CN111667381B - 一种输电线路走廊通信覆盖与数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种输电线路走廊通信覆盖与数据传输方法，包括：建立输电线路走廊通信覆盖架构；根据所述输电线路走廊通信覆盖架构建立输电线路走廊通信数据传输模式；根据所述输电线路走廊通信的数据传输模式建立输电线路走廊通信机制，通过计算得到最优的输电线路走廊通信机制，实现了输电线路走廊的通信全覆盖，为输电线路走廊沿线的线路传感器、巡检设备、人工运维设备等提供电网专有通信方案；使用无线通信技术灵活地实现输电线路走廊通信设备的数据传输，并且充分考虑输电线路走廊沿线的取能供电问题，在限制条件下满足功率及服务质量的要求，采取最优的输电线路走廊通信机制进行通信。

Description

一种输电线路走廊通信覆盖与数据传输方法

技术领域

本申请涉及智能电网领域，尤其涉及一种输电线路走廊通信覆盖与数据传输方法。

背景技术

电网设备智能化程度的不断提升，对电网内信息的共享与传输提出了更高的要求，因此需要构建全面贯通的电力泛在通信网来将上述众多的智能设备构建为一个动态的电力物联环境，进而应用于电力行业的生产、运行、管理等各个环节，实时在线连接能源电力生产与消费各环节的人、机、物，全面承载并贯通电网生产运行、企业经营管理和对外客户服务等业务。

现有电力通信网在35kV及以上站点已实现光纤网络覆盖，在10kV、20kV站点及计量集抄已实现光纤交换机与无线公网的覆盖。然而，随着海量新型物联网业务的出现，现有电力通信网面临的巨大挑战为：未实现高中低压输电、配电线路走廊的通信覆盖，小微传感器、移动巡检终端等输电、配电线路末端节点仍缺乏有效的通信覆盖手段。现有电力通信网已有零星的输电线路末端节点覆盖技术多为局域通信覆盖需求，仅解决极有限区域节点的数据传输，多个区域无法互联互通，未见涉及整体走廊通信覆盖机制的研究。

实现输电、配电线路走廊通信覆盖的难点在于：传统电网仅需走廊沿线个别站点的数据传输，长期以来的通信网络建设仅能实现通信点的覆盖，无法实现走廊通信覆盖。输电线路走廊沿线通信设备的取电困难，供电难度大，传统大型的基站等设备无法直接从线路取电，而是需单独供电。输电线路横跨郊区及人烟稀少区域，传统大型的基站等设备所需要的光纤链路敷设难度大且成本高；若想使用输电线路的OPGW等光缆资源，则面临输电线路的施工安装问题，难度大且风险高。

发明内容

有鉴于此，本申请提供了一种输电线路走廊通信覆盖与数据传输方法，用于解决现有技术中存在的问题，实现输电线路走廊通信全覆盖，并使用无线通信满足覆盖通信设备的数据传输要求。

本申请提供了一种输电线路走廊通信覆盖与数据传输方法，包括：

S1、建立输电线路走廊通信覆盖架构；

S2、根据所述输电线路走廊通信覆盖架构建立输电线路走廊通信数据传输模式；

S3、根据所述输电线路走廊通信的数据传输模式建立输电线路走廊通信机制，通过计算得到最优的输电线路走廊通信机制。

优选地，所述建立输电线路走廊通信覆盖架构，包括：在铁塔杆塔侧设立包括网关层设备的网关层、在变电站侧设立包括边缘层设备的边缘层、在调度平台侧设立包括管控云的管控层。

其中，所述网关层设备的网关安装于铁塔或杆塔之上，配备太阳能板，采用电流互感器取电，可以避免电压互感器取电安装需停电且运维复杂等问题。所述网关配备两组通信模组，称为南向通信模组及北向通信模组；南向通信模组负责与输电线路走廊沿线终端通信，包括电气量采集传感器、发电气量采集传感器、巡检终端、移动运维终端等，采用230MHz、470MHz等电力专属频段；北向通信模组负责与所述变电站侧的边缘层通信，将终端数据进行汇聚后发送至所述变电站侧的边缘层，通常采用较高频段如5.8GHz等。

所述边缘层与从变电站辐射状向外延伸线路的铁塔/杆塔网关进行通信。边缘层配备两组通信模组，一组采用高频段无线通信方式，负责接收所述网关层的数据，以及向所述网关层发射经处理后的数据；另一组则为光通信模组，负责接入电力专用光纤网，将处理后的网关数据发送至所述管控层，以及接收来自所述管控层的数据和指令。

所述管控层部署在电网调度平台侧，通常部署在电网调控云上。其通过光通信模组，接收处理来自所述变电站侧的边缘层通过电力光纤专网发来的数据，同时向所述变电站侧的边缘层发送数据及控制指令。

