CN113286269B - 一种基于边缘计算的电力通信网络资源管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于边缘计算的电力通信网络资源管理方法，包括以下步骤：根据业务数据的传输安全需求程度划分级别；获取业务上传产生的总通信时延，确定业务的时延等级，计算边缘服务器的通信时延回报值；获取边缘服务器所含业务的数据规模与业务数目，计算边缘服务器上传监控业务数据产生的带宽传输代价值；根据所述通信延时回报值和带宽传输代价值计算边缘服务器的通信效用；以各边缘服务器的通信效用值最大化为目标，选取业务传输时延和带宽占用最优平衡的网络资源分配方案，完成各业务在边缘服务器的预处理和传输，解决了区块链技术加入后电力通信网络带宽不足的问题。

Description

一种基于边缘计算的电力通信网络资源管理方法

技术领域

本发明涉及边缘计算领域，具体涉及一种基于边缘计算的电力通信网络资源管理方法。

背景技术

电力通信网作为电力物联网的数据传输通道，在能源行业的变革与电力物联网的建设中有着举足轻重的地位。随着电力物联网建设范围的扩展，分布式设备的增加给电力通信网的信息安全问题带来挑战。区块链智能合约以及记账系统为电力通信网中的能源交易业务以及购电业务提供较高的安全保障，避免交易信息篡改引起的经济损失，然而区块链智能合约以及记账系统在运行过程中将占用电力通信环网较大的传输带宽用于区块信息的洪泛，带宽占用率过高将导致一部分电力业务数据因无法得到充足带宽而不能及时完成传输。另一方面，电力通信网中的业务类型众多，来自安全分区III和IV的信息监控类业务的数据对信息安全方面影响较小，但占用较大带宽；而生产大区的控制类业务和安全分区I和II的监控业务数据规模小，却与电网的生产安全密切相关，需要保证其数据的有效传输和监控。

边缘计算技术是一种新型计算模式，将云计算、云存储等内容部署在接近用户终端源头的网络边缘，通过WiFi等无线接入方式为用户提供智能服务，能够满足用户诸多的计算或内容下载需求。边缘计算技术的出现为海量数据传输造成的带宽不足问题带来了新的解决方案。

分布式特性是边缘计算技术的特点之一，边缘计算的分布式架构可以减少与云之间的数据传输和网络通道的占用。分布式的边缘设备与区块链分布式账本具有良好的相向性，可为各类业务提供就地计算和管理的功能，经边缘设备预处理部分监控数据和区块数据，可避免原始数据的上传占用大量通信带宽，为其他关键信息和业务腾出更多的传输带宽。

为了保证有限的网络带宽能够传输更多业务数据，需要一种基于边缘计算的电力通信网络资源管理方法管理电力通信网的边缘服务器计算资源和通信资源，使服务器尽可能预处理业务数据，保证更多的业务能够在电力通信网有限的带宽容量中完成传输，对电力通信网的发展与运维大有裨益。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于边缘计算的电力通信网络资源管理方法，解决了区块链技术加入后电力通信网络带宽不足的问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于边缘计算的电力通信网络资源管理方法，包括以下步骤：

根据业务数据的传输安全需求程度划分级别；

获取业务上传产生的总通信时延，确定业务的时延等级，计算边缘服务器的通信时延回报值；

获取边缘服务器所含业务的数据规模与业务数目，计算边缘服务器上传监控业务数据产生的带宽传输代价值；

根据所述通信延时回报值和带宽传输代价值计算边缘服务器的通信效用；

以各边缘服务器的通信效用值最大化为目标，选取业务传输时延和带宽占用最优平衡的网络资源分配方案，完成各业务在边缘服务器的预处理和传输。

进一步的，所述级别包括最高优先级、次优先级、一般优先级和最低优先级，采用区块链技术保护的业务的级别为最高优先级，生产大区的控制类业务的级别为次优先级，安全分区I与II的监控业务的级别为一般优先级，安全分区III与IV的监控业务的级别为最低优先级，所述业务i的级别用M(i)表示，M(i)∈{1,2,3}，其中：

i为业务标号，i∈{1,2,...W}，W为边缘服务器k包含的业务的数目；

k为边缘服务器标号，k∈{1,2,...K}，K为电力通信网络包含的边缘服务器的数目。

进一步的，所述当前边缘服务器的通信时延回报值R_k的计算公式为：

其中：

D(i)为业务i的时延等级。

进一步的，边缘服务器k业务的带宽传输代价值C_k为：

其中c(i)＝s_i·c,c(i)为业务i的带宽占用代价值，N_k为边缘服务器k上传的监控业务数目。

进一步的，边缘服务器k的通信效用值为Re_k，

进一步的，利用非合作博弈算法的纳什均衡条件，以各边缘服务器的通信回报值最大化为目标获取业务传输时延和带宽占用最优平衡的网络资源分配方案，各边缘服务器的博弈目标为：

F_k(N_k,s_cp)＝maxRe_k

s.t.

