基于物聯(lián)網(wǎng)的電力通信系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)感知分配研究

趙子瑤

摘要：傳統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)感知分配方法在感知資源的擁擠和專用資源稀少的情況下，很難保持較高水平的通信狀態(tài)，為此提出基于物聯(lián)網(wǎng)的電力通信系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)感知分配方法。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);電力通信系統(tǒng);傳輸數(shù)據(jù);感知分配

1基于物聯(lián)網(wǎng)的電力通信系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)感知分配方法設(shè)計(jì)

1.1電力物聯(lián)網(wǎng)感知環(huán)境模型設(shè)計(jì)

傳輸數(shù)據(jù)感知環(huán)境模型設(shè)計(jì)中包括狀態(tài)和動作的設(shè)計(jì)，當(dāng)某一物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)做出傳輸數(shù)據(jù)相應(yīng)的動作后，環(huán)境模型需要給出相應(yīng)的反應(yīng)，執(zhí)行相應(yīng)的感知分配動作。

1.2多節(jié)點(diǎn)協(xié)作感知

一般的傳輸數(shù)據(jù)感知分配中多數(shù)為單節(jié)點(diǎn)模式，存在一定的局限性，如果傳輸目標(biāo)處于發(fā)射信號的陰影衰落范圍內(nèi)或是隱藏用戶，在感知過程中可能會檢測不到目標(biāo)存在。為了提高傳輸數(shù)據(jù)感知的準(zhǔn)確性，采用多節(jié)點(diǎn)共同感知，在陰影效應(yīng)和隱藏用戶的條件下實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)分配。多節(jié)點(diǎn)感知示意如圖1所示。

通過布置的多個(gè)感知節(jié)點(diǎn)，在分配中可以快速定位到感知數(shù)據(jù)，進(jìn)而做出最合理的分配方案。在感知分配過程中，每個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)分別計(jì)算各自接收的感知能量，其中感知能量是指感知節(jié)點(diǎn)包含了信號的大部分信息，只要找到非零系數(shù)信號節(jié)點(diǎn)的位置和幅度，就可以準(zhǔn)確地感知能量信號。通過一次觀測矩陣，將高維稀疏信號降維到壓縮域，然后對低維觀測信號進(jìn)行后續(xù)的傳輸、存儲、處理等，具體公式為：

式中：Fv（h）表示保持v速度下在h層信號節(jié)點(diǎn)處對低維觀測信號進(jìn)行后續(xù)傳輸、存儲、處理;Kij表示第i行第j列感知節(jié)點(diǎn)信息特征;Xu表示感知能量約束值，在特定情況下需要約束，因情況不同，通常取值為變量;Bb表示常數(shù)，將其匯總處理后，進(jìn)行判決后執(zhí)行相關(guān)任務(wù)。

1.3考慮數(shù)據(jù)包丟失的感知分配

在電力通信系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)丟包是指數(shù)據(jù)包丟失的情況，數(shù)據(jù)在電力通信網(wǎng)中以數(shù)據(jù)包為單位進(jìn)行傳輸，每一個(gè)數(shù)據(jù)包都有代表數(shù)據(jù)信息和提供數(shù)據(jù)路由的幀。即無論網(wǎng)絡(luò)狀況是否良好，都不能連續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，中間總有空洞。分組傳輸不可能100%完成，由于存在線路故障、設(shè)備故障、路由信息錯(cuò)誤等，總會有一些損失。遇到這種情況，網(wǎng)絡(luò)會自動讓通信雙方按照協(xié)議進(jìn)行補(bǔ)包。若線路狀況良好、速度快，則數(shù)據(jù)丟包的損耗降低，補(bǔ)包的工作也比較容易完成，所以可以近似地將數(shù)據(jù)視為無損傳輸。但如果線路狀況較差，數(shù)據(jù)丟包量將非常大，無法完整的完成補(bǔ)包工作，數(shù)據(jù)傳輸將出現(xiàn)空洞，導(dǎo)致丟包。在考慮數(shù)據(jù)包丟失的情況下，傳輸數(shù)據(jù)虛擬隊(duì)列長度的計(jì)算主要分為2種情況：一是所有節(jié)點(diǎn)成功接收到數(shù)據(jù)集合;二是考慮通信延遲情況下產(chǎn)生的傳輸變量，需要重新計(jì)算得到感知分配判決結(jié)果?？紤]傳輸數(shù)據(jù)過程中可能存在數(shù)據(jù)包丟失的情況，節(jié)點(diǎn)i處的數(shù)據(jù)隊(duì)列計(jì)算公式為：

式中：maxωij表示第i行第j列傳輸數(shù)據(jù)包丟失最大值;ci（f）表示在i行傳輸數(shù)據(jù)f的動力，同時(shí)也是虛擬隊(duì)列長度;cj（f）表示在第j列傳輸數(shù)據(jù)f的阻力，也是真實(shí)隊(duì)列長度。系統(tǒng)運(yùn)行過程中每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備在通信傳輸范圍內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)，cj（f）通常取傳輸數(shù)據(jù)真實(shí)隊(duì)列的平均值。若系統(tǒng)采用半雙工通信方式作為傳輸數(shù)據(jù)的默認(rèn)形式，當(dāng)其中一組節(jié)點(diǎn)在接收到感知分配的命令后被激活，參與到傳輸數(shù)據(jù)感知分配中，其他的節(jié)點(diǎn)處于限制狀態(tài)，不參與傳輸數(shù)據(jù)感知分配。在電力通信系統(tǒng)中，由于多徑衰落等問題，網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)包可能會隨機(jī)丟失，因此給出背壓值計(jì)算公式，進(jìn)行動態(tài)感知分配的傳輸數(shù)據(jù)。公式如下：

