CN104883696A - 电力信息物理系统无线通信网等价多路径动态控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了电力信息物理系统无线通信网等价多路径动态控制方法，针对电力CPS无线通信网络建立多约束优化模型，模型在传统ECMP模型的基础上，结合电力CPS无线通信网络结构特性，提出动态配置ECMP模型；模型将流入无线通信节点流量等于流出节点流量作为业务守恒约束，无线信道带宽上限作为链路容量约束，以最大链路利用率最小化为目标函数建立电力CPS无线通信网络多约束优化模型；在此模型的基础上提出动态配置ECMP最优负载均衡算法DECMP，实现网络负载均衡，得到电力CPS无线通信网络最优网络传输性能。

Description

电力信息物理系统无线通信网等价多路径动态控制方法

技术领域

本发明涉及一种电力信息物理系统优化数据传输方法，特别是涉及一种电力信息物理系统无线通信网等价多路径动态控制方法。

背景技术

电力信息物理系统(Cyber Physical System，CPS)是基于嵌入式设备的高效能网络化智能信息系统，它通过一系列计算单元和物理对象在网络环境下的高度集成与交互来提高系统在信息处理、实时通信、远程精准控制以及组件自主协调等方面的能力，是时空多维异构的混杂自治系统；CPS在功能上主要考虑性能优化，是集计算、通信与控制3C(Computation，Communication，Control)技术于一体的智能技术，具有实时、安全、可靠、高性能等特点；相较于现有的实时嵌入式系统和网络控制系统，CPS关注资源的合理整合利用与调度优化，能实现对大规模复杂系统和广域环境的实时感知与动态监控，并提供相应的网络信息服务，且更为灵活、智能、高效。

电力CPS是将CPS技术引入智能电网，结合CPS系统体系架构，构造电力CPS体系结构；电力CPS主要由大量的计算设备、数据采集设备和物理设备组成；这些设备又通过2个大型网络互连；其中，各种信息设备通过通信网络相互连接，而各种物理设备则通过输电、配电网络相互连接；电力CPS不同于常见电网控制体系的特点是：电力CPS具有远大于智能电网的信息采集范围；电力CPS的通信网络是有线网络和无线网络的结合；电力CPS中包括大量分布式计算设备；在电力CPS中，各种负荷设备和分布式电源也与控制中心联网并可以由控制中心直接控制。

随着电网不断发展，使得具有电力流、信息流和业务流高度融合的电力CPS的运行和控制策略更加复杂，从电能协调控制到电力市场运营所需交互的大量业务流信息都需要经电网通信网络进行传输，使得电网正常运行对通信网的依赖程度越来越高；电力CPS的通信网络可由电力系统专用有线网络、一般有线网络和无线网络3个部分组成；电力系统专用有线网络一般用于连接控制中心和系统中的传感/控制设备；由于电力系统对于分析和控制的实时性要求很高，建立专用网络有助于降低通信延迟和提高信号传输可靠性；有线网络可用于连接非关键设备如部分计算设备、备份数据镜像等；无线网络可用于连接部分活动的设备如电动汽车等，也可用于连接系统中的无线传感设备；其中，无线通信网络由于其本身具有成本低、可扩展性好等特点，尤其使得配用电终端设备通信更加方便从而在电力CPS中广泛应用。

电力CPS作为多层且层与层之间相互耦合的复杂互联系统，无线通信网络是其重要组成部分，如何运用先进的无线通信技术是构建电力CPS的关键；且电力CPS具有大数据量的结构化数据、非结构化数据，如何合理传输分配这些数据，充分利用无线通信网络有限的网络带宽，避免链路瓶颈实现通信负载均衡成为无线通信网络在电力CPS中应用的关键；合理分流流量，实现负载均衡是提升网络承载能力的有效方法；负载均衡是指将网络中的业务流量建模成可调变量，将其按一定的规则进行分割，通过合理的路由算法并行传递数据，实现网络资源的有效利用；而传统的单一路径算法，不能保证电力CPS无线通信网络整体通信的路由可靠性和信息传递的时延性。