C2:B_k＜B^′,k∈K

C3:0＜f_k ^t＜f_max,k∈K

其中，s_cp为参与博弈的非区块链业务的数据规模，C1表示各服务器的传输时延不能超出环网传输时延限制最大值，C2为各服务器可用传输带宽的约束，约束C3表示各服务器在时隙t的计算能力的变化范围

本发明的有益效果是：

1.本发明通过建立效用值实现通信与计算资源的最优分配，使边缘服务器能够分配最合适的计算资源压缩非区块链业务，增加了有限带宽中可传输的业务数目。

2.本发明综合考虑了区块链业务传输的影响，在尽可能地传输更多非区块链业务的同时，回报值保证了区块信息执行同步过程不受影响。

3.本发明选取了综合考量业务数据规模与业务优先级后能够使网络资源使用效率最大化的分配方案，通过结合业务优先级与时延获取通信效用值，并根据效用值最大化尽可能多地为业务分配网络资源，提高了电力通信网的资源利用率。

附图说明

图1为本发明的计算示意图；

图2为面对60次区块链同步周期的情况下，本发明实施例的基于边缘计算的电力通信网络资源管理方法的网络获取通信效用值的仿真结果示意图；

图3为面对60次区块链同步周期的情况下，本发明实施例的基于边缘计算的电力通信网络资源管理方法的业务通信时延的仿真结果示意图；

图4为面对60次区块链同步周期的情况下，本发明实施例的基于边缘计算的电力通信网络资源管理方法在有限带宽资源下边缘服务器上传的业务数量示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种基于边缘计算的电力通信网络资源管理方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据业务数据的传输安全需求程度划分业务优先级

存在一个电力云平台和边缘服务器，每台边缘服务器分别为所覆盖区域的用电终端提供边缘计算服务，边缘服务器与电力云平台都部署在光纤环网上，用电终端或充电桩与边缘服务器靠RAN进行信息交互。

划分时间为时隙的组合，在每个时隙下会有多个业务到达边缘服务器，记边缘服务器在时隙t中的业务到达速率

服从泊松分布。到达服务器的业务可以是交易业务，也可以是监控业务。

边缘服务器共有K个，k为边缘服务器标号，k∈{1,2,...K}；

边缘服务器k共包含W个业务，i为业务标号，i∈{1,2,...W}；

每个业务i均由数据规模s(bit)、处理一个业务所需CPU周期h、级别M(i)表示，M(i)∈{1,2,3}。业务的级别基于业务数据的传输安全需求程度进行划分，包括最高优先级、次优先级、一般优先级和最低优先级：

采用区块链技术保护的业务的级别为最高优先级，属于最高优先级的业务不参与边缘服务器之间的网络资源竞争；

生产大区的控制类业务的级别为次优先级，M(i)取值3；

安全分区I与II的监控业务的级别为一般优先级，M(i)取值2；

安全分区III与IV的监控业务的级别为最低优先级，M(i)取值1。

每过4个时隙后出现一次区块链同步时隙，在该时隙下各边缘服务器需要将自己存储的交易业务的区块信息泛洪到其他边缘服务器，完成交易业务区块链的同步，此时必须占用一部分传输带宽；不同于区块信息，其他监控业务的数据须经过边缘服务器预处理后上传至云平台。

考虑到存在一个通道保护环控制着光纤环网的链路通信，在保护环封闭的某一侧，边缘服务器按保护环指定路径将监控业务经环网上传云中心。以云中心为起点，顺时针第一个边缘服务器序号为1，令保护环设置在边缘服务器v上，其中1＜v＜k，则序号为(1,2,...,v)的边缘服务器经同一个方向上传业务至云中心，而序号(v+1,...,k)的边缘服务器经相反方向上传业务。在保护环控制下的环网里，边缘服务器(1,2,...,v)所分到的带宽记为B₁，另一部分服务器得到的环网带宽记为B₂，其中B＝B₁+B₂，B为环网带宽。

