CN113923745B - 电力通信***的通信中继选择方法及其通信方法 - Google Patents

电力通信***的通信中继选择方法及其通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电力通信***的通信中继选择方法，包括获取待分析区域中电力通信***的实时参数；以目标D2D终端与基站之间的距离为直径，以目标D2D终端与基站之间的连线线段的中点为圆心构建中继选择区域；判断中继选择区域中是否存在中继节点；在中继选择区域中划分若干个同心圆并得到若干个子区域；在子区域中选定一个存在中继节点的子区域；选择一个中继节点进行信号中继，完成电力通信***的通信中继选择。本发明还公开了一种包括所述电力通信***的通信中继选择方法的通信方法。本发明大大减小了***的复杂度和***的整体开销，并且在信号传输的可靠性与安全性上均具有较好的性能，而且适用范围更广，实用性更好。

Description

电力通信***的通信中继选择方法及其通信方法
技术领域
本发明属于电网通信技术领域，具体涉及一种电力通信***的通信中继选择方法及其通信方法。
背景技术
随着经济技术的发展和人们生活水平的提高，电能已经广泛应用于人们的生产和生活当中，给人们的生产和生活带来了无尽的便利。因此，保证电能的稳定可靠供应，就成为了电力***最重要的任务之一。
电力通信***是电力***重要的组成部分。典型的电力业务(如配网自动化、用电信息采集、分布式电源、精准负荷控制、电力应急通信等)的高效运作都离不开电力通信***的支持。现阶段，电力业务的通信承载网一般由有线光纤专网与eLTE电力无线专网构成；而随着第五代移动通信技术(5G)的应用和推广，电力通信网络也必将兼容5G网络。
终端直接通信(Device to Device，D2D)技术是5G的关键技术之一，其能够使终端不通过基站而直接与邻近设备进行数据交换。D2D技术能够显著提高频谱利用率，提升网络容量，减少终端与基站之间的信令开销。因此，电力通信***必然会有越来越多的通信终端接入5G网络。
但是，接入5G网络的电力通信终端大多位置固定，比如配网自动化分布式终端、家庭用电信息采集终端、输变电状态监测终端等，而5G基站的覆盖范围有限，因此必然存在部分处于5G基站覆盖边缘的电力通信终端。这些电力通信终端，在无线环境较为恶劣时将无法与基站直接建立联系或与基站进行数据传输时可靠性得不到保障。此时，可以借助D2D通信技术建立中继链路，改善电力通信终端的通信质量，从而保障电力数据的可靠性传输。
目前常用的D2D中继选择方法，主要包括以下几种：1)基于信道质量的中继选择方法：D2D终端检测每一个中继终端的D2D通信链路的信道质量，并选择信道质量最高的中继终端作为首选中继终端，其余则作为备选；2)基于D2D邻居终端列表的中继选择方法：每个D2D终端预先构建用于D2D通信的邻居终端列表，D2D终端按照预定策略动态更新邻居终端列表的优先级排序，当需要进行D2D中继通信时，D2D终端选择列表中优先级最高的终端作为中继终端；3)基于相对速度的动态D2D中继选择方法：考虑潜在中继终端之间的未来移动方向以及与D2D终端的相对速度，选择与D2D终端接触稳定度最高的终端作为中继终端，提高中继选择的稳定性；4)网络编码辅助多对D2D通信中继选择方法：联合考虑中继位置、通信内容、剩余能量和***容量，并以此作为中继选择的依据；5)基于Q学习法的最佳中继选择策略：借助强化学习中的Q学习算法更新D2D用户对的Q表，在经过多次迭代后，Q表收敛；并根据Q表，选择最佳中继。
但是，上述的中继选择方法都是建立在D2D终端能够尽可能多的获得中继终端的精确信息的假设上进行的；因此上述方法均有着较大的反馈开销以及较复杂的***复杂度。而且在实际的网络环境中，由于估计误差或反馈限制，D2D终端往往无法获得准确的终端位置及相关状态信息，因此上述的中继选择方法，均存在实用性不佳，适用范围较小等问题。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种***复杂度较低、***整体开销较小且适用范围广、实用性好的电力通信***的通信中继选择方法。
本发明的目的之二在于提供一种包括了所述电力通信***的通信中继选择方法的通信方法。
本发明提供的这种电力通信***的通信中继选择方法，包括如下步骤：
S1.获取待分析区域中电力通信***的实时参数；
S2.以目标D2D终端与基站之间的距离为直径，以目标D2D终端与基站之间的连线线段的中点为圆心，构建中继选择区域；
S3.判断步骤S2构建的中继选择区域中是否存在中继节点：
若不存在中继节点，则目标D2D终端与基站直接进行通信，算法结束；
若存在中继节点，则继续进行后续步骤；
