CN116806043A - 路由选择方法、装置、电子设备及移动边缘网络 - Google Patents

路由选择方法、装置、电子设备及移动边缘网络 Download PDF

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CN116806043A CN202310936368.8A CN202310936368A CN116806043A CN 116806043 A CN116806043 A CN 116806043A CN 202310936368 A CN202310936368 A CN 202310936368A CN 116806043 A CN116806043 A CN 116806043A
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Abstract

本发明提供一种路由选择方法、装置、电子设备及移动边缘网络，应用于移动边缘网络中的中心节点，移动边缘网络包括至少一个边缘节点，移动边缘网络用于数字孪生电网各孪生体数据业务的传输，中心节点实时感知边缘节点的参数信息；包括：根据各边缘节点的通信范围寻找可与其通信的下一跳节点，并建立下一跳集合；根据下一条集合寻找能经过多跳传输将数据从源节点传输至目的节点的可达链路，构成可达链路集合；根据参数信息计算每条可达链路的中间节点的剩余能量参数、网络时延参数和权重系数；并计算各个可达链路的评估值，选择评估值最小的可达链路作为源节点到目的节点的路由。本发明能够综合考虑数据传输时的网络时延与能量消耗以进行路由选择。

Description

路由选择方法、装置、电子设备及移动边缘网络
技术领域
本发明涉及电网数字化过程中信息通信技术领域，尤其涉及一种路由选择方法、装置、电子设备及移动边缘网络。
背景技术
近年来，在能源革命和数字革命共同推动下，我国电力系统正在向数字化新型电力系统演进。通过建设数字电网的实时感知系统，对电网的运行状态进行实时分析和预测，能够为电网精细化管理提供专业指导，保障电力系统的稳定运行。为实现电网海量的数据采集、数据存储、数据获取和智能分析，需要在电力系统中部署的大量的传感设备和传感网络，海量的数据传输成为具有挑战性的难题。为解决这一问题，目前电力系统中多采用移动边缘设备。移动边缘设备凭借其灵活性强、能够部署快速等特点，经常作为移动边缘服务器部署在电网基础设施附近，它能够灵活地采集电网运行状态信息并进行实时处理与回传，在数字电网建设，实现数字孪生电网各孪生体数据业务的传输方面得到广泛应用。
相比单个移动边缘节点，多个移动边缘节点能够充分发挥其组网灵活的特点，通过自组织的方式快速组成移动边缘网络，实现信息共享和实时处理，同时通过自组织网络多跳中继传输的方式，解决单个移动边缘节点设备远距离通信能力受限的问题，能够实现协同高效地完成各种任务。但在实际数字孪生电网各孪生体数据业务的传输场景下，移动边缘网络中通信资源受限，另外，边缘节点的能耗也受到一定的限制，很难满足数据传输的可靠性和实时性需求。
发明内容
本发明实施例提供了一种路由选择方法、装置、电子设备及移动边缘网络，以解决数字孪生电网各孪生体数据业务的传输过程中难以满足数据传输的可靠性和实时性需求的问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种路由选择方法，应用于移动边缘网络中的中心节点，该移动边缘网络还包括至少一个边缘节点，该移动边缘网络应用于数字孪生电网各孪生体数据业务的传输，该中心节点实时感知所述边缘节点的参数信息；该方法包括：
根据各边缘节点的通信范围寻找可与其通信的下一跳节点，并建立各边缘节点的下一跳集合；根据下一条集合寻找能经过多跳传输将数据从源节点传输至目的节点的所有可达链路，构成可达链路集合；
根据参数信息计算每条可达链路的中间节点的剩余能量参数、网络时延参数和权重系数；根据中间节点的剩余能量参数、网络时延参数和权重系数计算可达链路集合中各个可达链路的评估值，并选择评估值最小的可达链路作为源节点到目的节点的路由。
在一种可能的实现方式中，参数信息包括节点初始能量和节点剩余能量，根据参数信息计算每条可达链路的中间节点的剩余能量参数，包括：
根据边缘节点的能量消耗模型、节点初始能量和节点剩余能量，计算每条可达链路中的各中间节点的剩余能量值；
针对每条可达链路，对该条可达链路中各中间节点的剩余能量值去量纲化，得到该条可达链路中各中间节点的剩余能量参数。
在一种可能的实现方式中，边缘节点的能量消耗模型为：
E＝ETi+ERi
其中，ETi、ERi分别为边缘节点发送数据包和接收数据包的能耗，Eelec为边缘节点每比特发送和接收电路的能耗，m1和m2分别为边缘节点发送和接收数据包的比特数，ε为常数，d为边缘节点与下一跳节点之间的距离，E为边缘节点接收和发送数据包的总能耗。
在一种可能的实现方式中，参数信息包括节点传输数据量、各节点的位置坐标，以及缓存队列长度；
根据参数信息计算每条可达链路的中间节点的网络时延参数，包括：
为所有可达链路中的各中间节点分配信道资源和功率资源，并根据所有可达链路中的各中间节点分配到的信道资源和功率资源，计算各中间节点的传输速率；
根据各中间节点的节点传输数据量和传输速率，计算各中间节点的传输时延；
根据各中间节点的缓存队列长度和传输速率，计算各中间节点的排队时延；
根据各中间节点的位置坐标确定各中间节点与下一跳节点之间的距离，根据各中间节点与下一跳节点之间的距离以及无线电波在空间的传播速度，计算各中间节点的传播时延；
