基于物联网的电力通信系统传输数据感知分配研究

赵子瑶

摘要：传统传输数据感知分配方法在感知资源的拥挤和专用资源稀少的情况下，很难保持较高水平的通信状态，为此提出基于物联网的电力通信系统传输数据感知分配方法。

关键词：物联网;电力通信系统;传输数据;感知分配

1基于物联网的电力通信系统传输数据感知分配方法设计

1.1电力物联网感知环境模型设计

传输数据感知环境模型设计中包括状态和动作的设计，当某一物联网节点做出传输数据相应的动作后，环境模型需要给出相应的反应，执行相应的感知分配动作。

1.2多节点协作感知

一般的传输数据感知分配中多数为单节点模式，存在一定的局限性，如果传输目标处于发射信号的阴影衰落范围内或是隐藏用户，在感知过程中可能会检测不到目标存在。为了提高传输数据感知的准确性，采用多节点共同感知，在阴影效应和隐藏用户的条件下实现精准分配。多节点感知示意如图1所示。

通过布置的多个感知节点，在分配中可以快速定位到感知数据，进而做出最合理的分配方案。在感知分配过程中，每个协作节点分别计算各自接收的感知能量，其中感知能量是指感知节点包含了信号的大部分信息，只要找到非零系数信号节点的位置和幅度，就可以准确地感知能量信号。通过一次观测矩阵，将高维稀疏信号降维到压缩域，然后对低维观测信号进行后续的传输、存储、处理等，具体公式为：

式中：Fv（h）表示保持v速度下在h层信号节点处对低维观测信号进行后续传输、存储、处理;Kij表示第i行第j列感知节点信息特征;Xu表示感知能量约束值，在特定情况下需要约束，因情况不同，通常取值为变量;Bb表示常数，将其汇总处理后，进行判决后执行相关任务。

1.3考虑数据包丢失的感知分配

在电力通信系统中，数据丢包是指数据包丢失的情况，数据在电力通信网中以数据包为单位进行传输，每一个数据包都有代表数据信息和提供数据路由的帧。即无论网络状况是否良好，都不能连续传输数据，中间总有空洞。分组传输不可能100%完成，由于存在线路故障、设备故障、路由信息错误等，总会有一些损失。遇到这种情况，网络会自动让通信双方按照协议进行补包。若线路状况良好、速度快，则数据丢包的损耗降低，补包的工作也比较容易完成，所以可以近似地将数据视为无损传输。但如果线路状况较差，数据丢包量将非常大，无法完整的完成补包工作，数据传输将出现空洞，导致丢包。在考虑数据包丢失的情况下，传输数据虚拟队列长度的计算主要分为2种情况：一是所有节点成功接收到数据集合;二是考虑通信延迟情况下产生的传输变量，需要重新计算得到感知分配判决结果。考虑传输数据过程中可能存在数据包丢失的情况，节点i处的数据队列计算公式为：

式中：maxωij表示第i行第j列传输数据包丢失最大值;ci（f）表示在i行传输数据f的动力，同时也是虚拟队列长度;cj（f）表示在第j列传输数据f的阻力，也是真实队列长度。系统运行过程中每个节点设备在通信传输范围内传输数据，cj（f）通常取传输数据真实队列的平均值。若系统采用半双工通信方式作为传输数据的默认形式，当其中一组节点在接收到感知分配的命令后被激活，参与到传输数据感知分配中，其他的节点处于限制状态，不参与传输数据感知分配。在电力通信系统中，由于多径衰落等问题，网络中传输数据包可能会随机丢失，因此给出背压值计算公式，进行动态感知分配的传输数据。公式如下：

式中：Ca（f）表示在节点a的传输数据f丢失的虚拟队列长度;函数gaverage表示平均值;cj（f）j=n（i，f）表示第i行在传输数据f的所有下跳节点真实队列长度的集合，n（i，f）表示第i行在传输数据f中的下跳节点集合。在传输数据感知分配过程中，各个节点自身以及部分相关节点的背压，在考虑数据包丢失的情况下实现传输数据感知分配。

