周馳， 魏巍

(南京南瑞信息通信科技有限公司， 江蘇， 南京 210000)

0 引言

前置處理系統(tǒng)在用電采集系統(tǒng)中處于承上啟下作用，對下接入多種電力抄表終端，對上支持電力業(yè)務(wù)應(yīng)用。其最大目標(biāo)需要支撐4 000萬用戶的數(shù)據(jù)，300萬終端的連接，以保證用電采集系統(tǒng)可靠運(yùn)行。但是在運(yùn)行過程中，通信連接難以實現(xiàn)精準(zhǔn)判斷，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)中的負(fù)載均衡性也得到了極大挑戰(zhàn)，給業(yè)務(wù)處理機(jī)的正常運(yùn)行造成麻煩。

為了提高通信效率，文獻(xiàn)[1]通過設(shè)計與終端相匹配的功率器件和組件，采用高碼率通信技術(shù)實現(xiàn)處理機(jī)的通信，通過完善通信終端設(shè)備，提高了通信功能。這種方法雖然對提高通信性能具有幫助，但是在設(shè)計時，不同的通信設(shè)備需要不同的設(shè)備工裝，這種方法成本高、效率低下。文獻(xiàn)[2] 將接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)劃分為多個不同的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行緩存，然后將通信處理機(jī)接收的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分別分區(qū)進(jìn)行存放，在進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時，能夠保證通信處理機(jī)與主機(jī)間接收數(shù)據(jù)完整性。這種方法雖然實時性好，應(yīng)用起來也比較靈活，很容易實現(xiàn)，但是在多業(yè)務(wù)處理機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時，很難實現(xiàn)信道分配。

1 總體方案設(shè)計

本研究的前置機(jī)根據(jù)采集應(yīng)用配置的采集任務(wù)信息，實時或定時對指定范圍內(nèi)的終端、電能表及對應(yīng)的數(shù)據(jù)項進(jìn)行批量的自動采集，設(shè)置兼容多種通信形式的業(yè)務(wù)處理機(jī)接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)上報事件的采集和通信，

在運(yùn)行環(huán)境為WebLogic 11 g+Oracle 10 g[3-4]下實現(xiàn)數(shù)據(jù)的運(yùn)行，實現(xiàn)主機(jī)調(diào)度功能和子調(diào)度服務(wù)功能。利用可視化監(jiān)控技術(shù)手段，實現(xiàn)前置機(jī)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程在線監(jiān)控，提高了數(shù)據(jù)監(jiān)控能力。業(yè)務(wù)處理機(jī)架構(gòu)設(shè)計示意圖如圖1所示。

在圖1的前置機(jī)工作架構(gòu)設(shè)計中，利用層次化設(shè)計的方法實現(xiàn)前置機(jī)架構(gòu)設(shè)計，在結(jié)構(gòu)上包括數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)關(guān)接口層、采集應(yīng)用層和前置機(jī)應(yīng)用層[5]。在數(shù)據(jù)采集層中，其內(nèi)設(shè)置了數(shù)據(jù)采集模塊，在數(shù)據(jù)采集模塊上設(shè)置了通信接口，通過通信接口實現(xiàn)前置機(jī)通信連接管理模塊。該模型連接有報文轉(zhuǎn)發(fā)模塊、終端通信連接模塊、規(guī)約注冊與匹配模塊、進(jìn)程管理模塊等。終端通過負(fù)載均衡設(shè)備F5連接到網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)主要負(fù)責(zé)維護(hù)終端的連接信息、對終端規(guī)約的適配，同時把終端的連接信息進(jìn)行數(shù)據(jù)管理。其中，一個網(wǎng)關(guān)服務(wù)器接入終端最大連接數(shù)30萬。在網(wǎng)關(guān)能夠識別終端對應(yīng)的規(guī)約，同時對報文進(jìn)行拆分，每個網(wǎng)關(guān)報文內(nèi)部只有一個獨立的協(xié)議報文，然后進(jìn)行報文組裝和解析，網(wǎng)關(guān)和前置的通信協(xié)議和前置機(jī)的連接斷開以后可以主動重連，在網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)心跳管理，直接回復(fù)終端的心跳報文。上述數(shù)據(jù)通過采集應(yīng)用層進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，最終在前置機(jī)應(yīng)用層中實現(xiàn)數(shù)據(jù)的應(yīng)用。應(yīng)用類型包括網(wǎng)關(guān)通信連接管理模塊、轉(zhuǎn)發(fā)報文組裝與解析、多規(guī)約選擇器、緩存隊列負(fù)載均衡、報文重發(fā)管理、終端狀態(tài)管理、召測管理、數(shù)據(jù)批處理和376.1規(guī)約管理模型[6]。

