毛 瑞，陳亞琨，李昭靜

（鄭州電力高等專科學(xué)校 信息通信學(xué)院，河南 鄭州 450000）

0 引 言

日前，在國(guó)家電力終端通信接入網(wǎng)的具體建設(shè)和營(yíng)運(yùn)中設(shè)置有多個(gè)業(yè)務(wù)部門。各部門按照各自實(shí)際業(yè)務(wù)以獨(dú)立形式實(shí)現(xiàn)建網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)維護(hù)方面也體現(xiàn)了獨(dú)立性。在多部門共同組建下實(shí)現(xiàn)了多層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，各業(yè)務(wù)在向電力通信網(wǎng)內(nèi)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(wǎng)具有更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和更龐大的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。在保證國(guó)家電力通信網(wǎng)不做出改變的基礎(chǔ)上，可通過(guò)增設(shè)終端接入網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò)融合網(wǎng)關(guān)兩項(xiàng)功能實(shí)體，制定以雙通信代理機(jī)制為基礎(chǔ)的異構(gòu)網(wǎng)協(xié)同融合傳輸方案。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)資源分配算法，保證在多業(yè)務(wù)全面接入且多網(wǎng)絡(luò)保持動(dòng)態(tài)協(xié)同的同時(shí)，更加充分合理地分配網(wǎng)絡(luò)資源。

1 網(wǎng)絡(luò)協(xié)同融合

當(dāng)前，光纖專網(wǎng)、中壓電力線載波以及公用移動(dòng)通信等是電力終端通信接入網(wǎng)所采用的主要通信方式。其中，光纖專網(wǎng)涵蓋了無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)以太網(wǎng)以及光調(diào)制解調(diào)器等。終端通信接入網(wǎng)中出現(xiàn)的多模終端可支持多種不同接入技術(shù)，并可實(shí)現(xiàn)異構(gòu)環(huán)境覆蓋，這就引發(fā)了新的網(wǎng)絡(luò)資源分配問(wèn)題。這些網(wǎng)絡(luò)不管是在系統(tǒng)目標(biāo)和業(yè)務(wù)QoS體系，還是接入方式和傳輸方式等方面都沒(méi)有體現(xiàn)出統(tǒng)一性，有關(guān)網(wǎng)絡(luò)資源的具體管理機(jī)制也體現(xiàn)出明顯差異性。

為了在終端通信接入網(wǎng)中更加合理地分配網(wǎng)絡(luò)資源，本文以不改變電力通信網(wǎng)中各種體制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，增設(shè)終端接入網(wǎng)關(guān)（EA-GW）和網(wǎng)絡(luò)融合網(wǎng)關(guān)（NI-GW）兩種功能實(shí)體機(jī)，以此提出雙通信代理機(jī)構(gòu)異構(gòu)網(wǎng)協(xié)同融合傳輸設(shè)計(jì)方案，具體如圖1所示。在此方案支持下，促使通信網(wǎng)絡(luò)和電力業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)解耦，統(tǒng)一位于異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)多業(yè)務(wù)的接入和承載[1]。其中，NI-GW主要是以向上的方向來(lái)承載有關(guān)業(yè)務(wù)需求，EA-GW按照統(tǒng)一化原則設(shè)置終端接口，同步虛擬各類終端資源。EA-GW和NI-GW兩者關(guān)聯(lián)中可選一種或多種通信方式，具體主要基于實(shí)際業(yè)務(wù)需求決定資源調(diào)度策略及具體的通信方式[2]。從業(yè)務(wù)層來(lái)看，EA-GW和NI-GW相互所建通信網(wǎng)絡(luò)具有透明的特點(diǎn)，兩者均直面終端虛擬資源。在本文所提的融合網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)方案下，可基于運(yùn)營(yíng)策略、用戶策略以及網(wǎng)絡(luò)資源狀態(tài)等在多網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)環(huán)境中，促使業(yè)務(wù)在差異化網(wǎng)絡(luò)間智能切換網(wǎng)絡(luò)智能選擇技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)技術(shù)，使資源分配及網(wǎng)絡(luò)選擇具有更細(xì)致的顆粒度，保證接入更加靈活，且能夠?qū)崿F(xiàn)多業(yè)務(wù)的綜合接入，保證多網(wǎng)絡(luò)保持動(dòng)態(tài)協(xié)同。

圖1 網(wǎng)絡(luò)融合網(wǎng)關(guān)及終端接入網(wǎng)關(guān)

2 網(wǎng)絡(luò)資源具體分配

當(dāng)前，圍繞網(wǎng)絡(luò)資源分配策略開(kāi)展的一系列研究中，所設(shè)定的環(huán)境均屬于異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，具有功率分配、負(fù)載控制、接納控制以及切換控制等功能。關(guān)鍵性目的是在遵循信道特性的前提下，當(dāng)信道由于干擾因素出現(xiàn)一定的幅度改變時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)有線網(wǎng)絡(luò)資源的動(dòng)態(tài)調(diào)整與靈活分配，促使無(wú)線用戶終端獲得QoS保障，使無(wú)線頻譜的利用率達(dá)到最大，避免發(fā)生網(wǎng)絡(luò)堵塞情況。