所述输电线路走廊通信覆盖架构的优势在于其将输电线路走廊通信组网架构与电网不同电压等级架构进行结合，令杆塔或铁塔端的所述网关利用无线网络汇聚通信终端的数据，尽可能避免复杂的处理操作，仅负责汇聚转发，从而避免了高功耗设备所需的取电困难、安装运维复杂等问题；同时引入了所述变电站侧的边缘层，其采用变电站内供电，且能够直接使用变电站的电力专用光纤通道资源，能够完成所述网关层的数据处理工作。

优选地，所述建立输电线路走廊通信数据传输模式，包括：

建立边缘层设备和终端设备的数据处理模式；接入输电线路走廊通信覆盖的终端设备，仅能选择1个变电站侧的边缘层接入；所有接入输电线路走廊通信覆盖的终端设备，其均能有1个变电站侧的边缘层设备负责处理所述接入输电线路走廊通信覆盖的终端设备数据；记部署于变电站侧的边缘层设备共有B个，记接入输电线路走廊通信覆盖的终端设备共有D个，记边缘层设备b，其中b∈(1,2,…,B)，将所述边缘层设备b与所述边缘层设备b下辖的末端终端设备d的映射关系记为M(b,d)，数据处理映射矩阵为

映射关系为：

记所述边缘层设备b下辖的末端终端设备集合则为Δ_b，Δ_b的表达式为：Δ_b＝{d|1≤d≤D,m_b,d＝1}，考虑到变电站边缘侧的覆盖范围及处理能力，记所述边缘层设备b所能处理的最大数目的终端设备数为边缘层处理能力o_b，输电线路走廊通信覆盖网络中的终端设备数据处理的模型为：

且

建立网关层设备和终端设备的数据传输模式；单个终端设备与多个网关设备进行通信；由此可实现对不同位置的网关层设备的空间分集增益的利用，提升终端设备的数据传输速率；

记部署于铁塔/杆塔侧的网关层设备共有K个，记部署于变电站侧的边缘层设备共有B个，记接入走廊通信覆盖的终端设备共有D个，记网关层设备和终端设备的数据传输矩阵为

定义为：

若网关层设备k向终端设备d发送数据，则数据传输矩阵中对应的元素为1，否则为0；可见，单个终端设备d可接收来自多个网关的数据；记向终端设备d发送数据的网关集合为φ_d，φ_d的表达式为：φ_d＝{k|1≤k≤K,t_k,d＝1}。

建立网关层设备和边缘层设备的数据传输模式；由于所述网关层设备与所述边缘层设备之间使用高频的无线链路进行通信，保证了灵活接入的同时，需要考虑数据传输带宽相对受限的问题，因此计算所述边缘层设备b与所述网关层设备k之间最多能够承载的终端的射频数据的数目c_b,k，c_b,k的表达式为：

优选地，所述输电线路走廊通信数据传输模式，包括：

S21、边缘层设备收集管控云下辖的所有终端设备的数据，并对所述终端设备的数据进行处理；

S22、所述边缘层设备将收集到的所述终端设备的数据以及所述预编码发送至所述边缘层设备下辖的网关层设备；

S23、网关层设备根据接收到的所述终端数据及预编码指令发送给对应的终端设备。

优选地，所述建立输电线路走廊通信机制，包括：

考虑输电线路走廊通信所需的线路沿线的供电问题与输电线路走廊通信机制的约束条件与需求，在边缘层处理能力o_b、网关层设备和边缘层设备的数据传输带宽c_b,k以及终端服务质量要求

的约束条件下，通过计算方法得到满足输电线路走廊通信网关的发射功率最小与满足服务质量要求条件下的最优的边缘层设备和终端设备的映射矩阵M、网关层设备和终端设备的传输矩阵T、网关设备到终端的预编码向量v。

优选地，所述计算方法，包括：

S31、计算终端设备接收到的信号，确定数据传输速率满足服务质量要求；

设网关层设备集合φ_d向终端设备d传输的数据为x_d，则根据输电线路走廊通信数据传输模式，所述终端设备d接收到的无线信号的表达式为：

式中，h_k,d为所述网关层设备k到所述终端设备d的信道向量，满足

v_k,d为所述网关层设备k到所述终端设备d的预编码向量，满足

为h_k,d的共轭转置，z_d为所述终端设备d的噪声；所述终端设备d接收到所述网关层设备k发给所述终端设备d的有用信号为

所述网关层设备k发送给其他终端设备对所述终端设备d造成的信号干扰为

计算所述终端设备d信号干扰噪声比为：

式中，σ²为噪声z_d的功率，||·||为取模值计算；所述数据传输速率满足服务质量要求为：

S32、根据输电线路走廊通信机制的约束条件与需求，以输电线路走廊通信网关的发射功率最小为最优目标，建立输电线路走廊通信机制优化模型；

s.t.