根据各中间节点的传播时延、排队时延、传输时延和处理时延，计算各中间节点的网络时延参数。
在一种可能的实现方式中，为所有可达链路中的各中间节点分配信道资源和功率资源，并根据所有可达链路中的各中间节点分配到的信道资源和功率资源，计算各中间节点的传输速率，包括：
计算各可达链路中各中间节点分配信道资源和功率资源后的传输速率在当前可达链路中的所有中间节点传输速率中的比重：
为各可达链路中各中间节点分配与其对应的信道增益最大的信道，并计算各中间节点的初始传输速率；
在各可达链路的所有中间节点中，筛选满足传输速率与比重的比值最小的中间节点,为其分配信道；
根据各中间节点分配到的信道，以及信道上分配到的功率更新各中间节点的传输功率，并跳转至在各可达链路的所有中间节点中，筛选满足传输速率与比重的比值最小的中间节点,为其分配信道的步骤，直到所有信道全部分配完；
根据各中间节点最后分配到的信道，以及信道上分配到的功率更新各中间节点的传输功率，得到各中间节点的传输速率。
在一种可能的实现方式中，每条可达链路的各中间节点的权重系数与该中间节点到所属可达链路的目的节点之间的距离呈正相关；
根据剩余能量参数、网络时延参数和权重系数计算可达链路集合中各个链路的评估值，包括：
根据第一公式、剩余能量参数、网络时延参数和权重系数计算可达链路集合中各个可达链路的评估值，其中，第一公式为：
其中，Wl为可达链路的评估值，m为可达链路中中间节点的总数，μk为可达链路中第k个中间节点的权重系数，Tk′为可达链路中第k个中间节点的网络时延参数，η′e,k为可达链路中第k个中间节点的剩余能量参数。
第二方面，本发明实施例提供了一种路由选择装置，应用于移动边缘网络中的中心节点，移动边缘网络包括至少一个边缘节点和至少一个中心节点，中心节点实时感知边缘节点的参数信息；该装置包括：
构建模块，用于根据各边缘节点的通信范围寻找可与其通信的下一跳节点，并建立各边缘节点的下一跳集合；根据下一条集合寻找能经过多跳传输将数据从源节点传输至目的节点的所有可达链路，构成可达链路集合；
计算模块，用于根据参数信息计算每条可达链路的中间节点的剩余能量参数、网络时延参数和权重系数；根据中间节点的剩余能量参数、网络时延参数和权重系数计算可达链路集合中各个可达链路的评估值，并选择评估值最小的可达链路作为源节点到目的节点的路由。
第三方面，本发明实施例提供了一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上第一方面或第一方面的任一种可能的实现方式所述方法的步骤。
第四方面，本发明实施例提供了一种移动边缘网络，包括至少一个边缘节点和至少一个中心节点，移动边缘网络用于数字孪生电网各孪生体数据业务的传输，至少一个中心节点为如上第三方面所述的电子设备。
第五方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上第一方面或第一方面的任一种可能的实现方式所述方法的步骤。
本发明实施例提供一种路由选择方法、装置、电子设备及移动边缘网络，应用于移动边缘网络中的中心节点，该移动边缘网络还包括至少一个边缘节点，该移动边缘网络应用于数字孪生电网各孪生体数据业务的传输，该中心节点实时感知边缘节点的参数信息；通过根据各边缘节点的通信范围寻找可与其通信的下一跳节点，并建立各边缘节点的下一跳集合；根据下一条集合寻找能经过多跳传输将数据从源节点传输至目的节点的所有可达链路，构成可达链路集合；根据参数信息计算每条可达链路的中间节点的剩余能量参数、网络时延参数和权重系数；根据中间节点的剩余能量参数、网络时延参数和权重系数计算可达链路集合中各个可达链路的评估值，并选择评估值最小的可达链路作为源节点到目的节点的路由。本发明通过该方法选择出的路由，综合了数据传输时的网络时延、能量消耗以及每条链路上各中间节点的权重系数，其在进行信息传输时，能够提高移动边缘网络的生命周期，同时降低平均网络时延，提高通信资源利用率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种路由选择方法的实现流程图；
图2是本发明实施例提供的一种路由选择方法的应用场景图；
图3是本发明实施例提供的一种路由选择方法的源节点到目的节点的路由空间示意图；
图4是本发明另一实施例提供的一种路由选择方法的实现流程图；
图5是本发明实施例提供的一种路由选择装置的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的电子设备的示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图通过具体实施例来进行说明。
图1是本发明实施例提供的一种路由选择方法的实现流程图，如图1所示：
本发明实施例应用于移动边缘网络中的中心节点。该移动边缘网络还包括至少一个边缘节点。该移动边缘网络应用于数字孪生电网各孪生体数据业务的传输。该中心节点实时感知边缘节点的参数信息。
在本实施例中，移动边缘网络可以用于数字孪生电网各孪生体数据业务的传输，具体的，可以沿着电网设施详细勘测设备的运行情况，及时发现设备存在的缺陷和故障点，并详细记录，以作为指导电网运行的依据。其中在进行数字孪生电网各孪生体数据业务的传输时，移动边缘节点可以是边缘路由器、路由交换机、防火墙、多路复用器、无人机或其他广域网(WAN)设备，在此不作限定。中心节点可以是GPS智能终端、无人机、交换机、个人计算机等设备，在此不作限定。
