一种电力物联网无线通信节点路由性能评价方法与流程

本发明涉及一种用于泛在电力物联网的无线通信节点路由性能评价方法，具体是一种用于泛在电力物联网场景中分布的无线通信节点的路由性能评价方法，属于信息通信网络领域。

背景技术：

泛在电力物联网是“三型两网”中的第二张网，通过“大-云-物-移-智”和边缘计算、区块链等先进技术实现电力运营各业务的万物互联和人机交互，将所有与电网相关的人、事和设备连接起来，实现对内“数据一个源、电网一张图、业务一条线”推动数据共享融通、业务全面贯通，同时，对外广泛连接多样服务，延申业务范围和拓展服务对象。

与现有电力通信网络和信息系统不同，泛在电力物联网将具备能源系统全周期内各环节设备和用户的全状态感知和全业务穿透的能力，全时空泛在连接电力基础设施、政府行业机构、用户和供应商，推动数据融通，实现安全开放共享，促进能源互联网业务创新，为客户提供更优质的服务。

在泛在电力物联网场景中分布着众多的高低压电力设备，因而存在大量的电力数据即及设备运行状态数据需要采集，因此在电力系统场景中的各类设备中布置了大量的无线物联网节点，用于完成泛在电力物联网中各类电力设备数据的采集与传输。

但是，由于电力系统各类设备分布的环境多为复杂的城市环境或者恶劣的野外无人环境，这些环境中存在各种噪声会影响无线物联网节点的数据采集和传输功能的正常工作，为了实现电力系统中数据的快速采集和稳定完整可靠传输，在不同时刻不同状态，我们需要选择电力物联网中路由性能最优的节点进行数据传输，而影响节点路由性能的因素众多，需要综合考虑不同数据的传输需求、实时的环境情况及节点自身状态来评估节点的路由性能。

现有技术背景下对于无线通信网络通信效果的研究主要考虑路径长度、信道带宽、平均通信量、通信开销、误码率、丢包率、延时等指标，而且主要是通过单个指标对整条路径的性能进行评价，不能全面反映网络性能和单个节点的路由性能。此外，在电力物联网分布的区域中存在各种干扰，尤其是在网络节点高密度分布的环境中，各个网络节点的工作性能还与节点的传输误码率、丢包率、传输能耗及传输时延有关，考虑单一指标无法选择出性能最优的中继节点，所以需要结合多个指标来评价节点的路由性能。电力物联网的节点多部署在恶劣的无人环境中，降低功耗是必要的，而且在电力物联网的无线通信网络中，由于传输数据的类型不同，对网络的实时性和可靠性要求也不同，而现有的路由方法并没有考虑到不同类型数据在网络中传输的需求。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种在电力物联网无线通信网络中传输不同类型数据时对节点路由性能的动态评价方法，具体是一种电力物联网无线通信节点路由性能评价方法，在结合现有网络通信效果评价指标的条件下自定义了两种描述节点路由性能的指标，从而建立了节点路由性能综合评价模型，该模型综合考虑不同数据的传输需求、实时的环境情况及节点自身状态来评估节点的路由性能。

为了达到上述目的，本发明采用技术方案如下：

本发明假设电力物联网中无线通信网络所分布的有限三维待监测区域具有以下性质：

1)区域内无线通信节点位置是固定的；

2)区域内的地形、地貌保持不变；

3)区域内各无线通信节点是同构的，即具有相同的发射、接收和处理能力；

4)网络通信链路是双向的，即节点i与节点j能双向通信。

假设在具备上述性质的电力物联网无线通信网络所在有限三维待监测区域中随机部署n个无线通信网络节点，第i个节点坐标为(xi，yi，zi)，根节点放置于监测区域的中心位置，将其作为整个三维待监测区域的坐标系原点，每个无线通信网络节点以单跳或者多跳的方式将采集的数据传输至根节点，根节点将汇聚的数据通过互联网或光纤通信的方式传递至终端管理节点。

