CN112867166B - 一种智能电网中微功率无线通信网络的业务数据调度方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种智能电网中微功率无线通信网络的业务数据调度方法，属于电力物联网领域。该方法包括：根据网络中不同业务类型的不同需求，将业务数据合理的划分静态优先级；同步智能电网中的微功率无线通信网络，将时间离散化为一系列的时隙t＝1,2,…；周期性检测网络中传输的数据包，丢弃剩余时间耗尽前无法传送到目的节点的数据包；基于动态优先级的数据包调度机制。本发明将业务数据进行了合理的分类，明确了各类业务数据的需求；节点周期性丢弃不合格的数据包，避免了网络资源的浪费；基于动态优先级的业务数据包调度方法，满足了高优先级业务数据对于实时性和可靠性的要求，同时避免了低优先级业务数据的饿死问题。

Description

一种智能电网中微功率无线通信网络的业务数据调度方法
技术领域
本发明属于电力物联网领域，涉及一种智能电网中微功率无线通信网络的业务数据调度方法。
背景技术
微功率无线通信网络是应用于智能电网中的一种能够双向通信的多跳自组织无线传感器网络。在实际应用中，微功率无线通信网络不仅可以和电力线载波通信网络保持通用性，相互共存，而且可以弥补电力线载波通信在某些场景下的劣势。将开发出的微功率无线通信模块放入集中器、电能表、采集器等设备中，可以实现对智能配用电设备的信息采集、设备控制、紧急事件上报等功能。
微功率无线通信网络可以是树状拓扑或网状拓扑，一种树状拓扑的微功率无线通信网络结构如图1所示。与集中器相连的通信模块为主通信模块，称为中央协调器CCO(Central Coordinator)，负责集中器和采集器或者集中器和电能表之间数据的收发，它还具有组网控制、网络维护管理等功能。采集器或者电能表连接的通信模块，按照在网络中的角色，分为代理协调器PCO(ProxyCoordinator)和站点STA(Station)。在微功率网络中，最外层的节点没有中继功能，称为站点STA(Station)，而充当中继功能的节点称为代理协调器PCO(Proxy Coordinator)。由于网络拓扑结构的变化，PCO和STA的角色可以互相转换。
目前，随着智能电网的建设，微功率无线通信网络需要采集的数据类型逐渐增多。一方面，新型电能表协议的推行，使得电能表有更高的扩展性、灵活性和复用性，这使得电能表可以作为家庭内部传感器网络的接入点，实现多表集抄、电器管理、异常检测等功能。另一方面，采用新协议的微功率无线通信网络传输的速率更快。当前，宽带PLC技术已经成为了智能电网、能源管理、智慧家庭、光伏发电、电动汽车充电等领域的主要通信手段之一。微功率无线通信网络技术与宽带PLC通信技术相互兼容、优势互补，在这些领域也将有广阔的应用。
所传输数据类型的增多，不同业务数据的需求势必会带来差异化。这就需要微功率无线通信网络采取合理的业务数据调度方法，来解决不同业务数据的分类、节点内业务数据排队、高优先级业务对于实时性和可靠性的要求等问题。
然而在实际应用中，当前微功率无线通信网络存在以下的问题：缺乏对于业务功能的分类，无法满足不同业务功能的需求；双向互动的网络，数据包的传输往往有截止期，超过截止期的数据包浪费网络的资源；针对节点内业务数据的排队问题，现有的微功率网络简单的采用了先到先服务的策略，无法满足紧急事件的及时上报，带来了潜在的隐患。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种智能电网中微功率无线通信网络的业务数据调度方法。将网络中的业务数据进行服务的分类，包括：确定业务数据包的静态优先级和业务数据包的服务等待时间；同步用电信息采集系统中的微功率无线通信网络，将时间离散化为一系列的时隙t＝1，2，…；周期性检测网络中传输的数据包，丢弃剩余时间耗尽前无法传送到目的节点的数据包；基于动态优先级的数据包调度机制。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种智能电网中微功率无线通信网络的业务数据调度方法，该方法包括以下步骤：
S11：将网络中的业务数据进行服务的分类，包括：确定业务数据包的静态优先级和业务数据包的服务等待时间；
S12：同步智能电网中的微功率无线通信网络，将时间离散化为一系列的时隙t＝1，2，…；
S13：节点产生数据包时，根据数据包所属的业务类型设置数据的静态优先级和传输剩余时间，然后将数据的静态优先级信息、数据的传输剩余时间信息添加到数据包中；
S14：根据数据包对应的四种静态优先级，在每个节点内维护四个队列，将节点所传输的数据包根据数据包的静态优先级放入相应的优先级队列中。
S15：在网络同步的基础上，每经过时隙t，将节点内所有数据包的传输剩余时间减t，然后检查每个数据包的传输剩余时间，如果检测到数据包无法按时传送到目的节点，则将数据包丢弃，避免浪费网络的资源；
