基于多源數(shù)據(jù)融合的智能通信組網(wǎng)低時延傳輸技術(shù)

王愚， 符華， 聶雷剛， 李佩， 李江偉

(廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司南寧供電局，廣西，南寧 530022)

0 引言

目前智慧供電系統(tǒng)在智能通信組網(wǎng)建設(shè)中不斷發(fā)展和完善，全面提高了智能通信組網(wǎng)傳輸質(zhì)量，使各個智能通信組網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)成為一個有機(jī)整體[1]。智慧供電系統(tǒng)不僅可以滿足當(dāng)前分布式智能通信組網(wǎng)的接入要求，而且可以滿足智能通信組網(wǎng)用戶與電力企業(yè)的傳輸延遲[2]。低時延指的是某個報文或分組在網(wǎng)絡(luò)終端傳輸中所需時間較短，低時延能夠?qū)崿F(xiàn)移動寬帶增強(qiáng)，大面積廣域覆蓋，可以確保用戶在任何地域獲取高速網(wǎng)絡(luò)資源信息，得到高可靠性的業(yè)務(wù)保障。然而，低時延也存在連接建立時間較長、通信信道利用率較低的問題。為實(shí)現(xiàn)智能通信組網(wǎng)的精細(xì)化管理，提高整個智能通信組網(wǎng)運(yùn)行的靈活性和可靠性，研究智能通信組網(wǎng)傳輸技術(shù)，對促進(jìn)智慧供電系統(tǒng)建設(shè)的智慧化發(fā)展具有重要意義。

目前相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者對通信組網(wǎng)傳輸進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[3]提出了針對光纖通信的光場調(diào)控與傳輸方法，采用復(fù)雜光場，建立多維復(fù)用光纖通信系統(tǒng)，利用光纖產(chǎn)生、調(diào)控和傳輸復(fù)雜光場，根據(jù)新型環(huán)形纖芯光纖，運(yùn)用Q玻片的短距，檢測復(fù)用光纖通信系統(tǒng)，基于光纖光柵耦合模式轉(zhuǎn)換法，結(jié)合少模光纖，產(chǎn)生軌道角動量模式，實(shí)現(xiàn)光纖通信光場傳輸。該方法的傳輸精度較高，但存在傳輸時延較長的問題。文獻(xiàn)[4]提出了針對中短距光纖通信系統(tǒng)的多維自適應(yīng)傳輸方法，根據(jù)中短距光纖通信系統(tǒng)特點(diǎn)，利用前向糾錯編碼維度，完成三維自適應(yīng)調(diào)制編碼，采用查找表分配調(diào)制與編碼格式，運(yùn)用分塊預(yù)編碼，削減信號功率峰均比，依據(jù)概率整形QAM調(diào)制格式，獲取調(diào)制粒度，實(shí)現(xiàn)光纖通信多維自適應(yīng)傳輸。該方法的靈敏度較高，但光纖通信傳輸精度較低。針對上述問題，提出基于信道均衡的多源數(shù)據(jù)融合的智能通信組網(wǎng)低時延傳輸方法。

1 智慧供電系統(tǒng)智能光纖通信組網(wǎng)及信道模型

1.1 構(gòu)建智慧供電系統(tǒng)智能光纖通信組網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型

采用信道均衡方法，設(shè)計智慧供電系統(tǒng)智能光纖通信組網(wǎng)[5]，系統(tǒng)的建設(shè)方案采用分層分布結(jié)構(gòu)。智慧供電系統(tǒng)智能光纖通信組網(wǎng)的組成結(jié)構(gòu)為4層體系結(jié)構(gòu)，分別為應(yīng)用層、平臺層、通信網(wǎng)絡(luò)層和感知層，各層之間采用標(biāo)準(zhǔn)接口連接設(shè)計，采用環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)以及4G/光纖通信(中壓載波)網(wǎng)絡(luò)[6]，構(gòu)建智慧供電系統(tǒng)智能光纖通信組網(wǎng)模塊，基于平臺提供的MQTT(s)、CoAP、HTTP(s)、GB/T28181、ONVIF、PG等協(xié)議接入，構(gòu)建智慧供電系統(tǒng)智能光纖通信組網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