有學(xué)者以系統(tǒng)最大吞吐量為基礎(chǔ)提出了聯(lián)合分配算法，該算法在設(shè)計(jì)中將分配帶寬設(shè)定為連續(xù)變量[3]。相繼有專家學(xué)者對(duì)該算法進(jìn)行了深度研究，并改進(jìn)了求解算法。選用牛頓迭代法，增設(shè)了對(duì)最大發(fā)送功率的限制要求，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)差異化業(yè)務(wù)需求的綜合考量，確保時(shí)延受限用戶具備最小的基礎(chǔ)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(wǎng)相比，電力通信網(wǎng)中的業(yè)務(wù)類型具有一定特殊性。這要求其在網(wǎng)絡(luò)資源分配中要考慮相應(yīng)的特殊性，有區(qū)別的制定分配策略。電力通信網(wǎng)根據(jù)電網(wǎng)的運(yùn)行和生產(chǎn)及企業(yè)的經(jīng)營(yíng)和管理等特點(diǎn)將承載業(yè)務(wù)分為管理信息化業(yè)務(wù)和電網(wǎng)生產(chǎn)調(diào)度業(yè)務(wù)兩大類。本文設(shè)定在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，通過(guò)雙信道代理機(jī)制聯(lián)合網(wǎng)關(guān)EA-GW和NI-GW實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)，討論分析終端通信接入網(wǎng)中涉及到的網(wǎng)絡(luò)資源分配策略，并設(shè)計(jì)電力通信網(wǎng)下有限網(wǎng)絡(luò)資源的合理化分配框架，如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)資源分配框架

圍繞網(wǎng)絡(luò)流量的相應(yīng)分配機(jī)制涉及到兩個(gè)組成部分，分別為流量分配策略和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)認(rèn)知。設(shè)計(jì)以NI-GW為基礎(chǔ)，業(yè)務(wù)從應(yīng)用層方向發(fā)出后，由傳輸層實(shí)現(xiàn)封裝，進(jìn)而傳輸至網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層接收后流量分配器自動(dòng)啟動(dòng)，按照流量有關(guān)分配方式，在網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)模塊發(fā)揮作用下得到對(duì)應(yīng)的分配依據(jù)，分別計(jì)算單個(gè)網(wǎng)絡(luò)所分配到的實(shí)際流量，最后分配結(jié)果會(huì)向流量相應(yīng)的分配執(zhí)行模塊中進(jìn)行傳輸，從而獲得流量分配控制效果。

業(yè)務(wù)流量在具體分配中，要始終掌握各項(xiàng)信息，并準(zhǔn)確預(yù)估EA-GW狀態(tài)。要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，就需要網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)相應(yīng)檢測(cè)模塊從多個(gè)層面檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。在異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，用戶移動(dòng)、用戶發(fā)起會(huì)話以及終止會(huì)話都會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)承載負(fù)載在大小方面體現(xiàn)時(shí)變性，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、各節(jié)點(diǎn)移動(dòng)以及網(wǎng)絡(luò)各種干擾在終端通信接入網(wǎng)內(nèi)部均會(huì)保持可預(yù)知狀態(tài)，則網(wǎng)絡(luò)資源細(xì)化分配環(huán)節(jié)能夠直觀反映網(wǎng)絡(luò)鏈路傳輸具體性能的改變狀態(tài)。

由于一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中并存有多個(gè)網(wǎng)絡(luò)，并且各網(wǎng)絡(luò)涉及到差異化的網(wǎng)絡(luò)性能和業(yè)務(wù)分布情況，因此當(dāng)某網(wǎng)絡(luò)在某時(shí)隙要承擔(dān)繁重業(yè)務(wù)時(shí)，就有很大幾率發(fā)生網(wǎng)絡(luò)繁忙和擁塞等，相應(yīng)的某網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)業(yè)務(wù)非常清閑，進(jìn)而降低網(wǎng)絡(luò)利用率。所以說(shuō)，單一按照網(wǎng)絡(luò)鏈路時(shí)延設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)資源分配算法，不僅無(wú)法有效反映網(wǎng)絡(luò)性能，而且無(wú)法真實(shí)反映網(wǎng)絡(luò)實(shí)際業(yè)務(wù)狀態(tài)，不能解決異構(gòu)網(wǎng)面臨的業(yè)務(wù)流量分配缺乏均衡性的問(wèn)題。為此，要深層次探究異構(gòu)網(wǎng)所具備的網(wǎng)絡(luò)吞吐量、網(wǎng)絡(luò)平均時(shí)延以及網(wǎng)絡(luò)容量等各方面體現(xiàn)出的獨(dú)有特征，圍繞各特性探索出有效的業(yè)務(wù)流量分配算法。

