CN113038515B - 基于5g网络的智能电网中数据重传与无线资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于5G网络的智能电网中数据重传与无线资源分配方法，其步骤包括：1、智能电网中的智能电表采样出所需监控的数据；2、将采样数据类型分为正常周期性数据和异常突发性数据；3、分别构造两种类型采样数据的重传方案；4、根据两种采样数据的可靠性约束和时延约束，为每种采样数据分配最优的调制编码方式和资源分配方案。本发明能够支持智能电网中正常周期性数据和异常突发性数据的协同数据传输、重传与资源分配，并在保证两种数据传输的可靠性与时延要求的同时最小化系统资源消耗。

Description

基于5G网络的智能电网中数据重传与无线资源分配方法

技术领域

本发明涉及智能电网上行通信数据传输领域，具体地说是一种基于5G网络的智能电网中数据重传与无线资源分配方法，适用于智能电网中出现异常突发性事件的环境，联合执行正常周期性数据和异常突发性数据的协同数据传输、重传与资源分配，并在满足系统超可靠、低时延要求的同时最小化系统资源消耗。

背景技术

智能电网是一个全自动的电力传输网络，它可以监视和控制每个用户和节点，确保发电厂和电力设备之间以及两者之间所有节点的电力和信息的双向流动，实现对电力系统中产、输、配、变、用等各个环节的智能化管理，进而实现系统高度智能化的目标。智能电表是智能电网数据采集的基本设备之一，承担着数据采集、计量和传输的任务，是实现信息集成、分析优化和信息展现的基础。

通信技术是智能电网建设的基石，目前第三代合作伙伴计划在5G新型无线电取得了良好的进展，用于支持增强移动宽带(eMBB)、海量机器类通信(mMTC)和超可靠低时延(URLLC)三大应用场景。其中，URLLC场景应用的特点是对时延、可靠性和可用性有严格的要求，比如智能电网中的分布式自动化、异常数据事件监测等。在5G技术中，混合自动重传请求(HARQ)是一种对时间分集的技术，通过对丢失或出错数据进行重传，可以提升数据在无线信道下的可靠性。

电子科技大学计算机科学与工程学院孙国林等人提出了一种基于深度强化学习的应急物联网切片资源预留算法(通信学报，2020，“基于深度强化学习的应急物联网切片资源预留算法”)。作者针对应急物联网的超低时延服务需求，设计了面向超低时延传输应急物联网的多切片网络架构，提出了应急物联网切片资源预留和多异构切片资源共享与隔离的方法框架。仿真结果表明，基于资源预留的方法能够使应急物联网切片显式保留资源，能够保证资源预留的准确和实时更新，有效兼顾了资源利用率和切片差异化服务质量要求。但是此算法没有考虑HARQ重传机制，仅能满足数据传输的低时延要求，无法保证数据传输的可靠性。

北京邮电大学庄植钧设计了一种电力无线专网上行信道资源分配方法(北京邮电大学硕士学位论文，2018，“电力无线专网上行信道资源分配方法”)。作者针对电网上行传输环境，分别提出了面向安全与QoS(Quality ofService)保障的电力无线专网上行资源分配方法与基于NB-IoT和LTE混合传输的电力业务上行资源调度机制。在混合传输的电力业务上行资源调度机制中，所提出的混合传输策略能够增加承载业务的数量上限，提高频谱资源的利用效率。最后，作者利用频谱感知技术对邻区干扰进行检测，提出了规避同频干扰的资源调度问题模型，最后利用人工鱼群算法对所提出的模型进行求解。仿真结果表明，所提算法可以提高电力无线专网小区的终端接入量和吞吐量，保证了电网接入终端的服务质量。但是此资源分配方法没有将HARQ重传机制与资源预留技术相结合，无法保证服务的时延要求及异常数据紧急传输的可靠性。

