CN107493240B - 一种电力线载波通信负载均衡的网络资源配置方法 - Google Patents

一种电力线载波通信负载均衡的网络资源配置方法 Download PDF

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Abstract

一种电力线载波通信负载均衡的网络资源配置方法，依次包括以下步骤：（1）初始化网络参数；（2）判断是否有新的业务接入，如是，则进行步骤（3），如否，则重复步骤（1）；（3）确定新的业务接入网络时全网总负载均衡指标以及总效用函数评估指标；（4）确定负载均衡周期内新接入业务的数量、类型以及带宽容量需求；（5）根据上一个负载均衡周期内的线路及业务分布情况，求取全网最优化配置方式；（6）判断当前周期内的所有负载均衡是否完成，如否则重复步骤（4），如是，则重复步骤（1），本发明所述的方法可以提高全网业务承载能力以及服务质量。

Description

一种电力线载波通信负载均衡的网络资源配置方法
技术领域
本发明属于电力线载波通信负载均衡的网络资源配置技术领域，尤其涉及一种电力线载波通信负载均衡的网络资源配置方法。
背景技术
目前中低压电力线载波通信技术主要应用于电网的配用电领域，具体承载的业务分别有电话、电力网络监控、远程抄表、远程变电站遥测和遥控等。该通信技术方式的最大特点及优势就是不需要大量铺设基础网络实施，能够在现有的电力线基础上进行基本的业务信息传递，通过载波方式实现电力通信网在配用电环节业务的承载。但是其特有的电力线传输网络环境也决定了其使用过程中的局限性，如信号容易受脉冲信号干扰、载波信号只能在单相电力线上传输、信号传输衰减迅速、信号易受电磁干扰等。同时底层采集器等通信节点处理能力偏弱，信号传递中转频繁，网络承载业务能力偏弱。
为此目前较多相关技术及工程应用研究主要集中于低压线路下的信道检测和适应性分析，或者相关电力线载波通信系统设计。以上的研究大多特点在于通过特定的信道感知技术和测算方式为每个传输业务测算或者评估出适合的传输频域，以达到传输速率最大化、信号干扰程度最小化等目标。部分研究涉及通过对电力线载波通信的传输机制改进，合理规划路由以及重传方式来变相解决信号传递过程中收外界因素干扰而产生的信号失真等问题。一个良好的通信网络在实现多种业务承载的过程中不仅需要考虑到单纯信号传递过程中的速率、时延、传输质量等因素，还需要考虑整体网络承载能力以、带宽利用率等。但目前鲜有研究涉及到对电力线载波通信网网络整体承载能力的评估和提升。尤其是在为来智能电网建设过程中，大量需求侧信息接入的情况下电力线载波通信网负载均衡研究相对偏少。
鉴于上述原因，如何设计一种可以在新的业务接入网络时，自学习的分析当前网络状态和信道情况，分配网络传输带宽及传输过程中的节点和跳数，最大化均衡底层采集器等通信节点的负载，是提高当前电力线载波通信组网承载业务质量的关键点。
针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明旨在提供一种电力线载波通信负载均衡的网络资源配置方法，能够实现新业务接入时自学习的网络最优化配置，负载均衡调整，提高整体电力线载波通信网络中的每个采集器节点的业务承载能力。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：一种电力线载波通信负载均衡的网络资源配置方法，依次包括以下步骤：
一种电力线载波通信负载均衡的网络资源配置方法，依次包括以下步骤：
(1)初始化网络参数；
(2)判断是否有新的业务接入，如是，则进行步骤(3)，如否，则重复步骤(1)；
(3)确定新的业务接入网络时全网总负载均衡指标以及总效用函数评估指标，量化和评估网络上一个负载均衡周期内的线路及业务分布情况；
(4)确定负载均衡周期内新接入业务的数量、类型以及带宽容量需求；
(5)根据上一个负载均衡周期内的线路及业务分布情况，利用线性规划以及贪心算法原理求取全网最优化配置方式；
(6)判断当前周期内的所有负载均衡是否完成，如否，则重复步骤(4)，如是，则重复步骤(1)。
步骤(3)所述的全网总负载均衡指标以及总效用函数评估指标的确定方法为：其中，全网总负载均衡指标σ的得出方法为：
Figure GDA0003218732850000021