根據(jù)圖1的總體構(gòu)架，采用IEC 61850-8-1和IEC 6180-9-2建立智慧供電系統(tǒng)，智能光纖通信組網(wǎng)由轉(zhuǎn)發(fā)和自適應(yīng)控制協(xié)議，采用節(jié)點(diǎn)遍歷方法，結(jié)合多元數(shù)據(jù)融合，建立智慧供電系統(tǒng)智能光纖通信組網(wǎng)傳輸?shù)目煽啃苑治瞿Ｐ兔枋鰹橐粋€具有n個輸入和m個輸出參量模型，建立智慧供電系統(tǒng)智能光纖通信動態(tài)節(jié)點(diǎn)部署的參數(shù)估計模型為

圖1 智慧供電系統(tǒng)智能光纖通信組網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型

(1)

式中，P(i,j)表示智慧供電系統(tǒng)的信道參數(shù)估計函數(shù)。根據(jù)參數(shù)估計模型，得到智慧供電系統(tǒng)智能光纖通信傳輸?shù)男в枚群瘮?shù)為

E=L(n,m)+P(i,j)

(2)

式中，L(n,m)表示智慧供電系統(tǒng)智能光纖通信傳輸?shù)臄?shù)量關(guān)系函數(shù)。利用SCL語言對智慧供電系統(tǒng)智能光纖通信的輸出信道功能進(jìn)行描述，得到智慧供電系統(tǒng)智能光纖通信組網(wǎng)傳輸?shù)姆植季仃囆问剑?/p>

(3)

1.2 分析智慧供電系統(tǒng)智能光纖通信組網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)特征

在多源數(shù)據(jù)融合通信組網(wǎng)設(shè)計下，智慧供電指揮系統(tǒng)由系統(tǒng)軟件、物聯(lián)網(wǎng)平臺、光纖通信網(wǎng)絡(luò)組成[7]。采用多源數(shù)據(jù)分析的方法，得到智慧供電系統(tǒng)智能光纖通信組網(wǎng)的傳輸數(shù)據(jù)的分組轉(zhuǎn)發(fā)模型為G(O)=(V,E,LV,LE,μ,η)，η:E→LE表示智慧供電系統(tǒng)智能光纖通信組網(wǎng)傳輸?shù)臅r延誤差。在優(yōu)化的概率密度統(tǒng)計模型下，采用邏輯節(jié)點(diǎn)的設(shè)備參數(shù)分析方法[8]，得到智慧供電系統(tǒng)智能光纖通信組網(wǎng)信道時變參數(shù)估計最優(yōu)解問題：

(4)

式中，W表示智慧供電系統(tǒng)智能光纖通信組網(wǎng)信道時變參數(shù)矩陣，T表示矩陣轉(zhuǎn)置，z表示優(yōu)化概率密度函數(shù)。采用向量量化融合方法，建立智慧供電系統(tǒng)智能光纖通信組網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)分組檢測模型，根據(jù)特征分解結(jié)果進(jìn)行智慧供電系統(tǒng)智能光纖通信組網(wǎng)信道時變估計，基于智能化攝像頭以及智能可視化網(wǎng)關(guān)設(shè)計[9]，得到聯(lián)合估計特征量為

(5)

式中，N表示智慧供電系統(tǒng)智能光纖通信組網(wǎng)傳輸?shù)牧炕L度，En表示智慧供電系統(tǒng)智能光纖通信組網(wǎng)傳輸?shù)牧炕盍俊?/p>

計算智慧供電系統(tǒng)智能光纖通信組網(wǎng)傳輸?shù)牡趉條衰落信道的相移，對智慧供電系統(tǒng)智能光纖通信網(wǎng)絡(luò)傳輸信號進(jìn)行稀疏特征分解[10]，建立時變衰落的多徑抗干擾模型，通過暫態(tài)特征分析，得到智慧供電系統(tǒng)智能光纖通信組網(wǎng)模型為

(6)

式中，θ0和γ兩個參數(shù)分別表示智慧供電系統(tǒng)智能光纖通信組網(wǎng)的傳輸數(shù)據(jù)的相位和調(diào)節(jié)參數(shù)。得到智慧供電系統(tǒng)智能光纖通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信道調(diào)度的遞推計算形式：

