一种大规模电力物联网设备免授权接入系统及方法与流程

1.本发明涉及电力物联网通信技术领域，特别是一种大规模电力物联网设备免授权随机接入系统及方法。


背景技术：

2.电力物联网是物联网在智能电网中的应用，其能够有效整合电力以及通信系统的基础设施资源，提高智能电网的信息化水平，改善智能电网中现有基础设施的利用效率，为电网发、输、变、配、用电等环节提供重要技术支撑。
3.大量物联网设备的接入，形成了一种具有终端设备数量庞大且覆盖广泛、传输数据分组短、活跃用户稀疏化、通信业务呈较强偶发性和稀疏性等特征的大规模机器通信系统。传统接入方法使用的是长期演进技术（long term evolution,lte）框架下基于授权的随机接入（grant-based random access, gb-ra）模式，在大规模物联网场景下设备的随机接入特性为“碰撞概率波动极大，忙时忙死，闲时闲死；有效负载太低，随机接入开销极大”。为了降低随机接入开销从而降低设备功耗，大量研究集中在了改良基于授权的随机接入方法、研究半免授权随机接入方法和研究免授权随机接入（grant-free random access, gf-ra）方法三个方向上。虽然前两个方向上的研究均有较大的进展，但在降低信令开销和减少接入碰撞方面的性能仍比不上免授权随机接入方法。
4.免授权随机接入可分为有协调免授权随机接入和无协调免授权随机接入两种。目前，在有协调免授权随机接入中研究较深入的是基于压缩感知技术的免授权随机接入方法，其通过压缩感知技术能够同时完成活跃设备的检测与信道状态的估计，从而实现免授权随机接入。但是该方法的数据传输能力较差，且作为其技术核心的信号恢复算法准确度较低。
5.目前被广泛研究的无协调免授权随机接入方法是基于t-fold aloha协议的ura方法。该方法包含一个级联编码结构，发送端首先使用重叠码（superposed code, sc）作为外码（outer code, oc）对原始数据实施第一级编码，其次使用线性二进制码（linear binary code, lbc）作为内码（inner code, ic）对前述编码后的结果实施第二级编码；然后发送端随机选择若干时隙重复发送编码后的数据，接收端译码器依次进行内码译码和外码译码，恢复原始数据，完成随机接入与数据传输。由于使用了重叠码，每个时隙上可以最多同时传输t个数据分组，减少了因碰撞和干扰造成的译码失败的概率。
6.t-fold aloha协议利用重叠码来提高每个时隙的数据承载能力，但现有协议能实现的t值都不大，造成不小的碰撞概率及干扰，影响接收端的检测可靠性。尽管该协议几乎实现随机接入的“零开销”，但其编译码复杂度高，通过结合新框架或新技术，在降低设备接入与传输的功耗方面仍有一定的提升空间。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提供一种大规模电力物联网设备免授权接入系统及方法，能够降
低物联网设备接入和传输所需发射功率及协议开销，从而显著降低设备功耗。本发明采用的技术方案如下。
8.一方面，本发明提供一种大规模电力物联网设备免授权接入系统，包括接收转发端以及多个物联网设备大群，各物联网设备大群中包括多个设备簇，各设备簇分别设有一个簇头节点设备以及至少一个簇成员设备，所述簇成员设备通过簇头节点设备接入物联网，簇成员设备与簇头节点设备之间通过d2d方式交互数据；所述各设备簇中，所述簇头节点设备被配置用于：接收簇成员设备发送的原始数据；对接收到的数据进行相关性分析及处理，得到有效数据；对所述有效数据进行级联编码；选择多个时隙重复多次向接收转发端发送级联编码后的数据包；所述接收转发端被配置用于：接收各簇头节点设备发送的数据；对接收到的数据进行译码，得到原始数据；转发所述原始数据。
9.可选的，单个物联网设备大群中的物联网设备地理位置接近，且/或功能类型相同或相似；单个设备簇中的物联网设备地理位置接近且活跃度相似。一般的，地理位置相邻且具有相似功能的设备其活跃度也是相似的。
10.以上方案中，物联网设备的分群和分簇可由能够为物联网设备提供随机接入功能的设备执行，如无线路由器或基站，即上述的接收转发端来执行，并事先划分完成，除非后续物联网设备的位置或功能发生变化，否则各物联网设备大群和设备簇的成员组成是不变的。