其中L为电力线载波通信全网按照中心节点划分的区域集合，|L|为区域数；I为每个区域内的通信节点集合，|I|为每个区域内的通信节点数；
μi为负载均衡参数，其中，
Figure GDA0003218732850000022
μmax,i为CB类业务最大负载均衡参数，其中，
Figure GDA0003218732850000023
Ctotal,i为通信节点i可用于传输信号的带宽总容量；
Ci(k·s)为通信节点i为单个业务k分配的带宽容量；
其中，总效用函数评估指标TH(t)的得出方法为：
Figure GDA0003218732850000031
其中：THi(k,t)为通信节点i传输CB业务k时的业务吞吐量；
s表示业务k是否在节点中进行传输和处理；
其中，
Figure GDA0003218732850000032
state＝off表示业务k不在通信节点i中进行传输和处理；
state＝on表示业务k在通信节点i中进行传输和处理。
步骤(3)中，量化和评估网络上一个负载均衡周期内的线路及业务分布情况主要包括：确定网络中的每条线路平均带宽容量效率ei(t)，确定每个节点所分布的业务及其占用的带宽容量大小Ci(k·s)，其中，Ci(k·s)为设定的常数值。
网络中的每条线路平均带宽容量效率ei(t)的确定方法为：
Figure GDA0003218732850000033
式中，NT为负载均衡的周期；
SNR(i,j,ko,t)为每个单位容量上，通信节点i将业务ko传输到下一个节点j时的瞬时信噪比；
Figure GDA0003218732850000034
其中，No为每个单位容量在链路上传输时出现的加性高斯白噪声；
gi,j(ko,t)表示通信节点i传输业务k。到节点j时,在时刻t的瞬时信道增益；
pi,j(ko,t)表示节点i发送业务k。在t时刻的信号的功率大小；
Figure GDA0003218732850000035
为通信节点i传输除k。以外业务的瞬时信号功率之和。
所述步骤(5)中，根据上一个负载均衡周期内的线路及业务分布情况，利用线性规划以及贪心算法原理求取全网最优化配置方式的具体实施方法为：
1)按照业务接入时序的先后顺序以及业务类型，将全网在当前时刻t时刻所接入的业务进行分组排序，得出处理的先后顺序，排序规则为：先CB类业务，后处理TB类业务；对于同类业务以接入的先后顺序为依据进行排序；
2)按照排序的先后处理待接入的业务；处理业务时，需要首先判断业务类型，根据业务类型选择进入对应的网络配置处理环节；
3)进入TB类或者CB类业务处理的环节；
4)判断当前处理的待接入业务源节点和目的节点是否跨区域传输，则分以下4种情况：
1、业务类型为CB类业务，处理环节中的待接入业务源节点和目的节点是跨区域传输，则进行步骤5)；
2、业务类型为CB类业务，处理环节中的待接入业务源节点和目的节点不是跨区域传输，则进行步骤6)；
3、业务类型为TB类业务，处理环节中的待接入业务源节点和目的节点是跨区域传输，则进行步骤7)；
4、业务类型为TB类业务，处理环节中的待接入业务源节点和目的节点不是跨区域传输，则进行步骤8)；
5)将上一个负载均衡周期内的线路及业务分布情况作为输入，选择公式(1)(2)(3)(5)(7)作为约束，公式(12)作为约束目标，进行线性规划优化，实现全网CB业务总效用函数评估指标全网负载均衡最大化的效果；
其中，公式(1)为：
|i-j|≤δi (1)
i、j为同一个区域内的两个节点，其中j≠i，|i-j|为从节点i到节点j的跳数；
δi为设定值；
公式(2)为：
Figure GDA0003218732850000041
公式(3)为：
Figure GDA0003218732850000042
公式(5)为：
Figure GDA0003218732850000051
式中，lres为源节点区域，ldest为目的节点区域；公式(7)为：
Figure GDA0003218732850000052
公式(12)为：
Figure GDA0003218732850000053
6)将上一个负载均衡周期内的线路及业务分布情况作为输入，选择式子(1)(2)(3)(4)(7)作为约束，(12)作为约束目标，进行线性规划优化，以得到(12)最小化下的全网负载均衡最大化的效果；
其中，公式(1)为：
|i-j|≤δi (1)
δi为设定值；
公式(2)为：
Figure GDA0003218732850000054
