CN104202243A - 广域后备保护中多路径同时传输的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力通信技术领域，是一种广域后备保护中多路径同时传输的方法，首先，选择所有路径中路径性能评价值最优的路径，其路径性能评价值设定为；然后，将各路径性能评价值和进行比较；最后，根据路径选择评价的结果进行路径选择，将数据传输切换到最优路径集上。本发明针对SCTP协议特征进行路径选择，得到最优路径集合；将路径传输切换到最优路径集合上进行多路径同时传输，本发明使得偶联的吞吐量得到提高，平均数据传输时延得到降低，数据传输时延波动较小，从而为无缝切换的实现奠定基础，保证广域后备保护的可靠性，提高偶联资源的利用率和数据传输效率。

Description

广域后备保护中多路径同时传输的方法

技术领域

本发明涉及电力通信技术领域，是一种广域后备保护中多路径同时传输的方法。

背景技术

目前，广域后备保护的信息传输仍然基于传统的传输层协议TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）或者UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议），使用TCP或者UDP进行数据传输只能够建立单一路径，并且无法进行切换。这样，在由于极端自然灾害引发的倒杆塔、断线事故中，传统传输层协议无法执行路径自动切换，影响通信信息传输的可靠性。

 SCTP（Stream Control Transmission Protocol，流控制传输协议）协议是新兴的传输层协议，具有很多值得研究和应用的新特性，多归属主机特性就是其中之一。越来越多的终端配备了多接口为CMT（Concurrent Multipath Transfer，多路径同时传输）的应用提供了方便，CMT能够在所有路径上传输数据从而使得网络资源利用最大化。

电力通信网络中两个站点间一般都拥有两条以上的通信链路，董雪源等提出了将SCTP应用于广域后备保护信息传输的方法。但是，在传统的SCTP标准中，多路径的建立是为了能够在主路径出现故障或严重超时重传的情况下能够及时切换，这样备选路径就是冗余的，SCTP标准存在单路径传输不能充分利用偶联资源、遇到故障路径切换不及时的问题。

发明内容

本发明提供了一种广域后备保护中多路径同时传输的方法，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决现有电力通信网络信息传输过程中存在的备选路径冗余、SCTP标准采用单路径传输、不能充分利用偶联资源、遇到故障路径切换不及时的问题。

本发明的技术方案是通过以下措施来实现的：一种广域后备保护中多路径同时传输的方法，按下述步骤进行：

步骤101，在两个通信站点之间建立不少于两条路径；

步骤103：预测得到各路径的时延和带宽，将备选路径的时延、带宽分别和主路径的时延、带宽进行比较，得到路径评价值，评价公式如公式1所示，

                                (1)

其中，为路径的路径评价值，，其中为主路径的路径评价值；的值越大，路径性能越好，是主路径的时延，是主路径的带宽，主路径的时延和带宽根据数据传输中获取的时延和带宽进行更新；是备选路径的时延，是备选路径的带宽，，和分别为路径评价参数，且，，；

步骤105：选择所有路径中值最大的路径，并将其路径评价值设定为；

步骤107：将各路径评价值和进行比较，得到路径选择评价值，评价公式如公式2所示，

                                 (2)

步骤109：根据以下公式，选出最优路径集合；

For   IF Then

其中，为路径选择评价值，为路径选择评价值阈值，为最优路径集合，路径选择评价值阀值取值，包含一条或一条以上的路径；

步骤111：将数据传输切换到步骤109所选择的最优路径集合上后，重复步骤103。

下面是对上述发明技术方案的进一步优化或/和改进：

上述在步骤103中，预测得到各路径的带宽，按照如下步骤进行：

步骤1031：设定基数和变量的初始值，使， =1；

步骤1032：测定从到的连续个可用带宽的值；

步骤1033：初始化滤波器权重系数向量；

步骤1034：计算预测基数参数向量，将测定的从到的个可用带宽的值依次赋给预测基数参数向量的向量元素，预测基数参数向量为列向量；

步骤1035：通过滤波器权重系数向量和预测基数参数向量，通过公式预测第个可用带宽的值；

步骤1036：测定第个可用带宽的值；

步骤1037：计算预测的第个可用带宽的值和预测的第个可用带宽的值之间的误差；计算公式是：，其中，为测定的第个可用带宽的值，为预测的第个可用带宽的值；

步骤1038：根据公式计算收敛因子的值，其中，为测定的第个可用带宽的值；

步骤1039：根据公式，修改滤波器的权重系数向量；

步骤10310：判断是否需要预测下一个可用带宽的值，如果需要，则执行步骤10311；否则，结束流程；

步骤10311：变量加1，返回步骤1034，使用修改后的滤波器的权重系数向量，进行下一个可用带宽的值的预测。

上述在步骤1032中，数据发送端发送数据包，同时监测数据包发送速率，设定当前数据包发送速率为当前可用带宽；同时根据发送速率的改变比例改变当前可用带宽；连续测定从到的个可用带宽的值。