等价多路径(Equal Cost Multi-Path，ECMP)技术是当源、目的节点之间存在不止一条最短路径时，能同时使用多条最短路径，并在多条路径之间合理分配网络负载；ECMP为业务提供下一跳路由选择的等价多条最短路径，并将流量均衡分配于这些路径中，实现负载均衡；如果使用传统的路由技术，发往该目的地址的数据包只能利用其中的一条链路，其它链路处于备份状态或无效状态，并且在动态路由环境下相互的切换需要一定时间；等价多路径路由协议可以在该网络环境下同时使用多条链路，不仅增加了传输带宽，并且可以无时延无丢包地备份失效链路的数据传输；常用的求解ECMP问题的方法一般将ECMP路由问题抽象为一个混合整数规划(MIP)数学模型等；在这些传统ECMP流量分担研究中，基于网络中全部路由节点都具备ECMP功能成为主体；然而，全网节点开通ECMP功能并非能达到最优负载均衡，在实际电力CPS无线通信网络中，如果全部开通ECMP不仅会增加网络控制信息开销，反而会增大区域负载，形成网络拥塞；因此，若将ECMP技术应用于电力CPS无线通信网络中，需要更新传统ECMP模型及对应的相关负载均衡算法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种可以用于电力CPS无线通信网络多约束优化模型，针对该模型提出一种对应的动态配置ECMP最优负载均衡算法的电力CPS无线通信网络等价多路径动态控制方法。

电力信息物理系统无线通信网等价多路径动态控制方法，具有如下特点：针对电力CPS无线通信网络建立多约束优化模型，模型在传统ECMP模型的基础上，结合电力CPS无线通信网络结构特性，提出动态配置ECMP模型；模型将流入无线通信节点流量等于流出节点流量作为业务守恒约束，无线信道带宽上限作为链路容量约束，以最大链路利用率最小化为目标函数建立电力CPS无线通信网络多约束优化模型；在此模型的基础上提出动态配置ECMP最优负载均衡算法(DECMP)，实现网络负载均衡，得到电力CPS无线通信网络最优网络传输性能。

本发明的电力CPS无线通信网等价多路径动态控制方法，动态选择需开通ECMP节点，实现电力CPS无线通信网络更优负载均衡；与设定所有节点都具备ECMP功能的传统模型相比，本发明方法将减少网络内控制信息开销，减少特定区域的通信负载，使电力CPS无线通信网络运行达到更优负载均衡。

本发明针对电力CPS应用中业务不断增长，研究无线网络流量分担和负载均衡，形成电力信息物理融合系统CPS无线通信网等价多路径动态控制方法，动态控制方法提出一种动态选择开通ECMP算法DECMP；DECMP算法依据最大链路使用率max(z_e)和节点度k_x判定优先级，动态选择需开通ECMP节点；算法将流入节点流量等于流出节点流量作为业务守恒约束，链路带宽上限作为链路容量约束，以最大链路利用率最小化为目标函数，建立多约束优化模型，采用动态选择贪婪算法求解，以获取最优网络传输性能；仿真结果表明DECMP算法比已有基于链路繁忙趋势值(path potential value,PPV)的等价多路径路由选择算法有效降低最大链路使用率，消除网络局部拥塞隐患，并且减少传输延时和网络资源消耗，提升网络传输性能。

本发明的电力CPS无线通信网等价多路径动态控制方法，包括如下几个阶段：

(1)建立动态配置ECMP模型；

将电力CPS无线监测和信息采集终端设备抽象为节点，V＝{v1,v2,…,vn}；将可通信的各设备间无线信道抽象为链路边集，E＝{e1,e2,…,en}；则电力CPS系统数学建模为有向赋权图G＝(V,E)，其中每个节点(监测和信息采集终端设备)有唯一标识符，vi,i＝1,...,n为通信节点，具有信息采集和数据转发功能，V中各节点的有效传输距离λ₀相等，则E＝{e|D(v_j,v_k)≤λ₀,v_j,v_k∈V}；且相邻节点vj,vk共享同一无线介质，节点的信息发射功率：

$\left\{\begin{array}{cc}p(v_j,v_k)=\mathrm{\α}/{\mathrm{\λ}}^2& 0\≤\mathrm{\λ}\≤{\mathrm{\λ}}_0\\ p(v_j,v_k)=0& \mathrm{\λ}\≥{\mathrm{\λ}}_0\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中α为发射功率参数，依据实际网络节点发射模块类型决定。

当为网络节点v_i的状态向量，其中Eg_i为v_i的当前能量，定义当Eg_i≤α/λ₀ ²时节点v_i失效；k_i为v_i的节点度(v_i的最大邻节点数)，S_k为节点ECMP控制开关；

当为链路e_i上量度函数集；Ca(e_i):(带宽函数)链路e_i带宽上限；Me_max(e_i):(费用函数)经过链路e_i所消耗网络费用；μ_max(e_i):(延时函数)经过链路e_i所需最大延时。

并且定义网络传输业务矩阵F＝{f_st|源目的节点对v_s,v_t间的业务量,v_s,v_t∈V}；则业务守恒约束和链路容量约束定义如下：

$[\underset{\{v\left(e^{\′}\right)=s\}}{\mathrm{\Σ}}{x}_e^{+}+\underset{\{v\left(e_j\right)=s\}}{\mathrm{\Σ}}{x}_e^{-}]=-[\underset{\{v\left(e_j\right)=t\}}{\mathrm{\Σ}}{x}_e^{-}+\underset{\{v\left(e^{\′}\right)=t\}}{\mathrm{\Σ}}{x}_e^{+}]=f_{\mathrm{st}}---\left(3\right)$