S4.在步骤S2构建的中继选择区域中，以目标D2D终端与基站之间的连线线段的中点为圆心，划分若干个同心圆，从而将步骤S2构建的中继选择区域划分为若干个子区域；
S5.在步骤S4划分的若干个子区域中，选定一个存在中继节点的子区域；
S6.在步骤S5选定的子区域中，选择一个中继节点进行信号中继，从而完成电力通信***的通信中继选择。
步骤S4所述的在步骤S2构建的中继选择区域中，以目标D2D终端与基站之间的连线线段的中点为圆心，划分若干个同心圆，从而将步骤S2构建的中继选择区域划分为若干个子区域，具体包括如下步骤：
A.在中继选择区域中，设定距离圆心最近的中继节点为最佳中继节点；
B.以步骤A选定的最佳中继节点进行中继传输时，采用如下算式计算最佳通信可靠性增益εbest：
Figure BDA0003306434160000041
式中Pr(N(A)＝k)为在区域A中存在k个中继的Poisson概率，且Pr(N(A)＝k)的计算公式为
Figure BDA0003306434160000042
λr为区域A内单位面积的平均中继数量，|A|为区域A的面积；/>
Figure BDA0003306434160000043
表示在中继选择区域中存在k个中继节点时，选择最佳中继节点进行中继传输时可获得的可靠性增益，且/>
Figure BDA0003306434160000044
R为中继选择区域的半径，ds为坐标(xs,ys)与坐标(xd,yd)之间的距离，μ为中间变量，且
Figure BDA0003306434160000045
Γs为D2D终端所需的SIR门限值，α为一般幂律路径损耗模型的损耗指数，ηth为非D2D终端接收信号的干扰门限值，λs为D2D终端的密度，λp为基站密度，dp为非D2D终端与对应的通信基站的距离，Γp为中继选择区域中其他非D2D终端的SIR门限值；
C.采用如下算式计算通信可靠性增益εregion(L)：
Figure BDA0003306434160000046
式中Pr(N(A)＝k)为在区域A中存在k个中继的Poisson概率，且Pr(N(A)＝k)的计算公式为
Figure BDA0003306434160000047
λr为区域A内单位面积的平均中继数量，|A|为区域A的面积；/>
Figure BDA0003306434160000048
为在中继选择区域中存在k个中继节点时，采用本发明方法选择中继节点进行中继传输时可获得的可靠性增益，且
Figure BDA0003306434160000051
m为离圆心最近且存在中继节点的圆环中的中继节点的数量；n表示的是选择中继节点进行传输时所选择的中继节点为所有中继节点中距离圆心第n近的中继节点；L为划分的同心圆的指数量；
Figure BDA0003306434160000052
为组合数公式/>
Figure BDA0003306434160000053
i代表第i个圆环；Ψ(x)为单个第n最佳中继的可靠性增益计算函数，且/>
Figure BDA0003306434160000054
j代表中继选择区域内第n最佳中继节点向外延伸的第j个中继节点，γ(A,B)为不完全伽马函数；
D.设定能够获取的通信可靠性增益εregion(L)与最佳通信可靠性增益εbest之间的比值β，并通过公式εregion(L)＝β·εbest，反推得到划分的同心圆的指数量L；
E.根据步骤D得到的划分的同心圆的指数量L，最终将中继选择区域划分为2L个、相邻圆环的面积相等的同心圆。
步骤S5所述的在步骤S4划分的若干个子区域中，选定一个存在中继节点的子区域，具体包括如下步骤：
在步骤S4划分的若干个子区域中，选定最靠近圆心且存在中继节点的子区域。
步骤S6所述的在步骤S5选定的子区域中，选择一个中继节点进行信号中继，具体包括如下步骤：
在步骤S5选定的子区域中，若仅存在一个中继节点，则直接选定该中继节点进行信号中继；
在步骤S5选定的子区域中，若存在若干个中继节点，则在若干个中继节点中随机选择一个中继节点进行信号中继。
本发明还公开了一种包括了所述电力通信***的通信中继选择方法的通信方法，还包括如下步骤：
S7.根据步骤S6选定的中继节点，进行电力通信***的数据传输，从而完成电力通信***的数据通信。
本发明提供的这种电力通信***的通信中继选择方法及其通信方法，不需要获得准确的中继终端位置及其他信息，只需要在所划定的区域内选定一个最优中继节点来辅助D2D终端进行通信和数据传输；因此本发明大大减小了***的复杂度和***的整体开销，并且在信号传输的可靠性与安全性上均具有较好的性能，而且适用范围更广，实用性更好。
附图说明
图1为本发明的中继选择方法的方法流程示意图。
图2为本发明的通信方法的方法流程示意图。
具体实施方式
如图1所示为本发明的中继选择方法的方法流程示意图：本发明提供的这种电力通信***的通信中继选择方法，包括如下步骤：
S1.获取待分析区域中电力通信***的实时参数；