圖1 前置機(jī)架構(gòu)設(shè)計示意圖

在上述設(shè)計中，前置機(jī)內(nèi)的功能邏輯架構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 業(yè)務(wù)處理機(jī)功能架構(gòu)示意圖設(shè)計示意圖

在圖2的架構(gòu)設(shè)計中，通過終端通信連接進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，系統(tǒng)在初始化的時候，打開終端連接監(jiān)聽端口，等待終端建立連接。當(dāng)收到終端的連接信息，判斷如果是終端建立連接，那么把連接信息交給epoll程序負(fù)責(zé)維護(hù)終端連接信息、監(jiān)聽終端數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)到終端；如果是終端斷開連接，那么通知epoll刪除連接，并且通知終端狀態(tài)管理程序。在進(jìn)行報文轉(zhuǎn)發(fā)管理時，通過組裝終端上行報文并轉(zhuǎn)發(fā)到前置機(jī)和解析前置接下行報文轉(zhuǎn)發(fā)至終端[7]。

2 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計

2.1 通信連接管理方法

在本研究設(shè)計中，網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)與前置通信的負(fù)載均衡[8-9]，網(wǎng)關(guān)連接所有前置，然后發(fā)送數(shù)據(jù)時，通過隨機(jī)算法定位到一個前置發(fā)送數(shù)據(jù)。如果連接斷開，網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)自動重連。本研究采用通信資源優(yōu)化的電力線載波通信路由算法[10](CRORA)實現(xiàn)通信資源的合理分布。其方法如下。

假設(shè)在前置機(jī)工作過程中，其內(nèi)現(xiàn)有的帶寬可用率記作為[11]

(1)

式中，η表示現(xiàn)有的帶寬可用率，ObBk(l)表示為業(yè)務(wù)處理機(jī)當(dāng)前業(yè)務(wù)k具有的通信寬帶資源信息，UsBj(l)表示業(yè)務(wù)處理機(jī)當(dāng)前業(yè)務(wù)k已經(jīng)用掉的通信寬帶資源信息。

如何計算出網(wǎng)絡(luò)資源利用率，本研究引用了線路負(fù)載的平衡差，該計算公式可以為

(2)

式中，σ(G)表示為標(biāo)準(zhǔn)差，其中，G=(E,N,H)表示為處理機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載因子，當(dāng)η≤σ(G)時，則表示處理機(jī)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)為負(fù)載不均衡，當(dāng)η>σ(G)時，表示當(dāng)前處理機(jī)運(yùn)行過程中的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)為負(fù)載不均衡。通過計算前業(yè)務(wù)處理機(jī)采集數(shù)端和數(shù)據(jù)接收端進(jìn)行匹配，最終滿足η≤σ(G)的狀態(tài)，實現(xiàn)當(dāng)前處理機(jī)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的平衡。為了進(jìn)一步描述負(fù)載是否均衡，通過以下代碼表示。

處理機(jī)負(fù)載業(yè)務(wù)類別判斷代碼

do{

由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量確定業(yè)務(wù)處理機(jī)通信信源節(jié)點處的業(yè)務(wù)信息，設(shè)置Labj為業(yè)務(wù)處理機(jī)的服務(wù)類型

If(Lab==AF)

Switch(bucket)}

Case1: Labj_Is為低丟包率時；

Case2: Labj_Is為中丟包率時；

Case3: Labj_Is為高丟包率時；

}

} which(識別完畢當(dāng)前業(yè)務(wù)處理機(jī)所有的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù))

根據(jù)當(dāng)前業(yè)務(wù)處理機(jī)確定的路由類型，對通信鏈路的復(fù)合量度類型進(jìn)行選擇：

do{

if(在路由器通信鏈路中存在與當(dāng)前處理機(jī)業(yè)務(wù)相匹配的路徑時)

