一种电力通信网络中QoS能效的分级方法

摘要

一种电力通信网络中QoS能效的分级方法，属于电力通信网络领域。本发明首先利用数学建模和随机抽样测量来计算网络延时、延时抖动和丢包率，在计算能耗和吞吐量，得到电力通信网络的QoS能效分级模型。利用人工鱼群智能优化求解模型，利用遗传算法的变异算子，提高收敛速度和优化精度，再利用模拟退火算法对带有变异算子的人工鱼群算法进行改进，使各算法之间进行互补得到全局最优解，确定新一代电力通讯网络中各路由器的QoS能效，保证数据流在传递的过程中能耗最小，在保证网络一定QoS的同时，使网络能效达到最大。

主权项

一种电力通信网络QoS能效的分级方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：对电力通信网络中传输的数据流进行等间隔的采样，采集待传输数据流的初始发射速率；步骤2：将待传输数据流从源电力通信网络传递至目的电力通信网络，具体包括：步骤2.1：确定各电力通信网络内路由器的QoS等级；步骤2.1.1确定各电力通信网络的延时、延时抖动和丢包率，具体计算方法如下：(1)延时的计算公式如下：${\mathrm{TD}}_i\left(c_i\right(t),t)=\frac{{\alpha }_i\left(t\right)}{c_i\left(t\right)}---\left(1\right)$式中，TD_i(c_i(t),t)表示t时刻电力通信网络i的延时，1≤i≤n，0≤t≤T，c_i(t)是t时刻网络i所要取的QoS等级，α_i(t)是特定QoS服务级别下的网络i的延时系数参量，且为线性函数，表达式为：α_i(t)＝α_i(0)‑ηt   (2)式中，η＞0且为远小于1的值，α_i(0)为所设置的初始值；(2)延时抖动的计算公式如下：max(TD_j(c_j(t),t)‑TD_i(c_i(t),t)) 1≤i,j≤n  (3)式中，TD_j(c_j(t),t)表示t时刻电力通信网络j的延时；c_j(t)是t时刻网络j所要取的QoS等级；(3)丢包率的计算公式如下：${\mathrm{LR}}_i\left(c_i\right(t),t)=\frac{{\sigma }_i\left(t\right)}{{\sigma }_i\left(t\right)+c_i\left(t\right)}---\left(4\right)$式中，LR_i(c_i(t),t)表示t时刻电力通信网络i的丢包率，σ_i(t)是特定QoS服务级别下的网络i的丢包率系数参量，且为线性函数，表达式为：σ_i(t)＝σ_i(0)‑ζt  (5)其中，ζ＞0且为远小于1的值，σ_i(0)为所设置的初始值；同时，实际采集各电力通信网络的延时、延时抖动和丢包率实际值，分别与公式(1)～(5)计算出的延时、延时抖动和丢包率值进行比较，若差值在设定的阈值范围之内，则保留计算值；否则，舍弃计算值；步骤2.1.2：根据数据流的初始发射速率、延时和丢包率计算电力通信网络吞吐量和能耗；步骤2.1.3：利用步骤2.1.2中得到的电力通信网络吞吐量和能耗，建立整体电力通信网络的QoS能效分级模型；以电力通信网络延时、延时抖动、丢包率等QoS指标为约束条件，以最大化网络能效和最小化网络丢包率为目标，建立适用于电力通信网络的带约束的多目标QoS能效分级模型，具体如下：(1)以能效最大化为目标，建立整体电力通信网络的QoS能效分级模型；定义t时刻电力通信网络的能效为网络吞吐量与网络能耗之比，利用步骤2.1.2中所计算的满足电力通信网络要求的能耗和吞吐量，t时刻网络的能效的计算公式为：$EE\left(t\right)=\frac{Thp\left(t\right)}{E\left(t\right)}=\frac{r_0(1-\underset{i=1}{\overset{n}{\Pi }}(1-{\mathrm{LR}}_i\left(c_i\right(t),t\left)\right))}{c_e\times p+(1-p)\times