CN112367686B - 一种面向电力多业务承载的无线专网与公网混合组网方法 - Google Patents

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Abstract

一种面向电力多业务承载的无线专网与公网混合组网方法，所述方法首先采用融合基站和统一核心网的方式，将两种电力无线专网进行跨频段融合，再采用松耦合的方式与无线公网进行组网，建立混合组网架构；然后根据混合组网架构，从混合组网的终端身份验证，基于电力业务QOS保障的网络选择与资源分配，通信加密三个方面，建立混合组网的信息安全路线，实现电力多业务的承载与调度。本发明在电力无线专网异频混合组网的基础上再与公网进行融合，并建立混合组网的信息安全路线，实现电力多业务的承载与调度，该方法可有效提高网络容量、提升电力业务承载力和宽带传输能力，满足电力业务广覆盖、大连接、低时延、高可靠、高安全的需求。

Description

一种面向电力多业务承载的无线专网与公网混合组网方法
技术领域
本发明涉及一种面向电力无线专网与公网混合的组网方法，属于通信技术领域。
背景技术
电力终端通信接入网作为电力通信网络的重要组成部分，为配电自动化、用电信息采集等业务的数据传输提供了重要支撑。由于电力业务的分布特点，电力终端通信接入网具有覆盖范围广、通信节点分散、单位面积节点密度低等特点，存在光纤、电力无线专网、租用无线公网、载波等多种通信方式共存的局面。同时电力业务对通信时延、可靠性、安全性等通信性能指标提出了更高的要求。无线通信具有无须通信通道建设、网络部署快、系统扩展能力强等巨大的技术优势，日益成为中长距离电力终端通信的主方式，但是现有的频谱资源匮乏，如何综合现有的通信制式，充分利用它们自身的特性，实现优劣互补，解决因通信系统通信制式单一或通信技术固有缺陷而导致的网络覆盖率低、电力业务承载力弱和宽带传输能力差等问题，成为了一个亟待研究的课题。
将LTE(Long Term Evolution,长期演进)技术作为电力终端通信接入网的重要接入技术，对电力系统具有重要的应用意义。目前，LTE系统在电力行业应用的主要有基于230MHz的LTE系统(简称LTE230系统)和基于1800MHz的LTE系统(简称LTE1800系统)，LTE230系统比较适合于解决广覆盖的问题，而LTE1800系统比较适合于热点覆盖问题，鉴于两种系统的优势互补性，若能将两种系统进行异频混合组网，实现双频通信，对完善电力无线专网的质量，提高业务承载能力具有重要意义。
同时国家电网公司若能依托运营商的2G\3G\4G无线通信网络，充分发挥电力信息通信网络和资源的优势，提供语音、数据、图像、视频等多媒体业务，则可为智能电网的建设提供全方位的信息通信支撑。
综上所述，现有的电力通信系统因通信制式单一，通信技术本身也存在其固有缺陷，导致网络覆盖率低、电力业务承载力弱、宽带传输能力差，因此考虑结合无线专网技术与公网独特的优势，将多种网络进行融合并寻求一种能够优化无线网络资源、提高网络容量、同时提升电力业务承载力和宽带传输能力的混合组网方法是十分必要的。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种面向电力多业务承载的无线专网与公网混合组网方法，以提高网络容量、提升电力业务承载力和宽带传输能力，满足电力业务广覆盖、大连接、低时延、高可靠、高安全的需求。
本发明所述问题是以下述技术方案解决的：
一种面向电力多业务承载的无线专网与公网混合组网方法，所述方法首先采用融合基站和统一核心网的方式，将两种电力无线专网进行跨频段融合，再采用松耦合的方式与无线公网进行组网，建立混合组网架构；然后根据混合组网架构，从混合组网的终端身份验证，基于电力业务QoS保障的网络选择与资源分配，通信加密三个方面，建立混合组网的信息安全路线，实现电力多业务的承载与调度。
上述面向电力多业务承载的无线专网与公网混合组网方法，所述方法包括以下步骤：
a.建立混合组网架构
首先采用融合基站和统一核心网的方式，将电力无线专网230系统和电力无线专网1800系统进行跨频段融合，然后采用松耦合的方式与无线公网进行组网；