公式(3)为：
Figure GDA0003218732850000055
公式(4)为：
Figure GDA0003218732850000056
式中，lres为源节点区域，ldest为目的节点区域；
Figure GDA0003218732850000061
公式(12)为：
Figure GDA0003218732850000062
7)将上一个负载均衡周期内的线路及业务分布情况作为输入，选择式子(1)(2)(3)(5)(7)做约束条件，(10)作为约束目标，进行线性规划优化，以得到(10)最大化下的全网总效用函数评估指标最大化的效果；
其中，公式(1)为：
|i-j|≤δi (1)
公式(2)为：
Figure GDA0003218732850000063
公式(3)为：
Figure GDA0003218732850000064
公式(5)为：
Figure GDA0003218732850000065
公式(7)为：
Figure GDA0003218732850000066
公式(10)为：
Figure GDA0003218732850000067
其中：
8)选择式子(1)(2)(3)(4)(7)(10)进行线性规划优化，以得到(10)最大化下的全网总效用函数评估指标最大化的效果；
其中，公式(1)为：
|i-j|≤δi (1)
公式(2)为：
Figure GDA0003218732850000071
公式(3)为：
Figure GDA0003218732850000072
公式(4)为：
Figure GDA0003218732850000073
公式(7)为：
Figure GDA0003218732850000074
公式(10)为：
Figure GDA0003218732850000075
通过以上技术方案，本发明的有益效果为：本发明所述的方法能够帮助针对电力线通信组网下级多个底层采集器的通信节点优化其路径选择，同时提高资源配置效果；通过优先实现全网通信节点的CB类业务负载均衡，然后再最大化全网TB类业务效用指标，提高全网业务承载能力以及服务质量，有利于提升整体网络资源配置。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为利用线性规划以及贪心算法原理求取全网最优化配置流程图；
图3为按照业务接入时序的先后顺序以及业务类型，将全网在当前所接入的业务进行分组排序的示意图。
具体实施方式
一种电力线载波通信负载均衡的网络资源配置方法，如图1～3所示，依次包括以下步骤：
(1)初始化网络参数；
(2)判断是否有新的业务接入，如是，则进行步骤(3)，如否，则重复步骤(1)；
(3)确定新的业务接入网络时全网总负载均衡指标以及总效用函数评估指标，量化和评估网络上一个负载均衡周期内的线路及业务分布情况；
所述的全网总负载均衡指标以及总效用函数评估指标的确定方法为：其中，全网总负载均衡指标σ的得出方法为：
Figure GDA0003218732850000081
其中L为电力线载波通信全网按照中心节点划分的区域集合，|L|为区域数；I为每个区域内的通信节点集合，|I|为每个区域内的通信节点数；
μi为负载均衡参数，其中，
Figure GDA0003218732850000082
μmax,i为CB类业务最大负载均衡参数，其中，
Figure GDA0003218732850000083
Ctotal,i为通信节点i可用于传输信号的带宽总容量；
Ci(k·s)为通信节点i为单个业务k分配的带宽容量；
其中，总效用函数评估指标TH(t)的得出方法为：
Figure GDA0003218732850000084
其中：THi(k,t)为通信节点i传输CB业务k时的业务吞吐量；
s表示业务k是否在节点中进行传输和处理；
其中，
Figure GDA0003218732850000091
state＝off表示业务k不在通信节点i中进行传输和处理；
state＝on表示业务k在通信节点i中进行传输和处理。
量化和评估网络上一个负载均衡周期内的线路及业务分布情况主要包括：确定网络中的每条线路平均带宽容量效率ei(t)，确定每个节点所分布的业务及其占用的带宽容量大小Ci(k·s)，其中，Ci(k·s)为设定的常数值。
网络中的每条线路平均带宽容量效率ei(t)的确定方法为：
Figure GDA0003218732850000092