上述在步骤1033中，滤波器权重系数向量为：，其中，向量元素的初始值为，。

上述在步骤103中，，则主路径的路径评价值为，备选路径和的路径评价值分别为和。

上述在步骤109中，。

本发明利用预测得到的各路径的时延和带宽，将备选路径的时延、带宽分别和主路径的时延、带宽进行比较，得到路径评价值，选择所有路径中路径性能评价值最优的路径，其路径性能评价值设定为；然后，将各路径性能评价值和进行比较，选出最优路径集合；最后，根据路径选择评价的结果进行路径选择，将数据传输切换到最优路径集上。本发明提供的方法，能够在路径性能恶化及时，准确地进行主路径自动切换，降低了路径自动切换时间，从而能够有效应对电网中发生极端自然灾害导致的倒杆塔事故，保证广域后备保护通信传输的可靠性；同时，本发明提供的方法使得偶联的吞吐量得到提高，平均数据传输时延得到降低，数据传输时延波动较小，从而为无缝切换的实现奠定基础，并且提高偶联资源的利用率和数据传输效率。

附图说明

附图1为本发明实施例的广域后备保护中多路径同时传输的方法的流程示意图。

附图2为本发明实施例的预测得到个路径的带宽的流程示意图。

附图3为本发明实施例的网络拓扑结构示意图。

附图4为采用SCTP方法数据传输时延随时间变化的示意图。

附图5为采用CMT方法数据传输时延随时间变化的示意图。

附图6为采用BPSCTP 方法数据传输时延随时间变化的示意图。

附图中的编码分别为：0为发送端，1为发送端第一接口，2为发送端第二接口，3为发送端第三接口，4为第一路由，5为第二路由，6为第三路由，7为第四路由，8为第五路由，9为第六路由，10为接收端第一接口，11为接收端第二接口，12为接收端第三接口，13为接收端。

具体实施方式

本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述：

如附图1所示，该广域后备保护中多路径同时传输的方法，按下述步骤进行：

步骤101，在两个通信站点之间建立不少于两条路径；

步骤103：预测得到各路径的时延和带宽，将备选路径的时延、带宽分别和主路径的时延、带宽进行比较，得到路径评价值，评价公式如公式1所示，

                                (1)

其中，为路径的路径评价值，，其中为主路径的路径评价值；的值越大，路径性能越好，是主路径的时延，是主路径的带宽，主路径的时延和带宽根据数据传输中获取的时延和带宽进行更新；是备选路径的时延，是备选路径的带宽，，和分别为路径评价参数，且，，；在本实施例中，，则主路径的路径评价值为，备选路径和的路径评价值分别为和。

步骤105：选择所有路径中值最大的路径，并将其路径评价值设定为；

步骤107：将各路径评价值和进行比较，得到路径选择评价值，评价公式如公式2所示，

                                 (2)

步骤109：根据以下公式，选出最优路径集合；

For   IF Then

其中，为路径选择评价值，为路径选择评价值阈值，为最优路径集合，路径选择评价值阀值取值，在本实施例中，，包含一条或一条以上的路径；

步骤111：将数据传输切换到步骤109所选择的最优路径集合上后，重复步骤103。

在上述实施例中，预测各路径的时延和带宽为公知公用的技术手段，可以采用现有技术中的方法进行各路径时延和带宽的预测。

可根据实际需要，对上述广域后备保护中多路径同时传输的方法作进一步优化或/和改进：

优选地，如附图2所示，上述在步骤103中，预测得到各路径的带宽，按下述步骤进行：

步骤1031：设定基数和变量的初始值，基数的取值取决于经验值，一般情况下，本发明优选的取值范围是在25和100之间，因此本实施例中，取。变量的初始值取大于零的自然数，本实施例中变量的初始值取1。

步骤1032：测定从到的连续个可用带宽的值；

在数据发送端发送数据包，同时监测数据包发送速率，设定当前数据包发送速率为当前可用带宽；同时根据发送速率的改变比例改变当前可用带宽；测定从到的连续个可用带宽的值。

步骤1033：初始化滤波器权重系数向量；

滤波器权重系数向量是自适应滤波方法中的重要向量参数，在本发明中，就是通过调整滤波器权重系数向量中各个向量的数值，做出对适应系数的修正，从而实现对下一个可用带宽值的准确预测。本实施例中，滤波器权重系数向量为：；其中，向量元素的初始值为，。