一种电力物联网无线通信节点路由性能评价方法，包括以下步骤：

步骤(1)、判断电力物联网无线通信节点i当前需要传输的数据类型dt；

传统的电力系统通信网络将传输的数据分为普通数据(无实时性与可靠性要求)、实时数据(实时性要求高)、可靠性(可靠性要求高)数据三种，结合电力物联网的特点，本发明将电力物联网中传输的数据dt分为以下三类：普通电力数据、设备状态数据、控制指令数据；

步骤(2)、依据步骤(1)所得节点i传输数据类型dt，构建相应的节点路由性能评价模型参数权重值；

其中，αj、βj、θj，(j＝1，2，…，5)分别表示节点在传输不同类型数据时节点路由性能评价模型中各参数的权重值；j＝1，2，3，4，5分别对应延时、丢包率、误码率、调整时间和节点能耗；dt表示传输数据的类型，dt＝0表示传输数据为普通电力数据，dt＝1表示传输数据为设备状态数据，dt＝2表示传输数据为控制质量数据；

步骤(3)、获取节点i实时的路由性能数据，包括延时、丢包率、误码率、调整时间、节点能耗，即tdelay(i)，fpack_loss(i)，fwrong_code(i)，tadj_time(i)，fpower(i)；

3.1延时

由于电力物联网无线通信网络受噪声、负载等因素的干扰，会造成路由延时的变化。此外路由延时还受到信号传输速度、物理距离、路由拥塞程度等因素的影响，因此延时是一个衡量路由节点实时性的有效指标。延时是指数据(一个报文或分组，甚至比特)从网络或链路一端传输到另一端所需时间。节点的延时包括发送延时tsend(i)、传播延时tspread(i)、处理时延tprocess(i)、排队时延tquen(i)；

发送延时：是从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。

tsend(i)＝ldata*wchannel公式(2)

其中ldata表示节点所要发送的数据帧长度，wchannel表示节点通信的信道带宽；

传播延时：电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。

其中velec表示电磁波在节点通信信道上的传输速率，lchannel表示节点通信的信道长度。

处理延时：主机或路由器处理所收到的分组的时间。

排队延时：分组在输入队列中排队等待处理，在输出队列中等待转发，就形成了排队延时。

则可定义节点的总延时tdelay(i)为：

3.2丢包率

在电力物联网无线通信网络中，路由拥塞常常会导致业务数据信息的丢失，最终导致低压配电网的可靠性不断下降，严重影响电力系统的运作。此外，信道容量、节点负载情况等也会导致网络节点之间和节点与集中器之间的通讯故障。因此丢包率也是一个衡量路由节点可靠性的重要指标。

丢包率：指数据传输过程中所丢失数据包数量占所发送数据包的比率。

其中dloss表示节点在将数据发送至下一个节点的过程中丢失的数据包数量；dsum表示节点i向下一个节点发送的数据包总量；

3.3误码率

误码的产生是由于在信号传输中，衰变改变了信号的电压，致使信号在传输中遭到破坏，产生误码。噪音、交流电或闪电造成的脉冲、传输设备故障及其他因素都会导致误码误码率(比如传送的信号是1，而接收到的是0；反之亦然)。

由于种种原因，数字信号在传输过程中不可避免地会产生差错。例如在传输过程中受到外界的干扰，或在通信系统内部由于各个组成部分的质量不够理想而使传送的信号发生畸变等。当受到的干扰或信号畸变达到一定程度时，就会产生差错。在数据通信中，如果发送的信号是“1”，而接收到的信号却是“0”，这就是“误码”，也就是发生了一个差错。

误码率是衡量数据在规定时间内数据传输精确性的指标。电力物联网无线通信网络主要用于传输低压配电网的业务数据信息，一旦传输的数据出现误码就会造成网络通信质量的下降，因此误码率也是一个衡量路由节点可靠性的重要指标。