S33、根据假设给定的网关层设备和终端设备的传输矩阵T，计算最优的预编码向量v；

记

为所述终端设备d的预编码向量，其中若边缘层设备不向终端设备发送数据，则t_k,d＝0，对应的预编码向量为0，表示为

其中N_k表示网关设备k的南向通信模组配备的多根传输天线；对v_d进行转化，令e_d＝v_d-F_dv_d，其中F_d满足：

其中diag[·]^T表示矩阵的转置，对于所述终端设备d，仅有向所述终端设备d发送数据的网关层设备会生成对应的预编码向量，不向所述终端设备d发送数据的网关设备对应的预编码向量置零，公式表达为：

令

则

将

进一步表达为：Tr[(I^(N×N)-F_d)W_d]＝0，式中Tr[·]表示矩阵的迹，I^(N×N)表示(N×N)维的单位矩阵，I^(N×N)中的所有元素为1；记

为所述终端设备d的信道向量，

为所述终端设备d的信道矩阵，则

由此将原终端设备d的服务质量的约束条件

更新为：

根据假设给定的网关层设备和终端设备的传输矩阵T，将所述最优的预编码向量v的计算构建为如下最优的预编码向量v的优化模型：

s.t.Tr[(I^(N×N)-F_d)W_d]＝0；

W_d≥0

S34、根据所述假设给定的网关层设备和终端设备的传输矩阵T与所述最优的预编码向量v，在

以及

的限制条件下计算最优的边缘层设备和终端设备的映射矩阵M；

将所述最优的边缘层设备和终端设备的映射矩阵M的计算构建为如下最优的边缘层设备和终端设备的映射矩阵M的优化模型：

min 1_(1×BD)m

s.t.F·m≤c

E·m＝1_D×1

式中，t_k＝[t_1,dt_2,d…t_K,d]^T，o＝[o₁o₂…o_B]^T，c_k＝[c_1,kc_2,k…c_B,k]^T，m＝[m_1,1…m_{1, D}m_2,1…m_2,Dm_B,1…m_B,D]^T，

E＝[I_D×DI_D×D…I_D×D],

S35、根据所述最优的预编码向量v、所述最优的边缘层设备和终端设备的映射矩阵M，计算最优的网关层设备和终端设备的传输矩阵T。

优选地，所述根据所述最优的预编码向量v、所述最优的边缘层设备和终端设备的映射矩阵M，计算最优的网关层设备和终端设备的传输矩阵T，包括：

S351、令所有网关均参与每个终端设备的数据传输，网关层设备和终端设备的传输矩阵T中的元素全为1，基于所述网关层设备和终端设备的传输矩阵T根据最优的预编码向量v的优化模型与最优的边缘层设备和终端设备的映射矩阵M的优化模型求解此时最优的预编码向量v、最优的边缘层设备和终端设备的映射矩阵M；若求得最优的预编码向量v、最优的边缘层设备和终端设备的映射矩阵M，则终止计算，所述网关层设备和终端设备的传输矩阵T、所述最优的预编码向量v、所述最优的边缘层设备和终端设备的映射矩阵M为最优通信机制；若仅求得最优的预编码向量v，但无法求得最优的边缘层设备和终端设备的映射矩阵M，则跳转至S352；

S352、计算所述网关层设备向所述终端设备传输数据的链路的贡献度κ_k,d，将所述网关层设备和终端设备的传输矩阵T中的元素按照对应的链路参与传输的贡献度由小到大进行排序，将对应的链路参与传输的贡献度κ_k,d最小的元素置零，并更新所述网关层设备和终端设备的传输矩阵T，基于所述网关层设备和终端设备的传输矩阵T根据最优的预编码向量v的优化模型与最优的边缘层设备和终端设备的映射矩阵M的优化模型求解此时的最优的预编码向量v、最优的边缘层设备和终端设备的映射矩阵M；若求得最优的预编码向量v、最优的边缘层设备和终端设备的映射矩阵M，则跳转至S353；若仅求得最优的预编码向量v，但无法求得最优的边缘层设备和终端设备的映射矩阵M，则重复S352；

S353、将S352求得的所述网关层设备和终端设备的传输矩阵T中置零的元素重新置为1，计算最优的预编码向量v与最优的边缘层设备和终端设备的映射矩阵M，确认S352中求得的所述网关层设备和终端设备的传输矩阵T为帕累托最优解。

本申请提供的输电线路走廊通信机制的计算方法，可在最多2KD次迭代循环后求得帕累托最优解，因此本方法具备优秀的时间复杂度。

优选地，所述计算网关层设备向终端层设备传输数据的链路的贡献度κ_k,d，包括：

式中，

为所述网关层设备k到所述终端设备d的最优预编码向量。

优选地，所述确认S352中求得的所述网关层设备和终端设备的传输矩阵T为帕累托最优解，包括：

记所述网关层设备和终端设备的传输矩阵T的零元素个数为：N(T)＝{(k,d)|t_k,d＝0}；表示参与向终端设备传输数据的网关个数；其中非零元素越多，说明越多的网关参与了数据传输；从输电线路走廊通信的需求出发，在满足功率及服务质量要求的前提下，最优的网关层设备和终端设备的传输矩阵T^#认为是不存在其他网关层设备和终端设备的传输矩阵T，使得所述网关层设备和终端设备的传输矩阵T的非零元素比所述最优的网关层设备和终端设备的传输矩阵T^#的非零元素还要多，单个终端设备在所述限制条件下能够被尽可能多的网关层设备传输数据，获得尽可能好的数据传输效果。

