基于5G网络的主动配电网需求响应的无线资源分配方法组成比例

本发明专利技术公开了一种基于5G网络的主动配电网需求响应的无线资源分配方法，包括：1、构建主动配电网下行网络环境；2、将传输数据包按照基站编号、用户编号和数据包种类进行编码；3、以最小功耗波动为目标函数，构建具有线性约束的混合整数线性规划模型；4、利用样本平均近似策略，建立不同用户需求分类下的概率约束规划模型；5、利用长短时记忆神经网络对用户家庭电力负荷进行预测；6、联合拉格朗日对偶算法和信赖域算法，构造搜索全局最优分配方案，对每个数据包分配一种最优的调制编码方案和资源块。本发明专利技术能够在保证用户服务质量的同时，实现5G基站参与主动配电网的削峰填谷，并有效降低系统峰谷差和丢包率。统峰谷差和丢包率。统峰谷差和丢包率。

【技术实现步骤摘要】
基于5G网络的主动配电网需求响应的无线资源分配方法


[0001]本专利技术涉及主动配电网需求响应优化运行领域，具体地说是一种基于5G网络的主动配电网需求响应的无线资源分配方法。

技术介绍

[0002]主动配电网能够通过先进的智能量测和实时控制技术，对运行实时状态进行全面态势感知，对其内部的分布式电源等分布式可控资源进行主动管理和实时控制，旨在解决电网兼容性问题和大规模间歇性可再生能源的应用问题。为了满足主动配电网全面信息采集、分布式可控资源调度和主动参与需求响应优化运行等需求，就必须依靠高速、可靠、高效且安全的现代信息与通信系统。在此背景下，第五代移动通信技术(5th
‑
Generation Mobile Communication Technology，5G)能够支持海量数据终端互联，提供超可靠和低延迟通信服务，具有高速率、广连接、高可靠等特点，非常适合在主动配电网中应用。
[0003]然而，5G的超高频将导致其传输距离变短，基站密度更大，这使得5G基站的功耗迅猛增加，大概为4G基站的3倍以上。由于5G基站庞大的数量和用电灵活性，这使得5G基站蕴含了强大的参与主动配电网需求响应的潜力。实际上，5G基站的下行传输功耗很大，其中可调功耗约占满载功耗的40％左右，且与无线资源分配有关。基于选择的调制编码方式和其对应的信噪比，基站能够对待传输的数据包分配不同方案的资源块，从而调整相应的发射功率。因此，可以对5G网络进行合理的无线资源分配，使得调控5G基站的下行功耗以参与主动配电网的需求响应优化运行。
[0004]苏黎世联邦理工学院周宸宇等人提出了一种基于移动用户接入控制的5G通信基站需求响应方法(中国电机工程学报，2021，“基于移动用户接入控制的5G通信基站需求响应”)。作者建立了一种基于移动用户接入的基站群成本优化模型，以最小化总购电成本为目标，综合考虑能量和通信流量约束，并提出一种启发式迭代算法进行模型求解，以支撑5G基站参与需求响应。但是，此方法没有考虑通过分配无线资源的方式调控基站的下行功耗，且能量调控策略较为粗放，无法达到主动配电网中精细调控的目标。
[0005]华北电力大学电气与电子工程学院麻秀范等人提出了一种计及通信负载的5G基站储能调控策略(电工技术学报，2021，“计及通信负载的5G基站储能调控策略”)。作者设计了以盘活通信基站闲置储能资源为目的的5G基站云储能系统，提出计及通信负载的基站储能可调度潜力分析方法，并建立了5G基站储能参与电网协同调度模型。算例分析结果表明，作者所提5G基站储能调控策略能够降低储能充放电对备电作用的影响，并利用基站通信负载的时间差异性与空间互补性，有效达到辅助电网削峰填谷、减少基站运营成本的效果，使电网与通信运营商互利共赢。但是，此方法仅考虑储能电池的作用，没有考虑基站的下行功耗调控，没有体现出5G的特点。
[0006]国网河南省电力公司经济技术研究院杨萌等人专利技术了一种考虑5G通信基站电力网络拓扑分布的基站调控方法(公开号：CN114254506A)，方法包括：分析5G宏基站与微基站地理分布与电气分布特性，绘制考虑网络拓扑的5G宏基站与微基站分布图；分析5G基站供
用电特性，构建基站功耗模型、用户分布与需求模型、基站储能供电可靠性模型；构建内层优化模型，考虑移动通信服务商需求以5G基站用电总费用最小为优化目标；构建外层优化模型，考虑电网需求以拓扑节点峰谷差最小为优化目标；利用启发式算法综合考虑服务商与电网双方需求内外嵌套迭代求解5G基站有源天线单元发射功耗、内部储能充放电策略与移动用户连接方案。该专利能够综合考虑通信服务商与电网的需求，优化基站调控策略。但是此方法没有考虑5G基站下行功耗的调控潜力，没有考虑5G无线资源分配和用户多样化的服务质量需求，无法实现能源与通信混合的需求响应。