误码率：指数据传输过程中出现的误码占所传输的总码数的比率。

其中，cwrong表示节点在将数据发送至下一个节点的过程中出现的误码数量；csum表示节点i向下一个节点发送的数据总码数；

3.4调整时间

一方面，由于电力物联网无线通信网络用于电力系统中输电、配电和电能等环节各种设备状态数据与电力数据的采集传输，会存在强大的电磁干扰影响数据采集与传输；另一方面，电力物联网中输配电设备所处环境复杂，各种环境噪声会影响其通信功能。因此所选择的节点的稳定性对于网络通信功能的实现十分重要。

本发明定义调整时间tadj_time(i)为从节点i在接收到上一个节点i-1发送的完整数据包开始计算，到该节点i将接收到的完整数据包发送至下一个节点i+1所需的最大时间；

3.5节点能耗

为了减少能源的消耗，选择一条通信效率高、能耗低的路由路径是很有必要的。本发明定义节点的不同状态的功率与相应状态持续时间乘积之和为该节点的能耗。其中单个节点的功率包括发射功率、接收功率以及休眠状态的功率。由于节点在休眠状态下消耗的能量相对于发射与接收状态消耗的能量可以忽略不计，因此可将节点i的能耗用公式表示如下：

fpower(i)＝k[psend*t1+preceive*t2](7)

其中fpower(i)表示节点i接收kbit数据到将其完整发送出去的整个过程所消耗的总能量，称之为节点能耗；psend表示节点i的发射功率，t1表示节点i完整发送1bit数据所需的时间；preceive表示节点i的接收功率，t2表示节点i完整接收1bit数据所需时间；k表示节点i所发送的数据量，单位为bit。

步骤(4)、在电力物联网无线通信网络中，节点交互过程中的通信数据信息受噪声、负载等因素的干扰可能会丢失，从而严重影响低压开关柜通信网络的路由性能。通常将延时、丢包率、误码率等作为评价低压开关柜通信网络路由性能优劣的指标，此外，本发明定义了调整时间和节点能耗作为新参数，结合上述延时、丢包率、误码率共5个参数建立评价节点路由性能的模型。

本发明结合考虑数据类型dt的约束条件，构建考虑延时、丢包率、误码率、调整时间和节点能耗的节点路由性能评价目标函数：

f(i)＝min[γ1*tdelay(i)+γ2*fpack_loss(i)+γ3*fwrong_code(i)+γ4*tadj_time(i)+γ5*fpower(i)]

其中γ1、γ2、γ3、γ4、γ5为权重因子，且γ1+γ2+γ3+γ4+γ5＝1，可以根据不同类数据的传输要求改变其大小来调整延时、丢包率、误码率、调整时间和节点能耗所占的比重；其中tdelay(i)表示电力物联网无线通信网络中节点i进行数据转发的延时；fpack_loss(i)表示电力物联网无线通信网络中节点i进行数据转发的丢包率；fwrong_code(i)表示电力物联网无线通信网络中节点i进行数据转发的误码率；fadj_time(i)表示电力物联网无线通信网络中节点i进行数据转发的调整时间；fpower(i)表示电力物联网无线通信网络中节点i进行数据转发的能耗；tmax表示最大延时；tmax表示最大调整时间；pmax表示最大路径能耗；

考虑数据类型dt的约束条件：

若当数据类型dt为普通电力数据，指网络中物联网节点采集的包括电压、电流、有功功率、无功功率等普通的数据，此类数据的传输对于实时性和可靠性要求不高，只需在传输过程中保持数据完整性和准确性即可，同时考虑到节点能量有限，增加节点能耗的权重，故可将节点路由性能评价模型中各参数权重按如下规律设置：