式中，NT为负载均衡的周期；
SNR(i,j,ko,t)为每个单位容量上，通信节点i将业务ko传输到下一个节点j时的瞬时信噪比；
Figure GDA0003218732850000093
其中，No为每个单位容量在链路上传输时出现的加性高斯白噪声；
gi,j(ko,t)表示通信节点i传输业务k。到节点j时,在时刻t的瞬时信道增益；
pi,j(ko,t)表示节点i发送业务k。在t时刻的信号的功率大小；
Figure GDA0003218732850000094
为通信节点i传输除k。以外业务的瞬时信号功率之和。
(4)确定负载均衡周期内新接入业务的数量、类型以及带宽容量需求。
(5)根据上一个负载均衡周期内的线路及业务分布情况，利用线性规划以及贪心算法原理求取全网最优化配置方式；
根据上一个负载均衡周期内的线路及业务分布情况，利用线性规划以及贪心算法原理求取全网最优化配置方式的具体实施方法为：
1)按照业务接入时序的先后顺序以及业务类型，将全网在当前时刻t时刻所接入的业务进行分组排序，得出处理的先后顺序，排序规则为：先CB类业务，后处理TB类业务；对于同类业务以接入的先后顺序为依据进行排序；
2)按照排序的先后处理待接入的业务；处理业务时，需要首先判断业务类型，根据业务类型选择进入对应的网络配置处理环节；
3)进入TB类或者CB类业务处理的环节；
4)判断当前处理的待接入业务源节点和目的节点是否跨区域传输，则分以下4种情况：
1、业务类型为CB类业务，处理环节中的待接入业务源节点和目的节点是跨区域传输，则进行步骤5)；
2、业务类型为CB类业务，处理环节中的待接入业务源节点和目的节点不是跨区域传输，则进行步骤6)；
3、业务类型为TB类业务，处理环节中的待接入业务源节点和目的节点是跨区域传输，则进行步骤7)；
4、业务类型为TB类业务，处理环节中的待接入业务源节点和目的节点不是跨区域传输，则进行步骤8)；
5)将上一个负载均衡周期内的线路及业务分布情况作为输入，选择公式(1)(2)(3)(5)(7)作为约束，公式(12)作为约束目标，进行线性规划优化，实现全网CB业务总效用函数评估指标全网负载均衡最大化的效果；
其中，公式(1)为：
|i-j|≤δi (1)
i、j为同一个区域内的两个节点，其中j≠i，|i-j|为从节点i到节点j的跳数；
δi为设定值；
公式(2)为：
Figure GDA0003218732850000101
公式(3)为：
Figure GDA0003218732850000102
公式(5)为：
Figure GDA0003218732850000111
式中，lres为源节点区域，ldest为目的节点区域；公式(7)为：
Figure GDA0003218732850000112
公式(12)为：
Figure GDA0003218732850000113
6)将上一个负载均衡周期内的线路及业务分布情况作为输入，选择式子(1)(2)(3)(4)(7)作为约束，(12)作为约束目标，进行线性规划优化，以得到(12)最小化下的全网负载均衡最大化的效果；
其中，公式(1)为：
|i-j|≤δi (1)
δi为设定值；
公式(2)为：
Figure GDA0003218732850000114
公式(3)为：
Figure GDA0003218732850000115
公式(4)为：
Figure GDA0003218732850000116
式中，lres为源节点区域，ldest为目的节点区域；
Figure GDA0003218732850000121
公式(12)为：
Figure GDA0003218732850000122
7)将上一个负载均衡周期内的线路及业务分布情况作为输入，选择式子(1)(2)(3)(5)(7)做约束条件，(10)作为约束目标，进行线性规划优化，以得到(10)最大化下的全网总效用函数评估指标最大化的效果；
其中，公式(1)为：
|i-j|≤δi (1)
公式(2)为：
Figure GDA0003218732850000123
公式(3)为：
Figure GDA0003218732850000124
公式(5)为：
Figure GDA0003218732850000125
公式(7)为：
Figure GDA0003218732850000126
公式(10)为：
Figure GDA0003218732850000127
