面向变电站覆盖增强的无线传感网系统及其中继选择方法技术方案

本发明专利技术公开了一种面向变电站覆盖增强的无线传感网系统及其中继选择方法，系统包括：网关和无线传感网；其中，网关为无线传感网提供决策计算服务；无线传感网是多对一两跳传输网络，包括：源节点、中继节点和目标节点。中继选择方法包括：构建传输时延模型；构建传输能耗模型；提出优化目标；依据优化目标，构建匹配理论中的偏好列表；执行中继选择并学习。本发明专利技术优点在于：有效解决多个源节点间的中继选择策略冲突问题，降低网络数据传输能耗；实现智能变电站无线传感网不完全信息环境下的最优中继选择决策。中继选择决策。中继选择决策。

【技术实现步骤摘要】
面向变电站覆盖增强的无线传感网系统及其中继选择方法


[0001]本专利技术涉及智能变电站
，特别涉及一种面向变电站覆盖增强的无线传感网系统及其中继选择方法。

技术介绍

[0002]变电站是电力传输的关键环节，配电设备稳定运行是变电站供电安全的基础。传统变电站监测采用有线通信方式，可实时、稳定、高质量地将监测数据传输至主站进行处理分析。然而，有线通信方式往往会造成前期施工建设难度高、维护成本高昂等问题。此外，在存在复杂电磁干扰的变电站中，简单的中心式无线通信网络又存在弱覆盖、盲覆盖、低抗毁性等难题。无线传感网络由自组织传感节点构成，通过部署多个中继节点，采用多跳传输的方式实现变电站监测网络覆盖增强，具有强大的容错抗毁性与数据感知能力，可实时感知变电站电力基础设备状态信息。当前，针对变电站无线传感网络中继选择的研究仍然面临着一些技术挑战，具体总结如下：
[0003]第一，全局状态信息不可知。在智能变电站实际应用环境中，由于网络资源与信令开销的限制，网关难以准确获取全局时变信息，包括信道增益、电磁干扰等，需要在不完全信息条件下实现最优的中继选择。
[0004]第二，强电磁干扰的传输环境。智能变电站内的电力设备在运行过程中产生的电磁干扰严重影响信道传输质量，需要根据源节点、中继节点、目标节点之间的实时信道状态动态优化中继选择策略。
[0005]第三，节点间的匹配冲突问题。多个源节点之间存在中继选择策略相互耦合的问题，常出现多个源节点同时选择一个中继节点从而产生冲突的情况，难以实现稳定的中继节点匹配。
[0006]第四，智能变电站无线传感网设备对能耗要求苛刻。无线传感器网络由大量具有通信与计算能力的微小传感器节点组成，而每个节点都是采用电池供电，能量消耗问题直接影响着网络的生命周期。