步骤110：根据各边缘节点的通信范围寻找可与其通信的下一跳节点，并建立各边缘节点的下一跳集合。
在本实施例中，该移动边缘网络可以应用于数字孪生电网各孪生体数据业务的传输。该移动边缘网络包括至少一个边缘节点与至少一个中心节点，其中，边缘节点的数量根据网络节点对电网业务数据感知的范围以及边缘节点最大通信距离决定，即
其中，y表示边缘节点的数量，dl表示网络节点对电网业务感知的距离，dc表示边缘节点最大通信距离。
不同的中心节点之间可以进行信息交互。由于中心节点可以实时感知不同边缘节点之间的参数信息，并共享给移动边缘网络中的各个节点，因此，不同的边缘节点可以通过中心节点实现信息交互，其中，每个边缘节点的参数信息可以包括该边缘节点所处的位置信息、缓存的队列长度、剩余能量等等，在此不作限定。
中心节点可以根据各个边缘节点的参数信息，获取各个边缘节点的通信范围。针对任意一个边缘节点，中心节点根据该边缘节点的通信范围寻找能够与其进行通信的全部其他边缘节点，即下一跳节点，并将这些其他边缘节点构建成为该边缘节点的下一跳集合。通过寻找各边缘节点的下一跳节点，并建立相应的下一跳集合，可以筛选出可以进行通信的边缘节点，以及与可以进行通信的边缘节点进行通信的其他边缘节点。
步骤120：根据下一跳集合寻找能经过多跳传输将数据从源节点传输至目的节点的所有可达链路，构成可达链路集合。
在本实施例中，传输的数据可以是电信号数据，也可以是音频信号数据等，在此不作限定。源节点是进行资源传输的起点，其可以是充当信源发送原始数据包的边缘节点。目的节点又称为Sink节点、基站节点，其负责汇总由源节点发送过来的数据，在本实施例中，目的节点可以是电脑、手机等智能终端。
中心节点控制数据从源节点传输到目的节点的链路可以有多条，即可达链路。每条可达链路上有多个边缘节点，也即一个源节点和多个下一跳节点。由于每个边缘节点之间可以通过中心节点实现信息交互，因此，中心节点可以根据下一跳集合，找到所有可达链路，并将这些可达链路构成可达链路集合。
步骤130：根据参数信息计算每条可达链路的中间节点的剩余能量参数、网络时延参数和权重系数。
在本实施例中，中心节点可以根据各边缘节点的参数信息，计算每条可达链路中的各个中间节点的相关参数信息，例如剩余能量参数、网络时延参数和权重系数等等。其中，中间节点指的是每条可达链路中的由源节点到目的节点之间的所有下一跳节点，也即边缘节点。
剩余能量参数是将中间节点的剩余能量值进行归一化处理后得到的参数，剩余能量参数越大，表示该中间节点经过传输数据后剩余的能量越多，也即该中间节点在进行数据传输时所消耗的能量越少。
网络时延参数是将中间节点的网络时延进行归一化处理后得到的参数，也即总时延的参数。网络时延参数越小，表示该中间节点在进行数据传输时所消耗的时间更少，也即传输的速度更快。
权值系数是指网络时延参数在中间节点中所占比重的重要程度，权值系数越大，网络时延参数的所占的比重更大。
步骤140：根据中间节点的剩余能量参数、网络时延参数和权重系数计算可达链路集合中各个可达链路的评估值，并选择评估值最小的可达链路作为源节点到目的节点的路由。
在本实施例中，中心节点可以根据每条可达链路中的各个中间节点的剩余能量参数、网络时延参数和权重系数计算出可达链路集合中的各可达链路的评估值，并选择评估值最小的可达链路作为路由，也即源节点到目的节点之间进行数据传输的路由。通过这种方法选择出的路由，不仅能够快速传输数据，并且传输数据的能量消耗也相对较小。
图2为本发明实施例提供的一种路由选择方法的应用场景图。
如图2所示：各个电网设施的感知范围可以包括多个边缘节点，中心节点通过分配通信资源，感知电网设施运行状态信息。箭头表示通信资源通过源节点(边缘节点1)经过中间节点5(边缘节点5)、中间节点8(边缘节点8)以及中间节点10(边缘节点10)传输到基站(目的节点)。
具体的，中心节点能够感知的所有的边缘节点的参数信息，不同的节点之间能够相互进行感知，并将这些参数信息共享。将12个边缘节点均匀的部署在电网设施周围，源节点(边缘节点1)向目的节点(图中的基站)传输数据。中心节点根据各边缘节点的下一跳节点集合找到源节点到目的节点的所有可达链路，并计算各可达链路评估值，各可达链路的评估值如表1所示：
源节点 中间节点 中间节点 中间节点 目的节点 评估值
链路1 1 4 7 10 sink 1.2362
链路2 1 5 7 10 sink 1.0287
链路3 1 5 8 10 sink 0.9835
链路4 1 5 8 11 sink 0.7515
表1
由表1可知，当前源节点到目的节点的可达链路共有四条，将这四条可达链路分别命名为链路1、链路2、链路3以及链路4。
链路1通过中间节点4(边缘节点4)、中间节点7(边缘节点7)、中间节点10(边缘节点10)将数据由源节点传输至目的节点，其评估值为1.2362。
链路2通过中间节点5(边缘节点5)、中间节点7(边缘节点7)、中间节点10(边缘节点10)将数据由源节点传输至目的节点，其评估值为1.0287。
链路3通过中间节点5(边缘节点5)、中间节点8(边缘节点8)、中间节点10(边缘节点10)将数据由源节点传输至目的节点，其评估值为0.9835。
链路4通过中间节点5(边缘节点5)、中间节点8(边缘节点8)、中间节点11(边缘节点11)将数据由源节点传输至目的节点，其评估值为0.7515。
由此可知，链路4的评估值最小，也即路径“1->5->8->11->sink”。因此，选择链路4作为源节点到目的节点的路由。