中兴通讯股份有限公司罗薇等人发明了一种资源分配方法及装置、资源预留方法及装置(公开号：CN108632779A)，方法包括：终端接收来自网络侧的配置信息；终端发送控制指示信息；其中，所述控制指示信息至少包括如下之一：资源占用指示信息、资源预留指示信息；所述资源占用指示信息用于指示终端在没有数据需要发送时的预留资源；所述资源预留指示信息用于指示终端在没有数据需要发送时的预留资源。该专利能够使得终端在发生突发事件时及时选择到合适的资源，也能避免在发生突发事件时因资源碰撞而不断重传纠正的问题。但是此方法没有考虑传输的调制编码方式和HARQ重传机制，无法最小化系统的资源消耗。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种基于5G网络的智能电网中数据重传与无线资源分配方法，以期能够联合使用重传机制及资源预留方法，支持智能电网中正常周期性数据和异常突发性数据的协同数据传输、重传与资源分配，并在保证系统可靠性和时延要求的同时最小化系统资源消耗。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明一种基于5G网络的智能电网中数据重传与无线资源分配方法的特点是应用于由N个智能电表和1个5G无线专网基站所构成的智能电网上行网络环境中，并按如下步骤进行：

步骤一、N个智能电表采样大小均为b比特的数据，并将采样的数据类型分为正常周期性数据和异常突发性数据；

步骤二、构造正常周期性数据的重传资源分配方案；

步骤2.1、定义智能电网上行网络环境中R个资源块为1个资源单元，且每个数据包占用1个资源单元用于传输；

智能电表在接收到5G无线专网基站反馈的ACK确认信号后，进行采样数据的首次传输和重传，假设为数据包的首次传输所分配的资源单元数量等于智能电表的数量N，为正常周期性数据的重传所预留的资源单元数量为K_normal；

步骤2.2、设n为首次传输丢失的数据包数量，如果K_normal＞n，则在首次传输中接收到NACK否定确认信号的智能电表能在未使用的无线资源中进行第二次重传；若n＞K_normal，则不进行第二次重传；若

则所有的智能电表都能够进行第二次重传；若

则5G无线专网基站随机选择部分智能电表进行第二次重传；

步骤三、对于异常突发性数据，智能电表不等待5G无线专网基站反馈的ACK确认信号下，直接进行重传；假设为异常突发性数据的重传所预留的资源单元数量为K_emergency，每个异常突发性数据包被重复发送β＞1次；

步骤四、利用式(1)-式(5)建立两种采样数据的时延约束：

N_normal+N_emergency＝N (5)

式(1)中，M(μ)表示在选择调制编码方式μ下的每个传输时间间隔内的资源单元的数量；N_normal表示采样传输正常周期性数据的智能电表数量；T_normal表示正常周期性数据传输的时延要求；t_a表示传输正常周期性数据的智能电表在接收到5G无线专网基站反馈的ACK确认信号之前的时延；τ表示传输时间间隔；

表示向上取整；

式(2)中，N_emergency表示采样传输异常突发性数据的智能电表数量；T_emergency表示异常突发性数据传输的时延要求；

式(3)中，R(μ)表示使用调制编码方式μ时，1个资源单元所占的资源块个数；ω表示每个资源块的带宽；η(μ)表示所使用的调制编码方式μ时的频谱效率；

式(4)中，W表示5G网络可用频谱的总带宽；

表示向下取整；

步骤五、利用式(6)和式(7)建立两种采样数据的可靠性约束：

式(6)中，δ₁表示智能电表首次传输错误的概率；δ₂表示智能电表第一次重传错误的概率；δ₃表示智能电表第二次重传错误的概率；

表示N_normal-1个智能电表的第一次传输中丢失n个数据包的二项式系数；I_(·)为一个示性函数，当条件(·)成立时，I_(·)＝1，否则，I_(·)＝0；Θ_normal表示正常周期性数据的可靠性要求；

式(7)中，p表示智能电表活跃的概率；l表示空闲资源的数量；

表示异常突发性数据包被重复发送β次时占用的空闲资源单元的数量；

表示K_emergency-l个资源单元中空闲资源单元的数量；

表示K_emergency个资源单元中空闲资源单元的数量；Θ_emergency表示异常突发性数据的可靠性要求；

步骤六、利用式(8)建立最小化系统资源消耗的目标函数，并根据式(1)-式(7)所建立一系列约束条件，构成最优重传资源分配模型：

步骤七、采用穷举法对最优重传资源分配模型进行求解，从而得到最优重传资源分配方案。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明联合应用HARQ重传机制和资源分配方法，为智能电网中应用5G超可靠低时延服务提供了一个资源分配的通用框架。

