終端通信接入網網絡資源分配策略研究*

黃 輝,喻 強,陳 翰,韋 樸,虞 躍

(1.全球能源互聯網研究院信息通信研究所,南京 210003;2.東南大學儀器科學與工程學院,南京 210096;3.南京工程學院通信工程學院,南京 211167)

終端通信接入網網絡資源分配策略研究*

黃 輝1,喻 強1,陳 翰2,韋 樸3,虞 躍1

(1.全球能源互聯網研究院信息通信研究所,南京 210003;2.東南大學儀器科學與工程學院,南京 210096;3.南京工程學院通信工程學院,南京 211167)

在不改變現有國家電網通信網中各種體制網絡結構的前提下,通過增加網絡融合網關和終端接入網關兩種功能實體,提出了一種雙通信代理機制的異構網協同融合傳輸方案,并由此設計實現了基于時延的負載感知的異構網絡資源分配算法,實現了多業務綜合接入及多網絡動態協同環境下的網絡資源分配技術。數據分析表明該算法在平均時延、網絡開銷及丟包率等方面優于均勻分配算法、定時反饋的負載感知流量分配算法。

電力終端通信接入網;網絡資源分配;網絡融合網關;終端接入網關

電力通信網作為電網的技術支撐手段和基礎平臺設施,其網絡規模龐大、結構復雜,是智能電網通信的有力保障。終端通信接入網是電力通信網的重要組成部分,它是電網安全穩定控制系統和調度自動化系統的基礎,提供了配電自動化、用電信息采集、電能質量監測、分布式能源、智能用電、電動汽車充換電站等多種電力業務的接入和控制。當前電力終端通信接入網采用的建設和運維模式是各個業務部門按業務系統獨自建網,形成多張網絡,各個部門自行維護,形成了多種業務、多張網絡、多種通信方式并存的接入網現狀。如何依托電力終端通信接入網現有的異構網絡,面向業務需求,為智能電網信息傳輸構建統一的網絡層架構是一個亟待解決的問題。

1 網絡協同融合

目前電力終端通信接入網主要采用公用移動通信(GPRS、CDMA)、中壓電力線載波、光纖專網等多種通信方式。光纖專網通信方式包括光調制解調器(Modem)、工業以太網、無源光網絡(PON)等技術。終端通信接入網中異構環境的覆蓋與支持不同接入技術的多模終端的出現,在網絡資源分配策略方面引出了新的研究問題。這些網絡在傳輸方式、接入方式、業務QoS體系及系統目標等方面存在差異,使得相應的網絡資源管理機制也存在差異。

本論文基于異構網絡協同融合的思想,在不改變現有電力通信網中各種體制網絡結構的前提下,通過增加網絡融合網關NI-GW(Network Integration Gateway)和終端接入網關EA-GW(Endpoint Access Gateway)兩種功能實體,提出了一種雙通信代理機制異構網協同融合傳輸設計方案,如圖1所示,實現了電力業務與通信網絡的解耦,在異構融合網絡上統一接入承載智能電網多業務。NI-GW向上承載業務需求,EA-GW提供終端統一接口,虛擬終端資源;NI-GW和EA-GW之間存在一種或多種通信方式,由NI-GW和EA-GW根據實際的業務需求,選擇合適的通信方式和資源調度方案;對于業務層而言,NI-GW和EA-GW之間的通信網絡透明,直接面對終端虛擬資源。本論文所提出的融合網關系統方案能依據網絡資源狀態、用戶策略、運營策略,實現多網絡動態環境下的網絡發現技術、網絡智能選擇技術,實現業務在不同網絡間的智能切換,進一步細化了網絡選擇與資源分配顆粒度,提高業務接入靈活性,實現了多業務綜合接入及多網絡動態協同。典型的包含控制業務的配用電業務在多業務承載接入網體系架構中的承載方案圖2和圖3所示。