图3是本发明实施例提供的一种路由选择方法的源节点到目的节点的路由空间示意图，图2中的各边缘节点所处的空间位置详见图3。
如图3所示：图中所示的为各个边缘节点所处的空间位置图。图中的实线部分表示表1中的链路4。
综上，本发明实施例提供一种路由选择方法，应用于移动边缘网络中的中心节点，该移动边缘网络还包括至少一个边缘节点，该移动边缘网络应用于数字孪生电网各孪生体数据业务的传输过程，该中心节点实时感知边缘节点的参数信息；通过根据各边缘节点的通信范围寻找可与其通信的下一跳节点，并建立各边缘节点的下一跳集合；根据下一条集合寻找能经过多跳传输将数据从源节点传输至目的节点的所有可达链路，构成可达链路集合；根据参数信息计算每条可达链路的中间节点的剩余能量参数、网络时延参数和权重系数；根据中间节点的剩余能量参数、网络时延参数和权重系数计算可达链路集合中各个可达链路的评估值，并选择评估值最小的可达链路作为源节点到目的节点的路由。本发明通过该方法选择出的路由，综合了数据传输时的网络时延、能量消耗以及每条链路上各中间节点的权重系数，其在进行信息传输时，能够提高移动边缘网络的生命周期，同时降低平均网络时延，提高通信资源利用率。
在一些实施例中，参数信息可以包括节点初始能量和节点剩余能量。步骤130中根据参数信息计算每条可达链路的中间节点的剩余能量参数，可以包括：
根据边缘节点的能量消耗模型、节点初始能量和节点剩余能量，计算每条可达链路中的各中间节点的剩余能量值。
针对每条可达链路，对该条可达链路中各中间节点的剩余能量值去量纲化，得到该条可达链路中各中间节点的剩余能量参数。
在本实施例中，每条可达链路中各中间节点的剩余能量值可以由如下公式(1)进行计算：
其中，ηe表示剩余能量值，E0表示中间节点的节点初始能量，Eres表示中间节点的节点剩余能量，β为一常数，ηe,i、ηe,j分别用来衡量中间节点i和j的剩余能量情况，Ei、Ej分别表示中间节点i和j接收和发送数据包的总能耗。
中间节点i和j为任意一个边缘节点的下一跳集合中的任意两个下一跳节点。由于在进行数据传输时，中间节点需要消耗能量，为保证中间节点在进行数据传输的时候有足够的能量支持，以及数据传输消耗的能量最小，因此在进行中间节点选取时，尽可能选择剩余能量较多且数据传输消耗的能量小的下一跳节点作为中间节点。即，当任意一个边缘节点的下一条集合中存在两个或两个以上的下一跳节点，可以用上述公式选择出剩余能量较多的下一跳节点作为中间节点。在确定好中间节点后，可以根据其节点初始能量，和节点剩余能量，计算出其剩余能量值，也即剩余能量情况。剩余能量值越小，代表该下一跳节点剩余的能量越多，并且在进行数据传输所消耗的能量越少，因此，该下一跳节点被选为中间节点的可能性也就越大。
通过上述公式，选择并计算出该中间节点的剩余能量之后，将该节点按照公式(2)进行去量钢化，得到该中间节点的剩余能量参数：
其中，η′e,k为第k个中间节点的剩余能量参数，z为该中间节点当前所属跳数中的总节点数，ηe,k表示第k个中间节点的剩余能量值。示例性的，该边缘节点可与其通信的下一跳节点为5个，那么在选择好与该边缘节点通信的的中间节点后，需要计算该中间节点的剩余能量参数时，上述公式中的z为5。
在一些实施例中，上述边缘节点的能量消耗模型为：
E＝ETi+ERi (3)
其中，ETi、ERi分别为边缘节点发送数据包和接收数据包的能耗，Eelec为边缘节点每比特发送和接收电路的能耗，m1和m2分别为边缘节点发送和接收数据包的比特数，ε为常数，d为边缘节点与下一跳节点之间的距离，E为边缘节点接收和发送数据包的总能耗。
在本实施例中，边缘节点的参数信息还可以包括发送数据包和接收数据包的能耗、每比特发送和接收电路的能耗发送和接收数据包的比特数以及边缘节点与下一跳节点之间的距离等参数信息。中心节点可以根据能量消耗模型，将各边缘节点的参数信息代入上述能量消耗模型，计算出任意一个边缘节点进行数据传输的能耗。
在一些实施例中，参数信息可以包括节点传输数据量、各节点的位置坐标，以及缓存队列长度。
步骤130中根据参数信息计算每条可达链路的中间节点的网络时延参数，可以包括：
为所有可达链路中的各中间节点分配信道资源和功率资源，并根据所有可达链路中的各中间节点分配到的信道资源和功率资源，计算各中间节点的传输速率。
根据各中间节点的节点传输数据量和传输速率，计算各中间节点的传输时延。
根据各中间节点的缓存队列长度和传输速率，计算各中间节点的排队时延；
根据各中间节点的位置坐标确定各中间节点与下一跳节点之间的距离，根据各中间节点与下一跳节点之间的距离以及无线电波在空间的传播速度，计算各中间节点的传播时延。
根据各中间节点的传播时延、排队时延、传输时延和处理时延，计算各中间节点的网络时延参数。
在本实施例中，中心节点为各中间节点分配信道资源和功率资源，可以根据分配的分配信道资源和功率资源计算出各中间节点相应的传输速率。
中心节点将各中间节点的节点传输数据量和传输速率代入公式(4)，计算出各中间节点的传输时延。
其中，Tr,k为第k个中间节点的传输时延，lk为第k个中间节点的节点传输的数据量，Rk为第k个中间节点的传输速率。
中心节点将各中间节点的缓存队列长度和传输速率代入公式(5)，计算出各中间节点的排队时延。
其中，Tw,k为第k个中间节点的排队时延，lwt,k为第k个中间节点的缓存队列长度。
中心节点根据各中间节点的位置坐标确定各中间节点与下一跳节点之间的距离，并将各中间节点与下一跳节点之间的距离以及无线电波在空间的传播速度代入公式(6)，计算出各中间节点的传播时延。
