智能配电网WSNs通信数据传输带宽的优化分配方法及装置

技术领域

本发明涉及智能配电网相关技术领域，具体涉及一种智能配电网WSNs通信数据传输带宽的优化分配方法及装置。

背景技术

智能配电网无线传感器网络(WSNs)使用的是IEEE802.15.4协议标准，其通信能力受到带宽资源的限制，因此提高链路之间带宽资源有效配置，对提高智能配电网数据传输的整体质量起到至关重要作用。

在现有技术中，均没有考虑不同优先级别数据提供不同的带宽服务，并不能满足所有类型通信数据的实时性和可靠性需求。然而实际应用中，智能配电网无线传感器网络需要传递的数据，对于通信性能的要求是不同的。现有方案中，没有考虑不同优先级别数据提供不同的带宽服务，使得不同优先级别数据具有相同的通信质量，不利于智能配电网无线传感器网络的稳定。

发明内容

有鉴于此，提供一种智能配电网WSNs通信数据传输带宽的优化分配方法及装置,以解决相关技术中的问题。

本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明实施例提供了一种智能配电网WSNs通信数据传输带宽的优化分配方法，该方法包括：

获取待传输的通信数据；

确定的所述通信数据的类别；所述类别为基于不同类型的通信数据对对数据传输的实时性和可靠性的指标需求不同进行划分的，用于确定通信数据优先级的；

依照优先级越高越靠前的原则，基于通信数据的类别的不同优先级，将通信数据放入数据队列的首段末端或中间；

通过构建以无线传感器网络的服务质量作为约束条件、网络带宽利用率最大化为系统目的计算模型，实现对通信带宽的利用最优的预测；

基于所述预测的结构进行数据的传输。

可选的，所述通信数据包括：遥信数据、遥控数据、遥调数据和遥测数据；

所述类别包括：高优先级别的第一类数据、中优先级别的第二类数据、低优先级别的第三类数据；

所述第一类数据包括遥信数据；

所述第二类数据包括遥控数据和遥调数据；

所述第三类数据包括遥测数据。

可选的，所述依照优先级越高越靠前的原则，基于通信数据的类别的不同优先级，将通信数据放入数据队列的首段末端或中间，包括：

所述遥信数据放入数据队列的首段；

所述遥控数据和遥调数据放入数据队列的中间；

所述遥测数据放入数据队列的末端。

可选的，所述约束条件包括：配电网通信的传输的丢失率、延时时间以及传输效率三项指标。

可选的，所述计算模型如下公式：

式中C

可选的，所述通过构建以无线传感器网络的服务质量作为约束条件、网络带宽利用率最大化为系统目的计算模型，实现对通信带宽的利用最优的预测；包括：

确定不同优先级别的通信数据的产出率；

设置不同优先级别通信数据的最大丢失率、最大延时时间以及传输效率；

计算传感器节点的通信缓冲上限；

初始化节点缓冲数据队列不同优先级别的数据变量；

计算以不同优先级别数据的最大丢失率最大延时时间以及传输效率为约束条件的模型最优解；

基于所述最优解，更新节点缓冲数据队列不同优先级别数据变量；

分别判断节点缓冲数据队列不同优先级别数据变量是否大于对应的数据产生率和通信数据延时时间的乘积；

若判断结果为不同优先级别数据变量均大于对应的数据产生率和通信数据延时时间的乘积，计算最优模型下不同优先级别数据最优解以及节点数据转发率；并计算遂由带宽的预测值；

否则，重新执行步骤“计算以不同优先级别数据的最大丢失率最大延时时间以及传输效率为约束条件的模型最优解”。

第二面，本发明实施例提供了一种智能配电网WSNs通信数据传输带宽的优化分配装置，包括：

获取模块，用于获取待传输的通信数据；

确定模块，用于确定的所述通信数据的类别；所述类别为基于不同类型的通信数据对对数据传输的实时性和可靠性的指标需求不同进行划分的，用于确定通信数据优先级的；

队列模块，用于依照优先级越高越靠前的原则，基于通信数据的类别的不同优先级，将通信数据放入数据队列的首段末端或中间；

预测模块，用于通过构建以无线传感器网络的服务质量作为约束条件、网络带宽利用率最大化为系统目的计算模型，实现对通信带宽的利用最优的预测；

传输模块，用于基于所述预测的结构进行数据的传输。

可选的，所述通信数据包括：遥信数据、遥控数据、遥调数据和遥测数据；

所述类别包括：高优先级别的第一类数据、中优先级别的第二类数据、低优先级别的第三类数据；

所述第一类数据包括遥信数据；

所述第二类数据包括遥控数据和遥调数据；

所述第三类数据包括遥测数据；

所述依照优先级越高越靠前的原则，基于通信数据的类别的不同优先级，将通信数据放入数据队列的首段末端或中间，包括：

所述遥信数据放入数据队列的首段；

所述遥控数据和遥调数据放入数据队列的中间；

所述遥测数据放入数据队列的末端；

所述约束条件包括：配电网通信的传输的丢失率、延时时间以及传输效率三项指标。

第三方面，本发明实施例提供了一种智能配电网WSNs通信数据传输带宽的优化分配设备，包括：

处理器，以及与所述处理器相连接的存储器；

所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序至少用于执行本申请提供的智能配电网WSNs通信数据传输带宽的优化分配方法；