边缘服务器k执行监控业务上传时，除去区块链信息洪泛后剩余的可用传输带宽记为B₂′，其计算公式为：

其中，

表示区块信息洪泛需占用的传输带宽，

s_i为业务i的数据规模，单位bit。

边缘服务器k上传监控业务所占用的带宽B_k计算公式为：

其中，s_j为业务j的数据规模，单位bit。

边缘服务器k上传重要度为M(i)的业务i产生的传输时延

计算公式为：

其中，P表示光纤环网的传输速率，c为单位带宽占用代价值。

边缘服务器在每个时隙下拥有的计算能力由CPU频率f^t表示。每个业务完成处理需要一定的CPU周期h_n，非区块信息经边缘服务器内置的数据预处理算法预处理可完成数据的压缩。标签为M(i)的监控业务n的数据经边缘服务器k预处理需要的压缩时间

计算公式为：

其中，ρ表示压缩比，

β表示所选用的压缩算法相关参数；s为原始数据大小；s_cp则表示压缩后的数据大小。

获取业务上传产生的总通信时延，确定业务的时延等级，计算当前边缘服务器的通信时延回报值

获取边缘服务器k中每个业务i上传产生的总通信时延，并确定业务的时延等级D(i)：总通信时延为100-10毫秒级时，D(i)取值为1；总通信时延为百毫秒级时，D(i)等级为2，总通信时延为秒级时，D(i)取值为3。

边缘服务器k通信时延回报值为R_k，其表达式为：

其中，

获取边缘服务器所含业务的数据规模与业务数目，计算边缘服务器业务的带宽传输代价值

获取边缘服务器所含业务i的数据规模为业务i的数据大小s_i，业务i的带宽占用代价值为c(i)＝s_i·c，c为单位带宽占用代价值；

获取N_k为边缘服务器k上传的监控业务数目；

计算边缘服务器k上传监控业务数据产生的带宽传输代价值C_k，计算公式为：

根据所述延时回报值和所述带宽传输代价值计算边缘服务器的通信效用值

边缘服务器k的通信效用值为Re_k

以各边缘服务器的通信效用值最大化为目标，选取业务传输时延和带宽占用最优平衡的网络资源分配方案，完成各业务在边缘服务器的预处理和传输

利用非合作博弈算法的纳什均衡条件，以各边缘服务器的通信回报值最大化为目标获取业务传输时延和带宽占用最优平衡的网络资源分配方案，各边缘服务器的博弈目标为：

F_k(N,s_cp)＝maxRe_k

s.t.

C2:B_k＜B^′,k∈K

C3:0＜f_k ^t＜f_max,k∈K

C1表示各服务器的传输时延不能超出环网传输时延限制最大值；C2为各服务器可用传输带宽的约束，约束C3表示各服务器在时隙t的计算能力的变化范围。

最优的方案为，各服务器的总通信效用博弈达到纳什均衡时，此时业务上传的业务传输时延和带宽占用，最优方案的计算方式为：

设边缘服务器参与的通信网剩余带宽竞争过程属于非合作博弈，边缘服务器的非合作博弈模型如下：

参与者：同一保护环内的边缘服务器集合K′；

策略集：所有边缘服务器的业务上传策略集合；

设边缘服务器k基于剩余带宽，自身含有的业务数据规模以及业务数目做出的上传决策β_k为：

式中，N_k,S_k,r_k分别为边缘服务器k含有的业务数目集合、业务优先级集合和业务数据规模集合。上传业务后得到的边缘服务器总通信效用值记为Re(β_k)，其具体值表示为

各边缘服务器在多轮次竞标过程里，会根据各自的总效用值收益改变自己的上传策略，直到令自己的收益最大化。当边缘服务器不再能够通过改变自己的上传策略以提高自身的总通信效用，此时博弈达到纳什均衡状态，即：

其中β^*为边缘服务器k的最优竞价方案，

为其他边缘服务器的最有竞价方案。

为博弈的纳什均衡点，即对应的边缘服务器总通信效用最大化的方案。

将该方案应用到电力系统中，完成各业务在边缘服务器的预处理和传输。

为了检验本发明提出的基于边缘计算的电力通信网络资源管理方法的性能，在相同的网络环境下，将基于边缘计算的电力通信网络资源管理方法与现有的基于时延最优的资源分配方法进行仿真并比较，具体的仿真过程如下：

