CN115174466B - 一种多模配电场域网控制类业务高可靠路由优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多模配电场域网控制类业务高可靠路由优化方法，选定多模通信配电场域网场景中的电力控制类业务作为路由优化对象；筛选出各节点间RF链路和FHPLC链路中不能可靠通信的链路，并计算RF链路和FHPLC链路的可靠邻接矩阵；将RF链路的可靠邻接矩阵乘以系数l进行权值修正，并经过对比可靠邻接矩阵中值的大小获取最优邻接矩阵W；基于最优邻接矩阵W，采用两条最短路径法(KSP)计算得到中心节点到其他子节点之间的最优可靠路由和次优可靠路由作为工作路由和备份路由；验证工作路由和备份路由的业务传输是否成功，并建立优化模型。本发明提高了网络通信的传输效率，使信息数据得以及时可靠地传输。

Description

一种多模配电场域网控制类业务高可靠路由优化方法

技术领域

本发明涉及通信网络技术领域，尤其涉及一种多模配电场域网控制类业务高可靠路由优化方法。

背景技术

电力物联网是物联网技术在智能电网中的应用，建设广泛互联的电力物联网，并将其与坚强智能电网进行深度融合，是实现未来能源互联网融合的重要举措。多模通信配电场域网作为电力物联网非常重要的组成部分，利用灵活可靠的通信技术为配电自动化、精准负控、分布式能源调控等应用提供支撑。

在多模通信配电场域网中，高速电力线载波通信(HPLC)作为电力网络特有的一种通信方式，利用现有的电力线作为载体来进行数据传输，建设成本低，覆盖范围广，但在其应用中由于易受电力线负载和干扰的影响，信号衰减严重。微功率无线通信(RF)具有组网灵活，低功耗等特点，但易受障碍物、距离、气候环境等因素的影响，从而导致信号衰减较大。由于多模通信配电场域网通信环境复杂，控制类业务对安全、时延及可靠性要求极高，仅采用单一的通信方式难以满足所有业务的QoS需求；多模通信配电场域网设备数量种类多，分布范围广，数据信息类型多且双向交互频繁，单一的通信方式难以满足海量设备的全接入需求；同时存在海量数据传输时延敏感性差异大，通信实时性不高，台区停电、告警信息难以实时上报等问题。

发明内容

针对以上问题，本发明提出一种多模配电场域网控制类业务高可靠路由优化方法。

为实现本发明的目的，提供一种多模配电场域网控制类业务高可靠路由优化方法，包括如下步骤：

s1：选定多模通信配电场域网场景中的电力控制类业务作为路由优化对象；

s2：筛选出所述电力控制类业务中各节点间的RF链路和FHPLC链路中能够可靠通信的链路，并分别计算所述能够可靠通信的链路中各节点间RF链路对应的可靠邻接矩阵和FHPLC链路对应的可靠邻接矩阵；

s3：将所述RF链路对应的可靠邻接矩阵乘以预设的系数l进行权值修正，再将经过权值修正的RF链路对应的可靠邻接矩阵中的各位置上的值分别跟所述FHPLC链路对应可靠邻接矩阵中相同位置上的值比较，取彼此相同位置中较小值作为新邻接矩阵中该位置上的值，以此得到的新邻接矩阵即为所述电力控制类业务中的最优邻接矩阵W；

s4：根据所述最优邻接矩阵W，采用两条最短路径法依次计算得到所述电力控制类业务的中心节点到各个目的节点的最优可靠路由和次优可靠路由，所述最优可靠路由和次优可靠路由即为所述电力控制类业务的中心节点到各个目的节点的工作路由和备份路由；

s5：基于预设的约束条件、所述电力控制类业务的中心节点到各个目的节点的工作路由和备份路由，依次验证所述电力控制类业务的中心节点到各个目的节点的业务传输是否成功，并基于验证结果，以最大化端到端电力控制类业务同时传输成功的数量为目标，建立最优化模型。

进一步地，所述步骤s2中，能够可靠通信的链路的筛选规则如下：

定义二进制变量来表示所述电力控制类业务中节点i到节点j之间的RF链路e_i,j是否能够准确可靠地传输数据信息：/>

其中，SINR_ij表示当节点i向节点j发送数据时，接收节点j的信干噪比，SINR₀表示预设的信干噪比阈值，1表示RF链路e_i,j能够准确可靠地传输数据信息，0表示RF链路e_i,j不能准确可靠地传输数据信息；