所述处理器用于调用并执行所述存储器中的所述计算机程序。

第四方面，本发明实施例提供了一种存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如本申请提供的智能配电网WSNs通信数据传输带宽的优化分配方法中各个步骤。

本发明采用以上技术方案，获取待传输的通信数据后，确定的所述通信数据的类别；所述类别为基于不同类型的通信数据对对数据传输的实时性和可靠性的指标需求不同进行划分的，用于确定通信数据优先级的；依照优先级越高越靠前的原则，基于通信数据的类别的不同优先级，将通信数据放入数据队列的首段末端或中间；通过构建以无线传感器网络的服务质量作为约束条件、网络带宽利用率最大化为系统目的计算模型，实现对通信带宽的利用最优的预测；基于所述预测的结构进行数据的传输。如此，本申请提出了一种多优先级别数据传输的无线传感器网络带宽资源高效分配策略，在保证各种类型数据通信QoS前提下，优化带宽资源配置，整体提高数据传输的实时性和可靠性。

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是本发明实施例提供的一种智能配电网WSNs通信数据传输带宽的优化分配方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的一种智能配电网WSNs配置示意图；

图3是本发明实施例提供的一种智能配电网WSNs节点队列排队模型的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种智能配电网WSNs通信数据传输带宽的优化分配方法中部分的流程图；

图5是本发明实施例提供的一种智能配电网WSNs节点队列排队模型的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的一种智能配电网WSNs通信数据传输带宽的优化分配方法设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

首先对本发明实施例的应用场景进行说明，智能配电网的实现需要多方面关键技术的支撑，保证数据信息的实时、可靠传输是实现配电网智能化管理最为关键的因素之一，同时也是实现对智能配电网各种智能化操作的前提和依据。无线传感器技术克服了数据点对点无线传输模式的局限性，通过自组网和自动中继实现低功耗、远距离、多路径选择的数据传输方式，使其在智能配电网通信中获得广泛应用。智能配电网数据传输的容量、传输质量与数据所分配的传输链路带宽有着紧密联系。无线传感器节点间的带宽合理分配，对提高智能配电网数据传输的整体效率起到重要作用。目前在无线传感器网络中带宽资源的分配采用的是平均分配形式，不能够针对配电网数据通信需求特征提供对应的服务，来满足配电网对电力数据传输的实时性和可靠性传输需求。针对智能配电网不同类型的数据对实时性和可靠需求不同以及无线传感器网络带宽资源配置存在的缺点，本文提出了一种多优先级别数据传输的无线传感器网络带宽资源高效分配策略，在保证各种类型数据通信QoS前提下，优化带宽资源配置，整体提高数据传输的实时性和可靠性。

实施例

图1是本发明实施例提供的一种智能配电网WSNs通信数据传输带宽的优化分配方法的流程图；该方法可以由本发明实施例提供的智能配电网WSNs通信数据传输带宽的优化分配设备来执行应用于如图2所示的智能配电网WSNs中。参考图1，该方法具体可以包括如下步骤：

S101、获取待传输的通信数据；

S102、确定的所述通信数据的类别；所述类别为基于不同类型的通信数据对对数据传输的实时性和可靠性的指标需求不同进行划分的，用于确定通信数据优先级的；

具体的，所述通信数据包括：遥信数据、遥控数据、遥调数据和遥测数据；

实际场景中，智能配电网不同的终端设备，对通信速率要求不同，而无线传感器网络受到通信带宽总的资源限制，因此，在设计智能配电网无限传感器网络，需要考虑不同类型终端设备通信需求。变电所、配电线路、变压器以及数据终端采集设备对通信速率大小可参照下表：

根据IEC 61850系列标准、中国国家标准GB/T 13729-2002《远动终端设备》电力数据的四种类型数据对实时性和可靠性指标的需求见下表：

从上表中，可以看出，不同类型的通信数据对对数据传输的实时性和可靠性等QoS的指标需求不同，智能配电网WSNs节点在同一时间传输的数据类型可能完全不同，如果从数据采集节点到数据传输的终端节点的全部按照平均分配带宽资源，整个通信系统数据传输的效率很低。由上表可知，在智能配电网中，遥信数据对通信的实时性以及可靠性要求最高，可归为第一类；遥控和遥调数据对通信时间以及正确率要求完全一致，归结成第二类数据；遥测数据对通信实时性和可靠性要求级别最低，可以归为第三类。

