CN111556575A - 新型电网资源分配***及通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的新型电网资源分配***及基于其的通信方法,所述***包括至少一个宏基站和若干个分别与所述宏基站连接的小区基站,所述***以时隙方式运行,在每个时隙中,所述宏基站将自身分配的频谱资源划分为多个相同带宽的子信道,且所述子信道由个宏基站用户和个小区基站用户共享。本申请提供的新型电网资源分配***及基于其的通信方法,在传统电网的基础上将5G中的短包机制体制和异构蜂窝网络引入智能电网,不仅解决了大量电网设备带来的无线接入网拥塞问题,还大大提高了电网***的可靠性,同时,在保证可靠实时通信的前提下,联合功率分配和信道分配,最大化了***的吞吐量。
Description
技术领域
本发明属于电力通信网络资源分配技术领域,具体涉及新型电网资源分配***及基通信方法。
背景技术
随着新一代5G通信技术和智能控制设备的发展,智能电网在电力传输、电力资源分配和监控等方面发挥了越来越重要的作用,使能源管理方案更加高效、可靠、经济,已经逐渐成为新一代电网的核心。智能电网通信***由三部分网络组成:广域网、邻域网和家庭区域网。其中,邻域网是智能电网通信网络的核心,在分布层进行通信,它包括智能电表向各种智能家电进行数据收集,然后智能电表将这些数据向控制中心发送,以此来控制不同的应用程序如:能源分配、配电自动化、停机管理等。因此,邻域网是传输大量智能电网数据最核心的部分,它决定了整个智能电网的效率。
电网设备种类繁多,使得邻域网需要同时传输大量延迟敏感的智能电网数据,可能导致无线接入网拥塞,异构蜂窝网络被认为是减少无线接入网拥塞的关键技术,因为异构蜂窝网络能够通过将访问尝试从宏单元卸载到小单元来缓解无线接入网拥塞,在异构蜂窝网络,低功率和低成本的小蜂窝基站被部署来增加小区基站用户的数据速率。同时,由于智能电网中的设备数量和类型的激增,不同设备对于Qos需求也不尽相同,对于一些关键的智能电网业务,数据传输的可靠性和实时性是保证电网高效、安全、可靠运行的重要因素。只有提供可靠的实时通信,控制中心才能做出准确有效的决策。
发明内容
本申请的目的之一在于针对现有技术的不足之处,提供一种新型电网资源分配***及通信方法,以大大提高了电网***的可靠性。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种新型电网资源分配***,所述***包括一个宏基站和S个分别与所述宏基站连接的小区基站,小区基站和宏基站均支持多个电网设备的数据传输;
其中宏基站位于小区中心并完整地覆盖了整个小区;
所述***以时隙方式运行,在每个时隙中,宏基站为宏基站电网设备分配多个相同的子带宽信道,同时这些子信道又被小区基站电网设备所共享;
宏基站电网设备m在子信道n上的最大上行可达速率Rm,n的表达式为:
小区基站电网设备k在子信道n上的最大上行可达速率Rk,n的表达式为:
其中,γk,n表示小区基站电网设备k在所述子信道n上的信干噪比。
优选的,所述宏基站电网设备m在所述子信道n上的信干噪比γm,n的计算公式为:
其中,pm,n表示宏基站电网设备m在子信道n上的传输功率,gm,n表示宏基站电网设备m在子信道n上的信道增益,pk,n表示小区基站电网设备k在子信道n上的传输功率,gk,n表示小区基站电网设备k在子信道n上的信道增益,σ表示噪声方差。
优选的,所述小区基站电网设备k在所述子信道n上的信干噪比γk,n的计算公式为:
其中,pk,n表示小区基站电网设备k在子信道n上的传输功率,gks,n表示小区基站电网设备k和小区基站s在子信道n上的信道增益,pm,n表示宏基站电网设备m在子信道n上的传输功率,gms,n表示宏基站电网设备m和小区基站s在子信道n上的信道增益,σ表示噪声方差。
优选的,小区基站电网设备k和小区基站s在子信道n上的信道增益gks,n的计算公式为:
gks,n=ωδksζks(dks)-α,
其中,α表示路径损耗指数,ω表示路径损耗常数,δks表示小区电网设备k到小区基站s的遵循指数分布的快衰落增益,ζks表示小区电网设备k到小区基站s的遵循对数正态分布的慢衰落增益,dks表示小区电网设备k到小区基站s的传输距离。