定义二进制变量来表示所述电力控制类业务中节点i到节点j之间的FHPLC链路e_i,j是否能够准确可靠地传输数据信息：/>

其中，D_ij表示节点i到节点j之间FHPLC的传输距离，d₀表示预设的节点间FHPLC最大的传输距离，f表示FHPLC链路频率，1表示FHPLC链路e_i,j能够准确可靠地传输数据信息，0表示FHPLC链路e_i,j不能准确可靠地传输数据信息。

进一步地，所述步骤s2中，所述各节点间RF链路分别对应的可靠邻接矩阵的计算过程如下：

其中，A^RF表示RF链路的可靠邻接矩阵，表示节点i到节点j之间的RF链路的可靠邻接矩阵具体值；

所述各节点间FHPLC链路分别对应的可靠邻接矩阵的计算过程如下：

其中，A^FHPLC表示FHPLC链路的可靠邻接矩阵，表示节点i到节点j之间的FHPLC链路的可靠邻接矩阵具体值。

进一步地，所述步骤s5中，基于预设的约束条件、所述电力控制类业务的中心节点到各个目的节点的工作路由和备份路由，依次验证所述电力控制类业务的中心节点到各个目的节点的业务传输是否成功的具体过程包括如下：

判断电力控制类业务s_k的路由路径p(k)的路由跳数h_k是否满足跳数要求的具体过程如下：

其中，H_p(k)是为了验证电力控制类业务s_k的路由路径p(k)的路由跳数是否满足预设的约束条件而定义的二进制变量，k表示业务的编号，s_k表示多模通信配电场域网中第k条电力控制类业务，1表示电力控制类业务s_k的路由路径p(k)的路由跳数h_k满足跳数要求，0表示电力控制类业务s_k的路由路径p(k)的路由跳数h_k不满足跳数要求，h_k表示电力控制类业务s_k的路由跳数，h_kmax表示预设的电力控制类业务s_k可以容忍的最大跳数上限；

判断电力控制类业务s_k的路由路径p(k)的端到端可靠性是否满足预设的约束条件的具体过程如下：

其中，E_p(k)是为了验证电力控制类业务s_k的路由路径p(k)的端到端可靠性是否满足预设的约束条件而定义的二进制变量，1表示电力控制类业务s_k的路由路径p(k)满足端到端可靠性要求，0表示电力控制类业务s_k的路由路径p(k)不满足端到端可靠性要求，R_p(k)表示路由路径p(k)的端到端可靠性，R_min表示预设的电力控制类业务s_k的端到端可靠性阈值；

电力控制类业务s_k的端到端业务传输的有效性A_p(k)表示如下：

其中，p(k)_w表示电力控制类业务s_k的工作路由，p(k)_b表示电力控制类业务s_k的备份路由，当电力控制类业务s_k的工作路由和备份路由中至少有一条路由路径的路由跳数以及端到端可靠性同时满足预设的约束条件，则说明电力控制类业务s_k端到端业务传输成功，此时A_p(k)＝1；否则，A_p(k)＝0。

进一步地，所述步骤s5中，基于验证结果，以最大化端到端电力控制类业务同时传输成功的数量为目标，建立最优化模型的具体过程包括：

其中，K表示电力控制类业务中一次性同时传输的业务数量。

进一步地，h_kmax＝6。

跟现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：

为了解决多模配电场域网中控制类业务的高可靠路由问题，本发明通过引入深度混合路由技术和冗余备份技术，可任意多次载波转无线、无线转载波来自动、动态、实时的选择最可靠的传输介质(FHPLC或RF)进行数据传输，可满足控制类业务对实时性及可靠性的要求以保障业务端到端的QoS。

附图说明

图1是一个实施例的多模配电场域网拓扑图；

图2是一个实施例的多模配电场域网控制类业务中单个业务高可靠路由优化方法流程图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