α2(丢包率)≥α3(误码率)≥α5(节点能耗)≥α4(调整时间)≥α1(延时)；

若当数据类型dt为设备状态数据，指网络中采集的电力设备的状态信息，主要指设备的故障信息，此类数据的传输对于实时性和准确性要求较高，故需要将节点路由性能评价模型中各参数权重按如下规律设置：

β1(延时)≥β4(调整时间)≥β2(丢包率)≥β3(误码率)≥β5(节点能耗)；

若当数据类型dt为控制指令数据，指网络中传输的用于控制各电力设备运行的指令数据，此类数据的传输对于实时性和可靠性要求较高，故需要将节点路由性能评价模型中各参数权重按如下规律设置：

β1(延时)≥β4(调整时间)≥β2(丢包率)≥β3(误码率)≥β5(节点能耗)；

对针对三种数据不同的传输需求，为其设置不同的参数权重值，即不同的数据，求解节点i的目标函数f(i)时，权重因子γ1(延时)、γ2(丢包率)、γ3(误码率)、γ4(调整时间)、γ5(节点能耗)值不相同。

步骤(5)、获取目标函数值f(i)的最小值所对应的路由性能数据，即节点i在当前时刻传输类型为dt的数据时路由性能最佳的性能数据。

目标函数值f(i)越小，则前时刻传输类型为dt的数据时路由性能越好。

此外，为实现上述目的，本发明还提供一种电力物联网无线通信节点路由性能评价设备，包括所述设备包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的电力物联网无线通信节点路由性能评价程序，所述电力物联网无线通信节点路由性能评价程序被所述处理器执行时实现所述的电力物联网无线通信节点路由性能评价方法的步骤。

此外，为实现上述目的，本发明还提供一种存储介质，存储有电力物联网无线通信节点路由性能评价程序，所述电力物联网无线通信节点路由性能评价程序被处理器执行时所述的电力物联网无线通信节点路由性能评价方法的步骤。

此外，为实现上述目的，本发明还提供一种电力物联网无线通信节点路由性能评价装置，包括：

数据获取模块，用于获取节点实时的路由性能数据，包括延时、丢包率、误码率、调整时间、节点能耗；

计算模块，用于计算节点当前传输数据类型dt相应的节点路由性能评价模型参数权重值；

节点路由性能评价模型模块，用于接收数据获取模块和计算模块获得数据，并根据目标函数获得计算结果，进而获得评价结果。

有益效果如下：

1.本发明定义了调整时间和节点能耗两个参数，结合误码率、丢包率、延时三个参数建立了节点路由性能综合评价模型，能够实现对节点路由性能更加综合的评价。

2.本发明对电力物联网无线通信网络中传输的数据进行了分类，并根据不同类型可以调整节点路由性能评价模型中各参数的权重因子，使得在网络在传输不同类型数据可以满足不同数据的传输需求，优化了网络整体的通信效果。

3.本发明逻辑清晰，易于实现，具有良好的通用性和可移植性。

附图说明

图1是本发明方法的低压开关柜电力物联网无线通信网络结构示意图；

图2是本发明方法的流程图；

具体实施方式

下面结合具体附图对发明做进一步地分析。

在电力物联网无线通信网络中，所有的节点均具有与在其通信范围内的节点进行通信的功能，并具有路由转发功能，能转发包括自身及与其进行通信的节点位置、节点间传输距离和节点状态信息；

图1是本发明方法的低压开关柜电力物联网无线通信网络结构示意图；

一种低压开关柜通信网络的无线通信节点路由性能评价方法，如图2包括以下步骤：

步骤(1)、判断电力物联网无线通信节点i当前需要传输的数据类型dt；其中数据类型dt包括普通电力数据、设备状态数据、控制指令数据；

步骤(2)、依据步骤(1)所得节点i传输数据类型dt，构建相应的节点路由性能评价模型参数权重值；

其中，αj、βj、θj，(j＝1，2，…，5)分别表示节点在传输不同类型数据时节点路由性能评价模型中各参数的权重值；j＝1，2，3，4，5分别对应延时、丢包率、误码率、调整时间和节点能耗；dt表示传输数据的类型，dt＝0表示传输数据为普通电力数据，dt＝1表示传输数据为设备状态数据，dt＝2表示传输数据为控制质量数据；