11.可选的，各设备簇中，所述簇头节点设备为设备簇中当前定长时段内符合预设最小能耗规则的物联网设备；所述预设最小能耗规则为：当前定长时段内，在能够完成簇内所有数据传输任务的全部物联网设备中，具有最小综合能耗；其中，所述综合能耗为物联网设备完成簇内成员在当前定长时段内所有数据传输任务所需的能耗，影响综合能耗的因素至少包括设备剩余电量、簇内待传输数据量和设备与接收转发端之间的距离。
12.可选的，所述簇头节点设备的选择方法包括：周期性获取单个设备簇中各物联网设备待传输的数据量、剩余电量以及设备与接收转发端之间的距离；根据周期性获取到的数据，计算当前设备簇全部待传输的数据量，以及分别由各簇内物联网设备执行当前周期数据传输任务所需的能耗；将所需能耗最小的物联网设备作为簇头节点设备，向相应的簇内物联网设备发送簇头节点选择结果信息；接收到簇头节点选择结果信息的物联网设备，以簇头节点设备身份与簇成员设备之间交互。
13.可选的，所述簇头节点设备的选择由实时具有簇头节点设备身份的物联网设备执行；所述接收转发端为路由器或基站；各物联网设备在物理层分别与接收转发端通信连接。初始簇头节点可由接收转发端随机选择并通知，被认定为簇头节点的物联网设备与簇成员设备进行交互，则簇成员设备可知晓当前簇头节点设备。
14.可选的，簇头节点设备对接收到的数据进行相关性分析及处理，得到有效数据，包括：剔除冗余重复的信息；簇头节点设备对所述有效数据进行级联编码，包括：使用外码对有效数据进行第一级编码，使得接收转发端能够根据第一级编码识别和分离出不同簇头节点设备发送的数据包；使用内码对第一级编码后的数据进行第二级编码；其中，所述外码为ldpc码或bch码，所述内码为lbc码、极化码或ldpc码。采用这些编码方式对数据进行编码分别为现有技术。本发明中，第二级编码可降低信道衰落对接收端信号的负增益。
15.接收转发端接收到各簇头节点发出的数据包后，通过与编码方式对应的译码方式进行译码，即可得到原始数据。
16.可选的，簇头节点选择多个时隙重复多次向接收转发端发送级联编码后的数据包时，同一物联网设备大群中的不同簇头节点所选择的时隙在相邻的时隙区间内。多个时隙重复发送数据包可增加接收转发端译码的成功率。
17.第二方面，本发明提供一种大规模电力物联网设备免授权接入方法，大规模电力物联网设备被划分为多个物联网设备大群，各物联网设备大群中包括多个设备簇，各设备簇分别设有一个簇头节点设备以及至少一个簇成员设备；方法由所述簇头节点设备执行，包括：接收簇成员设备发送的原始数据；对接收到的数据进行相关性分析及处理，得到有效数据；对所述有效数据进行级联编码；选择多个时隙重复多次向接收转发端发送级联编码后的数据包。
18.可选的，方法还包括：周期性获取所处设备簇中各物联网设备待传输的数据量、剩余电量以及设备与接收转发端之间的距离；根据周期性获取到的数据，计算当前设备簇全部待传输的数据量，以及分别由各簇内物联网设备执行当前周期数据传输任务所需的能耗；将所需能耗最小的物联网设备作为簇头节点设备，向相应的物联网设备发送簇头节点选择结果信息，使得接收到簇头节点选择结果信息的簇成员设备，能够以簇头节点设备身份与簇成员设备之间交互。
19.有益效果本发明提供了一种大规模电力物联网设备的低开销免授权随机接入方式，通过分群分簇技术和无用户标识随机接入技术的结合，简化了物联网设备的随机接入与传输，避免了大量的控制信令开销，在提高接收端检测可靠性的同时，可有效提高数据传输能力，降
低物联网设备接入和传输所需发射功率及协议开销，从而显著降低设备功耗。
附图说明
20.图1所示为随机接入与传输流程图；图2所示为群、簇划分示意图；图3所示为级联编码与数据发送原理示意图。
具体实施方式
21.以下结合附图和具体实施例进一步描述。
22.无用户标识随机接入（unsourced random access, ura），也称为随机接入码（random access code, rac）技术，作为一种无协调免授权大规模随机接入方法，不需要进行活跃设备检测和信道估计，能够有效地一步完成接入和传输，几乎实现了随机接入控制信令的零开销。
