送至当前簇。当前簇头发送“簇头变更”指令至合并簇的簇头和簇成员，使之并入当前簇，成为当前簇的簇成员。
步骤S2中簇内分解包括以下步骤：
S2.1：如果
Figure BDA0001525838480000051
进入步骤S2.6；否则，选择Ω内最多簇成员的簇Ωa(即
Figure BDA0001525838480000052
)。设簇Ωa的簇头为ua，候选簇头的集合为
Figure BDA0001525838480000053
即排除了簇头的簇成员集合，进入步骤S2.2；
S2.2：如果
Figure BDA0001525838480000061
则进入步骤S2.5；如果
Figure BDA0001525838480000062
在候选簇头集合
Figure BDA0001525838480000063
中选择与簇内其他成员最多连接数的簇成员ub。如果Wi-Fi连接数量大于||Ωa||/2，则进入步骤S2.3；如果Wi-Fi连接数量等于0，进入步骤S2.5；否则进入步骤S2.4；
S2.3：新簇簇成员的选取——如果与ub的Wi-Fi信道hi-b优于hi-a，则优先成为新簇成员，新簇成员数量限制为||Ωa||/2-1，进入步骤S2.6；
S2.4：新簇簇成员的选取——与ub有连接的CPE全部成为新簇成员，进入步骤S2.6；
S2.5：排除Ωa，即Ω＝Ω-Ωa；
S2.6：结束。
步骤S2中簇间合并包括以下步骤：
S3.1：如果
Figure BDA0001525838480000064
进入步骤S3.4；否则，选择Ω内最少簇成员的簇Ωa(即
Figure BDA0001525838480000065
)。进入步骤S3.2；
S3.2：对于Ωa，寻求被合并的其他簇，若存在Ωb，满足hi-k≥hWi-Fi,
Figure BDA0001525838480000066
uk＝H(Ωb)，则进入步骤S3.4；否则不存在Ωb，进入步骤S3.3；
S3.3：排除Ωa，即Ω＝Ω-Ωa；
S3.4：结束。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种电力通信D2D簇间均衡方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：判断簇的数量是否等于并发信道数量，结果为是则启动簇间二次均衡，完成后至步骤结束；结果为否则转入步骤S2；
S2：判断簇的数量是否小于并发信道数量，结果为是则进行簇内分解；结果为否则进行簇间合并；
S3：判断簇的数量是否发生变化，结果为是则转入步骤S1；结果为否则步骤结束；
所述方法基于以下数学模型：
设在ENB 0的覆盖范围内有N个CPE终端U＝{u1,u2,…,uN}，可形成P个簇Ω＝{Ω1,Ω2,…,ΩP}，满足：
Figure FDA0002615912690000011
不同簇之间的簇成员是相互独立的，即不存在一个CPE属于2个及以上的簇，定义||Ωk||为簇Ωk内CPE的总数，包括||Ωk||-1个簇成员和1个簇头；
令h0-i为
Figure FDA0002615912690000012
与当前连接ENB的LTE信道状态，令hi-j为
Figure FDA0002615912690000013
与
Figure FDA0002615912690000014
的Wi-Fi信道状态，定义信道状态门限值为hLTE和hWi-Fi，当且仅当信道状态大于该门限值(h0-i≥hLTE，hi-j≥hWi-Fi)时，该信道是可连通的，即QoS指标满足业务传输要求；
令ri为
Figure FDA0002615912690000015
当前业务传输速率最低要求，Ri为
Figure FDA0002615912690000016
作为簇头与ENB的空口传输速率，hWi-Fi的设定需要考虑当前带宽大于ri，由于配用电类业务的带宽通常小于1k bps，所以该门限值的设定比较容易；Ri是所分配带宽及当前信噪比的函数，可由香农公式求得；
若ui为Ωk的唯一簇头，可定义为ui＝H(Ωk)，应满足：
Figure FDA0002615912690000021
这里存在一种特殊情况，该簇只有一个簇头，没有簇成员，定义这种类型簇为孤立簇，孤立簇也需要满足(2)的要求；
令当前ENB的接入信道数量为M，配用电业务的并发率为α，则簇的数量P应小于并发信道数量，即
Figure FDA0002615912690000022
其中，
Figure FDA0002615912690000023
为下取整符号；
基于上述模型，本发明的目标是：均衡所有簇内成员数量，使之达到平衡，即在满足(1)(2)(3)的条件下，最小化簇内CPE的数量，即
Figure FDA0002615912690000024
2.根据权利要求1所述的一种电力通信D2D簇间均衡方法，其特征在于，所述步骤S1簇间二次均衡包括以下步骤：
S1.1：判断初始状态标志，如果初始状态标志为0，则进入步骤S1.2；结果为否则进入步骤S1.6；
S1.2：以簇成员个数为准则对所有簇进行升序排序，簇成员个数少的优先，对数量最小的两个簇选择簇间合并；如果簇的总数减1，说明本次合并成功，则进入步骤S1.3，否则进入步骤S1.4；
S1.3：以簇成员个数为准则对所有簇进行降序排序，簇成员个数多的优先，对数量最大的簇进行簇内分解，如果簇的总数加1，说明本次分解成功，进入步骤S1.5，否则进入步骤S1.4；
S1.4：设置初始状态为1，返回至步骤S1.1；
S1.5：返回至步骤S1.1；
S1.6：簇间二次均衡结束。
3.根据权利要求1或2所述的一种电力通信D2D簇间均衡方法，其特征在于，所述步骤S2中簇内分解包括以下步骤：
S2.1：如果
Figure FDA0002615912690000031
进入步骤S2.6；否则，选择Ω内最多簇成员的簇Ωa(即
Figure FDA0002615912690000032
)，设簇Ωa的簇头为ua，候选簇头的集合为
Figure FDA0002615912690000033
即排除了簇头的簇成员集合，进入步骤S2.2；
S2.2：如果
Figure FDA0002615912690000034
则进入步骤S2.5；如果
Figure FDA0002615912690000035
在候选簇头集合
Figure FDA0002615912690000036
中选择与簇内其他成员最多连接数的簇成员ub，如果Wi-Fi连接数量大于||Ωa||/2，则进入步骤S2.3；如果Wi-Fi连接数量等于0，进入步骤S2.5；否则进入步骤S2.4；
S2.3：新簇簇成员的选取——如果与ub的Wi-Fi信道hi-b优于hi-a，则优先成为新簇成员，新簇成员数量限制为||Ωa||/2-1，进入步骤S2.6；
S2.4：新簇簇成员的选取——与ub有连接的CPE全部成为新簇成员，进入步骤S2.6；
S2.5：排除Ωa，即Ω＝Ω-Ωa；
S2.6：结束。
4.根据权利要求1或2所述的一种电力通信D2D簇间均衡方法，其特征在于，所述步骤S2中簇间合并包括以下步骤：
S3.1：如果
Figure FDA0002615912690000037
进入步骤S3.4；否则，选择Ω内最少簇成员的簇Ωa(即
Figure FDA0002615912690000038
)，进入步骤S3.2；
S3.2：对于Ωa，寻求被合并的其他簇，若存在Ωb，满足hi-k≥hWi-Fi,
Figure FDA0002615912690000039
uk＝H(Ωb)，则进入步骤S3.4；否则不存在Ωb，进入步骤S3.3；
S3.3：排除Ωa，即Ω＝Ω-Ωa；
S3.4：结束。
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