2、本发明考虑了电网中出现突发事件的情况，构造了正常周期性数据和异常突发性数据的两种数据重传方案，能够支持两种类型数据的协同传输、重传与资源分配。

3、本发明提出的最优重传资源分配模型，同时最优化链路层面的调制编码方式和无线资源分配，以最小化系统资源消耗为目标，满足了两种数据传输的可靠性与时延要求。

附图说明

图1所示为本发明中数据重传与无线资源分配方法的流程图。

具体实施方式

本实施例中，如图1所示，一种基于5G网络的智能电网中数据重传与无线资源分配方法，其特征是应用于由N个智能电表和1个5G无线专网基站所构成的智能电网上行网络环境中，并按如下步骤进行：

步骤一、N个智能电表采样大小均为b比特的数据，并将采样的数据类型分为正常周期性数据和异常突发性数据，本实施例中，N＝100，b＝100bits；

步骤二、构造正常周期性数据的重传资源分配方案；

步骤2.1、定义智能电网上行网络环境中R个资源块为1个资源单元，且每个数据包占用1个资源单元用于传输；

智能电表在接收到5G无线专网基站反馈的ACK确认信号后，进行采样数据的首次传输和重传，假设为数据包的首次传输所分配的资源单元数量等于智能电表的数量N，为正常周期性数据的重传所预留的资源单元数量为K_normal；

步骤2.2、设n为首次传输丢失的数据包数量，如果K_normal＞n，则在首次传输中接收到NACK否定确认信号的智能电表能在未使用的无线资源中进行第二次重传；若n＞K_normal，则不进行第二次重传；若

则所有的智能电表都能够进行第二次重传；若

则5G无线专网基站随机选择部分智能电表进行第二次重传，本实施例中，n＝2；

步骤三、对于异常突发性数据，智能电表不等待5G无线专网基站反馈的ACK确认信号下，直接进行重传；假设为异常突发性数据的重传所预留的资源单元数量为K_emergency，每个异常突发性数据包被重复发送β＞1次，本实施例中，β＝3；

通过步骤二和步骤三，本发明将HARQ重传机制与资源预留配置方法相结合，并且考虑了电网中出现突发事件的情况，构造了正常周期性数据和异常突发性数据的两种数据重传方案，能够支持两种类型数据的协同传输、重传与资源分配。

步骤四、利用式(1)-式(5)建立两种采样数据的时延约束：

N_normal+N_emergency＝N (5)

式(1)中，M(μ)表示在选择调制编码方式μ下的每个传输时间间隔内的资源单元的数量；N_normal表示采样传输正常周期性数据的智能电表数量，N_normal＝85；T_normal表示正常周期性数据传输的时延要求，T_normal＝2ms；t_a表示传输正常周期性数据的智能电表在接收到5G无线专网基站反馈的ACK确认信号之前的时延，t_a＝0.288ms；τ表示传输时间间隔，τ＝0.144ms；

表示向上取整；

式(2)中，N_emergency表示采样传输异常突发性数据的智能电表数量，N_emergency＝15；T_emergency表示异常突发性数据传输的时延要求，T_emergency＝1ms；

式(3)中，R(μ)表示使用调制编码方式μ时，1个资源单元所占的资源块个数；ω表示每个资源块的带宽，ω＝15kHz；η(μ)表示所使用的调制编码方式μ时的频谱效率，查表1可得；

式(4)中，W表示5G网络可用频谱的总带宽，W＝10MHz；

表示向下取整；

表1不同调制编码方式μ下的频谱效率η(μ)

步骤五、利用式(6)和式(7)建立两种采样数据的可靠性约束：

式(6)中，δ₁表示智能电表首次传输错误的概率；δ₂表示智能电表第一次重传错误的概率；δ₃表示智能电表第二次重传错误的概率，本实施例中，δ₁＝δ₂＝δ₃＝0.005；