23.本发明的技术构思为：通过结合分簇技术和考虑内容相关性的无用户标识随机接入技术，将活跃设备的检测与有效数据的传输这两部分结合为一个编译码问题，简化物联网设备的随机接入与传输，避免大量的控制信令开销，收发两端设备利用编译码技术，并且充分考虑物联网设备发送内容的相关性，在提高接收端检测可靠性的同时，有效提高数据传输能力，降低物联网设备接入和传输所需发射功率及协议开销，从而显著降低设备功耗。
24.实施例1本实施例介绍一种大规模电力物联网设备免授权接入系统，系统包括接收转发端以及多个物联网设备大群，各物联网设备大群中包括多个设备簇，各设备簇分别设有一个簇头节点设备以及至少一个簇成员设备，所述簇成员设备通过簇头节点设备接入物联网，簇成员设备与簇头节点设备之间通过d2d方式交互数据。其中，接收转发端为能够为物联网设备提供随机接入功能的设备，如图2中的基站或者无线路由器。各物联网设备在物理层分别与接收转发端通信连接。
25.参考图2所示，系统中，单个物联网设备大群中的物联网设备为地理位置接近的物联网设备，或者为功能类型相同或相似的物联网设备，或者为不仅地理位置接近而且功能类型相同或相似的物联网设备。
26.单个设备簇中的物联网设备地理位置接近且活跃度相似。一般的，地理位置相邻且具有相似功能的设备其活跃度也是相似的。
27.参考图1，物联网设备的分群和分簇可由能够为物联网设备提供随机接入功能的设备执行，如无线路由器或基站，即上述的接收转发端来执行，并事先划分完成，除非后续物联网设备的位置或功能发生变化，否则各物联网设备大群和设备簇的成员组成是不变的。
28.各设备簇中，初始簇头节点设备可由接收转发端随机指定，在系统正式运行后，实时的簇头节点设备执行簇头节点设备的更新指定逻辑，更新后的簇头节点应当为设备簇中从当前时刻起向后定长时段内符合预设最小能耗规则的物联网设备；所述预设最小能耗规则为：当前定长时段内，在能够完成簇内所有数据传输任务的全部物联网设备中，具有最小综合能耗；
其中，所述综合能耗为物联网设备完成簇内成员在当前定长时段内所有数据传输任务所需的能耗，影响综合能耗的因素至少包括设备剩余电量、簇内待传输数据量和设备与接收转发端之间的距离。
29.实时具有簇头节点设备身份的物联网设备可周期性的执行簇头节点设备更新逻辑，具体的，新的簇头节点设备的选择方法包括：周期性获取所在的单个设备簇中各物联网设备待传输的数据量、剩余电量以及设备与接收转发端之间的距离；根据周期性获取到的数据，计算当前设备簇全部待传输的数据量，以及分别由各簇内物联网设备执行当前周期数据传输任务所需的能耗；将所需能耗最小的物联网设备作为簇头节点设备，向相应的簇内物联网设备发送簇头节点选择结果信息；接收到簇头节点选择结果信息的物联网设备，以簇头节点设备身份与簇成员设备之间交互。若簇头节点设备需要更新，则由新的簇头节点设备执行待传输数据的传输任务。被认定为簇头节点的物联网设备主动与簇成员设备进行交互，则簇成员设备可知晓当前簇头节点设备。
30.簇头节点设备与簇成员设备之间交互数据并进行数据处理的过程包括：接收簇成员设备发送的原始数据；对接收到的数据进行相关性分析及处理，得到有效数据；对所述有效数据进行级联编码；选择多个时隙重复多次向接收转发端发送级联编码后的数据包。
31.在确定簇头节点设备后，簇成员设备在无数据需要发送时，可保持非激活睡眠状态，有数据需要发送时，通过d2d(device-to-device)通信将原始数据发送给簇头节点，这些数据可以是任何物联网设备需要与网内其他设备交互的数据，也可以是设备需要发送到云端或服务器的数据。簇头节点设备根据收到不同簇成员设备所发送数据之间的内容相关性，剔除冗余、重复的信息得到有效数据。
32.簇头节点设备对有效数据进行级联编码，参考图3所示，包括：使用外码对有效数据进行第一级编码，使得接收转发端能够根据第一级编码识别和分离出不同簇头节点设备发送的数据包；外码可为ldpc码或bch码；使用内码对第一级编码后的数据进行第二级编码，以降低信道衰落对接收端信号的负增益。内码可为lbc码、极化码或ldpc码。采用这些编码方式对数据进行编码分别为现有技术。
33.接收转发端接收到各簇头节点发出的数据包后，通过与编码方式对应的译码方式进行译码，即可得到原始数据。