具体的，S102中的类别包括：高优先级别的第一类数据、中优先级别的第二类数据、低优先级别的第三类数据；

所述第一类数据包括遥信数据；

所述第二类数据包括遥控数据和遥调数据；

所述第三类数据包括遥测数据。

S103、依照优先级越高越靠前的原则，基于通信数据的类别的不同优先级，将通信数据放入数据队列的首段末端或中间；

具体的，图3是本发明实施例提供的一种智能配电网WSNs节点队列排队模型的结构示意图；参照图3，针对智能配电网不同优先级别数据对通信的实时性以及可靠性需求不同，设置不同相应传输遵循规则：当节点采集到或接收到由其它节点转发过来的高优先级别数据时，放在节点队列的首端，当节点采集到或接收到由其它节点转发过来的低优先级别数据时，放在节点队列的末端，中等优先级别数据放在数据队列的中间；同一优先级别数据按照剩余通信完成时间长短进行逆序排列，这样就可以建立起智能配电网无线传感器网络基于三优先级别数据的节点队列的排队模型，如图3所示。其中参数λ

S104、通过构建以无线传感器网络的服务质量作为约束条件、网络带宽利用率最大化为系统目的计算模型，实现对通信带宽的利用最优的预测；

其中，所述约束条件包括：配电网通信的传输的丢失率、延时时间以及传输效率三项指标。

具体的，通过构建以无线传感器网络的服务质量(QoS)作为约束条件(配电网通信的传输的丢失率、延时时间以及传输效率三项指标)、网络带宽利用率最大化为系统目的计算模型，实现对通信带宽的利用最优的预测。基于上述需求构建的满足多优先级数据通信需求的最优带宽分配计算模型可以表示为：

式中C

通过上述计算模型可以得到不同优先级别数据的转发速率，最终获得最优带宽的预测值，从而按照预测的结果分配带宽。具体的求解算法如图4所示，包括：

确定不同优先级别的通信数据的产出率；

设置不同优先级别通信数据的最大丢失率、最大延时时间以及传输效率；

计算传感器节点的通信缓冲上限；

初始化节点缓冲数据队列不同优先级别的数据变量；

计算以不同优先级别数据的最大丢失率最大延时时间以及传输效率为约束条件的模型最优解；

基于所述最优解，更新节点缓冲数据队列不同优先级别数据变量；

分别判断节点缓冲数据队列不同优先级别数据变量是否大于对应的数据产生率和通信数据延时时间的乘积；

若判断结果为不同优先级别数据变量均大于对应的数据产生率和通信数据延时时间的乘积，计算最优模型下不同优先级别数据最优解以及节点数据转发率；并计算遂由带宽的预测值；

否则，重新执行步骤“计算以不同优先级别数据的最大丢失率最大延时时间以及传输效率为约束条件的模型最优解”。

S105、基于所述预测的结构进行数据的传输。

如此，本申请提出了一种多优先级别数据传输的无线传感器网络带宽资源高效分配策略，在保证各种类型数据通信QoS前提下，优化带宽资源配置，整体提高数据传输的实时性和可靠性。

为了使得本申请提供的方案更加便于理解,对智能配电网WSNs数据传输的带宽分配算法做进一步的说明：

假定单个无线传感器网络节点数目为N，节点数据产生率为λ，并发比例系数为k，B

假设当前时刻，需要传输数据的无线传感器节点数目为M(M≤N)，分配到当前传感器节点数据传输的链路有效带宽可以表示为：

从式(2)可以看出，当无线传感器网络中的数据产生率相同，各条路由链路的节点数据队列长度相同，数据对通信完成的实时性和可靠性的QoS需求相同时，这种链路带宽分配的策略能够满足系统需求。但是这种带宽资源分配的策略不适合对实时性和可靠性需求较高的智能配电网无线传感器网络通信系统中。主要原因：一方面智能配电网网路中的遥信、遥控(遥调)以及遥测数据对通信的实时性和可靠性的需求不同；另一方面无线传感器网络中各个节点在不同时刻所承担的任务需求不同，引起各个节点中需要传输的数据类型以及数据队列的长度不同，因此各个节点对通信带宽的需求也不完全相同，因此，公式(2)在智能配电网WSNs中不是最优的带宽分配方案。

在智能配电网中，遥信数据对通信的实时性以及可靠性要求最高，可归为第一类；遥控和遥调数据对通信时间以及正确率要求完全一致，归结成第二类数据；遥测数据对通信实时性和可靠性要求级别最低，可以归为第三类。后续章节为叙述方便：遥信、遥调(遥控)以及遥测数据分别用高、中以及低优先级别数据表示。

