基于SDN的電力通信網絡覆蓋優化算法研究

趙全東，郝文娟

(國網固原供電公司，寧夏 固原 756000)

電力通信網絡是電力系統中的重要組成部分之一，是電力系統的支撐和保障系統，主要作用是為發電、輸電、配電、變電提供溝通的橋梁，不僅承擔著電力系統的生產指揮和調度，也為行政管理和自動化信息傳輸提供服務。電力通信傳輸網通過部署在各地的基站組成一張大的全國性信息傳輸網絡，因此為有信號，需要建設基站，否則很多地方存在出現信號差或者信號盲區的情況，也就無法實現對這一地區電力系統的有效指揮和調度。因此，如何提高通信網絡覆蓋范圍，減少空洞的出現成為當下電力企業致力于研究的重點[1]。

關于通信網絡覆蓋問題的研究在很多專家和學者發表的文獻中已經進行一些研究。如，文獻[2]將電力信標(PBs)用于SDN網絡控制器的部署當中，通過來自PBs的入射連續波進行自組織通信網絡部署優化，擴大通信范圍。文獻[3]討論了基于不同SDN天線方案的覆蓋靈敏度以及冗余覆蓋的能力，并在約束優化方案框架下，構建通信網絡節點的覆蓋模型；文獻[4]從電網通信業務的需求出發，闡述發展通信無線網絡深覆蓋技術的重要性，在總結覆蓋技術發展現狀，在了解當前覆蓋技術的基礎上，提出一種基于深度神經網絡的覆蓋技術，對深度覆蓋站點網絡設計進行優化，擴大網絡覆面積。

基于前人研究經驗，本文研究一種基于SDN的電力通信網絡覆蓋優化算法。該算法通過建立覆蓋模型并求解得出通信網絡節點部署優化方案，提高網絡覆蓋范圍，從而改善偏遠山區電力通信難以到達的問題。最后進行仿真對比實驗，通過實驗校驗優化效果是否達到預期。通過本研究以期優化電力通信網絡，為電力通信網絡全覆蓋目標的實現提供更加可靠的技術支持。

1 網絡覆蓋優化算法研究

電力行業支撐其他行業的生產需要，為其提供重要的電力能源。隨著科學技術的發展，電力行業也在快速地升級和優化。為滿足海量數據處理的需要，構建一個能夠承載業務穩固發展的數據網絡中心，其已成為電力行業必不可少的一部分[5]。軟件定義網絡(SDN)是一種新型的網絡架構體系，是當前電力通信網絡構建的主要框架[6]。SDN構成如圖1所示。①應用層：不同的應用邏輯，通過控制層開放的應用程序接口管理能力，控制設備的報文轉發功能；②控制層：由SDN控制軟件組成，與下層可用的南向接口協議OpenFlow協議通信；③基礎設施層：由大量的轉發節點設備組成，用于轉發信息。

圖1 SDN構成

相較一般網絡架構，由于將網絡設備控制面與數據面分離開，改進服務交付、網絡響應能力，更好地實現對資源的調度，但是若想發揮優勢，必須全面覆蓋電力通信網絡，盡量避免出現空洞的問題[7]。為此，本文研究一種基于SDN的電力通信網絡覆蓋優化算法研究。該研究分為3部分：①感知通信網絡節點，構建通信網絡覆蓋模型；②選取覆蓋優化目標；③改進果蠅優化通信網絡節點覆蓋算法。下面進行具體分析。

1.1 通信網絡覆蓋模型

對基于SDN的電力通信網絡進行優化部署，擴大覆蓋面積，首先是感知電力通信網絡中的各個轉發節點，構建通信網絡覆蓋模型，明確當前的通信節點覆蓋情況[8]。

(1)通信網絡節點感知。通信網絡節點感知，即感知節點的位置。通過一種布爾感知模型實現。假設在一個二維平面上存在一個通信網絡節點，以i為圓心，通信半徑為R，以R畫圓，即通信網絡節點i的覆蓋范圍。若在覆蓋范圍內存在一個目標節點j，則j會被i感知到，感知度這時為1；否則，感知度為0[9]。感知模型如圖2所示。