一种基于新型电网资源分配***的通信方法,包括:
进行电力无线通信业务的资源分配时,首先固定信道分配矩阵W,进行功率分配,计算功率最优解;功率分配完成后,利用获得的功率分配最优解进行信道分配,从而得出最优的信道分配矩阵W;所述***以最优的信道分配矩阵W进行电力无线通信业务的资源分配。
优选的,具体包括以下步骤:
初始化***参数;
固定信道分配矩阵W,计算功率最优解;
对f(Pm,n)=f(Pk,n,Pm,n)求泰勒一阶展开;
对f(Pk,n)=f(Pk,n,Pm,n)求泰勒一阶展开;
以最优的信道分配矩阵W进行电力无线通信业务的资源分配。
优选的,用凸优化工具包cvx求解f(Pm,n)=f(Pk,n,Pm,n)的泰勒一阶展开。
优选的,信道分配矩阵W中的元素先随机取值,之后进行功率分配时W矩阵固定不变,等功率分配结束后再进行信道分配。
相对对于现有技术,本发明具有以下有益效果:
本申请提供的新型电网资源分配***及基于其的通信方法,在传统电网的基础上将5G中的短包机制体制和异构蜂窝网络引入智能电网,不仅解决了大量电网设备带来的无线接入网拥塞问题,还大大提高了电网***的可靠性,同时,在保证可靠实时通信的前提下,联合功率分配和信道分配,最大化了***的吞吐量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的一种新型电网资源分配***的结构示意图;
图2是本发明提供的一种新型电网资源分配***的通信方法示意图;
图3是不同传输错误率和MUE数量下***吞吐量的比较图;
图4是不同传输错误率和SUE数量下***吞吐量的比较图;
图5是本发明提供的一种基于新型电网资源分配***的通信方法在不同宏基站用户数量下的平均***吞吐量比较图;
图6是本发明提供的一种基于新型电网资源分配***的通信方法在不同小区基站用户数量下的平均***吞吐量比较图。
具体实施方式
下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式,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公开的其他优点与功效。显然,所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例,而不是全部的实施例。本公开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,在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是,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。基于本公开中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本公开保护的范围。
需要说明的是,下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见,本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中,且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开,所属领域的技术人员应了解,本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施,且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说,可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外,可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