圖1 網絡融合網關和終端接入網關

圖2 用電業務承載接入網體系架構承載方案

圖3 配電業務承載接入網體系架構承載方案

2 網絡資源分配

多數文獻闡述的網絡資源分配策略圍繞電信公網中的異構無線網絡展開,包括功率分配、切換控制、接納控制、網絡調度和管理、負載控制、無線信道分配等,目的是在信道特性因信道衰落和干擾而起伏變化等情況下,靈活分配和動態調整有限的網絡資源,為無線用戶終端提供QoS保障,最大化無線頻譜利用率,防止網絡擁塞[1-2]。文獻[3]提出了一個基于最大化系統吞吐量的聯合分配算法,但其考慮的分配帶寬是連續變量,文獻[4-6]在文獻[3]的基礎上進行了不同程度的深入研究,文獻[4]改進了求解中使用的牛頓迭代法,文獻[5]增加了最大發送功率受限的要求,文獻[6-7]均考慮了不同業務需求,比如保證時延受限用戶最小速率需求,以及盡力服務用戶速率相等或者成一定比例[7],但其研究的總優化目標都是最大化系統吞吐率,且分配連續的帶寬。作為能夠在最大化系統吞吐量、保證用戶的絕對公平兩方面進行折衷的性能指標,比例公平性受到廣泛關注,文獻[8-10]分別是蜂窩系統、中繼系統以及有線/無線融合系統中的相關研究。電力通信網較電信公網中業務類型的特殊性,使得其網絡資源分配策略有所區別。按照電網生產、運行及企業管理、經營的特點,電力通信網承載的業務類型可劃分為電網生產調度業務、管理信息化兩大類業務。關鍵運行業務是指遠動信號、數據采集與監視控制系統、能量管理系統、繼電保護信號和調度電話等;關鍵運行業務信息量不大,但對通信的實時性、準確性、安全性和可靠性要求很高;是一種要求和其他業務分離的、不和其他業務進行交叉融合的獨立性信息系統;事務管理業務包括行政電話、會議電話和會議電視、管理信息數據等。事務管理性業務則是業務種類多、變化快、通信流量大,必須進行寬帶傳輸的業務。

本論文基于雙通信代理機制異構網融合網關NI-GW和EA-GW的設計,對電力終端通信接入網關中網絡資源分配策略進行了研究,提出如圖4所示的電力通信網網絡資源分配框架,網絡流量分配機制由網絡狀態認知、流量分配策略兩部分組成,在NI-GW中設計實現。從應用層到來的業務,通過傳輸層的封裝,傳遞到網絡層,此時,啟動流量分配器,流量分配策略從網絡發現模塊獲取分配依據,計算各個網絡分配的流量大小,將分配結果遞交給流量分配執行模塊,控制流量分配的實現。業務流量的分配需要認知和估計EA-GW狀態,因此,需要網絡狀態檢測模塊來檢測網絡的各種狀態。在典型的電信公網異構無線網絡中用戶會話的發起和終止及用戶在網絡中移動,使網絡所承載的負載大小具有時變性。但對于電力終端通信接入網,網絡中節點移動、網絡所處環境和網絡中的各種干擾具有一定的可預知性,使得在進行網絡資源分配時可以更直接的對網絡中鏈路的傳輸性能變化響應。異構網絡中多個網絡并存,網絡具有不同的業務分布狀況和不同的網絡性能,如有的網絡承載業務重,網絡繁忙甚至擁塞,而有的網絡業務輕閑,網絡資源利用率低。單純的以網絡鏈路的時延為指標設計網絡資源分配算法,既不能反映網絡的性能也不能反映網絡的業務狀況,僅依據它來進行網絡間業務流量的分配,并不能很好的解決異構網絡中業務流量分布不均衡問題。因此,需要進一步對異構網絡特性進行研究,如網絡吞吐量、網絡平均時延、網絡容量等特征,提出針對異構網絡特性進行業務流量分配的算法。

圖4 網絡資源分配框架

本論文對電力終端通信接入網異構網絡各個EA-GW性能進行研究,基于網絡的時延性能和網絡負載狀況,設計實現了基于時延的負載感知的異構網絡資源分配算法,通過網絡中節點的估計時延來反映網絡負載,充分利用各種類型的電力終端通信接入網傳輸資源。網絡負載重,分配較少的業務流量;網絡負載輕,分配較多的業務量,使業務在異構網絡中達到均衡分布狀態,從而使網絡保持連續、高效、穩定的運行,使分組傳輸的平均鏈路時延和分組丟包率等綜合性能達到優化,更充分利用網絡資源,為業務提供更好的QoS保證。在NI-GW中網絡資源分配策略的設計,需要在EA-GW通用鏈路層的公共包頭上加入時間戳,記錄分組的發送時間,在目的節點接收到分組后,獲取接收分組的時延,從而計算出分組通過網絡傳輸的時延。目的節點在一定的時間間隔內,統計接收分組的平均傳輸時延,并將統計的分組的平均時延再通過網絡反饋給源節點。源節點依據此時延所反映的網絡負載狀況,對網絡中后續的業務流分配進行控制。分組在網絡中傳輸的平均時延越大,認為網絡負載重,業務繁忙;分組平均時延小,認為網絡負載輕業務輕閑。目的節點獲取到網絡中分組的平均時延后,反饋給源節點,源節點基于此時延對網絡負載狀況進行相應分析,并基于分析結果完成異構網絡中的流量分配。