b.根据混合组网架构，从混合组网的终端身份验证，基于电力业务QoS保障的网络选择与资源分配，通信加密三个方面，建立混合组网的信息安全路线，实现电力多业务的承载与调度，所述基于电力业务QoS保障的网络选择与资源分配的方法如下：
首先构造接入网络的效用函数：
假设有m个可用网络覆盖，用Yi表示接入网络i的总效用值，i＝{1,2,...,m}，接入网络i的带宽、时延、负载，安全性效用值分别表示为Ybi、Ydi、Yli、Ysi；接入网络i的可用带宽为Bi，时延为Di，负载为Li(0≤Li≤1)、安全性为Si(0≤Si≤1)；电力业务对带宽、时延、安全性的要求分别为Br、Dr、Sr；用Vb、Vd、Vl、Vs分别表示Ybi、Ydi、Yli、Ysi的权值，Vb+Vd+Vl+Vs＝1，η表示效用函数值随负载的变化指数，则接入网络i的效用函数为：
Figure BDA0002750568530000021
其中Ybi、Ydi、Yli、Ysi分别为：
Figure BDA0002750568530000031
Figure BDA0002750568530000032
Figure BDA0002750568530000033
Yli＝(1-Li)η (0≤Li≤1)；
然后进行网络选择，具体步骤为：
①根据不同电力数据业务对带宽、时延、传输速率、可靠性的不同需求，对网络所承载的电力数据业务进行优先级划分；
②检测网络状态信息，包括总带宽、可用带宽、时延、负载、安全性以及覆盖区域；
③根据网络性能以及电力业务的QoS需求进行网络筛选，所选网络需要满足的条件为：
Br≤Bi、Di≤Dr、0≤Si≤1以及0≤Li≤1；
④选择合适的效用函数，根据Ybi、Ydi、Yli、Ysi的计算公式计算筛选出的各网络的各个效用值；
⑤利用接入网络i的效用函数计算出接入网络i的总效用值Yi，选择效用值最大的无线网络接入，并优先选择高优先级业务进行传输。
上述面向电力多业务承载的无线专网与公网混合组网方法，所述无线公网为运营商的2G、3G或4G无线通信网络。
上述面向电力多业务承载的无线专网与公网混合组网方法，所述终端身份验证的方法为：业务终端启用基于硬件安全模块的身份验证，通信终端与基站及核心网间开启接入层与非接入层双向鉴权功能，防御外界对无线通信终端、基站及核心网恶意攻击。
上述面向电力多业务承载的无线专网与公网混合组网方法，所述通信加密是指对通信全过程进行加密处理，防止信息明文泄露，提高数据的安全性。
上述面向电力多业务承载的无线专网与公网混合组网方法，所述电力业务的QoS需求用传输速率偏好型，时延偏好型、带宽偏好型、可靠性偏好型来体现。
本发明在电力无线专网异频混合组网的基础上再与公网进行融合，并建立混合组网的信息安全路线，实现电力多业务的承载与调度，该方法可有效提高网络容量、提升电力业务承载力和宽带传输能力，满足电力业务广覆盖、大连接、低时延、高可靠、高安全的需求。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步详述。
图1是面向电力多业务承载的无线专网与公网混合组网方法流程；
图2是混合组网架构；
图3是基于电力业务QoS保障的网络选择与资源分配算法。
文中各符号为：Yi为接入网络i的总效用值，Ybi为接入网络i的带宽效用值，Ydi为接入网络i的时延效用值，Yli为接入网络i的负载效用值，Ysi为接入网络i的安全性效用值，Bi为接入网络i的可用带宽，Di为接入网络i的时延，Li为接入网络i的负载，Si为接入网络i的安全性，Br为电力业务对带宽的要求，Dr为电力业务对电力业务对时延的要求，Sr为电力业务对安全性的要求，用Vb、Vd、Vl、Vs分别表示Ybi、Ydi、Yli、Ysi的权值，η为效用函数值随负载的变化指数，B0为总带宽，B为可用带宽，D为时延，L为负载，S为安全性。
具体实施方式
本发明针对因通信系统通信制式单一或通信技术固有缺陷而导致的网络覆盖率低、电力业务承载力弱和宽带传输能力差等问题，考虑结合无线专网技术与公网独特的优势，在异频混合组网的基础上再与公网进行融合，提出一种面向电力多业务承载的无线专网与公网混合组网方法，该方法充分利用无线专网与公网自身的特性，实现优劣互补，从而优化无线网络资源、提高网络容量、同时提升电力业务承载力和宽带传输能力。