圖2 布爾感知模型

描述如下：

(1)

(2)

式中，為通信網絡節點與目標節點 之間的距離。

(2)通信網絡覆蓋模型。基于感知到通信節點，處于節點通信半徑以內的區域稱為通信覆蓋區，處于通信半徑以外的節點區域稱為通信盲區，以此構建通信網絡覆蓋模型，如圖3所示[10]。

圖3 通信網絡覆蓋模型

通過通信網絡覆蓋模型可知，一個通信網絡節點的通信半徑是有效的，只有二者之間的距離小于通信半徑，二者才能通信，否則二者之間存在通信空洞現象。然而，二者之間通信距離不能小于通信半徑，易導致大量的通信節點重疊在一起，浪費通信資源[11]。由此可知通信網絡覆蓋優化的目標是在保證網絡連通性的前提下，擴大通信節點的覆蓋范圍。

1.2 覆蓋優化目標選取

覆蓋優化目標是考慮如何部署通信網絡節點，以達到保證網絡連通性的前提下，擴大通信節點的覆蓋范圍的目標。由此可知，覆蓋優化目標有2個：①網絡連通模型；②覆蓋率模型[12]。

(1)網絡連通模型。2個通信節點之間的距離小于等于通信半徑才能實現網絡連通，這2個通信節點被稱為鄰接節點，2個節點間的邊設為1；若2個通信節點之間的距離大于通信半徑，2個節點間的邊設為0[13]。由此，構建節點鄰接矩陣AM，判斷網絡的連通性N。

N=AM+AM2+AM3+AM4+…+AMn-1

(3)

式中，n為節點的數量。

(2)覆蓋率模型。假定Sall為電力通信網絡中所有節點，對目標節點的聯合感知概率定義為：

(4)

式中，KP(Sall，j)為聯合感知概率；p(i，j)為目標節點位置坐標。

通過KP(Sall，j)，計算覆蓋面積，即為所有通信點的聯合感知概率之和，用K來表示，如下：

(5)

式中，L為電力通信網絡的布設面積，W為電力通信網絡的節點區域。

1.3 改進果蠅優化通信網絡節點覆蓋算法

基于上述研究與分析，本章節利用改進果蠅算法優化通信網絡移動節點部署方案，提高覆蓋面積。

果蠅算法是一種新型智能尋優算法。該算法利用果蠅覓食原理設計。果蠅具有極為優秀的視覺和嗅覺。依靠嗅覺，果蠅可以察覺到距離自己較遠之外的食物；依靠視覺，果蠅可以向其他果蠅靠攏，形成聚集，最后所有果蠅都能到達食物所在的地點，完成覓食[14]。果蠅算法基本工作流程如下。

(1)步驟1：初始化果蠅群規模，果蠅群體坐標(x，y)以及算法收斂條件。

(2)步驟2：果蠅個體向著任意方向和距離移動，搜尋食物。數學表達式：

(6)

Hr=H×[2 rand()-1]

(7)

式中，(xi，yi)為果蠅的位置坐標；Hr為在固定區間[-H，+H]之間的隨機數；H為果蠅i每次搜索的最大步長長度。

(3)步驟3：計算果蠅個體處的食物味道濃度判定值。

Si=1/di

(8)

(9)

式中，di為果蠅個體與原點距離。

(4)步驟4：使用適應度函數求出果蠅個體i的味道濃度。計算公式：

Smelli=F(Si)

(10)

式中，Smelli為果蠅個體i的味道濃度；F()為適應度函數。

(5)步驟5：重復上述步驟，直至所有果蠅群體中所用個體的味道濃度計算完畢。

(6)步驟6：找出果蠅群體中味道濃度最佳的個體yi。

yi=min(Smelli)

(11)