$\&ForAll;\left|x_e^{+}\right|<\mathrm{Ca}\left(e\right),\&ForAll;\left|x_e^{-}\right|<\mathrm{Ca}\left(e\right)---\left(4\right)$

其中x⁺ _e为链路e上行流量，定义为正，v(eⁱ)＝s表示上行流量是由链路e的s端流入，其中eⁱ表示链路e中上行流量的终端节点；x^— _e为链路e下行流量，定义为负，v(e_j)＝t表示下行流量是由链路e的t端流出，其中e_j表示链路e的下行流量的始端节点，因此式(3)表示由信源节点v_s产生流量等于信宿节点v_t接收流量，等于信源信宿两点之间的业务量，保证业务守恒，式(4)表示对任意链路e上行|x⁺ _e|和下行|x^— _e|流量分布不超过链路单向带宽上限Ca(e)。

我们以链路带宽使用率为衡量网络是否存在拥塞的量度，定义如式(5)所示，因此优化目标为最小化最大链路使用率min{max(z_e)},e∈E；

$z_e=\max \left\{\right|\frac{x_e^{+}}{\mathrm{Ca}\left(e\right)}|,|\frac{x_e^{-}}{\mathrm{Ca}\left(e\right)}\}---\left(5\right).$

(2)动态配置ECMP最优负载均衡算法DECMP

由于传统ECMP协议会增加网络控制信息开销，消耗网络节点能量，因此在网络流量分担应用时设定配置节点比率η，即上限配置η·N个节点；

动态配置ECMP最优负载均衡算法DECMP每次仅选择配置优先级最高节点开通ECMP功能，随后对网络状态进行更新，重新计算负载分担，检测最大链路使用率max(z_e)是否下降，即提升网络均衡状态，并达到设计目标；若未满足，则在当前网络状态下选择配置优先级最高的节点；终止条件为网络最大链路使用率max(z_e)最小，或已达到η·N节点配置上限；动态配置策略是一种启发式贪婪算法，在考虑网络每次最新的负载状态条件下进行节点选择，以达到负载均衡效果最优。

DECMP算法的基本步骤如下：

Step1：初始化，将据电力CPS无线通信网络抽象成图，根据电力CPS无线通信网络业务流生成业务矩阵[H]作为算法的输入，并配置节点比率η；

Step2：比较已配置节点个数n和上限配置节点个数η·N；若n＞η·N，则输出节点ECMP最优配置并输出流量配置和路由，算法结束；反之，则下一步；

Step3：判断max(z_e)是否已达到最小，若max(z_e)已达最小，则输出节点ECMP最优配置并输出流量配置和路由，算法结束；反之，则下一步；

Step4：计算v_i的节点度k_i,v_i∈V，依据公式(6)计算配置ECMP优先级；

Step5：对当前最高优先级节点v_h开通ECMP，计算开通后新网络的等价最短多路径和链路使用率z_e,e∈E；判断max(z_e)是否降低，如果成立，则确定S_k(v_h)＝1，即v_h开通ECMP功能，跳转到Step2；否则，忽略v_h，跳转到Step5。

1)配置ECMP优先级计算

DECMP算法中决定节点动态选择的参数为配置ECMP优先级；当以节点v_x为出口的链路中存在高使用率时，则易产生拥塞，需要开通ECMP功能；而具有更高的节点度说明节点处于拓扑核心，并且具备更多连接链路分摊流量；因此本发明采用最大链路使用率max(z_e),{v(e_j)＝x}和节点度k_x衡量ECMP优先级，计算公式如式(6)；定义节点n的ECMP配置优先级为：

${\mathrm{\&delta;}}_x=\underset{\left\{e\right|v\left(e_j\right)=x\}}{\max }\left\{z_e\right\}\&CenterDot;k_x---\left(6\right)$

式中，{e|v(e_j)＝x}表示以节点v_x为出口的所有链路集合。

2)链路权重计算

链路权重决定了等价最短多路径的计算结果；在此定义链路权重为：对于业务f_st，当链路e为被选路径时，链路权重为传输业务所消耗的网络资源乘以该业务占用带宽；其数学表达式如下：

w(e,s,t)＝f_st×Me_max(e)  (7)

考虑应用中无线通信节点所携带电源有限，且工作环境复杂，部分场景无法更换电池，本发明同时考虑电力CPS无线通信网络的能耗问题，设定Me_max(e)为传输单位bit的能耗，即Me_max(e)＝E_Tx(τ,d)+E_Rx(τ)；其中发送能耗为：

