CN114759677A - 一种配电物联网应用服务质量保障方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种配电物联网应用服务质量保障方法，所述方法包括如下步骤：步骤1：设备注册与业务下发；步骤2：数据传输与服务质量保障；步骤3：数据上送；步骤4：服务质量解析。利用本发明的方法可以在配电终端设备无感知或极低开销情况下，提升配电应用服务质量水平，弥补配电领域服务质量功能缺失问题，同时提升上层配网应用性能，拓展配网应用领域边界；可以有效提升配电物联网数据传输可靠性和下行指令及时性，降低网络数据丢包率，避免NB‑IoT链路瘫痪问题。该方法解决了传统配电物联网服务质量功能缺失问题，进而实现拓展配电应用覆盖广度的目标，同时对服务质量等级进行划分，解决配电物联网服务质量需求差异化问题。
Description
技术领域
本发明属于软件、计算机与网络技术领域，涉及一种配电物联网应用服务质量保障方法。
背景技术
配电是电力系统的末端环节，直接面向用户、工厂分配电力资源，配电环节的运行质量直接关乎客户的用电体验。传统配电网络由于技术落后、资金不足等问题频发事故，严重阻碍经济建设。近年，国家大力支持电力行业发展，以国家电网有限公司为首的多家企业致力于智能电网技术研发。由于配电网存在着需求多变、需求难满足等挑战，所以引入物联网技术提升运维管理水平，并在2019年提出了能源、信息一体化的“配电物联网”新架构，其发展是提高配电网络运行效率、优化企业经营绩效、实现发展成果共享的重要举措之一。随着时代发展，配电物联网应用日益复杂，涵盖“提升用户服务水平”、“打造智慧服务平台”、“提升配网效率”等多种类别。
服务质量（QoS）是一种用于评估客户对某种应用服务满意程度的综合指标，服务质量高的应用可以为客户带来更好的使用体验。配电物联网等至关重要的通讯设施需要提供QoS保障以提高安全性、可靠性、及时性，从而满足日益复杂配网应用的需求，而目前配电物联网领域存在缺少服务质量加持问题。配电物联网服务质量与互联网服务质量存在较大差别，物联网数据普遍信息等级较低、数据量少，因此仅能通过收集大量数据进行辅助运算，再者配电物联网应用对服务质量需求具有差异化问题，应当针对不同需求采取不同的配网数据传输方案。
传统配电物联网采用“端—云”直接通讯网络架构，低功耗广域网（LPWAN）通讯技术NB-IoT被广泛应用于配电物联网市场，例如智能断路器、智能电表等。NB-IoT存在低带宽、高时延等局限性，很多现代配电应用无法适配底层链路，导致部署难、性能差等问题。再者，配电终端设备具有资源受限、极端规模、性能相对低下等特殊性，无法部署复杂逻辑应用。同时，目前主流的服务质量解决方案中均无考虑配电物联网资源受限或极端规模等特殊性，即使配电物联网中最为主流的LwM2M/CoAP协议同样未提供服务质量（QoS）保障接口。因此需要一种配电物联网服务质量（QoS）保障方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种“云—边—端”架构的配电物联网应用服务质量保障方法，该方法解决了传统配电物联网服务质量功能缺失问题，进而实现拓展配电应用覆盖广度的目标，同时对服务质量（QoS）等级进行划分，解决配电物联网服务质量需求差异化问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种配电物联网应用服务质量保障方法，包括如下步骤：
步骤1：设备注册与业务下发：
步骤1.1：配电终端设备向多个边缘发起注册，配电终端设备可选择性按序接入多个边缘设备，其中最先接入的边缘设备作为该配电终端设备的主边缘，其他边缘设备作为该配电终端设备的副边缘，其中：主边缘负责统筹管理配电业务分配与配电数据传输路径选择，副边缘负责辅佐主边缘完成多路径数据传输，边缘侧LwM2M Miniserver模块负责与配电终端设备直接交互，提供配电终端设备在边缘注册能力；
步骤1.2：配电终端设备在云端服务器成功注册后，云端服务器下发携带服务质量要求的配电业务；
步骤1.3：主/副边缘设备QoS模块存储配电业务所需的服务质量约束要求；
步骤2：数据传输与服务质量保障
步骤2.1：在数据单路径传输模式中，配电终端设备选择一条满足服务质量要求的边缘路径将配电数据上送，LwM2M Miniserver模块接收到配电数据后，通过QoS模块为该配电数据添加服务质量保障；在数据多路径传输模式中，配电终端设备将配电数据同时向所有主/副边缘发送，LwM2M Miniserver模块接收到配电数据后，通过QoS模块为该配电数据添加服务质量保障；