本发明包括以下步骤：
步骤(A)，建立混合组网架构，包括电力无线专网230系统、电力无线专网1800系统以及无线公网通信网络，提高网络容量，支持电力多业务的承载；
步骤(B)，根据混合组网架构，从混合组网的终端身份验证，网络选择，通信加密三个方面，建立混合组网的信息安全路线，实现电力多业务的承载与调度。
所述的终端身份验证，业务终端启用基于硬件安全模块的身份验证，通信终端与基站及核心网间开启接入层与非接入层双向鉴权功能，防御外界对无线通信终端、基站及核心网恶意攻击。
所述的网络选择，实现根据不同电力数据业务对时延、传输速率、可靠性的不同需求，由传输速率，带宽，时延，安全性等指标，在终端面向不同的网络时，可以自适应的选择网络接入。
所述通信加密，用于对通信全过程进行加密处理，防止信息明文泄露，提高数据的安全性。
步骤(A)中组网架构，首先电力无线专网LTE 230M和LTE1.8G不同频段进行跨频段融合，采用融合基站和统一核心网的方式；融合基站采用LTE230和LTE1800不同板卡的设计技术来满足二者的差异化要求，采用独立的参数以及调制方式实现物理层；在设备层面实现统一核心网。其次再与公网采用松耦合的方式进行组网。组网架构如图所示：
步骤(B)所述的网络选择，由于终端面向不同的网络，且电力业务类型多样，各类业务对时延、带宽等网络条件的需求不同，要求LTE专网以及公网针对不同业务需求提供不同服务以保证网络服务质量。根据电力业务特点，采用自适应的网络接入机制，提出基于电力业务QoS(Quality of Service，服务质量)保障的网络选择与资源分配算法。
所述基于电力业务QoS保障的网络选择与资源分配算法考虑参数包括：网络性能和电力业务需求；网络性能采用总带宽B0(kbps)、可用带宽B(kbps)、时延D(ms，毫秒)、负载L、安全性S来体现；电力业务需求用传输速率偏好型，时延偏好型、带宽偏好型、可靠性偏好型来体现；业务的实现涉及多个核心网络，同时多个网络也面对着不同的电力业务，为了便于实现网络选择，选取效用函数结合多属性决策来确定目标函数。
假设有m个可用网络覆盖，用Yi表示接入网络i的总效用值，i＝{1,2,...,m}，接入网络i的带宽、时延、负载，安全性效用值分别表示为Ybi、Ydi、Yli、Ysi；接入网络i的可用带宽为Bi，时延为Di，负载为Li(0≤Li≤1)、安全性为Si(0≤Si≤1)；电力业务对带宽、时延、安全性的要求分别为Br、Dr、Sr；
带宽与安全性越大越好，且网络带宽不小于电力业务要求带宽，带宽和安全性效用值可以表示为：
Figure BDA0002750568530000051
Figure BDA0002750568530000061
时延、负载越小越好，且网络时延不大于电力业务要求时延，时延效用值可以表示为：
Figure BDA0002750568530000062
由于负载仅反映网络性能，负载效用值可以表示为：
Yli＝(1-Li)η (0≤Li≤1) (4)
η是指效用函数值随负载的变化指数，不同网络的η值可不同；Li＝0代表无负载，Li＝1代表满负载。
由多属性决策用Vb、Vd、Vl、Vs分别表示各参数对应的权值。将接入网络i各参数的效用值按指数加权，然后将这些结果相乘，得到接入网络i的效用值Yi。网络的效用与该网络每个参数的权重效用成正比。
Figure BDA0002750568530000063
步骤1：根据不同电力数据业务对带宽、时延、传输速率、可靠性的不同需求，对网络所承载的电力数据业务进行优先级划分；
步骤2：检测网络状态信息，包括总带宽B0(kbps)、可用带宽B(kbps)、时延D(ms)、负载L、安全性S以及覆盖区域；
步骤3：根据网络性能以及业务的QoS需求，(业务需求用传输速率偏好型，时延偏好型、带宽偏好型、可靠性偏好型来体现)进行网络筛选；需要满足
Br≤Bi、Di≤Dr、0≤Si≤1以及0≤Li≤1；