从以上技术方案可以看出，本申请具有以下优点：

本发明提供的一种输电线路走廊通信覆盖与数据传输方法，包括：建立输电线路走廊通信覆盖架构，根据所述输电线路走廊通信覆盖架构建立输电线路走廊通信数据传输模式，根据所述输电线路走廊通信的数据传输模式建立输电线路走廊通信机制，通过计算得到所述输电线路走廊通信机制的最优解，实现了输电线路走廊的通信全覆盖，为输电线路走廊沿线的线路传感器、巡检设备、人工运维设备等提供电网专有通信方案；使用无线通信技术灵活地实现输电线路走廊通信设备的数据传输，以解决输电线路走廊沿线难以铺设光纤进行通信的问题；并且充分考虑输电线路走廊沿线的取能供电问题，在限制条件下满足功率及服务质量的要求，采用最优的输电线路走廊通信机制进行通信，满足输电线路走廊通信必须的射频传输与接收等基本功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请提供的一种输电线路走廊通信覆盖与数据传输方法流程图；

图2为本申请提供的输电线路走廊通信覆盖示意图；

图3为本申请提供的输电线路走廊通信数据传输模式方法流程图；

图4为本申请提供的输电线路走廊通信机制的计算方法流程图；

图5为本申请提供的输电线路走廊通信机制的计算方法子流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

具体的，本申请实施例提供了一种输电线路走廊通信覆盖与数据传输方法，请参考图1所示，该方法包括：

S1、建立输电线路走廊通信覆盖架构；

S2、根据所述输电线路走廊通信覆盖架构建立输电线路走廊通信数据传输模式；

S3、根据所述输电线路走廊通信的数据传输模式建立输电线路走廊通信机制，通过计算得到最优的输电线路走廊通信机制。

在本实施例中，S1所述建立输电线路走廊通信覆盖架构，请参考图2，包括：在铁塔杆塔侧设立包括网关层设备的网关层、在变电站侧设立包括边缘层设备的边缘层、在调度平台侧设立包括管控云的管控层。

其中，所述网关层设备的网关安装于铁塔或杆塔之上，配备太阳能板，采用电流互感器取电，可以避免电压互感器取电安装需停电且运维复杂等问题。所述网关配备两组通信模组，称为南向通信模组及北向通信模组；南向通信模组负责与输电线路走廊沿线终端通信，包括电气量采集传感器、发电气量采集传感器、巡检终端、移动运维终端等，采用230MHz、470MHz等电力专属频段；北向通信模组负责与所述变电站侧的边缘层通信，将终端数据进行汇聚后发送至所述变电站侧的边缘层，通常采用较高频段如5.8GHz等。

所述边缘层与从变电站辐射状向外延伸线路的铁塔/杆塔网关进行通信。边缘层配备两组通信模组，一组采用高频段无线通信方式，负责接收所述网关层的数据，以及向所述网关层发射经处理后的数据；另一组则为光通信模组，负责接入电力专用光纤网，将处理后的网关数据发送至所述管控层，以及接收来自所述管控层的数据和指令。

所述管控层部署在电网调度平台侧，通常部署在电网调控云上。其通过光通信模组，接收处理来自所述变电站侧的边缘层通过电力光纤专网发来的数据，同时向所述变电站侧的边缘层发送数据及控制指令。

由此可见，本申请提供的一种输电线路走廊通信覆盖架构的优势在于将输电线路走廊通信组网架构与电网不同电压等级架构进行结合，令杆塔或铁塔端的所述网关层设备利用无线网络汇聚通信终端的数据，尽可能避免复杂的处理操作，仅负责汇聚转发，从而避免了高功耗设备所需的取电困难、安装运维复杂等问题；同时引入了所述变电站侧的边缘层，其采用变电站内供电，且能够直接使用变电站的电力专用光纤通道资源，能够完成所述网关层的数据处理工作。

本实施例提供一种输电线路走廊通信覆盖与数据传输方法，记管控层部署于调控云，全网仅1个，记部署于变电站的边缘层设备共有B个，记部署于铁塔或杆塔的网关层设备共有K个，记接入走廊通信覆盖的终端设备共有D个，建立输电线路走廊通信数据传输模式，具体包括：

建立边缘层设备和终端设备的数据处理模式；接入输电线路走廊通信覆盖的终端设备，仅能选择1个变电站侧的边缘层接入；所有接入输电线路走廊通信覆盖的终端设备，其均能有1个变电站侧的边缘层设备负责处理所述接入输电线路走廊通信覆盖的终端设备数据；记部署于变电站侧的边缘层设备共有B个，记接入输电线路走廊通信覆盖的终端设备共有D个，记边缘层设备b，其中b∈(1,2,…,B)，将所述边缘层设备b与所述边缘层设备b下辖的末端终端设备d的映射关系记为M(b,d)，数据处理映射矩阵为