其中，Td,k为第k个中间节点的传播时延，dk表示第k个中间节点到下一跳节点的距离，c为无线电波在空间的传播速度。
处理时延Tc,k为常数ε，即Tc,k＝ε。
中心节点在计算出各中间节点的传播时延、排队时延、传输时延和处理时延后，将各中间节点的传播时延、排队时延、传输时延和处理时延代入公式(7)，计算各中间节点的网络时延。
Tk＝Td,k+Tw,k+Tr,k+Tc,k (7)
其中，Tk为第k个中间节点的网络时延。
中心节点根据上述公式以及相应的参数信息计算出各可达链路中的各中间节点的网络时延后，根据公式(8)将各中间节点的网络时延进行去量钢化，得到各中间节点的网络时延参数。
其中，Tk′为第k个中间节点的网络时延参数，z为该中间节点当前所属跳数中的总节点数。
在一些实施例中，上述为所有可达链路中的各中间节点分配信道资源和功率资源，并根据所有可达链路中的各中间节点分配到的信道资源和功率资源，计算各中间节点的传输速率，可以包括：
计算各可达链路中各中间节点分配信道资源和功率资源后的传输速率在当前可达链路中的所有中间节点传输速率中的比重。
为各可达链路中各中间节点分配与其对应的信道增益最大的信道，并计算各中间节点的初始传输速率。
在各可达链路的所有中间节点中，筛选满足传输速率与比重的比值最小的中间节点,为其分配信道。
根据各中间节点分配到的信道，以及信道上分配到的功率更新各中间节点的传输功率，并跳转至在各可达链路的所有中间节点中，筛选满足传输速率与比重的比值最小的中间节点,为其分配信道的步骤，直到所有信道全部分配完。
根据各中间节点最后分配到的信道，以及信道上分配到的功率更新各中间节点的传输功率，得到各中间节点的传输速率。
在本实施例中，中心节点为各可达链路中的各中间节点分配信道资源和功率资源后，可以根据公式(9)与各中间节点分配到的资源的详细数据，计算其分配资源后的传输速率在其所处的可达链路中的所有中间节点的传输速率中的比重。
其中，K为各可达链路中的中间节点的总数，Lk为第k个中间节点当前所需传输的总数据量，lk和lwt,k分别为第k个中间节点的节点传输数据量和缓存队列长度，Lk,1为第k个中间节点所需传输的总数据量在所有传输节点传输的总数据量中的比重，Rk′为第k个中间节点的传输速率需求，R′k,1为第k个中间节点的传输速率在所有传输节点传输速率中的比重，λk为第k个中间节点分配信道资源和功率资源后的传输速率在其所处的可达链路中的所有中间节点的传输速率中的比重。
在计算得到各中心节点的比重λk之后，中心节点为各可达链路中各中间节点分配与其对应的信道增益最大的信道，并根据公式(10)计算各中间节点的初始传输速率。其中，信道集合可以为A＝{1,2,…N}，也即，信道的数量远远多于中间节点的数量。
其中，为第k个中间节点的初始传输速率，b为单个信道的带宽，Pk,n、|Hn,k|2、分别为第k个中间节点上第n个信道上分配到的发射功率、信道增益和噪声功率。
中心节点为各个中间节点分配完信道后，根据各中间节点当前的传输速率，在各可达链路的所有中间节点中，筛选满足传输速率与比重的比值最小的第k个中间节点,即并为其分配信道其中，为第k个中间节点分配的信道需要满足|Hk,n|≥|Hk,j|2,j∈A。
中心节点根据公式(11)计算各中间节点分配到的信道上的分配功率。
其中，Pmax表示单节点的最大总发射功率。
由于每次分配信道后，各中间节点的传输速率都会发生变化。因此，在完成一次分配后，中心节点需要根据各中间节点分配到的信道，以及信道上分配到的功率更新各中间节点的传输功率，并跳转至在各可达链路的所有中间节点中，筛选满足传输速率与比重的比值最小的中间节点,为其分配信道的步骤，直到所有信道全部分配完。
当所有的信道都分配完毕后，不再执行迭代步骤。中心节点会根据各中间节点最后分配到的信道，以及信道上分配到的功率，按照公式(12)更新各中间节点的传输功率，得到各中间节点的传输速率。
其中，Nk为第k个中间节点分配到的信道总数。
在一些实施例中，每条可达链路的各中间节点的权重系数与该中间节点到所属可达链路的目的节点之间的距离呈正相关。
在本实施例中，当中间节点与目的节点的距离越远时，该中间节点的权重系数越大，当中间节点与目的节点的距离越近时，该中间节点的权重系数越小。
在一些实施例中，步骤140中根据剩余能量参数、网络时延参数和权重系数计算可达链路集合中各个链路的评估值，包括：
根据第一公式、剩余能量参数、网络时延参数和权重系数计算可达链路集合中各个可达链路的评估值，其中，第一公式为：
其中，Wl为可达链路的评估值，m为可达链路中中间节点的总数，μk为可达链路中第k个中间节点的权重系数，Tk′为可达链路中第k个中间节点的网络时延参数，η′e,k为可达链路中第k个中间节点的剩余能量参数。
在本实施例中，针对任意一条可达链路，当该可达链路中的任意一个中间节点与目的节点之间的距离较远时，在计算该条链路的评估值时，该中间节点的网络时延参数的权重比剩余能量参数的权重更高。
图4是本发明另一实施例提供的一种路由选择方法的实现流程图；如图4所示：
步骤410：构建面向数字孪生电网各孪生体数据业务传输的移动边缘网络架构，中心节点实时感知所有节点的参数信息，并共享给网络中各节点。
在本实施例中，可以通过控制系统，根据网络节点对电网业务感知的范围以及边缘节点的通信范围，构建边缘网络架构。中心节点实时感知其他节点的参数信息，并将参数信息共享给能直接或间接与中心节点通信的其他节点。