通過(guò)研究電力終端通信接入網(wǎng)中異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)不同的EA-GW性能，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況和網(wǎng)絡(luò)時(shí)延性能，本文研究并設(shè)計(jì)了以時(shí)延負(fù)載感知實(shí)現(xiàn)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源分配算法?；诰W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)相對(duì)準(zhǔn)確的估計(jì)時(shí)延，進(jìn)而反映網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，在多種電力終端通信接入網(wǎng)充分利用的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)資源的有效傳輸。在網(wǎng)絡(luò)具有較重負(fù)載情況下，可分配相對(duì)少量的業(yè)務(wù)流量，將更多業(yè)務(wù)量適度分配給當(dāng)前負(fù)載相對(duì)輕的網(wǎng)絡(luò)，使異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)保持均衡的業(yè)務(wù)分布狀態(tài)，進(jìn)而促使網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行得更加穩(wěn)定、高效且連續(xù)，并在此基礎(chǔ)上有效優(yōu)化分組丟包率及分組傳輸相應(yīng)平均鏈路時(shí)延等綜合性能，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，促使業(yè)務(wù)具有的QoS保證更加優(yōu)良[5]。在NI-GW中設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)資源相關(guān)分配策略，要將時(shí)間戳添加到EA-GW通用鏈路層所對(duì)應(yīng)的公共包頭上，明晰記錄分組準(zhǔn)確發(fā)送時(shí)間，目的節(jié)點(diǎn)接收到分組后，可同步得到分組時(shí)延并自動(dòng)計(jì)算。目的節(jié)點(diǎn)每經(jīng)過(guò)一個(gè)固定的時(shí)間間隔，就統(tǒng)計(jì)一次分組平均時(shí)延，統(tǒng)計(jì)結(jié)果通過(guò)網(wǎng)絡(luò)同步給源節(jié)點(diǎn)提供反饋。之后源節(jié)點(diǎn)根據(jù)相關(guān)時(shí)延數(shù)據(jù)與信息，掌握其體現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況，以此為依據(jù)控制之后網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流的分配情況。在網(wǎng)絡(luò)傳輸中，分組平均時(shí)延與網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和業(yè)務(wù)繁重程度呈正相關(guān)。

3 算法性能驗(yàn)證

本文在算法性能驗(yàn)證中選擇OPNET Modeler仿真工具，將時(shí)延加入到網(wǎng)絡(luò)鏈路中來(lái)模擬網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的變化情況。結(jié)合統(tǒng)計(jì)所得的時(shí)延數(shù)據(jù)，掌握網(wǎng)絡(luò)負(fù)載狀態(tài)，以此為依據(jù)決定流量分配決策[6]。在仿真中，驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源分配算法，同時(shí)與負(fù)載感知流量分配算法（定時(shí)反饋）和均勻分配算法作出對(duì)比。

在仿真中，主要考察一對(duì)業(yè)務(wù)丟包情況和時(shí)延情況，基于平均分組丟包率和傳輸中分組的平均時(shí)延衡量流量分配算法的具體性能。同時(shí)，統(tǒng)計(jì)流量分配算法下相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷，對(duì)比3種算法下的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷，驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)分配算法的業(yè)務(wù)傳輸性能相對(duì)優(yōu)良，并且相關(guān)流量分配算法下涉及到的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷也顯著減少。3種算法從分組平均時(shí)延層面對(duì)比，均勻分配流量算法保持最大，負(fù)載感知流量分配算法的分組平均時(shí)延相對(duì)較小，而本文所設(shè)計(jì)分配算法保持最低分組平均時(shí)延。從分組丟包率層面對(duì)比，均勻分配算法和負(fù)載感知流量分配算法兩者的分組丟包率大小相當(dāng)，而本文所設(shè)計(jì)分配算法保有最低的分組丟包率。

4 結(jié) 論

本文在電力終端通信接入網(wǎng)維持現(xiàn)狀條件下，提出一種以雙通信代理機(jī)制為基礎(chǔ)的異構(gòu)網(wǎng)協(xié)同融合網(wǎng)關(guān)，并基于NI-GW模塊進(jìn)行以時(shí)延為基礎(chǔ)具備負(fù)載感知機(jī)制的相關(guān)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源分配算法。通過(guò)準(zhǔn)確預(yù)估節(jié)點(diǎn)時(shí)延，真實(shí)反映網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，最終充分有效利用各類電力終端通信接入網(wǎng)有限的傳輸資源。經(jīng)過(guò)仿真驗(yàn)證，本文所設(shè)計(jì)分配策略在分配業(yè)務(wù)流量時(shí)，具有優(yōu)良的時(shí)延性能，并且網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷顯著降低，傳輸質(zhì)量?jī)?yōu)良。