改進(jìn)貝葉斯統(tǒng)計的配電物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議評價

羅 釗，王東山

(上海電力大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海 201306)

1 引言

如今，人們對電力通信的需求越來越大，配電物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)促進(jìn)了電力通信的發(fā)展，在配電系統(tǒng)中占據(jù)著重要地位。利用TCP/IP、NETBEUI和IPX/SPX等協(xié)議，將電力設(shè)備、傳感器、人員等物體與人物聯(lián)系起來，實現(xiàn)遠(yuǎn)程通信[1]。在人工智能的支撐下，配電物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議的相關(guān)業(yè)務(wù)呈現(xiàn)出實時性高、數(shù)量多、種類廣的特征，隨著通信設(shè)備的智能化和微型化，通信協(xié)議廣泛普及到配電物聯(lián)網(wǎng)的各個環(huán)節(jié)，使得低壓臺區(qū)的通信設(shè)備逐漸增多[2]。配電物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議可以為電力供應(yīng)提供一條信息傳輸通道，打破了空間對信息傳輸?shù)氖`，保障了配電物聯(lián)網(wǎng)的安全性。針對傳統(tǒng)配電物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議評價方法存在準(zhǔn)確性差、成本高的問題，需要借助各種仿真工具和數(shù)學(xué)模型，分析配電物聯(lián)網(wǎng)通信帶寬和性能，這對提升配電物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議的安全性和穩(wěn)定性具有重要意義[3]。

在國內(nèi)的相關(guān)研究中，有學(xué)者利用WPMGF排隊模型提出一種無線通信網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議延遲特性評估方法，在單條簇狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎?，利用仿真軟件對無線通信網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議延遲特性進(jìn)行仿真，通過對比評估值和仿真結(jié)果，發(fā)現(xiàn)該評估方法的近似性較好，在接口選擇方面，可以減少網(wǎng)路通信的延遲時間，但是進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)的速度較慢；還有學(xué)者基于網(wǎng)絡(luò)仿真器提出一種通信協(xié)議仿真平臺，利用網(wǎng)絡(luò)仿真器，設(shè)計了電力通信模塊，在電力系統(tǒng)前導(dǎo)信號的通信機(jī)制，實現(xiàn)了對通信協(xié)議工作頻率的認(rèn)知，實現(xiàn)了電力通信的功能，仿真平臺可以支持電力系統(tǒng)中多個頻率組網(wǎng)之間的拓?fù)渑渲茫€可以實現(xiàn)多個組網(wǎng)之間的電力通信，經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，在不同的場景下，該仿真平臺可以實現(xiàn)不同的協(xié)議功能，在吞吐量和節(jié)點接入率方面，可以為電力系統(tǒng)通信協(xié)議的仿真與研究提供可靠有力的工具[4，5]。

基于以上研究背景，本文在貝葉斯統(tǒng)計下設(shè)計一種配電物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議評價方法，從而保證配電物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議的安全性和可靠性。

2 配電物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議評價方法設(shè)計

2.1 預(yù)測配電物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議帶寬

在預(yù)測配電物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議帶寬時，定義了預(yù)測的優(yōu)化模型[6]，表示為

(1)

式中，Ploss(φ)表示通信協(xié)議排隊論模型的丟包率，P表示帶寬利用率，Ts(φ)表示通信延時，計算公式為

(2)

(3)

(4)

式中，η表示配電物聯(lián)網(wǎng)接收協(xié)議請求的服務(wù)效率，φ表示通信協(xié)議的轉(zhuǎn)發(fā)速率，γe表示通信協(xié)議實際到達(dá)速率，Rs表示通信節(jié)點在傳輸時的排隊長度，計算公式為

γe=γ·(1-Ploss(φ))

(5)

(6)

基于式(1)的優(yōu)化模型，得到配電物聯(lián)網(wǎng)的通信協(xié)議帶寬的預(yù)測步驟：

Step1：初始化配電物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議排隊論模型的基礎(chǔ)變量；

Step2：計算配電物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議初始到達(dá)速率γi和帶寬C1；

Step3：在配電物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議中，將最大緩存數(shù)據(jù)包數(shù)量設(shè)置為n=γ·C1[7]；

Step4：以通信協(xié)議的延時和丟包率性能參數(shù)為約束條件[8]，將配電物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議的丟包率和時延最大值設(shè)置為Dloss和DT；