步骤1034：计算预测基数参数向量，将测定的从到的个可用带宽的值依次赋给预测基数参数向量的向量元素，预测基数参数向量为列向量；

步骤1035：通过滤波器权重系数向量和预测基数参数向量，通过公式预测第个可用带宽的值；

步骤1036：测定第个可用带宽的值；

测定第个可用带宽的值使用的方法与步骤1032中，测定从到的连续个可用带宽的值使用的方法一样。

步骤1037：计算预测的第个可用带宽的值和预测的第个可用带宽的值之间的误差；计算公式是：，其中，为测定的第个可用带宽的值，为预测的第个可用带宽的值；

步骤1038：根据公式计算收敛因子的值，其中，为测定的第个可用带宽的值；

步骤1039：根据公式，修改滤波器的权重系数向量；

步骤10310：判断是否需要预测下一个可用带宽的值，如果需要，则执行步骤10311；否则，结束流程；

步骤10311：变量加1，返回步骤1034，使用修改后的滤波器的权重系数向量，进行下一个可用带宽的值的预测。时延的统计特性显著，即带宽具有很强的自相似性，可以考虑通过其自相似性寻求预测带宽的途径，在信号处理领域，自适应滤波是一种以适应系数和历史信号值为基础来预测某一时刻信号值的典型方法，该方法通过获取历史参数，调整过滤器系数，使它自动适应信号的统计特性，提高了预测的准确度。本发明利用网络的自相似性，在数据发送端通过实际测定的个可用的带宽值，使用自适应滤波方法，预测出下一个可用带宽的值，从而达到了精确预测下一个可用带宽值的目的。

以上技术特征构成了本发明的实施例，其具有较强的适应性和实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。

本实施例采用NS2仿真实验环境进行验证，将两个电力通信节点之间的拓扑进行抽象，得出如附图3所示拓扑结构，包括发送端0、发送端第一接口1、发送端第二接口2、发送端第三接口3、第一路由4、第二路由5、第三路由6、第四路由7、第五路由8、第六路由9、接收端第一接口10、接收端第二接口11、接收端第三接口12、接收端13。

在该拓扑结构中，“发送端第一接口1”、“发送端第二接口2”和“发送端第三接口3”为数据发送端的三个接口，分别拥有独立的IP地址；同样，“接收端第一接口10”、“接收端第二接口11”和“接收端第三接口12”分别是数据接收端三个接口，也分别拥有独立的IP地址。

网络拓扑中设置的各个链路带宽初始值为5M，时延为300ms。

本文中的实验过程模拟设置了三个阶段来模拟电力通信网络发生故障以及故障恢复过程中SCTP路径切换动作，分别为：

阶段1：实验开始时（第0秒），路径1(链路0-1-4-7-10-13)性能恶化，带宽值降低为1M，时延增加到1200ms，同时，路径2（链路0-2-5-8-11-13）和路径3（链路0-3-6-9-12-13）性能则保持不变；

阶段2：经过5秒后，路径1性能转好，带宽值恢复为5M，时延恢复为300ms，路径2性能恶化，带宽值降低为1M，时延增加到1200ms，路径3性能不变；

阶段3：经过10秒后，路径3性能恶化，带宽值降低为1M，时延增加1200ms，路径2性能转好，带宽值恢复为5M，时延恢复为300ms，路径1性能不变。

本实施例使用三种方法在附图3所描述的拓扑环境中进行数据传输，从而验证多路径同时传输中路径切换的性能，三种方法分别为传统SCTP方法进行数据传输（“SCTP”）、多路径同时传输方法进行数据传输（“CMT”）以及本发明提供的广域后备保护中多路径同时传输的方法（“BPCMT”）。

表1为三种方法分别进行数据传输得到的平均数据传输时延对比，从表1中数据可以看出，“BPCMT”方法传输的平均数据传输时延最小。在实验中，偶联遇到三次路径性能变化，三种方法给出的反应不同。“SCTP”方法是基于最优路径进行传输的单路径传输方法，当主路径性能发生改变时，虽然主路径性能低于备选路径，但是主路径没有发送断开错误，所以路径切换不会发生，数据将在偶联所以路径中性能较差的路径上传输，平均数据传输时延最大。在“CMT”方法中，因为多条路径进行数据传输，各路径的数据传输时延经过平均计算后得到降低，但是由于性能差的路径在这里起到对了“木桶理论”的“短板”的效果，路径性能的进一步提升受到限制。在“BPCMT”方法中，因为选择性能优秀的路径进行数据传输，使用多条性能差异不大路路径使得偶联的平均数据传输时延进一步降低。从表1可以得出，“BPCMT”方法的有效数据包数量上在“CMT”方法和“SCTP”方法分别高出了5.5%和15.5%。

