終端通信接入網網絡資源分配策略分析

毛 瑞，陳亞琨，李昭靜

（鄭州電力高等專科學校 信息通信學院，河南 鄭州 450000）

0 引 言

日前，在國家電力終端通信接入網的具體建設和營運中設置有多個業務部門。各部門按照各自實際業務以獨立形式實現建網，網絡維護方面也體現了獨立性。在多部門共同組建下實現了多層網絡構建，各業務在向電力通信網內部并存接入期間所選擇的通信方式也是多樣化的，這使得電力通信網具有更加復雜的結構和更龐大的網絡規模。在保證國家電力通信網不做出改變的基礎上，可通過增設終端接入網關和網絡融合網關兩項功能實體，制定以雙通信代理機制為基礎的異構網協同融合傳輸方案。在此基礎上設計并實現一個網絡資源分配算法，保證在多業務全面接入且多網絡保持動態協同的同時，更加充分合理地分配網絡資源。

1 網絡協同融合

當前，光纖專網、中壓電力線載波以及公用移動通信等是電力終端通信接入網所采用的主要通信方式。其中，光纖專網涵蓋了無源光網絡、工業以太網以及光調制解調器等。終端通信接入網中出現的多模終端可支持多種不同接入技術，并可實現異構環境覆蓋，這就引發了新的網絡資源分配問題。這些網絡不管是在系統目標和業務QoS體系，還是接入方式和傳輸方式等方面都沒有體現出統一性，有關網絡資源的具體管理機制也體現出明顯差異性。

為了在終端通信接入網中更加合理地分配網絡資源，本文以不改變電力通信網中各種體制網絡結構為基礎，增設終端接入網關（EA-GW）和網絡融合網關（NI-GW）兩種功能實體機，以此提出雙通信代理機構異構網協同融合傳輸設計方案，具體如圖1所示。在此方案支持下，促使通信網絡和電力業務實現解耦，統一位于異構融合網絡實現智能電網多業務的接入和承載[1]。其中，NI-GW主要是以向上的方向來承載有關業務需求，EA-GW按照統一化原則設置終端接口，同步虛擬各類終端資源。EA-GW和NI-GW兩者關聯中可選一種或多種通信方式，具體主要基于實際業務需求決定資源調度策略及具體的通信方式[2]。從業務層來看，EA-GW和NI-GW相互所建通信網絡具有透明的特點，兩者均直面終端虛擬資源。在本文所提的融合網關系統方案下，可基于運營策略、用戶策略以及網絡資源狀態等在多網絡動態環境中，促使業務在差異化網絡間智能切換網絡智能選擇技術和網絡發現技術，使資源分配及網絡選擇具有更細致的顆粒度，保證接入更加靈活，且能夠實現多業務的綜合接入，保證多網絡保持動態協同。

圖1 網絡融合網關及終端接入網關

2 網絡資源具體分配

當前，圍繞網絡資源分配策略開展的一系列研究中，所設定的環境均屬于異構無線網絡，具有功率分配、負載控制、接納控制以及切換控制等功能。關鍵性目的是在遵循信道特性的前提下，當信道由于干擾因素出現一定的幅度改變時，實現對有線網絡資源的動態調整與靈活分配，促使無線用戶終端獲得QoS保障，使無線頻譜的利用率達到最大，避免發生網絡堵塞情況。

有學者以系統最大吞吐量為基礎提出了聯合分配算法，該算法在設計中將分配帶寬設定為連續變量[3]。相繼有專家學者對該算法進行了深度研究，并改進了求解算法。選用牛頓迭代法，增設了對最大發送功率的限制要求，并實現了對差異化業務需求的綜合考量，確保時延受限用戶具備最小的基礎性速率需求，同步考慮最大程度使用戶保持相同的速率或保持在一定比例[4]。

與電信公網相比，電力通信網中的業務類型具有一定特殊性。這要求其在網絡資源分配中要考慮相應的特殊性，有區別的制定分配策略。電力通信網根據電網的運行和生產及企業的經營和管理等特點將承載業務分為管理信息化業務和電網生產調度業務兩大類。本文設定在異構網絡環境中，通過雙信道代理機制聯合網關EA-GW和NI-GW實現設計，討論分析終端通信接入網中涉及到的網絡資源分配策略，并設計電力通信網下有限網絡資源的合理化分配框架，如圖2所示。