映射关系为：

记所述边缘层设备b下辖的末端终端设备集合则为Δ_b，Δ_b的表达式为：Δ_b＝{d|1≤d≤D,m_b,d＝1}，考虑到变电站边缘侧的覆盖范围及处理能力，记所述边缘层设备b所能处理的最大数目的终端设备数为边缘层处理能力o_b，输电线路走廊通信覆盖网络中的终端设备数据处理的模型为：

且

建立网关层设备和终端设备的数据传输模式；单个终端设备与多个网关设备进行通信；由此可实现对不同位置的网关层设备的空间分集增益的利用，提升终端设备的数据传输速率；

记部署于铁塔/杆塔侧的网关层设备共有K个，记部署于变电站侧的边缘层设备共有B个，记接入走廊通信覆盖的终端设备共有D个，记网关层设备和终端设备的数据传输矩阵为

定义为：

若网关层设备k向终端设备d发送数据，则数据传输矩阵中对应的元素为1，否则为0；可见，单个终端设备d可接收来自多个网关的数据；记向终端设备d发送数据的网关集合为φ_d，φ_d的表达式为：φ_d＝{k|1≤k≤K,t_k,d＝1}。

建立网关层设备和边缘层设备的数据传输模式；由于所述网关层设备与所述边缘层设备之间使用高频的无线链路进行通信，保证了灵活接入的同时，需要考虑数据传输带宽相对受限的问题，因此计算所述边缘层设备b与所述网关层设备k之间最多能够承载的终端的射频数据的数目c_b,k，c_b,k的表达式为：

在本实施例中，所述输电线路走廊通信数据传输模式，请参考图3，具体步骤包括：

S21、边缘层设备b收集管控云下辖的所有终端设备集合Δ_b的数据，并对所述终端设备集合Δ_b的数据进行处理与计算预编码；

S22、所述边缘层设备b将收集到的所述终端设备d的数据以及所述预编码发送至所述边缘层设备b下辖的网关层设备φ_d；

S23、网关层设备φ_d根据接收到的所述终端数据集合Δ_b及所述预编码指令发送给对应的终端设备d。

本实施例提供一种输电线路走廊通信覆盖与数据传输方法，建立输电线路走廊通信机制，具体方法包括：

考虑输电线路走廊通信所需的线路沿线的供电问题与输电线路走廊通信机制的约束条件与需求，在边缘层处理能力o_b、网关层设备和边缘层设备的数据传输带宽c_b,k以及终端服务质量要求

的约束条件下，通过计算方法得到满足输电线路走廊通信网关的发射功率最小与满足服务质量要求条件下的最优的边缘层设备和终端设备的映射矩阵M、网关层设备和终端设备的传输矩阵T、网关设备到终端的预编码向量v，得到最优的输电线路走廊通信机制。

在本实施例中，所述计算方法，请参考图4，具体包括：

S31、计算终端设备接收到的信号，确定数据传输速率满足服务质量要求；

设网关层设备集合φ_d向终端设备d传输的数据为x_d，则根据输电线路走廊通信数据传输模式，所述终端设备d接收到的无线信号的表达式为：

式中，h_k,d为所述网关层设备k到所述终端设备d的信道向量，满足

v_k,d为所述网关层设备k到所述终端设备d的预编码向量，满足

为h_k,d的共轭转置，z_d为所述终端设备d的噪声；所述终端设备d接收到所述网关层设备k发给所述终端设备d的有用信号为

所述网关层设备k发送给其他终端设备对所述终端设备d造成的信号干扰为

计算所述终端设备d信号干扰噪声比为：

式中，σ²为噪声z_d的功率，||·||为取模值计算；所述数据传输速率满足服务质量要求为：

S32、根据输电线路走廊通信机制的约束条件与需求，以输电线路走廊通信网关的发射功率最小为最优目标，建立输电线路走廊通信机制优化模型；

s.t.

S33、根据假设给定的网关层设备和终端设备的传输矩阵T，计算最优的预编码向量v；

记

为所述终端设备d的预编码向量，其中若边缘层设备不向终端设备发送数据，则t_k,d＝0，对应的预编码向量为0，表示为

其中N_k表示网关设备k的南向通信模组配备的多根传输天线；对v_d进行转化，令e_d＝v_d-F_dv_d，其中F_d满足：

其中diag[·]^T表示矩阵的转置，对于所述终端设备d，仅有向所述终端设备d发送数据的网关层设备会生成对应的预编码向量，不向所述终端设备d发送数据的网关设备对应的预编码向量置零，公式表达为：

令

则

将

进一步表达为：Tr[(I^(N×N)-F_d)W_d]＝0，式中Tr[·]表示矩阵的迹，I^(N×N)表示(N×N)维的单位矩阵，I^(N×N)中的所有元素为1；记