E_Tx(τ,d)＝E_Tx-elec(τ)+E_Tx-amp(τ,d)＝E_elec×τ+ε_amp×τ×d^β  (8)

接收能耗为：E_Rx(τ)＝E_Rx-elec(τ)＝E_elec×τ  (9)

其中，E_elec(J/bit)表示发射装置(Transmit Electronics)和接收电路(Receive Electronics)每发送和接收单位bit的耗能；ε_amp(J/bit/m²)表示发射放大器将每bit传送单位平方米所耗的能量；针对不同传输模式，发射通道损失与距离d的β次方成正比，β一般取值2～4；

因此，信源s信宿t间传输路径Path_st的费用定义为：

(3)对DECMP算法性能进行评估

本发明从最大链路使用率，传输延时和网络资源消耗三个量度评估DECMP算法性能，并与基于链路繁忙趋势值(path potential value,PPV)的等价多路径路由选择算法进行比较分析；PPV算法计算等价路径上的链路趋势值和链路带宽的比值选择路径，避免重复利用某些热点链路，从而在一定程度上均衡了负载。

将电力CPS无线通信网络抽象成图，本发明计算环境设定每条链路传输容量2Mbps，路由信令2Kbits；发送数据报速率为3packets/s，数据大小为30报文长度，每个报文为10Kbits，发射功率满足公式(1)；网络图链路权值由公式(7)～(9)定义；每个节点携带能量为Eg(v_i)＝20J；通过仿真比较本发明的DECMP算法和PPV算法：

1)开通相同数量的ECMP节点

给出两种算法选择开通相同数量ECMP节点情况下的网络链路的最大使用率；在执行相同传输任务，DECMP算法比PPV算法具有更好的负载分担能力，降低网络中链路最大使用带宽；当选取节点数大于3以上，本文算法的链路的最大利用率平均低于PPV的7.87％，最大差值为14.58％。

2)开通不同数量ECMP节点

计算在开通不同数量ECMP节点情况下，平均网络传输延时；由运行结果可知，由于DECMP选择了更优节点开通ECMP功能，使得业务能够选择更短传输路径，从而降低平均网络传输延时，DECMP算法比PPV算法缩短延时18.5％；并且，当有较多节点可开通ECMP功能时，由于选择裕度增大，DECMP算法比PPV算法缩短延时9.9ms。

3)耗能对比

考虑网络能耗，定义网络资源损耗为节点能耗，假设节点总能耗为一定值；计算传输相同业务矩阵(即相同业务量和信源信宿)情况下的网络剩余能量；节点开通ECMP功能将消耗部分能量，但合理的动态配置有助于业务最优传输路径的选择，从而减缓网络能量消耗；DECMP算法比PPV算法在不同ECMP配置条件下节省网络能耗4.06％。

附图说明

图1是动态配置ECMP最优负载均衡方法流程图。

图2是动态配置ECMP算法性能评价仿真网络拓扑图。

图3是不同方法网络链路最大使用率对比效果图。

图4是不同方法平均网络传输延时对比效果图。

图5是不同方法网络资源消耗量对比效果图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的电力CPS无线通信网等价多路径动态控制方法做出详细说明。

本发明针对电力CPS应用中业务不断增长，研究无线网络流量分担和负载均衡，形成电力信息物理融合系统CPS无线通信网等价多路径动态控制方法，动态控制方法提出一种动态选择开通ECMP算法DECMP；DECMP算法依据最大链路使用率max(z_e)和节点度k_x判定优先级，动态选择需开通ECMP节点；算法将流入节点流量等于流出节点流量作为业务守恒约束，链路带宽上限作为链路容量约束，以最大链路利用率最小化为目标函数，建立多约束优化模型，采用动态选择贪婪算法求解，以获取最优网络传输性能；仿真结果表明DECMP算法比已有基于链路繁忙趋势值(path potential value,PPV)的等价多路径路由选择算法有效降低最大链路使用率，消除网络局部拥塞隐患，并且减少传输延时和网络资源消耗，提升网络传输性能。

本发明的电力CPS无线通信网等价多路径动态控制方法，包括如下几个阶段：

(1)建立动态配置ECMP模型；

将电力CPS无线监测和信息采集终端设备抽象为节点，V＝{v₁,v₂,…,v_n}；将可通信的各设备间无线信道抽象为链路边集，E＝{e₁,e₂,…,e_n}；则电力CPS系统数学建模为有向赋权图G＝(V,E)；其中每个节点(监测和信息采集终端设备)有唯一标识符，v_i,i＝1,...,n为通信节点，具有信息采集和数据转发功能；V中各节点的有效传输距离λ₀相等，则E＝{e|D(v_j,v_k)≤λ₀,v_j,v_k∈V}；且相邻节点v_j,v_k共享同一无线介质，节点的信息发射功率：

