适用于变电站业务的多频异构无线通信网络接入选择算法制造技术

本发明专利技术公开了属于智能变电站无线网络通信技术领域的一种适用于变电站业务的多频异构无线通信网络接入选择算法。本发明专利技术针对变电站场景下的业务，在保证业务对传输速率、传输时延以及误码率性能需求约束的条件下，提出以信息新鲜度最小化为主要目标的异构无线网络接入选择方案。该方案以网络AAoI来衡量信息新鲜度，建立基于DQN框架的求解算法对接入选择问题进行策略优化。仿真结果表明，本发明专利技术所提出的接入选择方案在保证业务传输时延、切换率以及网络负载均衡性的同时，有效优化网络AAoI，提升传输数据的新鲜度。在未来研究工作中，将考虑对变电站业务优先级进行划分，对更紧急的业务划分更高的优先级，保证紧迫度更高的业务的实时性。的业务的实时性。的业务的实时性。

【技术实现步骤摘要】
适用于变电站业务的多频异构无线通信网络接入选择算法


[0001]本专利技术属于智能变电站无线网络通信
，特别涉及一种适用于变电站业务的多频异构无线通信网络接入选择算法。

技术介绍

[0002]随着智能变电站建设的不断深化，变电站业务也越来越复杂，对网络有了更新、更高的要求。无线通信技术，尤其第5代移动通信(5G)所具备的高可靠、低时延、大带宽以及广连接的技术优势，可以有效满足变电站场景复杂、业务需求多样的应用需求，更好地推动智能变电站的建设。在当前异构无线网络环境下，为了满足用户终端的业务通信需求，充分利用多种网络之间的互补特性，需要基于变电站业务和无线网络的特点对接入网络选择方法进行研究，从而为不同业务选择合适的网络，优化网络资源利用，提高业务质量。
[0003]目前，常见的接入网络选择算法研究主要有基于多属性决策的接入网络选择算法、基于最优化策略的接入网络选择算法、基于人工智能的接入网络选择算法等。基于多属性决策的接入网络选择算法综合考虑网络的多个属性，在多个目标中做出权衡与协调，所得算法整体性能均衡，但复杂度较高。文献[2]联合利用层次分析法和灰色关联分析法分析用户偏好，以获得属性权重，进而设计联合最优选择方案，有效提高系统吞吐量；文献[3]基于多属性决策理论和模糊逻辑理论，综合评估用户服务质量(Quality of Service,QoS)、成本和网络负载属性的权重，提出的网络选择方案满足多服务质量需求。基于最优化策略的接入网络选择算法可以使用户业务在某一方面性能最优。文献[4]利用动态规划理论，以网络传输速率最大化为目标设计接入网络选择方案；文献[5]以吞吐量与功耗的比值最大化为目标，设计接入网络选择算法；文献[6]以信干噪比最大化为目标，确定最优的网络资源分配策略；但目前使用的效用函数都以传统指标衡量，有时无法满足更用户更高的业务需求。基于人工智能的接入网络选择算法有利于在不确定性高的复杂环境中寻找最优策略。文献[7]联合利用博弈论和机器学习，以优化用户体验、减少平均延迟为目标设计网络选择算法。文献[8]建立吞吐量最大化的优化模型，利用深度强化学习和迁移学习训练样本，以获得最优分配策略。但目前基于人工智能的接入选择策略大多在单一业务类型情况下优化网络特定性能，忽略不同业务的多样化需求。
[0004]针对变电站的复杂场景，需要综合考虑不同业务的多样化需求和阈值约束等进行网络接入资源分配策略优化。由于变电站的业务多是实时性的，过期的数据会导致状态监测不及时从而引发安全问题，数据的新鲜程度对于安全稳定运行至关重要
[9]。此时仅考虑低时延是不足的，应联合考虑信息产生、传输以及信道状态进行联合设计和优化。为此，本文以平均信息年龄最小化为目标，利用深度Q学习(Deep Q
‑
Learning，DQN)获得最优接入选择策略。信息年龄的概念由Kaul等人提出，以衡量接收信息的新鲜程度，表示为目标节点成功接收到数据包的时间和当前时间的时间差。信息年龄越小，信息新鲜度越高。文献[10]对AoI(Age of Information，AoI)相关度量指标进行了介绍、比较，并对相关研究进行了概述。影响AoI的因素包括但不限于时延、可靠性、数据更新周期等因素。相较于时延等传统度
量标准，AoI的衡量更为全面