Step5：在配電物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議中，初始化處理緩存數(shù)據(jù)包的分組變量f；

Step6：假設(shè)f=x，在貝葉斯統(tǒng)計下計算以通信協(xié)議的延時和丟包率性能參數(shù)為約束條件的通信協(xié)議排隊論模型最優(yōu)解δi和通信協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)速率vi；

Step7：將配電物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議中的緩存數(shù)據(jù)包分組變量更新為f=f+1；

Step8：判斷緩存數(shù)據(jù)包分組變量f與最大緩存數(shù)據(jù)包數(shù)量n之間的關(guān)系，如果f≥γ·C1，那么進(jìn)入到Step 9，否則返回到Step 5；

Step9：計算出通信協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)速率vopt和通信協(xié)議排隊論模型最優(yōu)解δopt=max{δi}；

Step10：輸出配電物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議帶寬的最優(yōu)預(yù)測帶寬G。

以通信協(xié)議的延時和丟包率性能參數(shù)為約束條件，通信協(xié)議帶寬的最大利用率為目標(biāo)函數(shù)，設(shè)置了配電物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議的丟包率和時延最大值，對配電物聯(lián)網(wǎng)的通信協(xié)議帶寬進(jìn)行預(yù)測。

2.2 計算配電物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議評價指標(biāo)權(quán)值

根據(jù)配電物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議帶寬的預(yù)測結(jié)果，在貝葉斯統(tǒng)計下，先利用層次分析法計算各級通信協(xié)議評價指標(biāo)的權(quán)值[9]，根據(jù)貝葉斯統(tǒng)計的特點，以貝葉斯概率分布平面的投影面積，對通信協(xié)議評價指標(biāo)進(jìn)行分配。利用貝葉斯概率分布平面的開合角度，表示通信協(xié)議評價指標(biāo)的權(quán)重，保證評價的安全性。具體計算過程如下：

Step1：確定配電物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議評價的基本指標(biāo)

在貝葉斯統(tǒng)計下，配電物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議會產(chǎn)生多條鏈路，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸作用，可以確定配電物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議評價的基本指標(biāo)[10]，即

(7)

式中，Mw表示配電物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議的傳輸鏈路荷載，Ca表示通信協(xié)議的安全性基數(shù)，Nb表示通信協(xié)議的安全性幅值。

Step2：構(gòu)建指標(biāo)權(quán)重判斷矩陣

根據(jù)上述計算，確定各級通信協(xié)議評價指標(biāo)的權(quán)重信息，并將同一等級的評價指標(biāo)進(jìn)行對比，歸一化處理各級指標(biāo)的冗余信息，提高指標(biāo)權(quán)重的準(zhǔn)確性[11]。如果冗余信息i和j的對比結(jié)果為bij，那么指標(biāo)權(quán)重判斷矩陣可以表示為

(8)

Step3：處理重合指標(biāo)

Step4：計算貝葉斯概率分布平面的開合角度

開合角度是概率分布平面內(nèi)中心點發(fā)出的射線在平面內(nèi)的上下開合角度，根據(jù)扇形角度計算原理[13]，求解貝葉斯概率分布平面的開合角度，即：

(9)

式中，Ss表示扇形面積，Sy表示概率分布平面的圓形面積。

Step5：計算各級通信協(xié)議評價指標(biāo)的權(quán)值

對于配電物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議一級評價指標(biāo)Ai而言，構(gòu)建判斷矩陣U0和二級評價指標(biāo)Bij的判斷矩陣Ui1、Ui2和Ui3，即：

(10)

在貝葉斯統(tǒng)計下，采用方根求解法計算配電物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議評價指標(biāo)的權(quán)向量[14]，公式為：

(11)

式中，ai表示判斷矩陣中各元素乘積的方根結(jié)果，bi表示矩陣元素的權(quán)值。

以貝葉斯概率分布平面的投影面積作為通信協(xié)議評價指標(biāo)的權(quán)值，令平面的總面積為Sz，那么配電物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議評價指標(biāo)的權(quán)值集合可以表示為

Sz=Szwi

(12)

根據(jù)以上計算步驟，計算得到了配電物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議評價指標(biāo)的權(quán)值。