为所述终端设备d的信道向量，

为所述终端设备d的信道矩阵，则

由此将原终端设备d的服务质量的约束条件

更新为：

根据假设给定的网关层设备和终端设备的传输矩阵T，将所述最优的预编码向量v的计算构建为如下最优的预编码向量v的优化模型：

s.t.Tr[(I^(N×N)-F_d)W_d]＝0 (1)

W_d≥0

该优化模型是一个半正定规划模型，属于凸优化范畴，可利用标准工具如matlab中的CVX工具包进行求解。

S34、根据所述假设给定的网关层设备和终端设备的传输矩阵T与所述最优的预编码向量v，在

以及

的限制条件下计算最优的边缘层设备和终端设备的映射矩阵M；

将所述最优的边缘层设备和终端设备的映射矩阵M的计算构建为如下最优的边缘层设备和终端设备的映射矩阵M的优化模型：

min 1_(1×BD)m

s.t.F·m≤c (2)

E·m＝1_D×1

式中，t_k＝[t_1,dt_2,d…t_K,d]^T，o＝[o₁o₂…o_B]^T，c_k＝[c_1,kc_2,k…c_B,k]^T，m＝[m_1,1…m_{1, D}m_2,1…m_2,Dm_B,1…m_B,D]^T，

E＝[I_D×DI_D×D…I_D×D],

该模型属于二进制整数规划模型问题，可利用标注工具如Matlab中的bint-prog自动求解。

S35、根据所述最优的预编码向量v、所述最优的边缘层设备和终端设备的映射矩阵M，计算最优的网关层设备和终端设备的传输矩阵T。

在本实施例中，请参考图5，S35所述根据所述最优的预编码向量v、所述最优的边缘层设备和终端设备的映射矩阵M，计算最优的网关层设备和终端设备的传输矩阵T，具体包括：

S351、令所有网关均参与每个终端设备的数据传输，网关层设备和终端设备的传输矩阵T中的元素全为1，基于所述网关层设备和终端设备的传输矩阵T根据最优的预编码向量v的优化模型与最优的边缘层设备和终端设备的映射矩阵M的优化模型求解此时最优的预编码向量v、最优的边缘层设备和终端设备的映射矩阵M；若求得最优的预编码向量v、最优的边缘层设备和终端设备的映射矩阵M，则终止计算，所述网关层设备和终端设备的传输矩阵T、所述最优的预编码向量v、所述最优的边缘层设备和终端设备的映射矩阵M为最优通信机制；若仅求得最优的预编码向量v，但无法求得最优的边缘层设备和终端设备的映射矩阵M，则跳转至S352；

S352、计算所述网关层设备向所述终端设备传输数据的链路的贡献度κ_k,d，将所述网关层设备和终端设备的传输矩阵T中的元素按照对应的链路参与传输的贡献度由小到大进行排序，将对应的链路参与传输的贡献度κ_k,d最小的元素置零，并更新所述网关层设备和终端设备的传输矩阵T，基于所述网关层设备和终端设备的传输矩阵T根据式(1)最优的预编码向量v的优化模型与式(2)最优的边缘层设备和终端设备的映射矩阵M的优化模型求解此时的最优的预编码向量v、最优的边缘层设备和终端设备的映射矩阵M；若求得最优的预编码向量v、最优的边缘层设备和终端设备的映射矩阵M，则跳转至S353；若仅求得最优的预编码向量v，但无法求得最优的边缘层设备和终端设备的映射矩阵M，则重复S352；

S353、将S352求得的所述网关层设备和终端设备的传输矩阵T中置零的元素重新置为1，计算最优的预编码向量v与最优的边缘层设备和终端设备的映射矩阵M，确认S352中求得的所述网关层设备和终端设备的传输矩阵T为帕累托最优解。

本申请实施例提供的输电线路走廊通信机制的计算方法，可在最多2KD次迭代循环后求得帕累托最优解，因此本方法具备优秀的时间复杂度。

在本实施例中，所述计算网关层设备向终端层设备传输数据的链路的贡献度κ_k,d，包括：

式中，

为所述网关层设备k到所述终端设备d的最优预编码向量。

在本实施例中，所述确认S352中求得的所述网关层设备和终端设备的传输矩阵T为帕累托最优解，包括：

记所述网关层设备和终端设备的传输矩阵T的零元素个数为：N(T)＝{(k,d)|t_k,d＝0}；表示参与向终端设备传输数据的网关个数；其中非零元素越多，说明越多的网关参与了数据传输；从输电线路走廊通信的需求出发，在满足功率及服务质量要求的前提下，最优的网关层设备和终端设备的传输矩阵T^#认为是不存在其他网关层设备和终端设备的传输矩阵T，使得所述网关层设备和终端设备的传输矩阵T的非零元素比所述最优的网关层设备和终端设备的传输矩阵T^#的非零元素还要多，单个终端设备在所述限制条件下能够被尽可能多的网关层设备传输数据，获得尽可能好的数据传输效果。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种输电线路走廊通信覆盖与数据传输方法，其特征在于，包括：