2实验及结果分析

2.1实验准备

在电力通信系统中，系统传输数据大多是通过三跳无线网络进行，在实验研究中，仿真出其组播树结构图（见图2）。

对于数据流和网络的组播路由路径，下跳邻居节点矩阵中每一行表示不同的数据流，其信息源来自不同的传感器源节点;每一列表示各个节点在各个数据流中的下跳节点集合。在电力通信系统无线网络模型中，传输节点与跳节点之间通信链路质量存在差异，数据包丢失随机过程遵循泊松分布。

电力通信系统为时不变系统，将采样周期设置为1ms，系统噪声s（t）的协方差矩阵S设置为S=diag（0.1，0.1，0.1，0.1）×10–3，量测噪声q（t）的协方差矩阵为Q=diag（0.1，0.2，0.1，0.6）×10–3。在MATLAB仿真平台上设置窗口大小为10，預留与当前窗口匹配的10个时刻;考虑传输数据丢失的情况，设置最初的电力通信系统电压偏离为D=（1111）T。在以上实验环境下对不同感知分配方法进行验证与分析，实验分为2组，一组是无线通信频段占用实验;另一组是数据丢包率实验。在完成2组实验后，根据实验综合分析不同传输数据感知分配方法的实际应用性能，验证感知分配方法的通信可靠性。

2.2无线通信频段占用实验结果及分析

在无线通信频段占用实验中，主要以频段30～88MHz为主，假设在30、40、50、60、70、80MHz频段上存在传输数据感知信号，信噪比为10dB。无需铺设电力通信频段信号电缆，减少了大量工程建设。电力的通信频段通信线与电力线合二为一，不另设专用通信线。在不影响电能传输的前提下，实现窄带或宽带通信，维护电力通信频段稳定运行。利用MATLAB软件检测不同传输数据感知分配方法下的无线通信频段占用情况。实验结果如图3所示。

图中，通信频段占用情况为1B表示频段已占用，为0表示频段空闲。对比图中结果可知，在各个感知分配方法实验结果中均存在空闲的频段，这是为可能存在的突发性任务所预留的位置，但是传统的传输数据感知分配方法中空闲频段过多，不同频率下的通信频段利用率较低，没有达到充分利用的目的，相比之下，设计的基于物联网的电力通信系统传输数据感知分配方法通信频段占用情况更好，通信频段利用效率更高，在传输感知分配中通信频段得到了充分利用。

2.3数据丢包率实验结果与分析

实验结果见表1所列。

从表中数据可以看出，在衰落信道环境下，随着数据包数据规模的增加，数据丢包率也在不断增加，但是在不同的感知方法下，丢包率增加的幅度各不相同。从整体上看，基于物联网的感知分配方法变化幅度较小，且始终在极低的范围内，另外2种感知分配方法面对数据包数据规模的变化，其丢包率越来越高，达到30%以上，不能满足正常的传输需求。结合通信频段占用情况实验结果可知，设计的基于物联网的电力通信系统传输数据感知分配方法通信频段利用率高、传输数据丢包率低，该方法通信可靠性更强。

结语：

以电力通信系统为例，针对其传输数据感知分配的问题展开研究，设计了基于物联网的电力通信系统传输数据感知分配方法，并通过实验验证了设计的感知分配方法的通信可靠性。但限于研究时间和知识水平，对于一些细节的设计还存在问题，在后续研究中将从编码、调制等物理层技术上进行深入研究，以提高传输数据感知分配的稳定性。

参考文献：

[1]郭荣佐，黄君.基于物联网感知的钻井平台数据采集系统设计[J].计算机工程与设计，2020，41（3）：887-895.

[2]朝乐门，张晨.数据故事化：从数据感知到数据认知[J].中国图书馆学报，2019，45（5）：61-78.