3 算法性能驗證

本論文使用OPNET Modeler仿真工具,通過給網絡鏈路加入時延的方式,來模擬網絡負載的變化狀況。通過對時延的統計,感知網絡負載狀況,做出合理的流量分配策略決策[11]。對基于時延的負載感知的異構網絡資源分配算法進行了驗證,并與均勻分配算法、定時反饋的負載感知流量分配算法進行了對比。仿真中采用了較簡單的12個節點,3個電力終端通信接入網的場景,包括電力線通信PLC(Power Line Communication)[12-13]、以太網無源光網絡EPON(Ethernet Passive Optical Network),以及通用分組無線服務技術GPRS(General Packet Radio Service)每個節點最多有3個網絡,源節點和目的節點之間有 3個網絡可進行流量分配。采仿真工具模擬網絡負載變化狀況,通過基于時延的負載感知方式,對網絡的負載狀況進行認知,將業務量分配到異構網絡中去。仿真中主要考察了一對業務的時延和丟包情況,以分組傳輸的平均時延和分組的平均丟包率來衡量流量分配算法的性能。并統計流量分配算法的網絡開銷,對比均勻分配算法、定時反饋的負載感知流量分配算法的網絡開銷,通過仿真驗證基于時延的負載感知的異構網絡資源分配算法能夠取得較好的業務傳輸性能,并且大大減少了流量分配算法所帶來的網絡開銷。

圖5 基于時延的負載感知的異構網絡資源分配算法平均時延和業務量關系

如圖5所示,均勻分配流量算法分組平均時延最大,加入了負載感知機制的流量分配算法比均勻分配算法在分組平均時延上小很多,其中基于時延的負載感知的異構網絡資源分配算法的分組平均時延較定時反饋的負載感知流量分配算法略小。反饋機制進行改進,能夠更加及時的將網絡負載狀況反饋到源節點,比定時反饋機制能夠更加靈敏的感知網絡負載狀況的變化。但是,由圖6可知,加入了基于時延反饋限制機制的流量分配算法的在網絡開銷上遠遠小于定時反饋流量分配算法。

圖6 基于時延的負載感知的異構網絡資源分配算法網絡開銷和業務量關系

圖7為均勻分配算法、定時反饋的負載感知流量分配算法和改進反饋后的基于時延的負載感知分組丟包率和業務量關系對比圖。數據表明,均勻分配算法分組丟包率與定時反饋方式下流量分配算法分組丟包率相當,基于時延的負載感知分組丟包率最小。基于時延的負載感知算法考慮了網絡的負載狀況,將業務分配到各個子網中,各子網中源節點接口隊列緩沖占用情況相近,網絡丟失的分組少,丟包率低。而其他兩種流量分配算法按照固定反饋對網絡業務量進行分配,有可能將流量較多的分配到了分組平均時延小的網絡,此網絡排隊緩沖占用率大,丟包嚴重,丟包率大。

圖7 基于時延的負載感知的異構網絡資源分配算法丟包率和業務量關系

4 結束語

本論文基于電力終端通信接入網現狀,提出了一種雙通信代理機制的異構網協同融合網關,在其中NI-GW模塊內設計實現了基于時延的負載感知的異構網絡資源分配算法,通過網絡中節點的估計時延來反映網絡負載,充分利用了各種類型的電力終端通信接入網傳輸資源。由仿真驗證可知,通過對負載感知反饋機制的改進,在進行業務流量分配時,時延性能優于均勻分配以及定時反饋的負載感知流量分配算法,并可以大大降低流量分配算法所帶來的網絡開銷,同時保證較高的傳輸質量。

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Research on the Network Resource Allocation in the Communication Terminal Access Network*

HUANGHui1,YUQiang1,CHENHan2,WEIPu3,YUYue1

(1.Research Institute of Information Technology and Communication,Global Energy Interconnection Research Institute,State Grid,Nanjing 210003,China; 2.School of Instrument Science and Engineering,Southeast University,Nanjing 210096,China; 3.Communication Engineering department, Nanjing Institute of Technology,Nanjing 211167,China)

A new scheme for cooperative transmission design of heterogeneous networks with dual communication mechanism is proposed,by increasing two functional entities:the Network Integration Gateway(NI-GW)and Endpoint Access Gateway(EA-GW),without changing the existing network structure system in communication network in State Grid. Therefore,a resource allocation algorithm based on time delay for load aware heterogeneous network is proposed,and multi service integrated access and multi network dynamic cooperation are achieved. In comparing with the Even Allocation algorithm and Timing Feedback Allocation algorithm,the proposed scheme improves the average delay,network overhead and packet loss probability.

communication terminal access network;network resource allocation;network integration gateway;endpoint access gateway

項目來源:國家電網公司2015年科技項目(面向智能電網多業務接入通信關鍵技術研究)

2016-03-23 修改日期:2016-04-29

C:6150

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.02.033

TM727

A

1005-9490(2017)02-0425-05