$\left\{\begin{array}{cc}p(v_j,v_k)=\mathrm{\&alpha;}/{\mathrm{\&lambda;}}^2& 0\&le;\mathrm{\&lambda;}\&le;{\mathrm{\&lambda;}}_0\\ p(v_j,v_k)=0& \mathrm{\&lambda;}\&GreaterEqual;{\mathrm{\&lambda;}}_0\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中α为发射功率参数，依据实际网络节点发射模块类型决定；

当为网络节点v_i的状态向量，其中Eg_i为v_i的当前能量，定义当Eg_i≤α/λ₀ ²时节点v_i失效；k_i为v_i的节点度(v_i的最大邻节点数)，S_k为节点ECMP控制开关；

当为链路e_i上量度函数集；Ca(e_i):(带宽函数)链路e_i带宽上限；Me_max(e_i):(费用函数)经过链路e_i所消耗网络费用；μ_max(e_i):(延时函数)经过链路e_i所需最大延时。

并且定义网络传输业务矩阵F＝{f_st|源目的节点对v_s,v_t间的业务量,v_s,v_t∈V}；则业务守恒约束和链路容量约束定义如下：

$[\underset{\{v\left(e^{\&prime;}\right)=s\}}{\mathrm{\&Sigma;}}{x}_e^{+}+\underset{\{v\left(e_j\right)=s\}}{\mathrm{\&Sigma;}}{x}_e^{-}]=-[\underset{\{v\left(e_j\right)=t\}}{\mathrm{\&Sigma;}}{x}_e^{-}+\underset{\{v\left(e^{\&prime;}\right)=t\}}{\mathrm{\&Sigma;}}{x}_e^{+}]=f_{\mathrm{st}}---\left(3\right)$

$\&ForAll;\left|x_e^{+}\right|<\mathrm{Ca}\left(e\right),\&ForAll;\left|x_e^{-}\right|<\mathrm{Ca}\left(e\right)---\left(4\right)$

其中x⁺ _e为链路e上行流量，定义为正，v(eⁱ)＝s表示上行流量是由链路e的s端流入，其中eⁱ表示链路e中上行流量的终端节点；x^— _e为链路e下行流量，定义为负，v(e_j)＝t表示下行流量是由链路e的t端流出，其中e_j表示链路e的下行流量的始端节点；因此式(3)表示由信源节点v_s产生流量等于信宿节点v_t接收流量，等于信源信宿两点之间的业务量，保证业务守恒；式(4)表示对任意链路e上行|x⁺ _e|和下行|x^— _e|流量分布不超过链路单向带宽上限Ca(e)。

我们以链路带宽使用率为衡量网络是否存在拥塞的量度，定义如式(5)所示；因此优化目标为最小化最大链路使用率min{max(z_e)},e∈E；

$z_e=\max \left\{\right|\frac{x_e^{+}}{\mathrm{Ca}\left(e\right)}|,|\frac{x_e^{-}}{\mathrm{Ca}\left(e\right)}\}---\left(5\right).$

(2)动态配置ECMP最优负载均衡算法DECMP

由于传统ECMP协议会增加网络控制信息开销，消耗网络节点能量，因此在网络流量分担应用时设定配置节点比率η，即上限配置η·N个节点；

动态配置ECMP最优负载均衡算法DECMP每次仅选择配置优先级最高节点开通ECMP功能，随后对网络状态进行更新，重新计算负载分担，检测最大链路使用率max(z_e)是否下降，即提升网络均衡状态，并达到设计目标；若未满足，则在当前网络状态下选择配置优先级最高的节点；终止条件为网络最大链路使用率max(z_e)最小，或已达到η·N节点配置上限；动态配置策略是一种启发式贪婪算法，在考虑网络每次最新的负载状态条件下进行节点选择，以达到负载均衡效果最优；动态配置ECMP最优负载均衡算法的实现流程如图1所示。

DECMP算法的基本步骤如下：

Step1：初始化，将据电力CPS无线通信网络抽象成图，根据电力CPS无线通信网络业务流生成业务矩阵[H]作为算法的输入，并配置节点比率η；

Step2：比较已配置节点个数n和上限配置节点个数η·N；若n＞η·N，则输出节点ECMP最优配置并输出流量配置和路由，算法结束；反之，则下一步；

Step3：判断max(z_e)是否已达到最小，若max(z_e)已达最小，则输出节点ECMP最优配置并输出流量配置和路由，算法结束；反之，则下一步；

Step4：计算v_i的节点度k_i,v_i∈V，依据公式(6)计算配置ECMP优先级；

Step5：对当前最高优先级节点v_h开通ECMP，计算开通后新网络的等价最短多路径和链路使用率z_e,e∈E；判断max(z_e)是否降低，如果成立，则确定S_k(v_h)＝1，即v_h开通ECMP功能，跳转到Step2；否则，忽略v_h，跳转到Step5。