S2.以目标D2D终端与基站之间的距离为直径，以目标D2D终端与基站之间的连线线段的中点为圆心，构建中继选择区域；
具体实施时，当坐标为(xs,ys)的D2D终端与坐标为(xd,yd)的基站进行通信时，将以坐标
Figure BDA0003306434160000071
为圆心，以/>
Figure BDA0003306434160000072
为半径作圆，并作为中继选择区域；其中
Figure BDA0003306434160000073
ds为坐标(xs,ys)与坐标(xd,yd)之间的距离；
S3.判断步骤S2构建的中继选择区域中是否存在中继节点：
若不存在中继节点，则目标D2D终端与基站直接进行通信，算法结束；
若存在中继节点，则继续进行后续步骤；
S4.在步骤S2构建的中继选择区域中，以目标D2D终端与基站之间的连线线段的中点为圆心，划分若干个同心圆，从而将步骤S2构建的中继选择区域划分为若干个子区域；具体包括如下步骤：
A.在中继选择区域中，设定距离圆心最近的中继节点为最佳中继节点；
B.以步骤A选定的最佳中继节点进行中继传输时，采用如下算式计算最佳通信可靠性增益εbest：
Figure BDA0003306434160000074
式中Pr(N(A)＝k)为在区域A中存在k个中继的Poisson概率，且Pr(N(A)＝k)的计算公式为
Figure BDA0003306434160000075
λr为区域A内单位面积的平均中继数量，|A|为区域A的面积；/>
Figure BDA0003306434160000076
表示在中继选择区域中存在k个中继节点时，选择最佳中继节点进行中继传输时可获得的可靠性增益，且/>
Figure BDA0003306434160000077
R为中继选择区域的半径，ds为坐标(xs,ys)与坐标(xd,yd)之间的距离，μ为中间变量，且
Figure BDA0003306434160000081
Γs为D2D终端所需的SIR门限值，α为一般幂律路径损耗模型的损耗指数，ηth为非D2D终端接收信号的干扰门限值，λs为D2D终端的密度，λp为基站密度，dp为非D2D终端与对应的通信基站的距离，Γp为中继选择区域中其他非D2D终端的SIR门限值；
C.采用如下算式计算通信可靠性增益εregion(L)：
Figure BDA0003306434160000082
式中Pr(N(A)＝k)为在区域A中存在k个中继的Poisson概率，且Pr(N(A)＝k)的计算公式为
Figure BDA0003306434160000083
λr为区域A内单位面积的平均中继数量，|A|为区域A的面积；/>
Figure BDA0003306434160000084
为在中继选择区域中存在k个中继节点时，采用本发明方法选择中继节点进行中继传输时可获得的可靠性增益，且
Figure BDA0003306434160000085
m为离圆心最近且存在中继节点的圆环中的中继节点的数量；n表示的是选择中继节点进行传输时所选择的中继节点为所有中继节点中距离圆心第n近的中继节点；L为划分的同心圆的指数量；
Figure BDA0003306434160000086
为组合数公式/>
Figure BDA0003306434160000087
i代表第i个圆环；Ψ(x)为单个第n最佳中继的可靠性增益计算函数，且/>
Figure BDA0003306434160000091
j代表中继选择区域内第n最佳中继节点向外延伸的第j个中继节点，γ(A,B)为不完全伽马函数；
D.设定能够获取的通信可靠性增益εregion(L)与最佳通信可靠性增益εbest之间的比值β，并通过公式εregion(L)＝β·εbest，反推得到划分的同心圆的指数量L；
E.根据步骤D得到的划分的同心圆的指数量L，最终将中继选择区域划分为2L个、相邻圆环的面积相等的同心圆；
具体实施时，经过验证，当L取经验值2时，可获得最佳中继90％的可靠性增益；
S5.在步骤S4划分的若干个子区域中，选定一个存在中继节点的子区域；具体包括如下步骤：
在步骤S4划分的若干个子区域中，选定最靠近圆心且存在中继节点的子区域；
S6.在步骤S5选定的子区域中，选择一个中继节点进行信号中继，从而完成电力通信***的通信中继选择；具体包括如下步骤：
在步骤S5选定的子区域中，若仅存在一个中继节点，则直接选定该中继节点进行信号中继；
在步骤S5选定的子区域中，若存在若干个中继节点，则在若干个中继节点中随机选择一个中继节点进行信号中继。
如图2所示为本发明的通信方法的方法流程示意图：本发明提供的这种包括了所述电力通信***的通信中继选择方法的通信方法，还包括如下步骤：
S7.根据步骤S6选定的中继节点，进行电力通信***的数据传输，从而完成电力通信***的数据通信。

Claims (4)