表示N_normal-1个智能电表的第一次传输中丢失n个数据包的二项式系数，

I_(·)为一个示性函数，当条件(·)成立时，I_(·)＝1，否则，I_(·)＝0；Θ_normal表示正常周期性数据的可靠性要求；

式(7)中，p表示智能电表活跃的概率，p＝10^-4；l表示空闲资源的数量，l＝2；

表示异常突发性数据包被重复发送β次时占用的空闲资源单元的数量，

表示K_emergency-l个资源单元中空闲资源单元的数量，

表示K_emergency个资源单元中空闲资源单元的数量，

Θ_emergency表示异常突发性数据的可靠性要求，Θ_emergency＝10^-6；

步骤六、利用式(8)建立最小化系统资源消耗的目标函数，并根据式(1)-式(7)所建立一系列约束条件，构成最优重传资源分配模型：

通过步骤四至步骤六，本发明将链路层面的调制编码方式与无线资源分配相结合，建立了最优重传资源分配模型，能够在满足两种数据传输的可靠性与时延要求的同时，最小化系统资源消耗；

步骤七、采用穷举法对最优重传资源分配模型进行求解，从而得到最优重传资源分配方案。

Claims (1)

1.一种基于5G网络的智能电网中数据重传与无线资源分配方法，其特征是应用于由N个智能电表和1个5G无线专网基站所构成的智能电网上行网络环境中，并按如下步骤进行：

步骤一、N个智能电表采样大小均为b比特的数据，并将采样的数据类型分为正常周期性数据和异常突发性数据；

步骤二、构造正常周期性数据的重传资源分配方案；

步骤2.1、定义智能电网上行网络环境中R个资源块为1个资源单元，且每个数据包占用1个资源单元用于传输；

智能电表在接收到5G无线专网基站反馈的ACK确认信号后，进行采样数据的首次传输和重传，假设为数据包的首次传输所分配的资源单元数量等于智能电表的数量N，为正常周期性数据的重传所预留的资源单元数量为K_normal；

步骤2.2、设n为首次传输丢失的数据包数量，如果K_normal＞n，则在首次传输中接收到NACK否定确认信号的智能电表能在未使用的无线资源中进行第二次重传；若n＞K_normal，则不进行第二次重传；若

则所有的智能电表都能够进行第二次重传；若

则5G无线专网基站随机选择部分智能电表进行第二次重传；

步骤三、对于异常突发性数据，智能电表不等待5G无线专网基站反馈的ACK确认信号下，直接进行重传；假设为异常突发性数据的重传所预留的资源单元数量为K_emergency，每个异常突发性数据包被重复发送β＞1次；

步骤四、利用式(1)-式(5)建立两种采样数据的时延约束：

N_normal+N_emergency＝N (5)

式(1)中，M(μ)表示在选择调制编码方式μ下的每个传输时间间隔内的资源单元的数量；N_normal表示采样传输正常周期性数据的智能电表数量；T_normal表示正常周期性数据传输的时延要求；t_a表示传输正常周期性数据的智能电表在接收到5G无线专网基站反馈的ACK确认信号之前的时延；τ表示传输时间间隔；

表示向上取整；

式(2)中，N_emergency表示采样传输异常突发性数据的智能电表数量；T_emergency表示异常突发性数据传输的时延要求；

式(3)中，R(μ)表示使用调制编码方式μ时，1个资源单元所占的资源块个数；ω表示每个资源块的带宽；η(μ)表示所使用的调制编码方式μ时的频谱效率；

式(4)中，W表示5G网络可用频谱的总带宽；

表示向下取整；

步骤五、利用式(6)和式(7)建立两种采样数据的可靠性约束：

式(6)中，δ₁表示智能电表首次传输错误的概率；δ₂表示智能电表第一次重传错误的概率；δ₃表示智能电表第二次重传错误的概率；

表示N_normal-1个智能电表的第一次传输中丢失n个数据包的二项式系数；I_(·)为一个示性函数，当条件(·)成立时，I_(·)＝1，否则，I_(·)＝0；Θ_normal表示正常周期性数据的可靠性要求；

式(7)中，p表示智能电表活跃的概率；l表示空闲资源的数量；

表示异常突发性数据包被重复发送β次时占用的空闲资源单元的数量；

表示K_emergency-l个资源单元中空闲资源单元的数量；

表示K_emergency个资源单元中空闲资源单元的数量；Θ_emergency表示异常突发性数据的可靠性要求；

步骤六、利用式(8)建立最小化系统资源消耗的目标函数，并根据式(1)-式(7)所建立一系列约束条件，构成最优重传资源分配模型：

步骤七、采用穷举法对最优重传资源分配模型进行求解，从而得到最优重传资源分配方案。

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