[11]。近年来，众多文献以AoI作为度量指标，从链路调度、数据更新方式等方面展开研究，特别在多用户无线传输场景中受到了广泛关注。文献[12]以网络AAoI(Average Age of Information，AAoI)最小化作为优化目标，对数据传输链路进行调度，文献[13]研究了射频能量采集网络的信息年龄，以长期AAoI最小化作为目标，优化无线网络的在线传输策略，文献[14]根据不同传感器的AoI随时间变化的加权和的函数设计调度策略，以使系统AAoI达到最小。
[0005]现有接入研究多针对公网场景，有关于变电站场景下的接入网络选择研究较少，且仅考虑传统时延指标，未曾使用过AoI进行分析优化。因此，研究变电站场景下最小化AAoI的接入网络选择算法是本文的研究重点。本文首先以AAoI最小化作为优化目标建立异构网络接入选择模型，然后利用DQN算法进行分析寻优，以获得在最小化总AAoI下给不同业务分配网络资源的最佳策略，提升信息更新的新鲜度，最后通过仿真验证了所提出的理论和算法的可靠性和有效性。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种适用于变电站业务的多频异构无线通信网络接入选择算法，其特征在于，包括：
[0007]1.建立多频异构无线通信网络模型
[0008]所述多频异构无线通信网络是由WLAN、4G基站和5G基站组成的多种无线技术构成的异构无线网络；并为变电站终端提供通信、传输业务服务；
[0009]所述变电站的终端均拥有多模接口，传输业务时区域内所有网络均可选择从多模接口接入；假设变电站终端均匀分布在覆盖范围内，终端的传输业务的类型与数量随机。采用集中控制器收集网络状态信息，当变电站终端发出接入请求时，集中控制器将会根据接入网络选择方案给每个终端的传输业务分配合适的网络；
[0010]所述异构无线网络提供的变电站终端的传输业务为z，z∈Z；Z＝1,2,...,Z；可供选择的网络表示为l，l∈L，L＝1,2,...,L；在变电站场景中，为保证接收信息的新鲜度AoI，传输业务z的数据需要频繁更新；任意时刻的AoI表示为当前时间t与最近一次成功接收到的数据包的产生时间T(t)之间的差值，表示为：
[0011]A(t)＝t
‑
T(t)
ꢀꢀꢀ
(1)
[0012]2..基于信息年龄的无线网络接入选择优化算法
[0013]所述传输业务时区域内所有网络均可选择从多模接口接入是采用基于信息年龄的无线网络接入选择优化算法求解，为有效提升业务的信息新鲜度，以最小化业务传输的AAoI为目标的接入选择优化算法，考虑传输速率、传输时延和误码率的性能约束，形成基于AAoI最小化的优化问题，采用强化学习框架来寻找最优决策；通过DQN对优化问题进行求解，实现用户根据业务需求选择接入网络。
[0014]所述为保证接收信息的新鲜度AoI，传输业务z的数据需要频繁更新；设A
z,i
(t)为传输业务z在传输更新的过程中，第i个数据包在t时刻的AoI值，可以表示为：
[0015][0016]式(2)中，表示终端业务z第i个成功接收到的数据的产生时间，表示终端的传输业务z第i个成功接收到的数据的接收时间，A
z,i
(t)表示t时刻时业务z第i个成功接收到的数据的AoI；
[0017]当接收端未能成功接收到传输的数据时，由于发送端发出的数据包的产生时间未发生变化，则其AoI值随着时间推移而保持线性增长；
[0018]设传输成功的概率为P
n
，n＝1,2,，N；则丢包率为1
‑
P
n
，即公式(2)本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于变电站业务的多频异构无线通信网络接入选择算法，其特征在于，包括：(1)建立多频异构无线通信网络模型所述多频异构无线通信网络为由WLAN、4G基站和5G基站组成的多种无线技术构成的异构无线网络；并为变电站终端提供通信、传输业务服务；所述变电站的终端均拥有多模接口，传输业务时区域内所有网络均可选择从多模接口接入；假设变电站终端均匀分布在覆盖范围内，终端的传输业务的类型与数量随机；采用集中控制器收集网络状态信息，当变电站终端发出接入请求时，集中控制器将会根据接入网络选择方案给每个终端的传输业务分配合适的网络；所述异构无线网络提供的变电站终端的传输业务为z，z∈Z；Z＝1,2,...,Z；可供选择的网络表示为l，l∈L，L＝1,2,...,L；在变电站场景中，为保证接收信息的新鲜度AoI，传输业务z的数据需要频繁更新；任意时刻的AoI表示为当前时间t与最近一次成功接收到的数据包的产生时间T(t)之间的差值，表示为：A(t)＝t