1)配置ECMP优先级计算

DECMP算法中决定节点动态选择的参数为配置ECMP优先级；当以节点v_x为出口的链路中存在高使用率时，则易产生拥塞，需要开通ECMP功能；而具有更高的节点度说明节点处于拓扑核心，并且具备更多连接链路分摊流量；因此本发明采用最大链路使用率max(z_e),{v(e_j)＝x}和节点度k_x衡量ECMP优先级，计算公式如式(6)；定义节点n的ECMP配置优先级为：

${\mathrm{\&delta;}}_x=\underset{\left\{e\right|v\left(e_j\right)=x\}}{\max }\left\{z_e\right\}\&CenterDot;k_x---\left(6\right)$

式中，{e|v(e_j)＝x}表示以节点v_x为出口的所有链路集合。

2)链路权重计算

链路权重决定了等价最短多路径的计算结果；在此定义链路权重为：对于业务f_st，当链路e为被选路径时，链路权重为传输业务所消耗的网络资源乘以该业务占用带宽；其数学表达式如下：

w(e,s,t)＝f_st×Me_max(e)    (7)

考虑应用中无线通信节点所携带电源有限，且工作环境复杂，部分场景无法更换电池，本发明同时考虑电力CPS无线通信网络的能耗问题，设定Me_max(e)为传输单位bit的能耗，即Me_max(e)＝E_Tx(τ,d)+E_Rx(τ)；其中发送能耗为：

E_Tx(τ,d)＝E_Tx-elec(τ)+E_Tx-amp(τ,d)＝E_elec×τ+ε_amp×τ×d^β   (8)

接收能耗为：E_Rx(τ)＝E_Rx-elec(τ)＝E_elec×τ     (9)

其中，E_elec(J/bit)表示发射装置(Transmit Electronics)和接收电路(Receive Electronics)每发送和接收单位bit的耗能；ε_amp(J/bit/m²)表示发射放大器将每bit传送单位平方米所耗的能量；针对不同传输模式，发射通道损失与距离d的β次方成正比，β一般取值2～4。

因此，信源s信宿t间传输路径Path_st的费用定义为：

(3)DECMP算法性能评估

本发明从最大链路使用率，传输延时和网络资源消耗三个量度评估DECMP算法性能，并与基于链路繁忙趋势值(path potential value,PPV)的等价多路径路由选择算法进行比较分析；PPV算法计算等价路径上的链路趋势值和链路带宽的比值选择路径，避免重复利用某些热点链路，从而在一定程度上均衡了负载。

将电力CPS无线通信网络抽象成图，本发明采用拓扑用例如图2所示。

本发明计算环境设定每条链路传输容量2Mbps，路由信令2Kbits；发送数据报速率为3packets/s，数据大小为30报文长度，每个报文为10Kbits，发射功率满足公式(1)；网络图链路权值由公式(7)-(9)定义；每个节点携带能量为Eg(v_i)＝20J。

通过仿真比较本发明的DECMP算法和PPV算法：

1)开通相同数量的ECMP节点

如图3所示给出两种算法选择开通相同数量ECMP节点情况下的网络链路的最大使用率；由图可知，在执行相同传输任务，DECMP算法比PPV算法具有更好的负载分担能力，降低网络中链路最大使用带宽；当选取节点数大于3以上，本文算法的链路的最大利用率平均低于PPV的7.87％，最大差值为14.58％。

2)开通不同数量ECMP节点

计算在开通不同数量ECMP节点情况下，平均网络传输延时，如图4所示；由运行结果可知，由于DECMP选择了更优节点开通ECMP功能，使得业务能够选择更短传输路径，从而降低平均网络传输延时，DECMP算法比PPV算法缩短延时18.5％；并且，当有较多节点可开通ECMP功能时，由于选择裕度增大，DECMP算法比PPV算法缩短延时9.9ms。

3)耗能对比

考虑网络能耗，定义网络资源损耗为节点能耗，假设节点总能耗为一定值；计算传输相同业务矩阵(即相同业务量和信源信宿)情况下的网络剩余能量；由图5可知，节点开通ECMP功能将消耗部分能量，但合理的动态配置有助于业务最优传输路径的选择，从而减缓网络能量消耗；DECMP算法比PPV算法在不同ECMP配置条件下节省网络能耗4.06％。

Claims (7)