S16：节点的发送时隙到来时，调度器综合考虑四个队列中数据包的静态优先级和数据包的传输剩余时间，选择动态优先级最高的数据包发送。
可选的，在所述S11中，服务分类方法包括：根据智能电网互联互通技术规范、智能电网标准化路线草案和微功率无线通信网络的应用场景对网络中的业务功能进行定义。
可选的，在所述S13中，网络中传输的每个数据包中包含数据的静态优先级信息和传输剩余时间信息。
可选的，在所述S15中，周期性更新数据包的传输剩余时间，及时丢弃不合格的数据包，以避免网络资源的浪费，提高网络的吞吐量。
可选的，在步骤S15中，判断数据包能否按时传送到目的节点的计算方法为：
D＝Ti-(Hi×τ)，D≥0
其中，D表示数据包的相对剩余时间，Ti表示数据包传输到目的节点的剩余时间，Hi表示数据包传送到目的节点的剩余跳数，τ表示节点中数据包成功传输到下一跳节点所用的最小时间。当D＜0时，表示数据包理论上无法传送到目的节点，将此数据包丢弃。
可选的，在所述S16中，数据包动态优先级的计算方法为：
Figure BDA0002903591100000031
其中，
Figure BDA0002903591100000032
其中，j表示数据包的静态优先级，i表示数据包发送的紧急程度，取值为1～4的整数，数值越大表明数据包越需要紧急发送，γ为倾向于相对剩余时间的加权系数，当γ的值足够大时。
可选的，在所述S16中，调度算法综合考虑数据包的静态优先级和数据包的传输剩余时间，共同决定数据包的发送优先级，以保证高优先级数据包的优先传输，避免低优先级的数据包始终无法被发送而导致的饿死问题。
本发明的有益效果在于：本发明考虑了微功率无线网络的应用场景和业务功能的分类，根据业务需求，将业务功能合理的划分了优先级。本发明在网络同步的基础上，周期性更新和检测数据包的传输状态，及时丢弃传输剩余时间耗尽前无法传送到目的节点的数据包，降低了网络的开销；本发明通过计算节点内数据包的动态优先级，选取节点内动态优先级最高的数据包发送，满足了高优先级数据包对于实时性和可靠性的要求，同时解决了低优先级数据包始终被抢占而导致的饿死问题。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1微功率无线通信网络的网络拓扑结构；
图2是节点内数据包的队列划分示意图；
图3是γ取值为1时的动态二维优先级表；
图4是本发明实施例的流程示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本发明提供了一种智能电网中微功率无线通信网络的业务数据调度方法，该方法包括以下步骤：
S11：将网络中的业务数据进行服务的分类，包括：确定业务数据包的静态优先级和业务数据包的服务等待时间；
根据在智能电网中的应用场景，微功率无线通信网络担负着设备信息采集、设备控制、需求响应、负荷控制、紧急事件上报等业务功能。这些业务功能的重要程度不同，而且对于时延的容忍程度也不同。
为了对各类业务功能的需求做出有效的响应，需要对各种业务进行分类的管理。具体的做法就是根据业务的重要程度，为各类业务划分合理的优先级，然后确定各类优先级业务对于时延的要求。如下表1所示，展示了本发明的服务分类示意。
Figure BDA0002903591100000041
Figure BDA0002903591100000051
表1
S12：同步智能电网中的微功率无线通信网络，将时间离散化为一系列的时隙t＝1，2，…；
微功率无线通信网络中，依靠在信标时隙中发送信标帧来实现网络设备的同步。网络中的所有设备同步到一个共同的时钟，便于时隙的维护和数据包的管理。
S13：节点产生数据包时，根据数据包所属的业务类型设置数据包的静态优先级信息和传输剩余时间，然后将数据的静态优先级信息、数据的传输剩余时间信息添加到数据包中；
S14：根据数据包对应的四种静态优先级，在每个节点内维护四个队列，将节点所传输的数据包根据数据包的静态优先级放入相应的优先级队列中。每个队列中的数据包，数据包的静态优先级相同，传输剩余时间短的数据包排在队列的头部，优先调度；
节点内队列划分如图2所示，图中数字表示节点内数据包的四种静态优先级。
S15：在网络同步的基础上，每经过时隙t，将节点内所有数据包的传输剩余时间减t，然后检查每个数据包的传输剩余时间，如果检测到数据包无法按时传送到目的节点，则将数据包丢弃，避免浪费网络资源；
由于每个队列中传输剩余时间短的数据包排在队列的头部，所以对于数据包的检测从每个队列的头部开始，直到检测到合格的数据包为止。
S16：节点的发送时隙到来时，调度器综合考虑四个队列中数据包的静态优先级和数据包的传输剩余时间，选择动态优先级最高的数据包发送。