‑
T(t)
ꢀꢀꢀꢀ
(1)(2)基于信息年龄的无线网络接入选择优化算法所述异构无线网络包含WLAN、4G、5G网络，选取变电站中较为典型的几类业务：配电自动化、精准负荷控制、变电设备状态感知以及高清综合视频监控，保证电力终端在所有网络覆盖范围内分布，进行仿真网络参数和业务需求参数阈值设置，使在传输业务时所有网络均可进行选择接入；所述传输业务时区域内所有网络均可选择从多模接口接入是采用基于信息年龄的无线网络接入选择优化算法求解，为有效提升业务的信息新鲜度，以最小化业务传输的AAoI为目标的接入选择优化算法，考虑传输速率、传输时延和误码率的性能约束，形成基于AAoI最小化的优化问题，采用强化学习框架来寻找最优决策；通过DQN对优化问题进行求解，实现用户根据业务需求选择接入网络。2.根据权利要求1所述的适用于变电站业务的多频异构无线通信网络接入选择算法，其特征在于，所述为保证接收信息的新鲜度AoI，传输业务z的数据需要频繁更新；设A
z,i
(t)为传输业务z在传输更新的过程中，第i个数据包在t时刻的AoI值，可以表示为：式(2)中，表示终端业务z第i个成功接收到的数据的产生时间，表示终端的传输业务z第i个成功接收到的数据的接收时间，A
z,i
(t)表示t时刻时业务z第i个成功接收到的数据的AoI；当接收端未能成功接收到传输的数据时，由于发送端发出的数据包的产生时间T
zS
(t)未发生变化，则其AoI值随着时间推移而保持线性增长；设传输成功的概率为P
n
，n＝1,2, ,N；则丢包率为1
‑
P
n
，即公式(2)可表示为：终端业务z在时刻的峰值AoI为：
峰值AoI表示系统AoI的最大值；为避免出现数据长期未更新的情况，要保证业务传输时的峰值AoI不超过业务需求的AoI最大值；从而得到约束条件：3.根据权利要求2所述的适用于变电站业务的多频异构无线通信网络接入选择算法，其特征在于，所述保证接收信息的新鲜度，传输业务z的数据需要频繁更新，则以AAoI作为网络传输数据的新鲜度作为衡量指标，AAoI越小，数据新鲜程度越高。4.根据权利要求3所述的适用于变电站业务的多频异构无线通信网络接入选择算法，其特征在于，所述AAoI是一段时间内的信息年龄总和(S
z,1
+S
z,2
+
…
+S
z,i
)除以总时间长度，其中S
z,i
表示某时间内的信息年龄；记C
z,i
和Y
z,i
分别对应于业务z的状态发送间隔时间和系统时延的随机变量；则式(6)可表示为：则当时间t趋于无穷时，终端业务z的网络传输数据的新鲜度AAoI可表示为：其式(8)中所有“E[]”是期望算子；表示网络中的全局AAoI，越低则表示该终端业务的信息新鲜程度越高；优化网络的AAoI，以提升数据传输的及时性；在为用户业务选择承载网络时，为保证业务传输的有效且可靠，必须在性能指标满足业务阈值要求的前提下进行目标优化；所以在为不同业务分配网络资源保证业务传输的有效且可靠时需要分别满足对应的约束条件；当传输业务z在网络l上进行传输时，信干噪比可表示为：其中p
z,l
、p
i,l
分别为业务z和业务i在网络l上传输的功率；h
z,l
、h
i,l
分别为网络l传输业务z和业务i时的信道状态增益；为网络l的加性高斯白噪声功率，本文默认传输噪声为高斯噪声。根据香农公式，当网络l为业务z分配的带宽资源为B
z,l
时，业务z在网络l中传输时所能达到的最大的信息传输速率可以定义为：R
z,l
＝B
z,l
log2(1+SINR
z,l
)
ꢀꢀꢀꢀ
(10)为保证网络l在传输终端业务z时的信息传输速率大于网络传输数据的终端业务z的最低传输速率需求R
z min
，可得到约束条件：
网络l在传输业务z时产生的传输时延表示为：其中，M
z
为终端业务z所需要传输的数据的大小；c
z,l
是二进制网络选择状态变量，表示业务对网络的选择状态，c
z,l
∈{0,1}为保证网络...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩东升，岳栩彤，
申请(专利权)人：华北电力大学保定，
类型：发明
国别省市：