图1为一个实施例的多模配电场域网拓扑图，如图1所示。多模通信配电场域网主要由中心节点(MN)、路由节点(RN)及末端感知节点(EN)组成。中心节点负责路由汇聚节点和末端感知节点的接入管理、路由维护和资源分配，通过远程通信网(光纤、以太网等)与配电主站进行数据传输交互,通过FHPLC(场域电力线高速载波通信)或RF(射频)通信方式实现网内各节点与融合终端的数据交换。一个中心节点与多个路由节点构成以中心节点为中心、以电力线载波与无线为传输介质的Mesh双模主干网结构，末端感知节点为低功耗传感设备，通过低功耗无线通信方式从中心节点或路由节点接入主干网，与中心节点或路由节点间构成星形拓扑结构。同时，中心节点和路由节点可扩展支持接入WiFi、ZigBee、LoRa等标准通信协议的无线传感设备。

基于图1所示的多模通信配电场域网拓扑图，本发明提出了一种电力控制类业务高可靠路由优化方法，所述方法包括以下步骤：

多模通信配电场域网场景中的业务类型为电力控制类业务，确定控制类业务的路由跳数要求与可靠性要求阈值，考虑到此场景的应用特点，本发明的路由算法仅考虑中心节点到其他子节点之间同时传输控制类业务的可靠路由问题。

开始计算路由前，先计算各节点间RF链路和FHPLC链路的可靠邻接矩阵，将不能可靠通信的链路筛选出来。

(1)RF链路的可靠邻接矩阵A^RF

RF通过无线信道通信，无线在传播过程中容易受到障碍物和气候环境等因素的影响从而导致信号衰减，降低通信可靠性。RF链路故障的原因可能是信号衰减、无线电干扰和背景噪声等因素造成的。

对于存在干扰与衰减的无线网络，只有在接收节点j的SINR(信干噪比)大于一定的阈值SINR₀的情况下，接收节点j才能够准确可靠的接收数据，否则接收节点j不能正确可靠的接收数据。当节点i向节点j发送数据时，接收节点j的SINR为：

其中，P_ij表示节点i与节点j之间的传输功率，G_ij表示节点i到节点j之间的路径损耗，D_ij表示节点i与节点j之间的距离，D₀为参考距离，η^RF是路径损耗指数。

本发明考虑的由多径效应导致的小尺度衰落为瑞利衰落，F_ij表示信道增益，服从参数为1的指数分布。无线信道的噪声是均值为0，方差为N₀的加性高斯白噪声。对于所有节点而言N₀固定且相同，I表示对接收节点j产生干扰的干扰节点集合。

所以，定义一个二进制变量来表示节点i到节点j之间的RF链路e_i,j是否能够准确可靠的传输数据信息：

通过前面的分析可知，若接收节点j的SINR大于一定的阈值SINR₀，那么可以认为节点i到节点j之间的RF链路e_i,j能够准确可靠地传输数据信息，当接收节点j的SINR小于设定的阈值γ₀时，那么链路无法进行可靠通信。因此上式可表示为：

为RF链路邻接矩阵，表示如下：

(2)FHPLC链路邻接矩阵A^FHPLC

FHPLC通过传统的电力线路进行通信，容易受到噪声干扰和线路负载的影响，高频信号衰减严重，还有多径传播导致的频率选择性衰落等。为了模拟低压电力线通信的信号衰减，将节点间FHPLC最大传输距离设为d₀。f表示FHPLC链路频率。定义一个二进制变量来表示节点i到节点j之间的FHPLC链路e_i,j是否能够准确可靠的传输数据信息：

为FHPLC链路邻接矩阵，表示如下：

对前面的获取的RF链路的可靠邻接矩阵乘以系数l(l等于4)进行权值修正，取节点间FHPLC和RF链路邻接矩阵对应位置上较小的值作为最优邻接矩阵W的相应位置值，以保证节点之间能够区分FHPLC和RF链路，以及当节点邻居链路同时存在FHPLC和RF链路时优先选取FHPLC链路作为最可靠链路进行数据传输。

依据最优邻接矩阵W，采用两条最短路径算法(KSP)计算中心节点到其他子节点之间的最优可靠路由和次优可靠路由作为工作路由和备份路由。

对前面计算得到的最优和次优可靠路由的跳数(路由路径的边数)和路径可靠性，判断跳数和路径可靠性两者是否能同时满足约束要求，只要有一条路由路径的跳数和路径可靠性同时满足要求，则表示端到端业务传输成功。