將當(dāng)前的Lab進(jìn)行數(shù)據(jù)加載，并發(fā)送當(dāng)前的數(shù)據(jù)報文，轉(zhuǎn)發(fā)通信數(shù)據(jù)信息：

else{

if(通信鏈路與負(fù)載量平衡) {

η[ ]= {BW,Hp,Metric}

}

調(diào)用式(1)和式(2)

}while(業(yè)務(wù)處理機(jī)遍歷完畢)

End

通過上述方法，實現(xiàn)系統(tǒng)業(yè)務(wù)處理機(jī)的通信連接管理方法。

2.2 業(yè)務(wù)處理機(jī)通信信道分配算法

下面通過分步驟的方法對業(yè)務(wù)處理機(jī)通信信道分配算法進(jìn)行以下說明。

步驟一 選擇業(yè)務(wù)處理機(jī)通信信道中的總功率，設(shè)定總功率為

Si=λ-γi,i=1,2,…,N

(3)

Si=max{0,λ-γi},i=1,2,…,N

(4)

假設(shè)業(yè)務(wù)處理機(jī)通信信道待分配總功率為Stotal，則業(yè)務(wù)處理機(jī)通信信道中子載波分配的總功率需滿足以下條件[12]：

(5)

(6)

在式(3)～式(6)中，Si表示業(yè)務(wù)處理機(jī)中不同的子載波需要消耗的實際信號功率總量。其中，C表示業(yè)務(wù)處理機(jī)正常工作所需要的信道容量，C/W表示業(yè)務(wù)處理機(jī)正常工作需要的信道容量所需要的頻譜利用率，單位用bps/Hz表示，γi表示頻譜使用過程中，對其消耗的功率進(jìn)行歸一化時，在數(shù)據(jù)接收端輸出的信噪比。為了提高本研究業(yè)務(wù)處理機(jī)通信信道功率利用效率，本研究采用拉格朗日乘數(shù)法函數(shù)表示，則函數(shù)方程可以表示為

(7)

式中，字母l為拉格朗日乘數(shù)因數(shù)，通過計算可以介于1～4之間。為了計算每個不同信號的功率分布，啟動微分方程，在式(7)中輸出的目標(biāo)函數(shù)F中， 對不同信道的子載波輸出功率Si進(jìn)行一階偏導(dǎo)數(shù)求導(dǎo)，輸出的函數(shù)為

(8)

步驟二 為了理論化業(yè)務(wù)處理機(jī)通信信道分配效率，在計算時，假設(shè)子信道外無子載波信號，功率泄露數(shù)值J=0, 業(yè)務(wù)處理機(jī)通信信道功率泄露矩陣可以為J(i,j)=1；然后將業(yè)務(wù)處理機(jī)中不同的子信道實際發(fā)射功率清零；最后根據(jù)業(yè)務(wù)處理機(jī)通信信道增益對不同信道具有的子載波進(jìn)行功率分配，得到的功率為P0。當(dāng)P0>0時，實施信道功率分布；當(dāng)P0≤0時，不實施信道功率分布。

步驟三 設(shè)置約束條件，當(dāng)不同功率通過業(yè)務(wù)處理機(jī)通信信道中，假設(shè)增益幅度為h(i,j)，根據(jù)設(shè)置的功率約束值G進(jìn)行恰當(dāng)?shù)夭季?，將F值與G值的大小進(jìn)行對比分析，當(dāng)F

步驟四 通過步驟三設(shè)置的約束函數(shù)，對待選擇的功率因數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)集合分類，實際值小于設(shè)定值的信道數(shù)據(jù)集合設(shè)置為A，實際值大于設(shè)定值的信道數(shù)據(jù)集合設(shè)置為D，然后將這些不同的業(yè)務(wù)處理機(jī)通信信道載噪比的數(shù)據(jù)集合進(jìn)行排序。