还需要说明的是,以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本公开的基本构想,图式中仅显示与本公开中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制,其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变,且其组件布局型态也可能更为复杂。
另外,在以下描述中,提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而,所属领域的技术人员将理解,可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
本公开实施例提供一种新型电网资源分配***。本实施例提供的新型电网资源分配***可以由一计算***来执行,该计算***可以实现为软件,或者实现为软件和硬件的组合,该计算***可以集成设置在服务器、终端设备等中。
如图1,在本申请实施例中,本申请提供的一种新型电网资源分配***,以大大提高了电网***的可靠性,所述***包括至少一个宏基站和S个分别与所述宏基站连接的小区基站,所述***以时隙方式运行,在每个时隙中,所述宏基站将自身分配的频谱资源划分为多个相同带宽的子信道,且所述子信道由M个宏基站用户和K个小区基站用户共享。
在本申请实施例中,宏基站用户m在所述子信道n上的信干噪比γm,n的计算公式为:
其中,pm,n表示宏基站用户m在子信道n上的传输功率,gm,n表示宏基站用户m在子信道n上的信道增益,pk,n表示小区基站用户k在子信道n上的传输功率,gk,n表示小区基站用户k在子信道n上的信道增益,σ表示噪声方差。
在本申请实施例中,所述小区基站用户k在所述子信道n上的信干噪比γk,n的计算公式为:
其中,pk,n表示小区基站用户k在子信道n上的传输功率,gks,n表示小区基站用户k和小区基站s在子信道n上的信道增益,pm,n表示宏基站用户m在子信道n上的传输功率,gms,n表示宏基站用户m和小区基站s在子信道n上的信道增益,σ表示噪声方差。
在本申请实施例中,小区基站用户k和小区基站s在子信道n上的信道增益gks,n的计算公式为:
gks,n=ωδksζks(dks)-α
其中,α表示路径损耗指数,ω表示路径损耗常数,δks表示小区用户k到小区基站s的遵循指数分布的快衰落增益,ζks表示小区用户k到小区基站s的遵循对数正态分布的慢衰落增益,dks表示小区用户k到小区基站s的传输距离。
为了增加电网***的可靠性,引入5G短包机制,带来的改变是不能使用传统的香农公式,而是使用下面Rm,n的表达式来计算传输速率;
在本申请实施例中,所述宏基站用户m在所述子信道n上的最大上行可达速率Rm,n的计算公式为:
在本申请实施例中,所述小区基站用户k在所述子信道n上的最大上行可达速率Rk,n的计算公式为:
5G的短包机制指的是在URLLC场景中采用短帧结构和短报文。将它引入智能电网,可以显著提高电网设备的可靠性,从而使电网设备为智能电网带来更好的服务。
本发明提出了上述分配***的目标,即最大化***的吞吐量,充分考虑电网业务类型与5G网络的结合,优化问题制定如下:
其中C1,C2分别代表SUEs和MUEs的传输功率限制,C3,C4分别代表SUEs和MUEs的最低传输速率要求,C5~C10保证了每个SUE最多使用一个子信道,每个子信道最多只能被一个SUE占用。同理,对于MUEs也是如此。
本发明在***中加入K个虚拟MUEs和M个虚拟SUEs,即MUEs和SUEs的集合被扩充为和其中集合中的M+1,...,M+K和集合中的K+1,...,K+M分别指的是K个虚拟MUEs和M个虚拟SUEs。注意到虚拟用户与任何设备之间的信道增益为零,因此虚拟用户对于实际用户没有任何影响。
为了降低问题的复杂度,本发明定义一个信道分配矩阵W表示MUEs和SUEs,当信道分配给和时,wm,k,n=1,否则wm,k,n=0,注意,集合和是包含虚拟用户的。比较ak,n、bm,n和wm,k,n之间的关系,得到:wm,k,n=ak,nbm,n。
然后定义:
SRm,k,n=Rk,n+Rm.n (16)
考虑到比较ak,n、bm,n和wm,k,n之间的关系和式(16)、(17),问题P1可以被转化为
C4:wm,k,n∈{0,1}(22)