式中：Ca（f）表示在節(jié)點(diǎn)a的傳輸數(shù)據(jù)f丟失的虛擬隊(duì)列長度;函數(shù)gaverage表示平均值;cj（f）j=n（i，f）表示第i行在傳輸數(shù)據(jù)f的所有下跳節(jié)點(diǎn)真實(shí)隊(duì)列長度的集合，n（i，f）表示第i行在傳輸數(shù)據(jù)f中的下跳節(jié)點(diǎn)集合。在傳輸數(shù)據(jù)感知分配過程中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)自身以及部分相關(guān)節(jié)點(diǎn)的背壓，在考慮數(shù)據(jù)包丟失的情況下實(shí)現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)感知分配。

2實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

在電力通信系統(tǒng)中，系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)大多是通過三跳無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行，在實(shí)驗(yàn)研究中，仿真出其組播樹結(jié)構(gòu)圖（見圖2）。

對于數(shù)據(jù)流和網(wǎng)絡(luò)的組播路由路徑，下跳鄰居節(jié)點(diǎn)矩陣中每一行表示不同的數(shù)據(jù)流，其信息源來自不同的傳感器源節(jié)點(diǎn);每一列表示各個(gè)節(jié)點(diǎn)在各個(gè)數(shù)據(jù)流中的下跳節(jié)點(diǎn)集合。在電力通信系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)模型中，傳輸節(jié)點(diǎn)與跳節(jié)點(diǎn)之間通信鏈路質(zhì)量存在差異，數(shù)據(jù)包丟失隨機(jī)過程遵循泊松分布。

電力通信系統(tǒng)為時(shí)不變系統(tǒng)，將采樣周期設(shè)置為1ms，系統(tǒng)噪聲s（t）的協(xié)方差矩陣S設(shè)置為S=diag（0.1，0.1，0.1，0.1）×10–3，量測噪聲q（t）的協(xié)方差矩陣為Q=diag（0.1，0.2，0.1，0.6）×10–3。在MATLAB仿真平臺上設(shè)置窗口大小為10，預(yù)留與當(dāng)前窗口匹配的10個(gè)時(shí)刻;考慮傳輸數(shù)據(jù)丟失的情況，設(shè)置最初的電力通信系統(tǒng)電壓偏離為D=（1111）T。在以上實(shí)驗(yàn)環(huán)境下對不同感知分配方法進(jìn)行驗(yàn)證與分析，實(shí)驗(yàn)分為2組，一組是無線通信頻段占用實(shí)驗(yàn);另一組是數(shù)據(jù)丟包率實(shí)驗(yàn)。在完成2組實(shí)驗(yàn)后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)綜合分析不同傳輸數(shù)據(jù)感知分配方法的實(shí)際應(yīng)用性能，驗(yàn)證感知分配方法的通信可靠性。

2.2無線通信頻段占用實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在無線通信頻段占用實(shí)驗(yàn)中，主要以頻段30～88MHz為主，假設(shè)在30、40、50、60、70、80MHz頻段上存在傳輸數(shù)據(jù)感知信號，信噪比為10dB。無需鋪設(shè)電力通信頻段信號電纜，減少了大量工程建設(shè)。電力的通信頻段通信線與電力線合二為一，不另設(shè)專用通信線。在不影響電能傳輸?shù)那疤嵯拢瑢?shí)現(xiàn)窄帶或?qū)拵ㄐ?，維護(hù)電力通信頻段穩(wěn)定運(yùn)行。利用MATLAB軟件檢測不同傳輸數(shù)據(jù)感知分配方法下的無線通信頻段占用情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖中，通信頻段占用情況為1B表示頻段已占用，為0表示頻段空閑。對比圖中結(jié)果可知，在各個(gè)感知分配方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果中均存在空閑的頻段，這是為可能存在的突發(fā)性任務(wù)所預(yù)留的位置，但是傳統(tǒng)的傳輸數(shù)據(jù)感知分配方法中空閑頻段過多，不同頻率下的通信頻段利用率較低，沒有達(dá)到充分利用的目的，相比之下，設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的電力通信系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)感知分配方法通信頻段占用情況更好，通信頻段利用效率更高，在傳輸感知分配中通信頻段得到了充分利用。

2.3數(shù)據(jù)丟包率實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1所列。

從表中數(shù)據(jù)可以看出，在衰落信道環(huán)境下，隨著數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)規(guī)模的增加，數(shù)據(jù)丟包率也在不斷增加，但是在不同的感知方法下，丟包率增加的幅度各不相同。從整體上看，基于物聯(lián)網(wǎng)的感知分配方法變化幅度較小，且始終在極低的范圍內(nèi)，另外2種感知分配方法面對數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)規(guī)模的變化，其丟包率越來越高，達(dá)到30%以上，不能滿足正常的傳輸需求。結(jié)合通信頻段占用情況實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的電力通信系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)感知分配方法通信頻段利用率高、傳輸數(shù)據(jù)丟包率低，該方法通信可靠性更強(qiáng)。

結(jié)語：

以電力通信系統(tǒng)為例，針對其傳輸數(shù)據(jù)感知分配的問題展開研究，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的電力通信系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)感知分配方法，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的感知分配方法的通信可靠性。但限于研究時(shí)間和知識水平，對于一些細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)還存在問題，在后續(xù)研究中將從編碼、調(diào)制等物理層技術(shù)上進(jìn)行深入研究，以提高傳輸數(shù)據(jù)感知分配的穩(wěn)定性。

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