1.一种电力通信***的通信中继选择方法，包括如下步骤：
S1.获取待分析区域中电力通信***的实时参数；
S2.以目标D2D终端与基站之间的距离为直径，以目标D2D终端与基站之间的连线线段的中点为圆心，构建中继选择区域；
S3.判断步骤S2构建的中继选择区域中是否存在中继节点：
若不存在中继节点，则目标D2D终端与基站直接进行通信，算法结束；
若存在中继节点，则继续进行后续步骤；
S4.在步骤S2构建的中继选择区域中，以目标D2D终端与基站之间的连线线段的中点为圆心，划分若干个同心圆，从而将步骤S2构建的中继选择区域划分为若干个子区域；具体包括如下步骤：
A.在中继选择区域中，设定距离圆心最近的中继节点为最佳中继节点；
B.以步骤A选定的最佳中继节点进行中继传输时，采用如下算式计算最佳通信可靠性增益εbest：
Figure FDA0004242247550000011
式中Pr(N(A)＝k)为在区域A中存在k个中继的Poisson概率，且Pr(N(A)＝k)的计算公式为
Figure FDA0004242247550000012
λr为区域A内单位面积的平均中继数量，|A|为区域A的面积；/>
Figure FDA0004242247550000013
表示在中继选择区域中存在k个中继节点时，选择最佳中继节点进行中继传输时可获得的可靠性增益，且/>
Figure FDA0004242247550000014
R为中继选择区域的半径，ds为D2D终端坐标(xs,ys)与基站坐标(xd,yd)之间的距离，μ为中间变量，且/>
Figure FDA0004242247550000021
Γs为D2D终端所需的SIR门限值，α为一般幂律路径损耗模型的损耗指数，ηth为非D2D终端接收信号的干扰门限值，λs为D2D终端的密度，λp为基站密度，dp为非D2D终端与对应的通信基站的距离，Γp为中继选择区域中其他非D2D终端的SIR门限值；
C.采用如下算式计算通信可靠性增益εregion(L)：
Figure FDA0004242247550000022
式中Pr(N(A)＝k)为在区域A中存在k个中继的Poisson概率，且Pr(N(A)＝k)的计算公式为
Figure FDA0004242247550000023
λr为区域A内单位面积的平均中继数量，|A|为区域A的面积；/>
Figure FDA0004242247550000024
为在中继选择区域中存在k个中继节点时，采用本发明方法选择中继节点进行中继传输时可获得的可靠性增益，且
Figure FDA0004242247550000025
m为离圆心最近且存在中继节点的圆环中的中继节点的数量；n表示的是选择中继节点进行传输时所选择的中继节点为所有中继节点中距离圆心第n近的中继节点；L为划分的同心圆的指数量；/>
Figure FDA0004242247550000026
为组合数公式/>
Figure FDA0004242247550000027
i代表第i个圆环；Ψ(x)为单个第n最佳中继的可靠性增益计算函数，且/>
Figure FDA0004242247550000031
j代表中继选择区域内第n最佳中继节点向外延伸的第j个中继节点，γ(A,B)为不完全伽马函数；
D.设定能够获取的通信可靠性增益εregion(L)与最佳通信可靠性增益εbest之间的比值β，并通过公式εregion(L)＝β·εbest，反推得到划分的同心圆的指数量L；
E.根据步骤D得到的划分的同心圆的指数量L，最终将中继选择区域划分为2L个、相邻圆环的面积相等的同心圆；
S5.在步骤S4划分的若干个子区域中，选定一个存在中继节点的子区域；
S6.在步骤S5选定的子区域中，选择一个中继节点进行信号中继，从而完成电力通信***的通信中继选择。
2.根据权利要求1所述的电力通信***的通信中继选择方法，其特征在于步骤S5所述的在步骤S4划分的若干个子区域中，选定一个存在中继节点的子区域，具体包括如下步骤：
在步骤S4划分的若干个子区域中，选定最靠近圆心且存在中继节点的子区域。
3.根据权利要求2所述的电力通信***的通信中继选择方法，其特征在于步骤S6所述的在步骤S5选定的子区域中，选择一个中继节点进行信号中继，具体包括如下步骤：
在步骤S5选定的子区域中，若仅存在一个中继节点，则直接选定该中继节点进行信号中继；
在步骤S5选定的子区域中，若存在若干个中继节点，则在若干个中继节点中随机选择一个中继节点进行信号中继。
4.一种包括了权利要求1～3之一所述的电力通信***的通信中继选择方法的通信方法，其特征在于还包括如下步骤：
S7.根据步骤S6选定的中继节点，进行电力通信***的数据传输，从而完成电力通信***的数据通信。
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