S1、建立输电线路走廊通信覆盖架构；

S2、根据所述输电线路走廊通信覆盖架构建立输电线路走廊通信数据传输模式；

S3、根据所述输电线路走廊通信的数据传输模式建立输电线路走廊通信机制，通过计算得到最优的输电线路走廊通信机制；

所述建立输电线路走廊通信覆盖架构，包括：在铁塔杆塔侧设立包括网关层设备的网关层，在变电站侧设立包括边缘层设备的边缘层，在调度平台侧设立包括管控云的管控层；

所述建立输电线路走廊通信数据传输模式，包括：

建立边缘层设备和终端设备的数据处理模式；接入输电线路走廊通信覆盖的终端设备，仅能选择1个变电站侧的边缘层接入；所有接入输电线路走廊通信覆盖的终端设备，其均能有1个变电站侧的边缘层设备负责处理所述接入输电线路走廊通信覆盖的终端设备数据；记部署于变电站侧的边缘层设备共有B个，记接入输电线路走廊通信覆盖的终端设备共有D个，记边缘层设备b，其中b∈(1,2,…,B)，将所述边缘层设备b与所述边缘层设备b下辖的末端终端设备d的映射关系记为M(b,d)，数据处理映射矩阵为

映射关系为：

记所述边缘层设备b下辖的末端终端设备集合则为Δ_b，Δ_b的表达式为：Δ_b＝{d|1≤d≤D,m_b,d＝1}，记所述边缘层设备b所能处理的最大数目的终端设备数为边缘层处理能力o_b，输电线路走廊通信覆盖网络中的终端设备数据处理的模型为：

且

建立网关层设备和终端设备的数据传输模式；单个终端设备与多个网关层设备进行通信；记部署于铁塔/杆塔侧的网关层设备共有K个，记部署于变电站侧的边缘层设备共有B个，记接入走廊通信覆盖的终端设备共有D个，记网关层设备和终端设备的数据传输矩阵为

定义为：

若网关层设备k向终端设备d 发送数据，则数据传输矩阵中对应的元素为1，否则为0；记向终端设备d发送数据的网关集合为φ_d，φ_d的表达式为：φ_d＝{k|1≤k≤K,t_k,d＝1}；

建立网关层设备和边缘层设备的数据传输模式；计算所述边缘层设备b与所述网关层设备k之间最多能够承载的终端设备的射频数据的数目c_b,k，c_b,k的表达式为：

所述输电线路走廊通信数据传输模式，包括：

S21、边缘层设备收集管控云下辖的所有终端设备的数据，并对所述终端设备的数据进行处理与计算预编码向量；

S22、所述边缘层设备将收集到的所述终端设备的数据以及所述预编码向量发送至所述边缘层设备下辖的网关层设备；

S23、所述网关层设备根据接收到的所述终端设备的数据及所述预编码向量指令发送给对应的终端设备；

所述根据所述输电线路走廊通信的数据传输模式建立输电线路走廊通信机制，通过计算得到所述输电线路走廊通信机制的最优解，包括：

考虑输电线路走廊通信所需的线路沿线的供电问题与输电线路走廊通信机制的约束条件与需求，在边缘层处理能力O_b、网关层设备和边缘层设备的数据传输带宽c_b,k以及终端设备服务质量要求

的约束条件下，通过计算方法得到满足输电线路走廊通信网关的发射功率最小与满足服务质量要求条件下的最优的边缘层设备和终端设备的映射矩阵M、网关层设备和终端设备的传输矩阵T、网关层设备到终端设备的预编码向量v，得到最优的输电线路走廊通信机制。

2.根据权利要求1所述的一种输电线路走廊通信覆盖与数据传输方法，其特征在于，所述计算方法，包括：

S31、计算终端设备接收到的信号，确定数据传输速率满足服务质量要求；

设网关层设备集合φ_d向终端设备d传输的数据为x_d，则根据输电线路走廊通信数据传输模式，所述终端设备d接收到的无线信号的表达式为：

式中，h_k,d为所述网关层设备k到所述终端设备d的信道向量，满足

v_k,d为所述网关层设备k到所述终端设备d的预编码向量，满足

为h_k,d的共轭转置，z_d为所述终端设备d的噪声；所述终端设备d接收到所述网关层设备k发给所述终端设备d的有用信号为

所述网关层设备k发送给其他终端设备对所述终端设备d造成的信号干扰为

计算所述终端设备d信号干扰噪声比为：

式中，σ²为噪声z_d的功率，||·||为取模值计算；所述数据传输速率满足服务质量要求为：

S32、根据输电线路走廊通信机制的约束条件与需求，以输电线路走廊通信网关的发射功率最小为最优目标，建立输电线路走廊通信机制优化模型；

S33、根据假设给定的网关层设备和终端设备的传输矩阵T，计算最优的预编码向量v；

记

为所述终端设备d的预编码向量，其中若边缘层设备不向终端设备发送数据，则t_k,d＝0，对应的预编码向量为0，表示为

其中N_k表示网关层设备k的南向通信模组配备的多根传输天线；对v_d进行转化，令e_d＝v_d-F_dv_d，其中F_d满足：

其中diag[·]^T表示矩阵的转置，对于所述终端设备d，仅有向所述终端设备d发送数据的网关层设备会生成对应的预编码向量，不向所述终端设备d发送数据的网关层设备对应的预编码向量置零，公式表达为：