步骤420：根据节点的最大通信范围，找到源节点到目的节点的所有可达链路集合。
在本实施例中，节点可以是各个边缘节点，根据其通信范围建立下一条集合，并根据下一跳集合找到源节点到目的节点的所有可达链路，并建立可达链路集合。
步骤430：计算源节点到目的节点所有可达链路中间节点的剩余能量参数。
在本实施例中，参数信息中包括节点初始能量和节点剩余能量。根据上述能量参数模型、节点初始能量和节点剩余能量以及公式(1)和公式(2)计算出各个可达链路中的各中间节点的剩余能量参数。
步骤440：中心节点为源节点到目的节点所有可达链路的各中间节点分配信道资源和功率资源。
在本实施例中，为了计算各中间节点的传输速率，中心节点可以为各可达链路上的各中间节点分配信道资源和功率资源。
步骤450：根据中间节点分配到的信道资源和功率资源计算该节点此时的传输速率。
在本实施例中，根据各中间节点分配到的信道资源和功率资源以及公式(9)和公式(10)计算该节点此时的传输速率。
步骤460：计算源节点到目的节点所有可达链路中的各中间节点此时的传输时延、排队时延、传播时延和处理时延。
在本实施例中，在得到各中间节点的传输速率后，可以根据上述公式(4)至公式(6)计算各中间节点此时的传输时延、排队时延、传播时延和处理时延。
步骤470：计算源节点到目的节点所有可达链路中各中间节点的网络时延参数。
在本实施例中，在计算得到各中间节点的传输时延、排队时延、传播时延和处理时延后，可以根据公式(7)计算出各中间节点的网络时延。之后，可以根据公式(8)将各中间节点的网络时延参数进行归一化处理，得到各中间节点的网络时延参数。
步骤480：根据各可达链路的各中间节点与所属的目的节点之间的距离设置权重系数，并计算源节点到目的节点之间所有可达链路的评估值。
在本实施例中，可以根据每条可达链路的各中间节点到目的节点之间的距离设置权重参数，并根据每条可达链路中的各中间节点的网络时延参数、剩余能量参数以及权重系数，计算出每条可达链路的评估值。
步骤490：选择所有可达链路集合中评估值最小的可达链路作为源节点到目的节点的路由。
在本实施例中，评估值最小的可达链路兼顾的网络时延以及剩余能量，除此之外，还考虑了各中间节点与目的节点之间的距离，最后选择出的路由其在进行信息传输时，能够提高移动边缘网络的生命周期，同时降低平均网络时延，提高通信资源利用率。
综上，本发明实施例通过根据各边缘节点的通信范围寻找可与其通信的下一跳节点，并建立各边缘节点的下一跳集合；根据下一条集合寻找能经过多跳传输将数据从源节点传输至目的节点的所有可达链路，构成可达链路集合；根据参数信息计算每条可达链路的中间节点的剩余能量参数、网络时延参数和权重系数；根据中间节点的剩余能量参数、网络时延参数和权重系数计算可达链路集合中各个可达链路的评估值，并选择评估值最小的可达链路作为源节点到目的节点的路由。本发明通过该方法选择出的路由，综合了数据传输时的网络时延、能量消耗以及每条链路上各中间节点的权重系数，其在进行信息传输时，能够提高移动边缘网络的生命周期，同时降低平均网络时延，提高通信资源利用率。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
以下为本发明的装置实施例，对于其中未详尽描述的细节，可以参考上述对应的方法实施例。
图5示出了本发明实施例提供的路由选择装置的结构示意图，应用于移动边缘网络中的中心节点，移动边缘网络还包括至少一个边缘节点，该移动边缘网络应用于数字孪生电网各孪生体数据业务传输。该中心节点实时感知边缘节点的参数信息。为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：
如图5所示，一种路由选择装置5包括：
构建模块51，用于根据各边缘节点的通信范围寻找可与其通信的下一跳节点，并建立各边缘节点的下一跳集合。
构建模块51还用于，根据下一条集合寻找能经过多跳传输将数据从源节点传输至目的节点的所有可达链路，构成可达链路集合。
计算模块52，用于根据参数信息计算每条可达链路的中间节点的剩余能量参数、网络时延参数和权重系数。
计算模块52还用于，根据中间节点的剩余能量参数、网络时延参数和权重系数计算可达链路集合中各个可达链路的评估值，并选择评估值最小的可达链路作为源节点到目的节点的路由。
在一些实施例中，参数信息包括节点初始能量和节点剩余能量，计算模块52具体用于：
根据边缘节点的能量消耗模型、节点初始能量和节点剩余能量，计算每条可达链路中的各中间节点的剩余能量值；
针对每条可达链路，对该条可达链路中各中间节点的剩余能量值去量纲化，得到该条可达链路中各中间节点的剩余能量参数。
在一种可能的实现方式中，边缘节点的能量消耗模型为：
E＝ETi+ERi
其中，ETi、ERi分别为边缘节点发送数据包和接收数据包的能耗，Eelec为边缘节点每比特发送和接收电路的能耗，m1和m2分别为边缘节点发送和接收数据包的比特数，ε为常数，d为边缘节点与下一跳节点之间的距离，E为边缘节点接收和发送数据包的总能耗。
在一些实施例中，参数信息包括节点传输数据量、各节点的位置坐标，以及缓存队列长度；
计算模块52具体用于：为所有可达链路中的各中间节点分配信道资源和功率资源，并根据所有可达链路中的各中间节点分配到的信道资源和功率资源，计算各中间节点的传输速率；
根据各中间节点传输数据量和传输速率，计算各中间节点的传输时延；
根据各中间节点的缓存队列长度和传输速率，计算各中间节点的排队时延；