多模通信配电场域网中电力控制类业务s_k从源到目的节点的路由路径是由满足业务性能需求的节点和每对相邻节点间的链路组成的串联系统，所以电力控制类业务s_k端到端路由路径p(k)的可靠性是节点和链路可靠性的乘积，可以表示为：

上式中，R_p(k)表示路径p(k)的可靠性，m为路径p(k)所经过的节点数，表示第i个节点的可靠性，/>表示第i条链路的可靠性，/>表示第m个节点的可靠性。

h_k表示电力控制类业务s_k的路由跳数，h_kmax表示电力控制类业务s_k可以容忍的跳数上限，一般情况下取6。电力控制类业务s_k的路由路径p(k)是否满足跳数要求可以由下式表示：

其中，H_p(k)为二进制变量，1表示电力控制类业务s_k的路由跳数h_k满足跳数约束，否则为0。显然，业务路由路径的跳数越多，可靠路由的可靠性就会降低。

电力控制类业务s_k的路由路径p(k)是否满足可靠性要求可由下面定义的二进制变量E_p(k)表示：

其中，E_p(k)为二进制变量，1表示电力控制类业务s_k的路由路径p(k)满足可靠性要求，否则为0。R_p(k)为路由路径p(k)的端到端可靠性，R_min为基于电力控制类业务s_k可靠性需求的可靠性阈值。

为每条电力控制类业务s_k分配一个决策变量来表示电力控制类业务s_k是否经过链路e_i,j，对于k条业务来说，有k个决策变量，定义如下所示：

将上面操作中，经过两条最短路径算法(KSP)计算得到的中心节点到其他子节点之间的工作路由和备份路由作为可选择对象，并依据一定的约束条件，以最大化端到端控制类业务同时传输成功的数量为目标，建立优化模型：

电力控制类业务s_k的路由p(k)的有效性表示如下：

其中，p(k)_w，p(k)_b分别表示电力控制类业务s_k的工作路由和备份路由，当电力控制类业务s_k的工作路由或备份路由中至少有一条路由路径的跳数以及可靠性要求同时满足约束条件，说明电力控制类业务s_k端到端业务传输成功，此时A_p(k)＝1，否则，A_p(k)＝0。

约束条件如下：

C1:h_p(k)≤h_kmax

C2:R_p(k)≥R_min

C4:H_p(k)＝{0,1}

C5:E_p(k)＝{0,1}

其中对于电力控制类业务s_k而言，C1为路由跳数约束，表示电力控制类业务业务s_k的路由跳数h_kmax须小于等于电力控制类业务s_k可以容忍的最大跳数h_kmax；C2为可靠性约束，表示路由路径p(k)的端到端可靠性R_p(k)须大于等于可靠性要求R_min；C3为路径无环约束。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

需要说明的是，本申请实施例所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二\第三”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

本申请实施例的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或模块的过程、方法、装置、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种多模配电场域网控制类业务高可靠路由优化方法，其特征在于，包括如下步骤：

s1：选定多模通信配电场域网场景中的电力控制类业务作为路由优化对象；

s2：筛选出所述电力控制类业务中各节点间的RF链路和FHPLC链路中能够可靠通信的链路，并分别计算所述能够可靠通信的链路中各节点间RF链路对应的可靠邻接矩阵和FHPLC链路对应的可靠邻接矩阵；

s3：将所述RF链路对应的可靠邻接矩阵乘以预设的系数l进行权值修正，再将经过权值修正的RF链路对应的可靠邻接矩阵中的各位置上的值分别跟所述FHPLC链路对应可靠邻接矩阵中相同位置上的值比较，取彼此相同位置中较小值作为新邻接矩阵中该位置上的值，以此得到的新邻接矩阵即为所述电力控制类业务中的最优邻接矩阵W；

s4：根据所述最优邻接矩阵W，采用两条最短路径法依次计算得到所述电力控制类业务的中心节点到各个目的节点的最优可靠路由和次优可靠路由，所述最优可靠路由和次优可靠路由即为所述电力控制类业务的中心节点到各个目的节点的工作路由和备份路由；

s5：基于预设的约束条件、所述电力控制类业务的中心节点到各个目的节点的工作路由和备份路由，依次验证所述电力控制类业务的中心节点到各个目的节点的业务传输是否成功，并基于验证结果，以最大化端到端电力控制类业务同时传输成功的数量为目标，建立最优化模型；