C5:(6),(7),(8),(9)(23)
上述问题同时包含连续变量和二值变量,因此P2是一个混合整数非线性规划问题,为了降低此问题的复杂度,本发明将此问题分解成两个子问题:功率分配问题和信道分配问题。
(1)功率分配
为了解决吞吐量的功率分配问题,本发明让每个SRm,k,n的值仅仅取决于Pk,n,Pm,n,那么功率分配问题可以被制定为:
s.t.(6),(7),(8),(9) (25)
考虑到(17)中SRm,k,n的表达式,我们把问题P3分成四种情况:
情况1:当M+1≤m≤M+K,K+1≤k≤K+M时,SRm,k,n恒等于0。
情况2:当1≤m≤M,K+1≤k≤K+M时,将问题转化为:
s.t.0≤Pm,n≤Pm,nmax (27)
γm,n≥γmin (28)
显然,问题P4中的目标函数是关于变量pm,n的单调增函数,因此,当pm,n=pm,nmax时,目标函数取得最大值。
情况3:当1≤k≤K,M+1≤m≤M+K时,将问题转化为:
s.t.0≤Pk,n≤Pk,nmax (30)
γk,n≥γmin (31)
此种情况与情况2相似,同理可得,当pk,n=pk,nmax时,目标函数取得最大值。
情况4:当1≤m≤M,1≤k≤K时,将问题转化为:
s.t.0≤Pk,n≤Pk,nmax (33)
0≤Pm,n≤Pm,nmax (34)
γk,n≥γmin (35)
γm,n≥γmin (36)
注意到问题P5的目标函数的取值取决于传输功率Pk,n和Pm,n,因此是一个非凸的优化问题。为了解决此问题,本发明提出了一个基于一阶泰勒展开线性逼近的迭代算法,算法的详细内容见算法1,其中f(Pk,n,Pm,n)是问题P6的目标函数。
算法1如下:
(2)信道分配
在功率分配的过程中,每个SRm,k,n都已经被优化。然后考虑信道分配问题,此问题可以被制定为:
wm,k,n∈{0,1}(41)
其中是在功率分配过程中已经被优化的值,注意到这个问题中只含有二值变量,是非凸的优化问题,接下来,将这个非凸优化问题转化为易处理的凸优化问题。首先,将整数规划约束wm,k,n∈{0,1}松弛为连续凸约束0≤wm,k,n≤1。因此,优化问题P7可以被重写为:
0≤wm,k,n≤1 (46)
请参阅图2所示,在本申请实施例中,本发明还提供了一种基于新型电网资源分配***的通信方法,所述新型电网资源分配***包括如图1中所述新型电网资源分配***,所述方法包括步骤:
S1:初始化参数(小区范围,用户数目等);
S2:固定信道分配,只考虑功率分配;(固定信道分配指的是信道分配矩阵W中的元素先随机取值,之后进行功率分配时W矩阵固定不变,但是要满足公式(19)、(20)、(21)、(22)的约束;等功率分配结束后再进行信道分配。)
S3:计算第一条件下使目标函数(P3)最大值的功率变量;
S4:计算第二条件下使目标函数(P3)最大值的功率变量;
S5:计算第三条件下使目标函数(P3)最大值的功率变量;
S7:对f(Pm,n)=f(Pk,n,Pm,n)求泰勒一阶展开,并用凸优化工具包cvx求解;
S12:对f(Pk,n)=f(Pk,n,Pm,n)求泰勒一阶展开,并用凸优化工具包cvx求解;
S17:利用上面获得的功率分配最优解进行信道分配,从而得出最优的信道分配矩阵W;
其中,pm,n表示宏基站用户m在子信道n上的传输功率,pk,n表示小区基站用户k在子信道n上的传输功率,所述第一条件为M+1≤m≤M+K,K+1≤k≤K+M,所述第二条件为1≤m≤M,K+1≤k≤K+M,所述第三条件为1≤k≤K,M+1≤m≤M+K,M为宏基站用户总数,K为小区基站用户总数。
由图3和图4可以看出,本发明显著提高了电网设备的可靠性,从而使电网设备为智能电网带来更好的服务。其次,本发明中提出的算法具有明显的优越性,大大提高了***的吞吐量,可以看出,在不同的MUEs数量和不同的SUEs数量下,本发明所提出的算法均优于基于功率分配而信道随机分配的算法。
如图5和6,将本申请提出的一种基于新型电网资源分配***的通信方法(Proposed Algorithm)与基于功率分配而信道随机分配的算法(RA)进行了比较,同时进行了多次随机分布的模拟,取各次模拟的平均值,可以看出本申请具有更好的效果。