首先，初始化网络环境：基于业务特征将监控类业务的优先级分为3级，并将3个等级业务的分组数量之比设为1：2：3。

业务的数据规模以及业务计算所需CPU周期分别服从参数为λ^s＝0.2和λ^h＝40的指数分布，各边缘服务器的到来业务数目分布服从参数为λ_k＝10泊松分布。

有5台边缘服务器，其中1-3号边缘服务器从左侧的光纤链路完成业务的上传至云中心，4-5号的监控业务由于保护环存在不通过1-3号边缘服务器的链路，只有区块链业务共享完整的光纤环网带宽。

采用MATLAB作为仿真工具，系统仿真环境参数设置如下：

环网带宽容量为5MB，即B＝5；

有线链路通信速率为2MB/s，即P＝2；

带宽占用代价的单价为1cost/B，即c＝10^-6。

根据上述仿真过程，得到的仿真结果如图2-4所示，当网络在区块链信息同步周期开始的情况下，本发明实施例的网络总通信效用值明显高于时延最优的方案，并且实施例的通信时延仅平均比时延最优方案高0.02s，而上传监控业务数目高于时延最优方案，提高了网络剩余带宽的利用率。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种基于边缘计算的电力通信网络资源管理方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据业务数据的传输安全需求程度划分级别；

获取业务上传产生的总通信时延，确定业务的时延等级，计算边缘服务器的通信时延回报值；

获取边缘服务器所含业务的数据规模与业务数目，计算边缘服务器上传监控业务数据产生的带宽传输代价值；

根据所述通信时延回报值和带宽传输代价值计算边缘服务器的通信效用值；

以各边缘服务器的通信效用值最大化为目标，选取业务传输时延和带宽占用最优平衡的网络资源分配方案，完成各业务在边缘服务器的预处理和传输；

当前边缘服务器的通信时延回报值R_k的计算公式为：

其中：

i为业务标号，业务i的优先级用M(i)表示，i∈{1,2,...W}，W为边缘服务器k包含的业务的数目,D(i)为业务i的时延等级，k为边缘服务器标号；

获取边缘服务器k所含业务i的数据规模为业务i的数据大小s_i；

获取N_k为边缘服务器k上传的监控业务数目；

计算边缘服务器k上传监控业务数据产生的带宽传输代价值C_k，

所述边缘服务器k业务的带宽传输代价值C_k的计算公式为：

其中，c(i)＝s_i·c，c(i)为业务i的带宽占用代价值，c为单位带宽占用代价值，s_i为业务i的数据规模，单位bit。

2.根据权利要求1所述的一种基于边缘计算的电力通信网络资源管理方法，其特征在于，所述级别包括最高优先级、次优先级、一般优先级和最低优先级，采用区块链技术保护的业务的级别为最高优先级，不参与网络资源竞争，其余业务优先级用M表示，生产大区的控制类业务的级别为次优先级，M(i)取值3，安全分区I与II的监控业务的级别为一般优先级，M(i)取值2，安全分区III与IV的监控业务的级别为最低优先级，M(i)取值1，其中：

k∈{1，2，...K}，K为电力通信网络包含的边缘服务器的数目。

3.根据权利要求1所述的一种基于边缘计算的电力通信网络资源管理方法，其特征在于，边缘服务器k的通信效用值为Rek，

4.根据权利要求3所述的一种基于边缘计算的电力通信网络资源管理方法，其特征在于，利用非合作博弈算法的纳什均衡条件，以各边缘服务器的通信效用值最大化为目标获取业务传输时延和带宽占用最优平衡的网络资源分配方案，各边缘服务器的博弈目标为：

F_k(N_k，s_cp)＝max Re_k

s.t.

C2：B_k＜B′_k，k∈{1，2，...K}

C3：0＜f_k ^t＜f_max，k∈{1，2，...K}

其中，s_cp为参与博弈的非区块链业务的数据规模，C1表示各服务器的传输时延不能超出环网传输时延限制最大值，

表示边缘服务器k传输业务优先级为M(i)的业务n时的传输时延；C2为各服务器可用传输带宽的约束，B_k为边缘服务器k上传监控业务所占用的带宽，监控业务用于监测环网状态，B_k'为边缘服务器k除去区块链洪泛信息后剩余的可用传输带宽；约束C3表示各服务器在时隙t的计算能力的变化范围。

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