步骤(3)、获取节点i实时的路由性能数据，包括延时、丢包率、误码率、调整时间、节点能耗，即tdelay(i)，fpack_loss(i)，fwrong_code(i)，tadj_time(i)，fpower(i)；

3.1延时

节点的延时包括发送延时tsend(i)、传播延时tspread(i)、处理时延tprocess(i)、排队时延tquen(i)；

tsend(i)＝ldata*wchannel公式(2)

其中ldata表示节点所要发送的数据帧长度，wchannel表示节点通信的信道带宽；

其中velec表示电磁波在节点通信信道上的传输速率，lchannel表示节点通信的信道长度。

则可定义节点的总延时tdelay(i)为：

公式(4)

3.2丢包率

其中dloss表示节点在将数据发送至下一个节点的过程中丢失的数据包数量；dsum表示节点i向下一个节点发送的数据包总量；

3.3误码率

其中，cwrong表示节点在将数据发送至下一个节点的过程中出现的误码数量；csum表示节点i向下一个节点发送的数据总码数；

3.4调整时间

调整时间tadj_time(i)为从节点i在接收到上一个节点i-1发送的完整数据包开始计算，到该节点i将接收到的完整数据包发送至下一个节点i+1所需的最大时间；

3.5节点能耗

fpower(i)＝k[psend*t1+preceive*t2](7)

其中fpower(i)表示节点i接收kbit数据到将其完整发送出去的整个过程所消耗的总能量，称之为节点能耗；psend表示节点i的发射功率，t1表示节点i完整发送1bit数据所需的时间；preceive表示节点i的接收功率，t2表示节点i完整接收1bit数据所需时间；k表示节点i所发送的数据量，单位为bit。

步骤(4)、结合考虑数据类型dt的约束条件，构建考虑延时、丢包率、误码率、调整时间和节点能耗的节点路由性能评价目标函数：

f(i)＝min[γ1*tdelay(i)+γ2*fpack_loss(i)+γ3*fwrong_code(i)+γ4*tadj_time(i)+γ5*fpower(i)]

其中γ1、γ2、γ3、γ4、γ5为权重因子，且γ1+γ2+γ3+γ4+γ5＝1，可以根据不同类数据的传输要求改变其大小来调整延时、丢包率、误码率、调整时间和节点能耗所占的比重；其中tdelay(i)表示电力物联网无线通信网络中节点i进行数据转发的延时；fpack_loss(i)表示电力物联网无线通信网络中节点i进行数据转发的丢包率；fwrong_code(i)表示电力物联网无线通信网络中节点i进行数据转发的误码率；fadj_time(i)表示电力物联网无线通信网络中节点i进行数据转发的调整时间；fpower(i)表示电力物联网无线通信网络中节点i进行数据转发的能耗；tmax表示最大延时；tmax表示最大调整时间；pmax表示最大路径能耗；

考虑数据类型dt的约束条件：

若当数据类型dt为普通电力数据，则满足参数权重α2(丢包率)≥α3(误码率)≥α5(节点能耗)≥α4(调整时间)≥α1(延时)；

若当数据类型dt为设备状态数据，则满足参数权重β1(延时)≥β4(调整时间)≥β2(丢包率)≥β3(误码率)≥β5(节点能耗)；

若当数据类型dt为控制指令数据，则满足参数权重β1(延时)≥β4(调整时间)≥β2(丢包率)≥β3(误码率)≥β5(节点能耗)；

步骤(5)、获取目标函数值f(i)的最小值所对应的路由性能数据，即节点i在当前时刻传输类型为dt的数据时路由性能最佳的性能数据。