圖2 網絡資源分配框架

圍繞網絡流量的相應分配機制涉及到兩個組成部分，分別為流量分配策略和網絡狀態認知。設計以NI-GW為基礎，業務從應用層方向發出后，由傳輸層實現封裝，進而傳輸至網絡層。網絡層接收后流量分配器自動啟動，按照流量有關分配方式，在網絡發現模塊發揮作用下得到對應的分配依據，分別計算單個網絡所分配到的實際流量，最后分配結果會向流量相應的分配執行模塊中進行傳輸，從而獲得流量分配控制效果。

業務流量在具體分配中，要始終掌握各項信息，并準確預估EA-GW狀態。要實現這一點，就需要網絡狀態相應檢測模塊從多個層面檢測網絡狀態。在異構無線網絡中，用戶移動、用戶發起會話以及終止會話都會導致網絡承載負載在大小方面體現時變性，網絡環境、各節點移動以及網絡各種干擾在終端通信接入網內部均會保持可預知狀態，則網絡資源細化分配環節能夠直觀反映網絡鏈路傳輸具體性能的改變狀態。

由于一個網絡中并存有多個網絡，并且各網絡涉及到差異化的網絡性能和業務分布情況，因此當某網絡在某時隙要承擔繁重業務時，就有很大幾率發生網絡繁忙和擁塞等，相應的某網絡承擔業務非常清閑，進而降低網絡利用率。所以說，單一按照網絡鏈路時延設計網絡資源分配算法，不僅無法有效反映網絡性能，而且無法真實反映網絡實際業務狀態，不能解決異構網面臨的業務流量分配缺乏均衡性的問題。為此，要深層次探究異構網所具備的網絡吞吐量、網絡平均時延以及網絡容量等各方面體現出的獨有特征，圍繞各特性探索出有效的業務流量分配算法。

通過研究電力終端通信接入網中異構網絡不同的EA-GW性能，根據網絡負載情況和網絡時延性能，本文研究并設計了以時延負載感知實現的異構網絡資源分配算法。基于網絡節點相對準確的估計時延，進而反映網絡負載，在多種電力終端通信接入網充分利用的基礎上實現資源的有效傳輸。在網絡具有較重負載情況下，可分配相對少量的業務流量，將更多業務量適度分配給當前負載相對輕的網絡，使異構網絡保持均衡的業務分布狀態，進而促使網絡運行得更加穩定、高效且連續，并在此基礎上有效優化分組丟包率及分組傳輸相應平均鏈路時延等綜合性能，充分利用網絡資源，促使業務具有的QoS保證更加優良[5]。在NI-GW中設計網絡資源相關分配策略，要將時間戳添加到EA-GW通用鏈路層所對應的公共包頭上，明晰記錄分組準確發送時間，目的節點接收到分組后，可同步得到分組時延并自動計算。目的節點每經過一個固定的時間間隔，就統計一次分組平均時延，統計結果通過網絡同步給源節點提供反饋。之后源節點根據相關時延數據與信息，掌握其體現的網絡覆蓋情況，以此為依據控制之后網絡業務流的分配情況。在網絡傳輸中，分組平均時延與網絡負載和業務繁重程度呈正相關。

3 算法性能驗證

本文在算法性能驗證中選擇OPNET Modeler仿真工具，將時延加入到網絡鏈路中來模擬網絡負載的變化情況。結合統計所得的時延數據，掌握網絡負載狀態，以此為依據決定流量分配決策[6]。在仿真中，驗證本文所設計的異構網絡資源分配算法，同時與負載感知流量分配算法（定時反饋）和均勻分配算法作出對比。

在仿真中，主要考察一對業務丟包情況和時延情況，基于平均分組丟包率和傳輸中分組的平均時延衡量流量分配算法的具體性能。同時，統計流量分配算法下相關的網絡開銷，對比3種算法下的網絡開銷，驗證本文所設計分配算法的業務傳輸性能相對優良，并且相關流量分配算法下涉及到的網絡開銷也顯著減少。3種算法從分組平均時延層面對比，均勻分配流量算法保持最大，負載感知流量分配算法的分組平均時延相對較小，而本文所設計分配算法保持最低分組平均時延。從分組丟包率層面對比，均勻分配算法和負載感知流量分配算法兩者的分組丟包率大小相當，而本文所設計分配算法保有最低的分組丟包率。

4 結 論

本文在電力終端通信接入網維持現狀條件下，提出一種以雙通信代理機制為基礎的異構網協同融合網關，并基于NI-GW模塊進行以時延為基礎具備負載感知機制的相關異構網絡資源分配算法。通過準確預估節點時延，真實反映網絡負載，最終充分有效利用各類電力終端通信接入網有限的傳輸資源。經過仿真驗證，本文所設計分配策略在分配業務流量時，具有優良的時延性能，并且網絡開銷顯著降低，傳輸質量優良。