所述步骤s5中，基于预设的约束条件、所述电力控制类业务的中心节点到各个目的节点的工作路由和备份路由，依次验证所述电力控制类业务的中心节点到各个目的节点的业务传输是否成功的具体过程包括如下：

判断电力控制类业务s_k的路由路径p(k)的路由跳数h_k是否满足跳数要求的具体过程如下：

其中，H_p(k)是为了验证电力控制类业务s_k的路由路径p(k)的路由跳数是否满足预设的约束条件而定义的二进制变量，k表示业务的编号，s_k表示多模通信配电场域网中第k条电力控制类业务，1表示电力控制类业务s_k的路由路径p(k)的路由跳数h_k满足跳数要求，0表示电力控制类业务s_k的路由路径p(k)的路由跳数h_k不满足跳数要求，h_k表示电力控制类业务s_k的路由跳数，h_kmax表示预设的电力控制类业务s_k可以容忍的最大跳数上限；

判断电力控制类业务s_k的路由路径p(k)的端到端可靠性是否满足预设的约束条件的具体过程如下：

其中，E_p(k)是为了验证电力控制类业务s_k的路由路径p(k)的端到端可靠性是否满足预设的约束条件而定义的二进制变量，1表示电力控制类业务s_k的路由路径p(k)满足端到端可靠性要求，0表示电力控制类业务s_k的路由路径p(k)不满足端到端可靠性要求，R_p(k)表示路由路径p(k)的端到端可靠性，R_min表示预设的电力控制类业务s_k的端到端可靠性阈值；

电力控制类业务s_k的端到端业务传输的有效性A_p(k)表示如下：

其中，p(k)_w表示电力控制类业务s_k的工作路由，p(k)_b表示电力控制类业务s_k的备份路由，当电力控制类业务s_k的工作路由和备份路由中至少有一条路由路径的路由跳数以及端到端可靠性同时满足预设的约束条件时，则说明电力控制类业务s_k端到端业务传输成功，此时A_p(k)＝1；否则，A_p(k)＝0。

2.根据权利要求1所述的一种多模配电场域网控制类业务高可靠路由优化方法，其特征在于，

所述步骤s2中，能够可靠通信的链路的筛选规则如下：

定义二进制变量来表示所述电力控制类业务中节点i到节点j之间的RF链路e_i，j是否能够准确可靠地传输数据信息：/>

其中，SINR_ij表示当节点i向节点j发送数据时，接收节点j的信干噪比，SINR₀表示预设的信干噪比阈值，1表示RF链路e_i，j能够准确可靠地传输数据信息，0表示RF链路e_i，j不能准确可靠地传输数据信息；

定义二进制变量来表示所述电力控制类业务中节点i到节点j之间的FHPLC链路e_i，j是否能够准确可靠地传输数据信息：/>

其中，D_ij表示节点i到节点j之间FHPLC的传输距离，d₀表示预设的节点间FHPLC最大的传输距离，f表示FHPLC链路频率，1表示FHPLC链路e_i，j能够准确可靠地传输数据信息，0表示FHPLC链路e_i，j不能准确可靠地传输数据信息。

3.根据权利要求2所述的一种多模配电场域网控制类业务高可靠路由优化方法，其特征在于，

所述步骤s2中，所述各节点间RF链路分别对应的可靠邻接矩阵的计算过程如下：

其中，A^RF表示RF链路的可靠邻接矩阵，表示节点i到节点j之间的RF链路的可靠邻接矩阵具体值；

所述各节点间FHPLC链路分别对应的可靠邻接矩阵的计算过程如下：

其中，A^FHPLC表示FHPLC链路的可靠邻接矩阵，表示节点i到节点j之间的FHPLC链路的可靠邻接矩阵具体值。

4.根据权利要求3所述的一种多模配电场域网控制类业务高可靠路由优化方法，其特征在于，所述步骤s5中，基于验证结果，以最大化端到端电力控制类业务同时传输成功的数量为目标，建立最优化模型的具体过程包括：

其中，K表示电力控制类业务中一次性同时传输的业务数量。

5.根据权利要求4所述的一种多模配电场域网控制类业务高可靠路由优化方法，其特征在于，h_kmax＝6。