步骤2.2：针对每一条上行配电数据，主副边缘根据QoS模块中记录的服务质量约束内容，为该数据进行压缩、加密、时间校准、安全保障等；
步骤3：数据上送
步骤3.1：主/副边缘调用消息发送器与链路管理器将具备了服务质量保障的配电数据发送至NB-IoT模块；
步骤3.2：NB-IoT模块根据服务质量要求，选择TCP连接或UDP隧道将配电数据发送至目标配电服务器；
步骤4：服务质量解析
目标配电服务器侧QoS解析者将配电终端设备发送的配电数据从服务质量中解析，并将配电数据转发至云服务器对应数据端口。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
1、利用本发明的方法可以在配电终端设备无感知或极低开销情况下，提升配电应用服务质量水平，弥补配电领域服务质量功能缺失问题，同时提升上层配网应用性能，拓展配网应用领域边界。
2、利用本发明的方法可以有效提升配电物联网数据传输可靠性和下行指令及时性，降低网络数据丢包率，避免NB-IoT链路瘫痪问题。
附图说明
图1为面向QoS保障的配电物联网应用架构图；
图2为可靠性数据传输步骤；
图3为基于配电物联网服务质量（QoS）保障方法的配电业务实施示意图；
图4为不同流量模式下有无服务质量保障网络可靠性能比较图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
图1描述了面向QoS保障的配电物联网应用架构图，本发明提供的基于“云—边—端”架构的配电物联网服务质量（QoS）保障方法中，边缘设备可以为配电物联网数据提供服务质量保障，提升数据传输可靠性与及时性。如图3所示，所述方法包括以下四个具体步骤：
步骤1：设备注册与业务下发
步骤1.1：配电终端设备随机选择一个边缘发起注册，并将该边缘设备设置为主边缘（Master Edge）。
步骤1.2：主边缘（Master Edge）将配电终端设备信息向云端服务器发起注册，将云服务器下发的全局ID反馈至配电终端设备。
步骤1.3：配电终端设备接收到全局ID后向所有其他边缘发起注册，同时将其他边缘设置为副边缘，副边缘下发自身流量、服务质量能力、资源状况等边缘信息。
步骤1.4：云端服务器将配电终端设备需执行的配电业务下发至主边缘，业务中携带需要提供的服务质量（QoS）保障信息。
步骤1.5：主边缘收集所有配电终端设备所有副边缘信息。
步骤1.6：主边缘将业务分摊至所有主/副边缘执行，满足个性化服务质量保障的基础上，提供边缘侧负载均衡的能力。
步骤2：数据传输与服务质量保障
步骤2.1：配电终端设备根据业务分配情况，将流量通过不同主/副边缘上送。
步骤2.2：主/副边缘按照自身能力为配电数据提供服务质量保障。其中，服务质量保障分为两个类别（可以同时添加）：
1）可靠性服务质量保障：可靠数据传输、多路径数据传输等。如图2所示，具体步骤如下：
a、QoS模块接收上行的配电终端设备的配电数据并解析，获取配电数据报文头字段与payload负载信息。
b、QoS组织者根据RFC8323协议，将LwM2M/CoAP over UDP数据转化为LwM2M/CoAPover TCP，并发送至QoS解析者。
c、QoS解析者通过客户端表（Client Table）补全会话上下文信息Mid、Type等。
2）及时性服务质量保障：边缘分时休眠。具体步骤如下：
a、云服务器将指令下发至QoS解析者。
b、云端侧QoS解析者找到配电终端设备所接入的全部主/副边缘地址，并将指令信息同时向多边缘分发。该方法有效避免单一路径下NB-IoT设备睡眠导致的数据延迟问题。
c、NB-IoT模块通过串口将数据反馈至QoS组织者链路管理器。
d、QoS组织者上LwM2M Miniserver模块通过QoS模块获取指令消息并向配电终端设备发起指令执行操作。
步骤3：数据上送
步骤3.1：主/副边缘调用消息发送器与链路管理器将配电数据发送至NB-IoT模块，其中，链路管理器提供了NB-IoT驱动功能，实现socket接口与AT指令之间数据互转。
步骤3.2：NB-IoT模块根据服务质量要求，选择TCP连接或UDP隧道将数据配电数据发送至目标配电服务器设备。
步骤4：服务质量解析