根据各中间节点的位置坐标确定各中间节点与下一跳节点之间的距离，根据各中间节点与下一跳节点之间的距离以及无线电波在空间的传播速度，计算各中间节点的传播时延；
根据各中间节点的传播时延、排队时延、传输时延和处理时延，计算各中间节点的网络时延参数。
在一些实施例中，计算模块52具体用于：
计算各可达链路中各中间节点分配信道资源和功率资源后的传输速率在当前可达链路中的所有中间节点传输速率中的比重：
为各可达链路中各中间节点分配与其对应的信道增益最大的信道，并计算各中间节点的初始传输速率；
在各可达链路的所有中间节点中，筛选满足传输速率与比重的比值最小的中间节点,为其分配信道；
根据各中间节点分配到的信道，以及信道上分配到的功率更新各中间节点的传输功率，并跳转至在各可达链路的所有中间节点中，筛选满足传输速率与比重的比值最小的中间节点,为其分配信道的步骤，直到所有信道分配完；
根据各中间节点最后分配到的信道，以及信道上分配到的功率更新各中间节点的传输功率，得到各中间节点的传输速率。
在一些实施例中，每条可达链路的各中间节点的权重系数与该中间节点到所属可达链路的目的节点之间的距离呈正相关；
计算模块52具体用于：根据第一公式、剩余能量参数、网络时延参数和权重系数计算可达链路集合中各个可达链路的评估值，其中，第一公式为：
其中，Wl为可达链路的评估值，m为可达链路中中间节点的总数，μk为可达链路中第k个中间节点的权重系数，Tk′为可达链路中第k个中间节点的网络时延参数，η′e,k为可达链路中第k个中间节点的剩余能量参数。
图6是本发明实施例提供的电子设备的示意图。如图6所示，该实施例的电子设备6包括：处理器60、存储器61以及存储在所述存储器61中并可在所述处理器60上运行的计算机程序62。所述处理器60执行所述计算机程序62时实现上述各个路由选择方法实施例中的步骤，例如图1所示的步骤110至步骤140。或者，所述处理器60执行所述计算机程序62时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能，例如图5所示模块/单元51至52的功能。
所述电子设备6可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述电子设备6可包括，但不仅限于，处理器60、存储器61。本领域技术人员可以理解，图6仅仅是电子设备6的示例，并不构成对电子设备6的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述电子设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
所称处理器60可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
所述存储器61可以是所述电子设备6的内部存储单元，例如电子设备6的硬盘或内存。所述存储器61也可以是所述电子设备6的外部存储设备，例如所述电子设备6上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card，SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述存储器61还可以既包括所述电子设备6的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器61用于存储所述计算机程序以及所述电子设备所需的其他程序和数据。所述存储器61还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/电子设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/电子设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
本发明实施例还提供一种移动边缘网络，包括至少一个边缘节点和至少一个中心节点。移动边缘网络用于数字孪生电网各孪生体数据业务传输，至少一个中心节点为上述的电子设备。
在本实施例中，移动边缘网络可以应用于数字孪生电网各孪生体数据业务的传输过程。其中包括至少一个边缘节点与至少一个中心节点。各个节点之间形成一个网络结构，每个节点通过直接或间接通信能够共享网络中的所有信息。移动边缘网络能够控制中心节点根据各边缘节点的通信范围，寻找能将数据从源节点传输到目的节点的所有可达链路。并控制中心节点计算各个可达链路中的各中间节点的网络延时参数剩余能量参数以及权重系数，并控制中心节点根据各个可达链路中的各中间节点的网络延时参数剩余能量参数以及权重系数计算出每条可达链路的评估值。最后，移动边缘网络控制中心节点在所有可达链路中选择评估值最小的可达链路作为路由。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个路由选择方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括是电载波信号和电信信号。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种路由选择方法，其特征在于，应用于移动边缘网络中的中心节点，所述移动边缘网络还包括至少一个边缘节点，所述移动边缘网络用于数字孪生电网各孪生体数据业务的传输，所述中心节点实时感知所述边缘节点的参数信息；所述方法包括：