(7)

分析智慧供電系統(tǒng)智能光纖通信組網(wǎng)每個節(jié)點(diǎn)控制開銷比特數(shù)，表示為

(8)

根據(jù)智慧供電系統(tǒng)智能光纖通信組網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)特征分析結(jié)果，進(jìn)行通信組網(wǎng)低時延傳輸?shù)膮?shù)估計和控制[11]。

2 智能通信組網(wǎng)低時延傳輸方法

2.1 通信組網(wǎng)傳輸時延參數(shù)估計

在光纖通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，機(jī)器人與本地監(jiān)控后臺進(jìn)行雙向信息交互[12]，本地監(jiān)控后臺與遠(yuǎn)程集控后臺進(jìn)行雙向信息交互[13]，構(gòu)建智慧供電系統(tǒng)智能光纖通信組網(wǎng)輸出的條件概率密度公式為

(9)

式中，f(i,j)表示二元隨機(jī)變量(i,j)的概率密度，fj(j)表示針對j的邊界概率密度。設(shè)λi為一個二元狀態(tài)函數(shù)，即

(10)

式中，φ為智慧供電系統(tǒng)智能光纖通信網(wǎng)絡(luò)的信道輸出步長。智慧供電系統(tǒng)智能光纖通信的節(jié)點(diǎn)差異度特征分析結(jié)果為

(11)

采用DSRC通信方式，得到智慧供電系統(tǒng)智能光纖通信網(wǎng)絡(luò)傳輸信道的沖激響應(yīng)初值λ0(接近1)逐漸增加到1，獲取智慧供電系統(tǒng)智能光纖通信輸出信道均衡控制模型為

(12)

式中，?vi表示智慧供電系統(tǒng)智能光纖通信組網(wǎng)傳輸節(jié)點(diǎn)vi處于發(fā)送狀態(tài)，Svi表示智慧供電系統(tǒng)智能光纖通信信道衰落特征估計結(jié)果。在IEEE 802.15.SG3a通信協(xié)議下得到智慧供電系統(tǒng)智能光纖通信網(wǎng)絡(luò)傳輸信道的傳遞函數(shù)為

(13)

式中，H表示傳感器系統(tǒng)。根據(jù)通信組網(wǎng)傳輸時延參數(shù)估計結(jié)果，進(jìn)行智能通信組網(wǎng)傳輸。

2.2 智能通信組網(wǎng)低時延傳輸信道控制

通過多源信息融合方法[14]，得到智能通信組網(wǎng)低時延傳輸?shù)慕y(tǒng)計平均值Ep，則根據(jù)模糊信息跟蹤，得到智慧供電系統(tǒng)智能光纖通信的統(tǒng)計特征量分布為

(14)

式中，ej表示智慧供電系統(tǒng)智能光纖通信的統(tǒng)計特征向量。從核心網(wǎng)傳輸?shù)桨l(fā)出請求的通信幀數(shù)為Nf個，時間間隔為Tf，得到智慧供電系統(tǒng)智能光纖通信網(wǎng)絡(luò)的信道帶寬變?yōu)?/p>

(15)

式中，λj是多維分布特征量，得到第j個智慧供電系統(tǒng)智能光纖通信組網(wǎng)低時延傳輸參數(shù)分布的原始特征向量值，φ是λj對應(yīng)的智能通信組網(wǎng)低時延傳輸模糊特征向量。智慧供電系統(tǒng)智能光纖通信的時延估計為

(16)

式中，wnk為智慧供電系統(tǒng)智能光纖通信網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)的增益，v(t)為加性高斯白噪聲。

對智能通信組網(wǎng)低時延傳輸信號進(jìn)行空間譜分離，輸出的空間譜特征量為

η(ω)=Ep(Tf|Tf>s(t))

(17)

(18)

綜上分析，采用信道均衡控制技術(shù)[16]，結(jié)合多源數(shù)據(jù)融合方法，抑制進(jìn)行智慧供電系統(tǒng)智能光纖通信組網(wǎng)傳輸?shù)母蓴_，實(shí)現(xiàn)智能通信組網(wǎng)低時延傳輸。