进一步的，在所述步骤S15中，判断数据包能否按时传送到目的节点的计算方法为：
D＝Ti-(Hi×τ)，D≥0
其中，D表示数据包的相对剩余时间，Ti表示数据包传输到目的节点的剩余时间，Hi表示数据包传送到目的节点的剩余跳数，τ表示节点中数据包成功传输到下一跳节点，然后收到节点的ACK帧所用的最小时间。当D＜0时，表示数据包理论上无法传送到目的节点，将此数据包丢弃。
进一步的，在所述步骤S16中，所述数据包动态优先级的计算方法为：
Figure BDA0002903591100000061
其中，
Figure BDA0002903591100000062
其中，j表示数据包的静态优先级，i表示数据包发送的紧急程度，取值为1到4之间的整数，数值越大表明数据包越需要紧急发送，γ为倾向于相对剩余时间的加权系数，当γ的值足够大时，该算法相当于基于数据包相对剩余时间的最早截止时间优先算法(EDF)，将上式中的i和j位置互换后，γ变为倾向于数据包优先级的加权系数，该算法相当于基于数据包优先级的算法(PQ)。i，j的位置和γ的具体取值，根据实际的表现情况进行选取。图3是γ取值为1时的动态二维优先级表，表格中的数字表示对应数据包的动态优先级，数字越大表明数据包的优先越高。
最后，本发明实施例的流程示意图如图4所示。
本发明的有益效果在于：本发明在网络同步的基础上，周期性更新和检测数据包的传输状态，及时丢弃传输剩余时间耗尽前无法传送到目的节点的数据包，降低了网络的开销。本发明通过计算节点内数据包的动态优先级，选取节点内动态优先级最高的数据包发送，满足了高优先级数据包对于实时性和可靠性的要求，同时解决了低优先级数据包始终被抢占而导致的饿死问题。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种智能电网中微功率无线通信网络的业务数据调度方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S11：将网络中的业务数据进行服务的分类，包括：确定业务数据包的静态优先级和业务数据包的服务等待时间；
S12：同步智能电网中的微功率无线通信网络，将时间离散化为一系列的时隙t＝1，2，…；
S13：节点产生数据包时，根据数据包所属的业务类型设置数据的静态优先级和传输剩余时间，然后将数据的静态优先级信息、数据的传输剩余时间信息添加到数据包中；
S14：根据数据包对应的四种静态优先级，在每个节点内维护四个队列，将节点所传输的数据包根据数据包的静态优先级放入相应的优先级队列中；
S15：在网络同步的基础上，每经过时隙t，将节点内所有数据包的传输剩余时间减t，然后检查每个数据包的传输剩余时间，如果检测到数据包无法按时传送到目的节点，则将数据包丢弃，避免浪费网络的资源；
S16：节点的发送时隙到来时，调度器综合考虑四个队列中数据包的静态优先级和数据包的传输剩余时间，选择动态优先级最高的数据包发送；
在步骤S15中，判断数据包能否按时传送到目的节点的计算方法为：
D＝Ti-(Hi×τ)，D≥0
其中，D表示数据包的相对剩余时间，Ti表示数据包传输到目的节点的剩余时间，Hi表示数据包传送到目的节点的剩余跳数，τ表示节点中数据包成功传输到下一跳节点所用的最小时间；当D＜0时，表示数据包理论上无法传送到目的节点，将此数据包丢弃；
在所述S16中，数据包动态优先级的计算方法为：
Figure FDA0003592076450000011
其中，
Figure FDA0003592076450000012
其中，j表示数据包的静态优先级，i表示数据包发送的紧急程度，取值为1～4的整数，数值越大表明数据包越需要紧急发送，γ为倾向于相对剩余时间的加权系数。
2.根据权利要求1所述的一种智能电网中微功率无线通信网络的业务数据调度方法，其特征在于：在所述S11中，服务分类方法包括：根据智能电网互联互通技术规范、智能电网标准化路线草案和微功率无线通信网络的应用场景对网络中的业务功能进行定义。
3.根据权利要求1所述的一种智能电网中微功率无线通信网络的业务数据调度方法，其特征在于：在所述S13中，网络中传输的每个数据包中包含数据的静态优先级信息和传输剩余时间信息。
4.根据权利要求1所述的一种智能电网中微功率无线通信网络的业务数据调度方法，其特征在于：在所述S15中，周期性更新数据包的传输剩余时间，及时丢弃不合格的数据包，以避免网络资源的浪费，提高网络的吞吐量。
5.根据权利要求1所述的一种智能电网中微功率无线通信网络的业务数据调度方法，其特征在于：在所述S16中，调度算法综合考虑数据包的静态优先级和数据包的传输剩余时间，共同决定数据包的发送优先级，以保证高优先级数据包的优先传输，避免低优先级的数据包始终无法被发送而导致的饿死问题。
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