令

则

将

进一步表达为：Tr[(I^(N×N)-F_d)W_d]＝0，式中Tr[·]表示矩阵的迹，I^(N×N)表示(N×N)维的单位矩阵，I^(N×N)中的所有元素为1；记

为所述终端设备d的信道向量，

为所述终端设备d的信道矩阵，则

由此将原终端设备d的服务质量的约束条件

更新为：

根据假设给定的网关层设备和终端设备的传输矩阵T，将所述最优的预编码向量v的计算构建为如下最优的预编码向量v的优化模型：

S34、根据所述假设给定的网关层设备和终端设备的传输矩阵T与所述最优的预编码向量v，在

以及

的限制条件下计算最优的边缘层设备和终端设备的映射矩阵M；

将所述最优的边缘层设备和终端设备的映射矩阵M的计算构建为如下最优的边缘层设备和终端设备的映射矩阵M的优化模型：

min 1_(1×BD)m

s.t.F·m≤c

E·m＝1_D×1

式中，t_k＝[t_1,dt_2,d…t_K,d]^T，o＝[o₁o₂…o_B]^T，c_k＝[c_1,kc_2,k…c_B,k]^T，m＝[m_1,1…m_1,Dm_2,1…m_2,Dm_B,1…m_B,D]^T，

S35、根据所述最优的预编码向量v、所述最优的边缘层设备和终端设备的映射矩阵M，计算最优的网关层设备和终端设备的传输矩阵T。

3.根据权利要求2所述的一种输电线路走廊通信覆盖与数据传输方法，其特征在于，所述根据所述最优的预编码向量v、所述最优的边缘层设备和终端设备的映射矩阵M，计算最优的网关层设备和终端设备的传输矩阵T，包括：

S351、令所有网关层设备均参与每个终端设备的数据传输，网关层设备和终端设备的传输矩阵T中的元素全为1，基于所述网关层设备和终端设备的传输矩阵T根据最优的预编码向量v的优化模型与最优的边缘层设备和终端设备的映射矩阵M的优化模型求解此时最优的预编码向量v、最优的边缘层设备和终端设备的映射矩阵M；若求得最优的预编码向量v、最优的边缘层设备和终端设备的映射矩阵M，则终止计算，所述网关层设备和终端设备的传输矩阵T、所述最优的预编码向量v、所述最优的边缘层设备和终端设备的映射矩阵M为最优通信机制；若仅求得最优的预编码向量v，但无法求得最优的边缘层设备和终端设备的映射矩阵M，则跳转至S352；

S352、计算所述网关层设备向所述终端设备传输数据的链路的贡献度κ_k,d，将所述网关层设备和终端设备的传输矩阵T中的元素按照对应的链路参与传输的贡献度由小到大进行排序，将对应的链路参与传输的贡献度κ_k,d最小的元素置零，并更新所述网关层设备和终端设备的传输矩阵T，基于所述网关层设备和终端设备的传输矩阵T根据最优的预编码向量v的优化模型与最优的边缘层设备和终端设备的映射矩阵M的优化模型求解此时的最优的预编码向量v、最优的边缘层设备和终端设备的映射矩阵M；若求得最优的预编码向量v、最优的边缘层设备和终端设备的映射矩阵M，则跳转至S353；若仅求得最优的预编码向量v，但无法求得最优的边缘层设备和终端设备的映射矩阵M，则重复S352；

S353、将S352求得的所述网关层设备和终端设备的传输矩阵T中置零的元素重新置为1，计算最优的预编码向量v与最优的边缘层设备和终端设备的映射矩阵M，确认S352中求得的所述网关层设备和终端设备的传输矩阵T为帕累托最优解。

4.根据权利要求3所述的一种输电线路走廊通信覆盖与数据传输方法，其特征在于，所述计算网关层设备向终端设备传输数据的链路的贡献度κ_k,d，包括：

式中，

为所述网关层设备k到所述终端设备d的最优预编码向量。

5.根据权利要求3所述的一种输电线路走廊通信覆盖与数据传输方法，其特征在于，所述确认S352中求得的所述网关层设备和终端设备的传输矩阵T为帕累托最优解，包括：

记待确认的所述网关层设备和终端设备的传输矩阵T的零元素个数表示参与向终端设备传输数据的网关个数，表达式为：N(T)＝{(k,d)|t_k,d＝0}；最优的网关层设备和终端设备的传输矩阵T^#认为是不存在其他网关层设备和终端设备的传输矩阵T，使得所述网关层设备和终端设备的传输矩阵T的非零元素比所述最优的网关层设备和终端设备的传输矩阵T^#的非零元素还要多。

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