3 實(shí)驗(yàn)測試分析

為了驗(yàn)證多源數(shù)據(jù)融合下智能通信組網(wǎng)低時延傳輸方法的有效性，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)測試。基于Springboot設(shè)計一系列Service來實(shí)現(xiàn)智慧供電系統(tǒng)中智能光纖通信傳輸協(xié)議構(gòu)造，通過Spring框架和Controller接收用戶請求，以4G/5G形式控制智慧供電系統(tǒng)智能光纖通信數(shù)據(jù)發(fā)送傳輸。數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖2的仿真結(jié)構(gòu)模型，將智慧供電系統(tǒng)智能光纖通信模塊通過藍(lán)牙(BLUE)與集中器連接，采用1/1.8"200萬圖像傳感器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和通信傳輸，工作頻率：802.11a/n/ac：5.15～5.850 GHz、802.11b/g/n：2.4～2.483 5 GHz，通信協(xié)議采用IEEE 802.11a/b/g/n/ac。實(shí)驗(yàn)將傳輸丟包率、輸出時延和傳輸誤碼率作為評價指標(biāo)。其中，輸出時延指的是某個報文或分組在網(wǎng)絡(luò)終端傳輸中所需的時間，計算公式為

Ss=Sq+Sw+Se+Sr

(19)

式中，Sq表示發(fā)送時間，Sw表示傳播時間，Se表示處理時間，Sr表示排隊(duì)時間。

根據(jù)上述仿真條件設(shè)定，分別采用文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法，得到不同方法的智能光纖通信組網(wǎng)傳輸丟包率對比結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同方法的智能光纖通信組網(wǎng)傳輸丟包率對比結(jié)果

分析圖3得知，當(dāng)智能光纖通信數(shù)據(jù)量為180 GB時，文獻(xiàn)[3]方法的智能光纖通信組網(wǎng)傳輸平均丟包率為9.94%，文獻(xiàn)[4]方法的智能光纖通信組網(wǎng)傳輸平均丟包率為7.05%，而本文方法的智能光纖通信組網(wǎng)傳輸平均丟包率為3.71%。由此可知，本文方法能夠有效降低智能光纖通信數(shù)據(jù)傳輸丟包率。

在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步驗(yàn)證本文方法的智能通信組網(wǎng)輸出時延，得到不同方法的智能光纖通信組網(wǎng)輸出時延對比結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同方法的智能光纖通信組網(wǎng)輸出時延對比結(jié)果

分析圖4得知，隨著智能光纖通信數(shù)據(jù)量的增加，不同方法的智能光纖通信組網(wǎng)輸出時延隨之增大。相比文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]方法，本文方法的智能光纖通信數(shù)據(jù)傳輸時延較短。

為了驗(yàn)證本文方法的智能光纖通信組網(wǎng)傳輸精度，得到不同方法的智能光纖通信組網(wǎng)傳輸誤碼率對比結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同方法的智能光纖通信組網(wǎng)傳輸誤碼率對比結(jié)果

分析圖5得知，本文方法的智能光纖通信組網(wǎng)傳輸?shù)恼`碼率較低，能夠有效提高智能光纖通信組網(wǎng)傳輸精度。

4 總結(jié)

研究基于多源數(shù)據(jù)融合的智能通信組網(wǎng)低時延傳輸技術(shù)，完成智慧供電系統(tǒng)整體建設(shè)，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際現(xiàn)狀，提高供電系統(tǒng)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。設(shè)計智慧供電系統(tǒng)智能光纖通信組網(wǎng)，采用環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)以及4G/光纖通信(中壓載波)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建智慧供電系統(tǒng)智能光纖通信組網(wǎng)模塊，分析智能光纖通信組網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)特征，獲取智能光纖通信輸出信道均衡控制模型，估計通信組網(wǎng)低時延傳輸參數(shù)。利用信道均衡控制技術(shù)，結(jié)合多源數(shù)據(jù)融合方法，實(shí)現(xiàn)智能通信組網(wǎng)低時延傳輸。分析得知，本文方法對智慧供電系統(tǒng)智能光纖通信組網(wǎng)傳輸?shù)恼`碼率較低，時延較小，能夠有效降低傳輸丟包率。