附图4、附图5、附图6为三种方法分别进行数据传输得到的时延随时间变化曲线，从表中数据可以看出，“BPCMT”方法传输的时延变化最稳定。在实验中，偶联遇到三次路径性能变化，三种方法给出的反应不同。如图4所示，“SCTP”方法是基于最优路径进行传输的单路径传输方法，当主路径性能发生改变时，虽然主路径性能低于备选路径，但是主路径没有发送断开错误，所以路径切换不会发生，数据将在偶联所以路径中性能较差的路径上传输，导致时延波动较大并且时延较高。如图5所示，在“CMT”方法中，因为多条路径进行数据传输，路径性能得到有效提升，时延得到降低但是波动仍然较大，路径性能的进一步提升受到限制。如图6所示，在“BPCMT”方法中，因为选择性能优秀的路径进行数据传输，使用多条性能差异不大路路径使得偶联的平均数据传输时延波动较小且较低。

由于“BPCMT”方法选择最优路径集进行数据传输，由以上实验证明，偶联的吞吐量得到提高，平均数据传输时延得到降低，数据传输时延波动较小，从而实现了无缝切换。

表1：三种方法平均数据传输时延对比

数据传输方法	平均数据传输时延/ms
		SCTP	474.9
CMT	424.5
		BPCMT	401.2

Claims (10)

1.一种广域后备保护中多路径同时传输的方法，其特征在于按下述步骤进行：

步骤101，在两个通信站点之间建立不少于两条路径；

步骤103：预测得到各路径的时延和带宽，将备选路径的时延、带宽分别和主路径的时延、带宽进行比较，得到路径评价值，评价公式如公式1所示，

                                (1)

其中，为路径的路径评价值，，其中为主路径的路径评价值；的值越大，路径性能越好，是主路径的时延，是主路径的带宽，主路径的时延和带宽根据数据传输中获取的时延和带宽进行更新；是备选路径的时延，是备选路径的带宽，，和分别为路径评价参数，且，，； 

步骤105：选择所有路径中值最大的路径，并将其路径评价值设定为；

步骤107：将各路径评价值和进行比较，得到路径选择评价值，评价公式如公式2所示，

                                 (2)

步骤109：根据以下公式，选出最优路径集合；

For   IF Then

其中，为路径选择评价值，为路径选择评价值阈值，为最优路径集合，路径选择评价值阀值取值，包含一条或一条以上的路径；

步骤111：将数据传输切换到步骤109所选择的最优路径集合上后，重复步骤103。

2.根据权利要求1所述的广域后备保护中多路径同时传输的方法，其特征在于在步骤103中，预测得到各路径的带宽，按照如下步骤进行：

步骤1031：设定基数和变量的初始值，使， =1；

步骤1032：测定从到的连续个可用带宽的值；

步骤1033：初始化滤波器权重系数向量；

步骤1034：计算预测基数参数向量，将测定的从到的个可用带宽的值依次赋给预测基数参数向量的向量元素，预测基数参数向量为列向量 ；

步骤1035：通过滤波器权重系数向量和预测基数参数向量，通过公式预测第个可用带宽的值；

步骤1036：测定第个可用带宽的值；

步骤1037：计算预测的第个可用带宽的值和预测的第个可用带宽的值之间的误差；计算公式是：，其中，为测定的第个可用带宽的值，为预测的第个可用带宽的值；

步骤1038：根据公式计算收敛因子的值，其中，为测定的第个可用带宽的值；

步骤1039：根据公式，修改滤波器的权重系数向量；

步骤10310：判断是否需要预测下一个可用带宽的值，如果需要，则执行步骤10311；否则，结束流程；

步骤10311：变量加1，返回步骤1034，使用修改后的滤波器的权重系数向量，进行下一个可用带宽的值的预测。

3.根据权利要求2所述的广域后备保护中多路径同时传输的方法，其特征在于在步骤1032中，数据发送端发送数据包，同时监测数据包发送速率，设定当前数据包发送速率为当前可用带宽；同时根据发送速率的改变比例改变当前可用带宽；连续测定从到的个可用带宽的值。

4.根据权利要求1或2或3所述的广域后备保护中多路径同时传输的方法，其特征在于在步骤1033中，滤波器权重系数向量为：，其中，向量元素的初始值为，。

5.根据权利要求1或2或3所述的广域后备保护中多路径同时传输的方法，其特征在于在步骤103中，，则主路径的路径评价值为，备选路径和的路径评价值分别为和。

6.根据权利要求4所述的广域后备保护中多路径同时传输的方法，其特征在于在步骤103中，，则主路径的路径评价值为，备选路径和的路径评价值分别为和。

7.根据权利要求1或2或3所述的广域后备保护中多路径同时传输的方法，其特征在于在步骤109中，。

8.根据权利要求4所述的广域后备保护中多路径同时传输的方法，其特征在于在步骤109中，。

9.根据权利要求5所述的广域后备保护中多路径同时传输的方法，其特征在于在步骤109中，。

10.根据权利要求6所述的广域后备保护中多路径同时传输的方法，其特征在于在步骤109中，。