技术实现思路

[0007]本专利技术是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种基于5G网络的主动配电网需求响应的无线资源分配方法，以期能够通过合理地分配5G网络下行链路的通信资源，激励5G基站参与主动配电网需求响应优化运行，并在保证用户服务质量需求的同时，实现主动配电网的削峰填谷，实现能源与通信混合的需求响应。
[0008]本专利技术为解决技术问题采用如下技术方案：
[0009]本专利技术一种基于5G网络的主动配电网需求响应的无线资源分配方法的特点是应用于由B个5G基站、H个用户家庭以及每个基站覆盖范围内的N个用户设备所构成的主动配电网下行网络环境中，并按如下步骤进行：
[0010]步骤一、在所述下行网络环境中，令第b个5G基站内的第n个用户设备传输第k种类型的数据量为DS
b，n，k
；1＜b＜B；1＜n＜N；1＜k＜K；K表示每个用户设备请求的数据包类型总数；
[0011]步骤二、假设所述下行网络环境中包含M种调制编码方式，且观测周期划分为T个调控周期，令DS
b，n，k，m，t
表示数据量DS
b，n，k
选择第m种调制编码方式，并在第t个调控周期中传输的数据包；1＜m＜M，1＜t＜T；
[0012]步骤三、以所述下行网络环境中功耗波动的最小值为目标函数，并根据5G通信协议、功率控制和用户服务质量要求建立一系列约束条件，从而构成具有线性约束的混合整数线性规划模型；
[0013]步骤3.1、利用式(1)建立目标函数min
[0014][0015]式(1)中，表示第t个调控周期和t
‑
1个调控周期之间的负荷峰谷差，表示传输数据包DS
b，n，k，m，t
时的5G基站下行通信功耗，并由式(2)得到；表示第t个调控周期内的用户家庭电力负荷；表示在第t
‑
1个调控周期中传输数据包DS
b，n，k，m，t
时的5G基站下行通信功耗；表示第t
‑
1个调控周期内的用户家庭电力负荷；|
·
|表示取绝对值；
[0016][0017]式(2)中，x
b，n，k，m，t
表示决策变量，并决定数据包DS
b，n，k，m，t
是否被传输；当数据包DS
b，n，k，m，t
传输时，令x
b，n，k，m，t
＝1；否则，令x
b，n，k，m，t
＝0；R
k，m
表示数据包DS
b，n，k，m，t
的传输速率；表示数据包DS
b，n，k，m，t
传输时消耗在每个资源块RB上的功率；表示向右取整；
[0018]步骤3.2、利用式(3)
‑
式(7)建立所述目标函数的约束条件：
[0019][0020][0021][0022][0023]x
b，n，k，m，t
∈{0，1}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0024]式(3)表示5G协议中的功率控制模型，其中，α表示路径损耗补偿因子；d...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于5G网络的主动配电网需求响应的无线资源分配方法，其特征是应用于由B个5G基站、H个用户家庭以及每个基站覆盖范围内的N个用户设备所构成的主动配电网下行网络环境中，并按如下步骤进行：步骤一、在所述下行网络环境中，令第b个5G基站内的第n个用户设备传输第k种类型的数据量为DS
b，n，k
；1＜b＜B；1＜n＜N；1＜k＜K；K表示每个用户设备请求的数据包类型总数；步骤二、假设所述下行网络环境中包含M种调制编码方式，且观测周期划分为T个调控周期，令DS