根据各边缘节点的通信范围寻找可与其通信的下一跳节点，并建立各边缘节点的下一跳集合；根据所述下一跳集合寻找能经过多跳传输将数据从源节点传输至目的节点的所有可达链路，构成可达链路集合；
根据所述参数信息计算每条可达链路的中间节点的剩余能量参数、网络时延参数和权重系数；根据所述中间节点的剩余能量参数、网络时延参数和权重系数计算所述可达链路集合中各个可达链路的评估值，并选择所述评估值最小的可达链路作为所述源节点到所述目的节点的路由。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述参数信息包括节点初始能量和节点剩余能量，所述根据所述参数信息计算每条可达链路的中间节点的剩余能量参数，包括：
根据所述边缘节点的能量消耗模型、节点初始能量和节点剩余能量，计算每条可达链路中的各中间节点的剩余能量值；
针对每条可达链路，对该条可达链路中各中间节点的剩余能量值去量纲化，得到该条可达链路中各中间节点的剩余能量参数。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述边缘节点的能量消耗模型为：
E＝ETi+ERi
其中，ETi、ERi分别为边缘节点发送数据包和接收数据包的能耗，Eelec为边缘节点每比特发送和接收电路的能耗，m1和m2分别为边缘节点发送和接收数据包的比特数，ε为常数，d为边缘节点与下一跳节点之间的距离，E为边缘节点接收和发送数据包的总能耗。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述参数信息包括节点传输数据量、各节点的位置坐标，以及缓存队列长度；
根据所述参数信息计算每条可达链路的中间节点的网络时延参数，包括：
为所有可达链路中的各中间节点分配信道资源和功率资源，并根据所有可达链路中的各中间节点分配到的信道资源和功率资源，计算各中间节点的传输速率；
根据各中间节点的节点传输数据量和传输速率，计算各中间节点的传输时延；
根据各中间节点的缓存队列长度和传输速率，计算各中间节点的排队时延；
根据各中间节点的位置坐标确定各中间节点与下一跳节点之间的距离，根据各中间节点与下一跳节点之间的距离以及无线电波在空间的传播速度，计算各中间节点的传播时延；
根据各中间节点的传播时延、排队时延、传输时延和处理时延，计算各中间节点的网络时延参数。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述为所有可达链路中的各中间节点分配信道资源和功率资源，并根据所有可达链路中的各中间节点分配到的信道资源和功率资源，计算各中间节点的传输速率，包括：
计算各可达链路中各中间节点分配所述信道资源和所述功率资源后的传输速率在当前可达链路中的所有中间节点传输速率中的比重：
为各可达链路中各中间节点分配与其对应的信道增益最大的信道，并计算各中间节点的初始传输速率；
在各可达链路的所有中间节点中，筛选满足传输速率与比重的比值最小的中间节点,为其分配信道；
根据各中间节点分配到的信道，以及信道上分配到的功率更新各中间节点的传输功率，并跳转至所述在各可达链路的所有中间节点中，筛选满足传输速率与比重的比值最小的中间节点,为其分配信道的步骤，直到所有信道全部分配完；
根据各中间节点最后分配到的信道，以及信道上分配到的功率更新各中间节点的传输功率，得到各中间节点的传输速率。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每条可达链路的各中间节点的权重系数与该中间节点到所属可达链路的目的节点之间的距离呈正相关；
所述根据所述剩余能量参数、所述网络时延参数和所述权重系数计算所述可达链路集合中各个链路的评估值，包括：
根据第一公式、所述剩余能量参数、所述网络时延参数和所述权重系数计算所述可达链路集合中各个可达链路的评估值，其中，所述第一公式为：
其中，Wl为可达链路的评估值，m为可达链路中中间节点的总数，μk为可达链路中第k个中间节点的权重系数，Tk′为可达链路中第k个中间节点的网络时延参数，ηe′,k为可达链路中第k个中间节点的剩余能量参数。
7.一种路由选择装置，其特征在于，应用于移动边缘网络中的中心节点，所述移动边缘网络包括至少一个边缘节点和至少一个中心节点，所述中心节点实时感知所述边缘节点的参数信息；所述装置包括：
构建模块，用于根据各边缘节点的通信范围寻找可与其通信的下一跳节点，并建立各边缘节点的下一跳集合；根据所述下一条集合寻找能经过多跳传输将数据从源节点传输至目的节点的所有可达链路，构成可达链路集合；
计算模块，用于根据所述参数信息计算每条可达链路的中间节点的剩余能量参数、网络时延参数和权重系数；根据所述中间节点的剩余能量参数、网络时延参数和权重系数计算所述可达链路集合中各个可达链路的评估值，并选择所述评估值最小的可达链路作为所述源节点到所述目的节点的路由。
8.一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上的权利要求1至6中任一项所述的一种路由选择方法的步骤。
9.一种移动边缘网络，包括至少一个边缘节点和至少一个中心节点，所述移动边缘网络用于数字孪生电网各孪生体数据业务的传输，所述至少一个中心节点包括如权利要求8所述的电子设备。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如上的权利要求1至6中任一项所述的一种路由选择方法的步骤。
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