式中，min(Smelli)為果蠅群體中味道濃度最小值的果蠅個體為最佳個體yi。

(7)步驟7：判斷個體yi的味道濃度是否小于保存的最小值。若小于，則更新保存最佳味道濃度值以及其個體位置坐標；否則重復執行上述步驟。

(8)步驟8：判斷是否達到算法收斂條件。若達到，算法結束；否則，繼續迭代計算。

果蠅算法運算簡單，尋優效率高，精度也較高，但是穩定性不強，容易出現早熟問題，導致陷入局部最優。為此，本文通過改變果蠅每次搜索的步長長度來進行優化，原理是將整個搜索過程分為若干個周期，每個周期采用不同的可變步長來進行尋優，為避免上述問題，以達到更好的收斂效果[15]。

將改進后的果蠅算法應用到通信網絡節點覆蓋優化當中，各個果蠅相當于在一定的空間維度(空間維度由節點網絡連通性和覆蓋率組成)中設置的可移動的通信網絡節點；擁有最佳味道濃度值的果蠅個體位置坐標就是算法求出的最優解，求出各個節點的部署位置。改進果蠅優化通信網絡節點覆蓋算法基本流程如圖4所示。

圖4 改進果蠅優化通信網絡節點覆蓋算法基本流程

圖4中，可變步長Hi的計算公式如下：

Hi=L[sin(i)+1]α

(12)

式中，L為算法搜索區間長度；sin()為每個周期內步長相若變化的計算函數；α為當前迭代在周期內的余數。

2 優化效果仿真分析

為驗證算法在電力通信網絡覆蓋優化中應用效果，本章節進行仿真實驗分析，以文獻[2]、文獻[3]、文獻[4]算法作為對比項。

2.1 電力通信網絡節點初始布局

某區域內電力通信網絡節點的初始布局如圖5所示。從圖5中可以看出，很多節點之間存在空洞問題，節點網絡連通性受到極大限制。為此，需要重新進行通信節點部署。

電力通信網絡環境和參數設置：部署區域100 m×100 m，通信網絡可移動節點24個，通信網絡靜態節點5個，最大通信半徑5 m，最小通信半徑2 m，初始網絡覆蓋面積256 m2，初始網絡連通性85.3%。

2.2 改進果蠅算法相關參數設置

改進果蠅算法求解過程中，設置的相關參數如下：果蠅群體24個，最大迭代次數(收斂條件)200次，周期10個，單位周期迭代20次，搜索區間5 m，初始化果蠅群體位置(10 m，15 m)，可變步長0.2、0.5、1.0 m。

2.3 電力通信網絡節點優化部署

利用研究算法對圖5中各個可移動節點進行重新部署，優化部署方案如圖6所示。

圖6 優化部署方案

相同實驗條件下，利用文獻[2]、文獻[3]、文獻[4]算法進行電力通信網絡節點優化部署，得到部署方案。

2.4 算法優化效果統計

統計章節2.3電力通信網絡節點優化部署方案的覆蓋率以及節點連通性，結果見表1。

表1 4種算法的覆蓋率優化效果統計

從表1中可以看出，利用4種算法進行電力通信網絡節點優化部署，其中本文所研究算法應用下部署方案覆蓋率達到97.56%、節點連通性達到96.31%，與文獻[2]、文獻[3]、文獻[4]算法應用下的部署方案相比，優化效果更為明顯，說明本文所研究算法性能更優。

3 結語

綜上所述，隨著業務智能化需求的不斷提高，對電力系統中通信網絡的通信能力要求也隨之增長。然而，當前電力通信網絡最大的缺點，尤其在偏遠地區，通信覆蓋率經常出現空洞問題，導致很多地方出現信號差或者信號盲區，無法通信。為此，本文研究一種基于SDN的電力通信網絡覆蓋優化算法。該算法通過一種智能尋優算法來優化部署方案，從而增大覆蓋面積。該算法經過仿真實驗分析，證明算法的優化效果。然而，本研究仍存在缺陷，即在部署當中沒有將地理環境、距離遠近、信號強弱等因素考慮在內，與實際情況存在一定差距，因此有待進一步研究和應用。