2.3 構(gòu)建配電物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議評價指標(biāo)體系

配電物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議在體系中隸屬于應(yīng)用層，本文在貝葉斯統(tǒng)計下，利用球體模型構(gòu)建了通信協(xié)議評價指標(biāo)體系[15]。先為通信協(xié)議評價的一級指標(biāo)和二級指標(biāo)構(gòu)建三維坐標(biāo)系，兩個等級評價指標(biāo)的坐落面如圖1所示。

圖1 評價指標(biāo)坐落面

在三維坐標(biāo)系中，一共分為8個象限，假設(shè)配電物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議評價的總目標(biāo)為M個，從通信協(xié)議內(nèi)容、載荷以及安全性方面，確定一級評價指標(biāo)、二級評價指標(biāo)及坐落面[16]，配電物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議評價指標(biāo)體系如表1所示。

表1 配電物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議評價指標(biāo)體系

根據(jù)評價指標(biāo)坐落面，構(gòu)建了配電物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議評價指標(biāo)體系，實現(xiàn)了配電物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議的評價。

3 仿真分析

3.1 搭建仿真系統(tǒng)

在Matlab仿真環(huán)境下，根據(jù)配電物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議的元件庫組成，搭建了仿真系統(tǒng)，MALKG仿真工具在Matlab中是比較關(guān)鍵的一個組件，不僅可以為仿真試驗提供一種動態(tài)的系統(tǒng)環(huán)境，還可以提供一種分析環(huán)境，在系統(tǒng)的內(nèi)部自帶元件庫，可以支持通信協(xié)議模型的集成。該仿真平臺要想實現(xiàn)靈活性、真實性和擴(kuò)展性并存，就要使搭建的仿真平臺滿足仿真要求。仿真系統(tǒng)的搭建結(jié)果如圖2所示。

圖2 仿真系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.2 獲取配電物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議斷言

仿真分析過程中，在配電物聯(lián)網(wǎng)中選擇一條通信協(xié)議為實驗對象，在配電物聯(lián)網(wǎng)中，服務(wù)請求方將SAML請求發(fā)送給身份認(rèn)證服務(wù)器，接著由IDP將服務(wù)請求返回給SAML響應(yīng)，從而獲取認(rèn)證信息[17，18]。配電物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議斷言獲取過程如圖3所示。

圖3 配電物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議斷言獲取過程

3.3 結(jié)果分析

利用圖2的仿真平臺，根據(jù)獲取到的配電物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議斷言，測試了配電物聯(lián)網(wǎng)的平均時延，引入基于M/M/1/K排隊模型的評價方法和基于NS-3的評價方法作對比，測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 配電物聯(lián)網(wǎng)的平均時延

圖4的結(jié)果顯示，當(dāng)通信協(xié)議的傳輸時間相同時，三種評價方法得到的配電物聯(lián)網(wǎng)平均時延變化趨勢基本相同，但是本文方法的配電物聯(lián)網(wǎng)平均時延沒有出現(xiàn)比較大的波動，且可以將網(wǎng)絡(luò)時延控制在0.3s以內(nèi)，原因是文中方法在貝葉斯統(tǒng)計下預(yù)測了配電物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議帶寬，減少了很多不必要的計算過程，使得配電物聯(lián)網(wǎng)的時延大大減少。

在上述實驗環(huán)境下，為了保證通信協(xié)議評價結(jié)果不影響配電物聯(lián)網(wǎng)的性能，測試了配電物聯(lián)網(wǎng)的輸出值，結(jié)果如圖5所示。

圖5 配電物聯(lián)網(wǎng)的輸出值

圖5的結(jié)果顯示，三種方法在評價配電物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議時，都可以將配電物聯(lián)網(wǎng)的最終輸出值控制在1.2，但是貝葉斯統(tǒng)計下配電物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議評價方法可以提前控制配電物聯(lián)網(wǎng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，而其它兩種評價方法相對較慢，原因是在貝葉斯統(tǒng)計下，配電物聯(lián)網(wǎng)的調(diào)度性能較高，使配電物聯(lián)網(wǎng)提前進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)束語

本文提出了貝葉斯統(tǒng)計下配電物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議評價方法研究，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，該方法在減小網(wǎng)絡(luò)時延的同時，還可以保證配電物聯(lián)網(wǎng)提前進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。但是本文的研究還存在很多不足，在今后的研究中，希望可以實現(xiàn)通信協(xié)議評價的自動化功能，包括數(shù)據(jù)的自動采集、評價指標(biāo)的自動識別等。