34.本实施例中，级联编码即指对数据编码两次，例如，簇头节点接收到所有簇成员的数据后，对有效数据采用多进制ldpc编码方式先进行第一级编码，然后采用bch编码方式对第一级编码后得到的数据进行第二级编码。第一级编码前的数据是含有s比特信息的码字，根据生成矩阵g得到输出码字c，sg=c， c=（s，p），其中s为信息位，p为校验位，生成矩阵g满足hg^t=0，h为校验矩阵。具体矩阵h和g的构造均为ldpc码的细节部分，相关研究十分丰富，在此不再赘述。第二级编码与第一级类似，bch编码前的数据是第一级编码的输出码字c，第
二级编码后输出码字为b，b=（c，q），其中c为此bch码的信息位，q为校验位。具体关于bch编码的研究同样已经比较成熟，在此不再赘述。
35.级联编码完成后，簇头节点选择多个时隙重复多次向接收转发端发送级联编码后的数据包时，同一物联网设备大群中的不同簇头节点所选择的时隙在相邻的时隙区间内。多个时隙重复发送数据包可增加接收转发端译码的成功率。
36.上述相邻时隙区间的情形为，例如若给时隙标上序号：1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，...，50，...。则[2，3，4，5，6]与[7，8，9，10，11，12，13]为相邻时隙区间。簇头节点对具体时隙区间大小的选择，以及是选择较早时隙区间（如[2，3，4，5，6]）还是较晚时隙区间（如[50，51，52，53，54]），在本发明中均可，只要确保处于同一大群内的簇头节点在相邻时隙区间内进行选择即可。时隙的选择是随机的，该“随机”是有前提的随机，即每个大群会先选定一个时隙区间（例如[1，2，...，100]），该大群内的所有活跃簇头节点会在这个时隙区间内进行选择，例如簇头节点a可能会选择时隙1和时隙3，簇头节点b会选择时隙10和时隙18，另一个大群中的某个簇头节点x可能会选择时隙572和时隙598（可看出[1-3]和[10-18]两个时隙区间为相邻的）。
[0037]
而同时，由于可能会有多个簇头选了同一个时隙发送数据，这将导致数据间互相干扰，本发明中采用级联编码实现的第一级编码即外码，可以消除这种干扰，使接收转发端能够从接收到的信号中分离出不同簇头节点设备发送的消息。
[0038]
接收转发端接收到簇头节点设备发送的数据时，对接收到的数据进行译码，得到原始数据，然后转发所述原始数据，至此可实现物联网设备的免授权随机接入。
[0039]
实施例2本实施例介绍一种大规模电力物联网设备免授权接入方法，如图2的大规模电力物联网设备被划分为多个物联网设备大群，各物联网设备大群中包括多个设备簇，各设备簇分别设有一个簇头节点设备以及至少一个簇成员设备；方法由所述簇头节点设备执行，参考图1，方法包括：接收簇成员设备发送的原始数据；对接收到的数据进行相关性分析及处理，得到有效数据；对所述有效数据进行级联编码；选择多个时隙重复多次向接收转发端发送级联编码后的数据包。
[0040]
为了实现簇头节点设备的更新，从而始终保持单个设备簇的数据交互转发能耗最小，本实施例的方法还包括：周期性获取所处设备簇中各物联网设备待传输的数据量、剩余电量以及设备与接收转发端之间的距离；根据周期性获取到的数据，计算当前设备簇全部待传输的数据量，以及分别由各簇内物联网设备执行当前周期数据传输任务所需的能耗；将所需能耗最小的物联网设备作为簇头节点设备，向相应的物联网设备发送簇头节点选择结果信息，使得接收到簇头节点选择结果信息的簇成员设备，能够以簇头节点设备身份与簇成员设备之间交互。
[0041]
综上实施例，本发明能够有效提高数据传输能力，降低物联网设备接入和传输所需发射功率及协议开销，从而显著降低设备及系统功耗。
[0042]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
[0043]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0044]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0045]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0046]
以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。