下面以具体实施例对本申请进行详细描述。
实施例
将本发明运用到了一个蜂窝异构网络场景中,宏基站位于小区的中心,智能电网设备随机分布在小区中,半径为400米。仿真参数设置如下:5-20个宏基站用户和5-10个小基站用户,其中子信道数为20,小基站用户的最小信噪比要求为20dB。此外,每个子信道的带宽为180kHz。实验结果显示,在不同的宏基站用户数量和不同的小基站用户数量下,本发明中所提出的方法均优于基于功率分配而信道随机分配的方法,同时也提高了电网***的可靠性。
本申请提供的新型电网资源分配***及基于其的通信方法,在传统电网的基础上将5G中的短包机制体制和异构蜂窝网络引入智能电网,不仅解决了大量电网设备带来的无线接入网拥塞问题,还大大提高了电网***的可靠性,同时,在保证可靠实时通信的前提下,联合功率分配和信道分配,最大化了***的吞吐量。
描述于本公开实施例中所涉及到的单元可以通过软件的方式实现,也可以通过硬件的方式来实现。其中,单元的名称在某种情况下并不构成对该单元本身的限定,例如,第一获取单元还可以被描述为“获取至少两个网际协议地址的单元”。
应当理解,本公开的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。
以上所述,仅为本公开的具体实施方式,但本公开的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此,本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种新型电网资源分配***,其特征在于,所述***包括一个宏基站和S个分别与所述宏基站连接的小区基站,小区基站和宏基站均支持多个电网设备的数据传输;
其中宏基站位于小区中心并完整地覆盖了整个小区;
所述***以时隙方式运行,在每个时隙中,宏基站为宏基站电网设备分配多个相同的子带宽信道,同时这些子信道又被小区基站电网设备所共享;
宏基站电网设备m在子信道n上的最大上行可达速率Rm,n的表达式为:
小区基站电网设备k在子信道n上的最大上行可达速率Rk,n的表达式为:
其中,γk,n表示小区基站电网设备k在所述子信道n上的信干噪比。
4.根据权利要求3所述的新型电网资源分配***,其特征在于,小区基站电网设备k和小区基站s在子信道n上的信道增益gks,n的计算公式为:
gks,n=ωδksζks(dks)-α,
其中,α表示路径损耗指数,ω表示路径损耗常数,δks表示小区电网设备k到小区基站s的遵循指数分布的快衰落增益,ζks表示小区电网设备k到小区基站s的遵循对数正态分布的慢衰落增益,dks表示小区电网设备k到小区基站s的传输距离。
5.一种基于新型电网资源分配***的通信方法,其特征在于,所述新型电网资源分配***包括如权利要求1-4中任一所述的新型电网资源分配***,所述方法包括:
进行电力无线通信业务的资源分配时,首先固定信道分配矩阵W,进行功率分配,计算功率最优解;功率分配完成后,利用获得的功率分配最优解进行信道分配,从而得出最优的信道分配矩阵W;所述***以最优的信道分配矩阵W进行电力无线通信业务的资源分配。
6.根据权利要求5所述的通信方法,其特征在于,具体包括以下步骤:
初始化***参数;
固定信道分配矩阵W,计算功率最优解;
对f(Pm,n)=f(Pk,n,Pm,n)求泰勒一阶展开;
对f(Pk,n)=f(Pk,n,Pm,n)求泰勒一阶展开;
以最优的信道分配矩阵W进行电力无线通信业务的资源分配。
7.根据权利要求5所述的通信方法,其特征在于,用凸优化工具包cvx求解f(Pm,n)=f(Pk,n,Pm,n)的泰勒一阶展开。
8.根据权利要求5所述的通信方法,其特征在于,固定信道分配具体为:信道分配矩阵W中的元素先随机取值,之后进行功率分配时W矩阵固定不变,等功率分配结束后再进行信道分配。
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CN111556575B (zh) | 2022-01-14 |
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