其中：
8)选择式子(1)(2)(3)(4)(7)(10)进行线性规划优化，以得到(10)最大化下的全网总效用函数评估指标最大化的效果；
其中，公式(1)为：
|i-j|≤δi(1)
公式(2)为：
Figure GDA0003218732850000131
公式(3)为：
Figure GDA0003218732850000132
公式(4)为：
Figure GDA0003218732850000133
公式(7)为：
Figure GDA0003218732850000134
公式(10)为：
Figure GDA0003218732850000135
(6)判断当前周期内的所有负载均衡是否完成，如否，则重复步骤(4)，如是，则重复步骤(1)。
通过本发明所述的方法能够实现电力线通信组网下级多个底层采集器通信节点优化其路径选择，同时，优化资源配置效果；另外，通过优先实现全网通信节点的CB类业务负载均衡，然后再最大化全网TB类业务效用指标，可以提高全网业务承载能力以及服务质量，并有利于提升整体网络资源配置。

Claims (5)

1.一种电力线载波通信负载均衡的网络资源配置方法，其特征在于，依次包括以下步骤：
(1)初始化网络参数；
(2)判断是否有新的业务接入，如是，则进行步骤(3)，如否，则重复步骤(1)；
(3)确定新的业务接入网络时全网总负载均衡指标以及总效用函数评估指标，量化和评估网络上一个负载均衡周期内的线路及业务分布情况；
(4)确定负载均衡周期内新接入业务的数量、类型以及带宽容量需求；
(5)根据上一个负载均衡周期内的线路及业务分布情况，利用线性规划以及贪心算法原理求取全网最优化配置方式；
(6)判断当前周期内的所有负载均衡是否完成，如否，则重复步骤(4)，如是，则重复步骤(1)。
2.根据权利要求1所述的电力线载波通信负载均衡的网络资源配置方法，其特征在于，步骤(3)所述的全网总负载均衡指标以及总效用函数评估指标的确定方法为：其中，全网总负载均衡指标σ的得出方法为：
Figure FDA0003218732840000011
其中L为电力线载波通信全网按照中心节点划分的区域集合，|L|为区域数；I为每个区域内的通信节点集合，|I|为每个区域内的通信节点数；
μi为负载均衡参数，其中，
Figure FDA0003218732840000012
μmax,i为CB类业务最大负载均衡参数，其中，
Figure FDA0003218732840000013
Ctotal,i为通信节点i可用于传输信号的带宽总容量；
Ci(k·s)为通信节点i为单个业务k分配的带宽容量；
其中，总效用函数评估指标TH(t)的得出方法为：
Figure FDA0003218732840000021
其中：THi(k,t)为通信节点i传输CB业务k时的业务吞吐量；
s表示业务k是否在节点中进行传输和处理；
其中，
Figure FDA0003218732840000022
state＝off表示业务k不在通信节点i中进行传输和处理；
state＝on表示业务k在通信节点i中进行传输和处理。
3.根据权利要求2所述的电力线载波通信负载均衡的网络资源配置方法，其特征在于：步骤(3)中，量化和评估网络上一个负载均衡周期内的线路及业务分布情况主要包括：确定网络中的每条线路平均带宽容量效率ei(t)，确定每个节点所分布的业务及其占用的带宽容量大小Ci(k·s)，其中，Ci(k·s)为设定的常数值。
4.根据权利要求3所述的电力线载波通信负载均衡的网络资源配置方法，其特征在于：网络中的每条线路平均带宽容量效率ei(t)的确定方法为：
Figure FDA0003218732840000023
式中，NT为负载均衡的周期；
SNR(i,j,ko,t)为每个单位容量上，通信节点i将业务ko传输到下一个节点j时的瞬时信噪比；
Figure FDA0003218732840000024
其中，No为每个单位容量在链路上传输时出现的加性高斯白噪声；
gi,j(ko,t)表示通信节点i传输业务k。到节点j时,在时刻t的瞬时信道增益；
pi,j(ko,t)表示节点i发送业务k。在t时刻的信号的功率大小；
Figure FDA0003218732840000025
为通信节点i传输除k。以外业务的瞬时信号功率之和。