1.电力信息物理系统无线通信网等价多路径动态控制方法，其特征在于：针对电力CPS无线通信网络建立多约束优化模型，在传统ECMP模型的基础上，结合电力CPS无线通信网络结构特性，提出动态配置ECMP模型；在此模型的基础上提出动态配置ECMP最优负载均衡算法DECMP，实现网络负载均衡，得到电力CPS无线通信网络最优网络传输性能。

2.如权利要求1所述的电力信息物理系统无线通信网等价多路径动态控制方法，其特征在于：控制方法的动态选择需开通ECMP节点，实现电力CPS无线通信网络更优负载均衡，即通过减少网络内控制信息开销，减少特定区域的通信负载，使电力CPS无线通信网络运行达到更优负载均衡。

3.如权利要求2所述的电力信息物理系统无线通信网等价多路径动态控制方法，其特征在于：动态配置ECMP最优负载均衡算法DECMP依据最大链路使用率max(z_e)和节点度k_x判定优先级，动态选择需开通ECMP节点；算法将流入节点流量等于流出节点流量作为业务守恒约束，链路带宽上限作为链路容量约束，以最大链路利用率最小化为目标函数，建立多约束优化模型，采用动态选择贪婪算法求解，以获取最优网络传输性能。

4.如权利要求3所述的电力信息物理系统无线通信网等价多路径动态控制方法，其特征在于：建立动态配置ECMP模型时，将电力CPS无线监测和信息采集终端设备抽象为节点，V＝{v1,v2,…,vn}；将可通信的各设备间无线信道抽象为链路边集，E＝{e1,e2,…,en}；则电力CPS系统数学建模为有向赋权图G＝(V,E)；其中每个节点(监测和信息采集终端设备)有唯一标识符，vi,i＝1,...,n为通信节点，具有信息采集和数据转发功能；V中各节点的有效传输距离λ₀相等，则E＝{e|D(v_j,v_k)≤λ₀,v_j,v_k∈V}；且相邻节点vj,vk共享同一无线介质，节点的信息发射功率：

$\left\{\begin{array}{cc}p(v_j,v_k)=\mathrm{\&alpha;}/{\mathrm{\&lambda;}}^2& 0\&le;\mathrm{\&lambda;}\&le;{\mathrm{\&lambda;}}_0\\ p(v_j,v_k)=0& \mathrm{\&lambda;}\&GreaterEqual;{\mathrm{\&lambda;}}_0\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中α为发射功率参数，依据实际网络节点发射模块类型决定；

当为网络节点v_i的状态向量，其中Eg_i为v_i的当前能量，定义当Eg_i≤α/λ₀ ²时节点v_i失效；k_i为v_i的节点度(v_i的最大邻节点数)，S_k为节点ECMP控制开关；

当 ${\&ForAll;e}_i(v_j,v_k)\&Element;E,M\left(e_i\right)=\left\{\mathrm{Ca}\right\}\left(e_i\right),{\mathrm{Me}}_{\max }\left(e_i\right),{\mathrm{\&mu;}}_{\max }\left(e_i\right)\}$ 为链路e_i上量度函数集；Ca(e_i):(带宽函数)链路e_i带宽上限；Me_max(e_i):(费用函数)经过链路e_i所消耗网络费用；μ_max(e_i):(延时函数)经过链路e_i所需最大延时；

并且定义网络传输业务矩阵F＝{f_st|源目的节点对v_s,v_t间的业务量,v_s,v_t∈V}；则业务守恒约束和链路容量约束定义如下：

$[\underset{\{v\left(e^{\&prime;}\right)=s\}}{\mathrm{\&Sigma;}}{x}_e^{+}+\underset{\{v\left(e_j\right)=s\}}{\mathrm{\&Sigma;}}{x}_e^{-}]=-[\underset{\{v\left(e_j\right)=t\}}{\mathrm{\&Sigma;}}{x}_e^{-}+\underset{\{v\left(e^{\&prime;}\right)=t\}}{\mathrm{\&Sigma;}}{x}_e^{+}]=f_{\mathrm{st}}---\left(3\right)$

$\&ForAll;\left|x_e^{+}\right|<\mathrm{Ca}\left(e\right),\&ForAll;\left|x_e^{-}\right|<\mathrm{Ca}\left(e\right)---\left(4\right)$

其中x⁺ _e为链路e上行流量，定义为正，v(eⁱ)＝s表示上行流量是由链路e的s端流入，其中eⁱ表示链路e中上行流量的终端节点；x^— _e为链路e下行流量，定义为负，v(e_j)＝t表示下行流量是由链路e的t端流出，其中e_j表示链路e的下行流量的始端节点；因此式(3)表示由信源节点v_s产生流量等于信宿节点v_t接收流量，等于信源信宿两点之间的业务量，保证业务守恒；式(4)表示对任意链路e上行|x⁺ _e|和下行|x^— _e|流量分布不超过链路单向带宽上限Ca(e)；