服务器侧QoS解析者将配电终端设备的配电数据从服务质量中解析，并将数据转发至云服务器对应数据端口。
实施例：
本实施例中，配电终端设备接入一个主边缘，两个副边缘设备，分别在低流量（1个配电应用）、中流量（10个配电应用）、高流量（30个配电应用）三种模式中工作运行。配电应用包含电冰箱、热水器、电脑等日常家用电器电功率数据采集。NB-IoT网络通讯模块采用BC26，配电终端设备数采用EPSRC（英国工程与自然研究理事会）项目REFIT数据集。
如图4所示，纵坐标描述了NB-IoT网络丢包率，七个实验对比组分别为：MQTT协议在TCP、UDP下丢包率，不使用可靠性服务质量保障（LwM2M over UDP）三种流量模式下网络丢包率，以及本发明提供的基于可靠性服务质量保障的中、高流量模式丢率。在NB-IoT链路中低、高频流量场景下丢包率降低1.39%、36.9%，同时有效预防、避免NB-IoT突发性链路瘫痪问题。下行指令及时性方面，在低、高频流量场景下延时分别降低54%、60%。
该实施例证明了本发明可以为配电物联网数据提供较高可靠性，提升配电物联网应用服务服务质量水平。
Claims (5)
1.一种配电物联网应用服务质量保障方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
步骤1：设备注册与业务下发：
步骤1.1：配电终端设备向多个边缘发起注册，配电终端设备可选择性按序接入多个边缘设备，其中最先接入的边缘设备作为该配电终端设备的主边缘，其他边缘设备作为该配电终端设备的副边缘；
步骤1.2：配电终端设备在云端服务器成功注册后，云端服务器下发携带服务质量要求的配电业务；
步骤1.3：主/副边缘设备QoS模块存储配电业务所需的服务质量约束要求；
步骤2：数据传输与服务质量保障
步骤2.1：在数据单路径传输模式中，配电终端设备选择一条满足服务质量要求的边缘路径将配电数据上送，LwM2M Miniserver模块接收到配电数据后，通过QoS模块为该配电数据添加服务质量保障；在数据多路径传输模式中，配电终端设备将配电数据同时向所有主/副边缘发送，LwM2M Miniserver模块接收到配电数据后，通过QoS模块为该配电数据添加服务质量保障；
步骤2.2：针对每一条上行配电数据，主副边缘根据QoS模块中记录的服务质量约束内容，为该数据进行压缩、加密、时间校准、安全保障；
步骤3：数据上送
步骤3.1：主/副边缘调用消息发送器与链路管理器将具备了服务质量保障的配电数据发送至NB-IoT模块；
步骤3.2：NB-IoT模块根据服务质量要求，选择TCP连接或UDP隧道将配电数据发送至目标配电服务器；
步骤4：服务质量解析
目标配电服务器侧QoS解析者将配电终端设备发送的配电数据从服务质量中解析，并将配电数据转发至云服务器对应数据端口。
2.根据权利要求1所述的配电物联网应用服务质量保障方法，其特征在于所述主边缘负责统筹管理配电业务分配与配电数据传输路径选择，副边缘负责辅佐主边缘完成多路径数据传输，边缘侧LwM2M Miniserver模块负责与配电终端设备直接交互，提供配电终端设备在边缘注册能力。
3.根据权利要求1所述的配电物联网应用服务质量保障方法，其特征在于所述服务质量保障包括可靠性服务质量保障和及时性服务质量保障，二者可单独添加或同时添加。
4.根据权利要求2所述的配电物联网应用服务质量保障方法，其特征在于所述可靠性服务质量保障的具体步骤如下：
a、QoS模块接收上行的配电终端设备的配电数据并解析，获取配电数据报文头字段与payload负载信息；
b、QoS组织者根据RFC8323协议，将LwM2M/CoAP over UDP数据转化为LwM2M/CoAP overTCP，并发送至QoS解析者；
c、QoS解析者通过客户端表补全会话上下文信息Mid、Type。
5.根据权利要求2所述的配电物联网应用服务质量保障方法，其特征在于所述及时性服务质量保障的具体步骤如下：
a、云服务器将指令下发至QoS解析者；
b、云端侧QoS解析者找到配电终端设备所接入的全部主/副边缘地址，并将指令信息同时向多边缘分发；
c、NB-IoT模块通过串口将数据反馈至QoS组织者链路管理器；
d、QoS组织者上LwM2M Miniserver模块通过QoS模块获取指令消息并向配电终端设备发起指令执行操作。
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