5.根据权利要求4所述的电力线载波通信负载均衡的网络资源配置方法，其特征在于：所述步骤(5)中，根据上一个负载均衡周期内的线路及业务分布情况，利用线性规划以及贪心算法原理求取全网最优化配置方式的具体实施方法为：
1)按照业务接入时序的先后顺序以及业务类型，将全网在当前时刻t时刻所接入的业务进行分组排序，得出处理的先后顺序，排序规则为：先CB类业务，后处理TB类业务；对于同类业务以接入的先后顺序为依据进行排序；
2)按照排序的先后处理待接入的业务；处理业务时，需要首先判断业务类型，根据业务类型选择进入对应的网络配置处理环节；
3)进入TB类或者CB类业务处理的环节；
4)判断当前处理的待接入业务源节点和目的节点是否跨区域传输，则分以下4种情况：
1、业务类型为CB类业务，处理环节中的待接入业务源节点和目的节点是跨区域传输，则进行步骤5)；
2、业务类型为CB类业务，处理环节中的待接入业务源节点和目的节点不是跨区域传输，则进行步骤6)；
3、业务类型为TB类业务，处理环节中的待接入业务源节点和目的节点是跨区域传输，则进行步骤7)；
4、业务类型为TB类业务，处理环节中的待接入业务源节点和目的节点不是跨区域传输，则进行步骤8)；
5)将上一个负载均衡周期内的线路及业务分布情况作为输入，选择公式(1)(2)(3)(5)(7)作为约束，公式(12)作为约束目标，进行线性规划优化，实现全网CB业务总效用函数评估指标全网负载均衡最大化的效果；
其中，公式(1)为：
|i-j|≤δi (1)
i、j为同一个区域内的两个节点，其中j≠i，|i-j|为从节点i到节点j的跳数；
δi为设定值；
公式(2)为：
Figure FDA0003218732840000031
公式(3)为：
Figure FDA0003218732840000032
公式(5)为：
Figure FDA0003218732840000041
式中，lres为源节点区域，ldest为目的节点区域；公式(7)为：
Figure FDA0003218732840000042
公式(12)为：
Figure FDA0003218732840000043
6)将上一个负载均衡周期内的线路及业务分布情况作为输入，选择式子(1)(2)(3)(4)(7)作为约束，(12)作为约束目标，进行线性规划优化，以得到(12)最小化下的全网负载均衡最大化的效果；
其中，公式(1)为：
|i-j|≤δi (1)
δi为设定值；
公式(2)为：
Figure FDA0003218732840000044
公式(3)为：
Figure FDA0003218732840000045
公式(4)为：
Figure FDA0003218732840000046
式中，lres为源节点区域，ldest为目的节点区域；
Figure FDA0003218732840000051
公式(12)为：
Figure FDA0003218732840000052
7)将上一个负载均衡周期内的线路及业务分布情况作为输入，选择式子(1)(2)(3)(5)(7)做约束条件，(10)作为约束目标，进行线性规划优化，以得到(10)最大化下的全网总效用函数评估指标最大化的效果；
其中，公式(1)为：
|i-j|≤δi (1)
公式(2)为：
Figure FDA0003218732840000053
公式(3)为：
Figure FDA0003218732840000054
公式(5)为：
Figure FDA0003218732840000055
公式(7)为：
Figure FDA0003218732840000056
公式(10)为：
Figure FDA0003218732840000057
其中：
8)选择式子(1)(2)(3)(4)(7)(10)进行线性规划优化，以得到(10)最大化下的全网总效用函数评估指标最大化的效果；
其中，公式(1)为：
|i-j|≤δi (1)
公式(2)为：
Figure FDA0003218732840000061
公式(3)为：
Figure FDA0003218732840000062
公式(4)为：
Figure FDA0003218732840000063
公式(7)为：
Figure FDA0003218732840000064
公式(10)为：
Figure FDA0003218732840000065
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