b，n，k，m，t
表示数据量DS
b，n，k
选择第m种调制编码方式，并在第t个调控周期中传输的数据包；1＜m＜M，1＜t＜T；步骤三、以所述下行网络环境中功耗波动的最小值为目标函数，并根据5G通信协议、功率控制和用户服务质量要求建立一系列约束条件，从而构成具有线性约束的混合整数线性规划模型；步骤3.1、利用式(1)建立目标函数步骤3.1、利用式(1)建立目标函数式(1)中，表示第t个调控周期和t
‑
1个调控周期之间的负荷峰谷差，表示传输数据包DS
b，n，k，m，t
时的5G基站下行通信功耗，并由式(2)得到；表示第t个调控周期内的用户家庭电力负荷；表示在第t
‑
1个调控周期中传输数据包DS
b，n，k，m，t
时的5G基站下行通信功耗；表示第t
‑
1个调控周期内的用户家庭电力负荷；|
·
|表示取绝对值；式(2)中，x
b，n，k，m，t
表示决策变量，并决定数据包DS
b，n，k，m，t
是否被传输；当数据包DS
b，n，k，m，t
传输时，令x
b，n，k，m，t
＝1；否则，令x
b，n，k，m，t
＝0；R
k，m
表示数据包DS
b，n，k，m，t
的传输速率；表示数据包DS
b，n，k，m，t
传输时消耗在每个资源块RB上的功率；表示向右取整；步骤3.2、利用式(3)
‑
式(7)建立所述目标函数的约束条件：式(7)建立所述目标函数的约束条件：式(7)建立所述目标函数的约束条件：式(7)建立所述目标函数的约束条件：x
b，n，k，m，t
∈{0，1}
ꢀꢀꢀꢀ
(7)式(3)表示5G协议中的功率控制模型，其中，α表示路径损耗补偿因子；d
b，n
表示第n个用
户设备到第b个基站的距离；PL(
·
)表示5G基站测量的下行路径损耗，μ表示热干扰噪声；SINR
m
表示第m种调制编码方式的信噪比要求；式(4)表示分配在资源块上的功率不能超过5G基站的最大发射功率P
max
；式(5)表示每个数据包只能有一种调制编码方式和数据类型的选择；式(6)表示每种数据包的传输速率应超过其对应的传输速率要求，其中，表示第k种类型数据包的传输速率要求；式(7)表示目标函数的决策变量是一个0
‑
1变量；步骤四、根据不同数据包类型的比例，利用样本平均近似策略，建立不同用户需求分类下的概率约束规划模型；步骤4.1、利用式(8)建立不同用户需求分类下的概率约束规划模型：式(8)中，r
k，t
表示第t个调控周期内第k种数据包类型的比例，D
t
表示第t个调控周期的持续时间，Y表示每个时隙上的资源块总数，δ表示置信度，Pr{
·
}表示概率；步骤4.2、设为第t个调控周期内第k种数据包类型比例r
k，t
的第i个独立同分布的样本，i＝1，2，
…
I，I表示样本总量；步骤4.3、利用式(9)
‑
式(12)所示的样本平均近似策略得到概率约束，并作为所述目标函数的其他约束条件：函数的其他约束条件：函数的其他约束条件：函数的其他约束条件：式(9)
‑
式(12)中，G表示惩罚因子，表示5G基站下行通信中第t个调控周期内第k种数据包类型比例r
k，t
的第i个示性函数；步骤五、利用长短时记忆神经...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐晓冰，唐皓辰，李奇越，孙伟，李帷韬，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：