技术实现思路

[0007]本专利技术针对现有技术的缺陷，提供了一种面向变电站覆盖增强的无线传感网系统及其中继选择方法，实现最优的中继节点选择策略，有效降低传输能耗。
[0008]为了实现以上专利技术目的，本专利技术采取的技术方案如下：
[0009]一种面向变电站覆盖增强的无线传感网系统，包括：网关和无线传感网；
[0010]其中，网关为无线传感网提供决策计算服务；
[0011]无线传感网是多对一两跳传输网络，包括：I个源节点、J个中继节点和1个目标节点。
[0012]源节点是无线传感器节点，用于监测变电站电气设备运行状态，作为监测数据发送端。
[0013]中继节点是无线路由或无线传感器，为源节点提供监测数据转发服务。
[0014]目标节点是变电站间隔测控柜及其保护装置，作为监测数据的接收端，并为网关提供网络数据性能数据。
[0015]本专利技术还公开了基于上述无线传感网系统的中继选择方法，包括以下步骤:
[0016]步骤1，构建传输时延模型；
[0017]设源节点集合表示为S＝{s1,
…
,s
i
,
…
,s
I
}，中继节点集合表示为R＝{r1,
…
,r
j
,
…
,r
J
}，目标节点表示为u0，总时间被划分为T个不等长的时隙，总时隙集合表示为T＝{1,
…
,t,
…
,T}。
[0018]第t个时隙内，假设源节点s
i
产生数据量为A
i
(t)的传输任务。源节点s
i
根据网关的中继选择策略，选择中继节点r
j
将数据转发至目标节点u0。定义选择指示变量为a
i,j,t
，a
i,j,t
＝1表示在第t个时隙源节点s
i
选择中继节点r
j
，否则a
i,j,t
＝0。传输过程分为两跳，第一跳传输过程为源节点s
i
到中继节点r
j
的传输过程，第二跳传输过程为中继节点r
j
到目标节点u0的传输过程。
[0019]第t个时隙内，第一跳源节点s
i
到中继节点r
j
之间的数据传输信噪比为
[0020][0021]其中，P
TX,i
是源节点s
i
的传输功率，G
i,j
(t)是源节点s
i
到中继节点r
j
之间的信道增益，σ0是通信链路噪声功率，ε
i,j
(t)是第一跳传输过程中的电力设备电磁干扰功率。因此，根据香农公式，在第t个时隙内，第一跳源节点s
i
到中继节点r
j
的传输速率为
[0022][0023]其中，B是通信链路带宽。因此，在第t个时隙内，第一跳源节点s
i
到中继节点r
j
的传输时延为
[0024][0025]第t个时隙内，第二跳中继节点r
j
到目标节点u0之间的数据传输信噪比为
[0026][0027]其中，P
TX,j
是中继节点r
j
的传输功率，G
j,0
(t)是中继节点r
j
到目标节点u0之间的信道增益，ε
j,0
(t)是第二跳传输过程中的电力设备电磁干扰功率。因此，根据香农公式，在第t个时隙内，第二跳中继节点r
j
到目标节点u0的传输速率为
[0028][0029]因此，在第t个时隙内，第二跳中继节点r
j
到目标节点u0的传输时延为
[0030][0031]步骤2，构建传输能耗模型；
[0032]节点传输能耗包括接收能耗及发送能耗。接收能耗指的是在接收数据过程中支撑设备处理数据信号所消耗的能量，表示为A
i
(t)E
tra
，E
tra
是收发电路能耗系数，单位为nJ
·
bit
‑1。发送能耗分为两部分，一部分是在发送数据过程中支撑设备处理数据信号所消耗的能量，表示为A
i
(t)E
tra
，另一部分用于发送数据过程中支撑射频功率放大器运作所消耗的能量，表示为传输功率和传输时延的乘积。
[0033]在第t个时隙内，源节点s
i
到中继节点r
j
、中继节点r
j
到目标节点u0的两跳传输总能耗表示为
[0034][0035]其中，第一项、第二项分别是源节点s
i
的发送能耗、中继节点r
j
的接收能耗，即第一跳源节点s
i
到中继节点r
j
的传输能耗。第三项、第四项分别是中继节点r
j
的发送能耗、目标节点u0的接本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向变电站覆盖增强的无线传感网系统，其特征在于，包括：网关和无线传感网；其中，网关为无线传感网提供决策计算服务；无线传感网是多对一两跳传输网络，包括：I个源节点、J个中继节点和1个目标节点；源节点是无线传感器节点，用于监测变电站电气设备运行状态，作为监测数据发送端；中继节点是无线路由或无线传感器，为源节点提供监测数据转发服务；目标节点是变电站间隔测控柜及其保护装置，作为监测数据的接收端，并为网关提供网络性能数据。2.根据权利要求1所述的一种面向变电站覆盖增强的无线传感网系统的中继选择方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，构建传输时延模型；设源节点集合表示为S＝{s1,
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i
产生数据量为A
i
(t)的传输任务；源节点s
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根据网关的中继选择策略，选择中继节点r
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将数据转发至目标节点u0；定义选择指示变量为a
i,j,t
，a
i,j,t
＝1表示在第t个时隙源节点s
i
选择中继节点r
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＝0；传输过程分为两跳，第一跳传输过程为源节点s
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到中继节点r
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到目标节点u0的传输过程；第t个时隙内，第一跳源节点s
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到中继节点r
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是源节点s
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i,j
(t)是源节点s
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到中继节点r
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之间的信道增益，σ0是通信链路噪声功率，ε
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(t)是第一跳传输过程中的电力设备电磁干扰功率；因此，根据香农公式，在第t个时隙内，第一跳源节点s
i
到中继节点r
j
的传输速率为其中，B是通信链路带宽；因此，在第t个时隙内，第一跳源节点s
i
到中继节点r
j
的传输时延为第t个时隙内，第二跳中继节点r
j
到目标节点u0之间的数据传输信噪比为其中，P
TX,j
是中继节点r
j
的传输功率，G
j,0
(t)是中继节点r
j
到目标节点u0之间的信道增益，ε
j,0
(t)是第二跳传输过程中的电力设备电磁干扰功率；因此，根据香农公式，在第t个时隙内，第二跳中继节点r
j
到目标节点u0的传输速率为
因此，在第t个时隙内，第二跳中继节点r
j
到目标节点u0的传输时延为步骤2，构建传输能耗模型；节点传输能耗包括接收能耗及发送能耗；接收能耗指的是在接收数据过程中支撑设备处理数据信号所消耗的能量，表示为A
i
(t)E
tra
，E
tra
是收发电路能耗系数，单位为nJ
·
bit
‑1；发送能耗分为两部分，一部分是在发送数据过程中支撑设备处理数据信号所消耗的能量，表示为A
i
(t)E
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，另一部分用于发送数据过程中支撑射频功率放大器运作所消耗的能量，表示为传输功率和传输时延的乘积；在第t个时隙内，源节点s
i
到中继节点r
j
、中继节点r
j
到目标节点u0的两跳传输总能耗表示为其中，第一项、第二项分别是源节点s
...

【专利技术属性】
技术研发人员：周振宇，王薇，张浩，廖海君，沙希德蒙塔兹，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：