步驟五 按照步驟三設(shè)置的約束條件，對滿足條件的業(yè)務(wù)處理機(jī)通信信道功率值進(jìn)行分配，假設(shè)將業(yè)務(wù)處理機(jī)通信信道載噪比的數(shù)據(jù)集合A中的通信信道載噪比的數(shù)據(jù)集合按照正常實際發(fā)射功率來分配，對業(yè)務(wù)處理機(jī)通信信道載噪比數(shù)據(jù)集合D中的子載波按照步驟三中的實際約束功率進(jìn)行功率分配，本研究借助于信道容量公式完成不同信道子載波功率分配，公式有：

(9)

通過式(9)計算出實際待分配的信道容量，其中，PT(fn)表示業(yè)務(wù)處理機(jī)通信信道內(nèi)子信道的分配功率，h(fn)表示業(yè)務(wù)處理機(jī)通信信道內(nèi)頻率響應(yīng)參數(shù)，NR(fn)表示業(yè)務(wù)處理機(jī)通信信道內(nèi)的噪聲功率數(shù)據(jù)。通過上述方法，實現(xiàn)業(yè)務(wù)處理機(jī)通信信道子載波的動態(tài)分配，提高了信道容量的使用率。

3 試驗結(jié)果與仿真

在對研究的前置機(jī)各項功能進(jìn)行驗證時，試驗環(huán)境為基于Windows 7的操作系統(tǒng)，開發(fā)語言為Java，開發(fā)環(huán)境為Eclipse+Tomcat 6.0+Oracle 10 g。網(wǎng)關(guān)采用C開發(fā)，前置機(jī)采用Java開發(fā)。試驗架構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 業(yè)務(wù)處理機(jī)架構(gòu)示意圖

自動采集任務(wù)由三部分功能組成，包括主調(diào)度服務(wù)、子調(diào)度服務(wù)、監(jiān)控服務(wù)。采集任務(wù)用到的任務(wù)緩存和檔案緩存要各單獨一個實例進(jìn)行部署。下面將本研究通信資源優(yōu)化的電力線載波通信路由算法與常規(guī)技術(shù)中路由器連接的方式進(jìn)行對比，以驗證本研究算法通信效率。經(jīng)過2 h數(shù)據(jù)通信后，網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)傳輸示意圖如圖4所示。

圖4 業(yè)務(wù)處理機(jī)通信數(shù)據(jù)傳輸示意圖

試驗時，在業(yè)務(wù)處理機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)中人為制造不平衡功率因素，以10個通信節(jié)點為案例進(jìn)行具體化說明本研究算法對通信網(wǎng)絡(luò)的分配的能力。表1為采用常規(guī)技術(shù)中路由器通信方式，數(shù)據(jù)信息如表1所示。

表1 采用路由器通信后的數(shù)據(jù)試驗結(jié)果

采用通信資源優(yōu)化的電力線載波通信路由算法進(jìn)行通信后，得出的數(shù)據(jù)信息如表2所示。

表2 采用本研究算法的數(shù)據(jù)試驗結(jié)果

通過表1和表2的對比示意表可以看出，本研究方法的功率分布效率較高。

下面對業(yè)務(wù)處理機(jī)通信信道分配算法進(jìn)行驗證，為了區(qū)分本研究方法，將采用分配算法和未采用分配算法進(jìn)行對比，假設(shè)選擇1 000個信道數(shù)據(jù)樣本，在2 h內(nèi)將其進(jìn)行分布，準(zhǔn)確率示意圖如圖5所示。

通過圖5可以看到，采用本研究方法能夠使本研究的誤差處于較低的水平，說明本研究的方法效率高。

圖5 準(zhǔn)確率對比示意圖

4 總結(jié)

本研究在電采集系統(tǒng)中設(shè)計出新型的業(yè)務(wù)處理機(jī)，設(shè)計出包括數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)關(guān)接口層、采集應(yīng)用層和前置機(jī)應(yīng)用層的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提高了數(shù)據(jù)通信能力。構(gòu)建出通信資源優(yōu)化的電力線載波通信路由算法，采用業(yè)務(wù)處理機(jī)通信信道分配算法。在信號總功率為固定值的情況下，對具有不同信號增益的子信號載波進(jìn)行信道功率分布，提高了業(yè)務(wù)處理機(jī)通信的容量。本研究的方法提高了業(yè)務(wù)處理機(jī)的通信能力。