对于无线传感器网络节点分配的带宽，不仅与该节点内队列数据的种类、同时还与节点内不同类型数据产生情况密切联系。假定某时刻，在N个节点组成的智能配电网无线传感器网络中，n0个节点发送高优先级别的数据，n1个节点发送中等优先级别的数据，n2个节点发送低优先级别的数据，n3个节点不发送数据；λ

据对实时性和可靠性的要求最低，同等条件下分配的带宽比例应相对低一些。假定高、中、低三类优先级别数据对传输时间的要求分别是t

那么每一个发送高、中、低三类优先级别数据的无线传感器节点，所需要的带宽资源可以表示为：

从公式(4)可以看出，每个节点对通信带宽的需求，除了与所传输的数据类型有关，还与节点数据的产生率和转发率相关。因此，对于多优先级别数据按照这种方式分配带宽更加合理化。

本申请提供的方案中，采用了基于多优先级排队理论的智能配电网WSNs链路带宽的配置算法，具体的，由于配电网中不同有限级别数据对数据传输的实时性和可靠性的需求有所不同，按照先进先出的排队理论，在无线传感器网络节点内部，先采集或先由其它节点转发到当前到节点内的数据应该具有优先传输的特权，无法满足配电网对实时性需求较高的数据需要优先传输的需求，可能造成配电网一些需要紧急操作的动作无法在规定的时间内完成，引起电网连锁反应，造成不必要的损失。

当某时刻智能配电网中仅仅存在一种优先级别数据时，可以按照M/M/1/k排队理论所提出的方法来计算通信网络数据传输的性能指标，不影响配电网数据的通信质量，如式(5)所示：

而实际配电网中在某一个特定时刻，可能会出现通信网络中只存在一种优先级别数据，而在绝大数情况下，通信网络中均会存在两种以上优先级别数据，因此式(5)所提出的计算无线传感器网络节点通信质量算法并不具有一般性，无法正确衡量数据传输性能的质量。在计算智能配电网无线传感器网络的通信质量时，除了要考虑网络中存在不同优先级别数据，同时还要考虑高优先级别数据对低优先级别数据产生的影响。

假定

---------------------------------------

式(6)中k代表排在当前节点前面数据个数与数据传输过程中新产生的数据优先级别高于当前数据的数据个数之和。

不同优先级别数据在当前节点的延时时间可以表示为：

在公式(7)中，

无线传感器网络节点不同优先级别数据的原始队列长度可以表示为：

不同优先级别数据在考虑丢失率前提下的到达率可以表示为：

不同优先级别数据的传输效率可以表示为：

整个智能配电网无线传感网络的带宽利用效率可以表示为：

(3)基于满足多优先级数据通信需求的最优带宽计算

通过构建以无线传感器网络的服务质量(QoS)作为约束条件(配电网通信的传输的丢失率、延时时间以及传输效率三项指标)、网络带宽利用率最大化为系统目的计算模型，实现对通信带宽的利用最优的预测。基于上述需求构建的满足多优先级数据通信需求的最优带宽分配计算模型可以表示为：

式(12)中C

图5是本发明实施例提供的一种智能配电网WSNs节点队列排队模型的结构示意图；参照图5，本申请提供的智能配电网WSNs通信数据传输带宽的优化分配装置，包括：

获取模块51，用于获取待传输的通信数据；

确定模块52，用于确定的所述通信数据的类别；所述类别为基于不同类型的通信数据对对数据传输的实时性和可靠性的指标需求不同进行划分的，用于确定通信数据优先级的；

队列模块53，用于依照优先级越高越靠前的原则，基于通信数据的类别的不同优先级，将通信数据放入数据队列的首段末端或中间；

预测模块54，用于通过构建以无线传感器网络的服务质量作为约束条件、网络带宽利用率最大化为系统目的计算模型，实现对通信带宽的利用最优的预测；

传输模块55，用于基于所述预测的结构进行数据的传输。

图6是本发明实施例提供的一种智能配电网WSNs通信数据传输带宽的优化分配方法设备的结构示意图。参照图6，本申请提供的智能配电网WSNs通信数据传输带宽的优化分配设备包括：

处理器61，以及与所述处理器相连接的存储器62；

所述存储器62用于存储计算机程序，所述计算机程序至少用于执行本申请提供的智能配电网WSNs通信数据传输带宽的优化分配方法；

所述处理器用于调用并执行所述存储器中的所述计算机程序。

本申请还提供一种存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如本申请提供的智能配电网WSNs通信数据传输带宽的优化分配方法中各个步骤。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。