步骤4：利用业务需求选择合适的效用函数，根据公式(1)～(4)计算出各个效用值；
步骤5：根据公式(5)计算出网络总效用值，选择效用值最大的无线网络接入，并根据步骤1优先选择高优先级业务进行传输。
本发明所提供的混合组网方法，可以提高电力业务的承载力，同时使得电力业务承载与调度时，根据业务QCI优先级来分配时隙、频率资源，优先保证控制类低时延高可靠业务接入。综合考虑备选路径的时延与可用带宽，不仅可以保证业务的QoS，且优化了网络资源，均衡了整个无线网络的负载。

Claims (5)

1.一种面向电力多业务承载的无线专网与公网混合组网方法，其特征是，所述方法首先采用融合基站和统一核心网的方式，将两种电力无线专网进行跨频段融合，再采用松耦合的方式与无线公网进行组网，建立混合组网架构；然后根据混合组网架构，从混合组网的终端身份验证，基于电力业务QOS保障的网络选择与资源分配，通信加密三个方面，建立混合组网的信息安全路线，实现电力多业务的承载与调度；
所述方法包括以下步骤：
a.建立混合组网架构
首先采用融合基站和统一核心网的方式，将电力无线专网230系统和电力无线专网1800系统进行跨频段融合，然后采用松耦合的方式与无线公网进行组网；
b.根据混合组网架构，从混合组网的终端身份验证，基于电力业务QoS保障的网络选择与资源分配，通信加密三个方面，建立混合组网的信息安全路线，实现电力多业务的承载与调度，所述基于电力业务QoS保障的网络选择与资源分配的方法如下：
首先构造接入网络的效用函数：
假设有m个可用网络覆盖，用Yi表示接入网络i的总效用值，i＝{1,2,...,m}，接入网络i的带宽、时延、负载，安全性效用值分别表示为Ybi、Ydi、Yli、Ysi；接入网络i的可用带宽为Bi，时延为Di，负载为Li(0≤Li≤1)、安全性为Si(0≤Si≤1)；电力业务对带宽、时延、安全性的要求分别为Br、Dr、Sr；用Vb、Vd、Vl、Vs分别表示Ybi、Ydi、Yli、Ysi的权值，Vb+Vd+Vl+Vs＝1，η表示效用函数值随负载的变化指数，则接入网络i的效用函数为：
Figure FDA0003954762010000013
其中Ybi、Ydi、Yli、Ysi分别为：
Figure FDA0003954762010000011
Figure FDA0003954762010000012
Figure FDA0003954762010000021
Yli＝(1-Li)η(0≤Li≤1)；
然后进行网络选择，具体步骤为：
①根据不同电力数据业务对带宽、时延、传输速率、可靠性的不同需求，对网络所承载的电力数据业务进行优先级划分；
②检测网络状态信息，包括总带宽、可用带宽、时延、负载、安全性以及覆盖区域；
③根据网络性能以及电力业务的QoS需求进行网络筛选，所选网络需要满足的条件为：
Br≤Bi、Di≤Dr、0≤Si≤1以及0≤Li≤1；
④选择合适的效用函数，根据Ybi、Ydi、Yli、Ysi的计算公式计算筛选出的各网络的各个效用值；
⑤利用接入网络i的效用函数计算出接入网络i的总效用值Yi，选择效用值最大的无线网络接入，并优先选择高优先级业务进行传输。
2.根据权利要求1所述的面向电力多业务承载的无线专网与公网混合组网方法，其特征是，所述无线公网为运营商的2G、3G或4G无线通信网络。
3.根据权利要求1所述的面向电力多业务承载的无线专网与公网混合组网方法，其特征是，所述终端身份验证的方法为：业务终端启用基于硬件安全模块的身份验证，通信终端与基站及核心网间开启接入层与非接入层双向鉴权功能，防御外界对无线通信终端、基站及核心网恶意攻击。
4.根据权利要求1所述的面向电力多业务承载的无线专网与公网混合组网方法，其特征是，所述通信加密是指对通信全过程进行加密处理，防止信息明文泄露，提高数据的安全性。
5.根据权利要求1所述的面向电力多业务承载的无线专网与公网混合组网方法，其特征是，所述电力业务的QoS需求用传输速率偏好型，时延偏好型、带宽偏好型、可靠性偏好型来体现。
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