我们以链路带宽使用率为衡量网络是否存在拥塞的量度，定义如式(5)所示；因此优化目标为最小化最大链路使用率min{max(z_e)},e∈E；

$z_e=\max \left\{\right|\frac{x_e^{+}}{\mathrm{Ca}\left(e\right)}|,|\frac{x_e^{-}}{\mathrm{Ca}\left(e\right)}\left|\right\}---\left(5\right).$

5.如权利要求4所述的电力信息物理系统无线通信网等价多路径动态控制方法，其特征在于：动态配置ECMP最优负载均衡算法DECMP，在网络流量分担应用时设定配置节点比率η，即上限配置η·N个节点；

动态配置ECMP最优负载均衡算法DECMP每次仅选择配置优先级最高节点开通ECMP功能，随后对网络状态进行更新，重新计算负载分担，检测最大链路使用率max(z_e)是否下降，即提升网络均衡状态，并达到设计目标；若未满足，则在当前网络状态下选择配置优先级最高的节点；终止条件为网络最大链路使用率max(z_e)最小，或已达到η·N节点配置上限；动态配置策略是一种启发式贪婪算法，在考虑网络每次最新的负载状态条件下进行节点选择，以达到负载均衡效果最优；

DECMP算法的基本步骤如下：

Step1：初始化，将据电力CPS无线通信网络抽象成图，根据电力CPS无线通信网络业务流生成业务矩阵[H]作为算法的输入，并配置节点比率η；

Step2：比较已配置节点个数n和上限配置节点个数η·N；若n＞η·N，则输出节点ECMP最优配置并输出流量配置和路由，算法结束；反之，则下一步；

Step3：判断max(z_e)是否已达到最小，若max(z_e)已达最小，则输出节点ECMP最优配置并输出流量配置和路由，算法结束；反之，则下一步；

Step4：计算v_i的节点度k_i,v_i∈V，依据公式(6)计算配置ECMP优先级；

Step5：对当前最高优先级节点v_h开通ECMP，计算开通后新网络的等价最短多路径和链路使用率z_e,e∈E；判断max(z_e)是否降低，如果成立，则确定S_k(v_h)＝1，即v_h开通ECMP功能，跳转到Step2；否则，忽略v_h，跳转到Step5。

6.如权利要求5所述的电力信息物理系统无线通信网等价多路径动态控制方法，其特征在于：动态配置ECMP最优负载均衡算法DECMP，在配置ECMP优先级计算时，决定节点动态选择的参数为配置ECMP优先级；当以节点v_x为出口的链路中存在高使用率时，则易产生拥塞，需要开通ECMP功能；而具有更高的节点度说明节点处于拓扑核心，并且具备更多连接链路分摊流量；因此本发明采用最大链路使用率max(z_e),{v(e_j)＝x}和节点度k_x衡量ECMP优先级，计算公式如式(6)；定义节点n的ECMP配置优先级为：

${\mathrm{\&delta;}}_x=\underset{\left\{e\right|v\left(e_j\right)=x\}}{\max }\left\{z_e\right\}\&CenterDot;k_x---\left(6\right)$

式中，{e|v(e_j)＝x}表示以节点v_x为出口的所有链路集合。

7.如权利要求6所述的电力信息物理系统无线通信网等价多路径动态控制方法，其特征在于：动态配置ECMP最优负载均衡算法DECMP时的链路权重计算决定了等价最短多路径的计算结果；在此定义链路权重为：对于业务f_st，当链路e为被选路径时，链路权重为传输业务所消耗的网络资源乘以该业务占用带宽；其数学表达式如下：

w(e,s,t)＝f_st×Me_max(e)   (7)

设定Me_max(e)为传输单位bit的能耗，即Me_max(e)＝E_Tx(τ,d)+E_Rx(τ)；

其中发送能耗为：

E_Tx(τ,d)＝E_Tx-elec(τ)+E_Tx-amp(τ,d)＝E_elec×τ+ε_amp×τ×d^β   (8)

接收能耗为：

E_Rx(τ)＝E_Rx-elec(τ)＝E_elec×τ   (9)

其中，E_elec(J/bit)表示发射装置(Transmit Electronics)和接收电路(ReceiveElectronics)每发送和接收单位bit的耗能；ε_amp(J/bit/m²)表示发射放大器将每bit传送单位平方米所耗的能量；针对不同传输模式，发射通道损失与距离d的β次方成正比，β一般取值2～4；因此，信源s信宿t间传输路径Path_st的费用定义为：

$\mathrm{Cost}(x,t)=\underset{e\&Element;{\mathrm{Path}}_n}{\mathrm{\&Sigma;}}[f_{\mathrm{st}}\&times;{\mathrm{Me}}_{\max }\left(e\right)].$