r\left(t\right)}---\left(9\right)$式中，网络能效EE(t)是QoS等级c_i(t)的函数，c_e表示网络容量，p表示网络的固有能耗所占的比重，r(t)为网络速率，r₀为数据流的初始速率；这样，得到整体电力通信网络的QoS能效分级模型的目标函数为：$c_i^{*}\left(t\right)=\arg \max EE\left(t\right)---\left(10\right)$(2)确定该目标函数的约束条件：约束1：各电力通信网络的等级必须高于各网络的最低门限值，公式为：式中，为每个电力通信网络的QoS等级下限；约束2：当电力通信网络i的QoS等级趋近于0时，认为网络无连接，延时为无穷，公式为：$\underset{c_i\to 0}{\lim }{\mathrm{TD}}_i\left(c_i\right(t\left)\right)=\infty ---\left(12\right)$约束3：当网络i的QoS等级趋于无穷时，认为网络延时为0，公式为：$\underset{c_i\to \infty }{\lim }{\mathrm{TD}}_i\left(c_i\right(t\left)\right)=0---\left(13\right)$约束4：保证该目标函数有最优解，公式为：$\left|\frac{\partial TD\left(c_i\right(t),t)}{\partial t}\right|<\frac{ϵ}{n}---\left(14\right)$式中，ε一个远小于1的常数，n为数据流所经过的电力通信网络个数；约束5：当电力通信网络i的QoS等级趋近于0时，认为网络无连接，丢包率为100％，公式为：$\underset{c_i\to 0}{\lim }{\mathrm{LR}}_i\left(c_i\right(t\left)\right)=1---\left(15\right)$约束6：当网络i的QoS等级趋于无穷时，丢包率为0，公式为：$\underset{c_i\to \infty }{\lim }{\mathrm{LR}}_i\left(c_i\right(t\left)\right)=0---\left(16\right)$约束7：保证能够得到使网络能效达到最大化的QoS等级值，公式为：$\underset{c_i\to 0}{\lim }\left|\frac{\partial {\mathrm{LR}}_i}{\partial c_i}\right|<\infty ---\left(17\right)$步骤2.1.4：利用人工鱼群智能优化算法求解步骤2.1.3提出的QoS能效分级模型的解，进而确定各电力通信网络的QoS等级；具体过程为：(1)根据电力通信网络的个数来初始设置一系列QoS等级组，其中，每个QoS等级组由各电力通信网络的QoS等级组成；(2)计算初始的多组QoS等级组的能效值；(3)比较各QoS等级组对应的网络能效值大小，选择能效最大QoS等级组；(4)确定下一状态的QoS等级组值，具体包括如下步骤：(a)由用户设置步长，各等级组以任意方向移动该步长，得到一组新的QoS等级组值；(b)由用户设置步长，找到所有等级组的中心位置，各等级组向中心位置移动该步长，得到一组新的QoS等级组值；(c)由用户设置不成，除最大网络能效的QoS等级组外，其余QoS等级组向最大能效QoS等级组方向移动该步长；(d)比较a,b,c三个步骤中所得到的QoS等级组，选择能够使电力通信网络能效达到最大的QoS等级组值作为下一状态的QoS等级组值；(5)再选择步骤(4)中的一系列QoS等级组值中网络能效达到最大值，与步骤(3)所得到的网络能效值进行比较，若大于，则将步骤(4)的结果替换步骤(3)中的值，并将最大值不变次数置为0，否则，步骤(3)中值保持不变，将能效最大值不变次数加1；(6)判断步骤(5)中最大值不变次数是否已达到用户设置的上限，若达到，执行步骤(7)，否则，执行步骤(8)；(7)对步骤(5)所得到的下一状态QoS等级组进行变异，重新生成一系列QoS等级组值；(8)判断是否已经达到最大迭代次数，若达到，则，输出粗略最优的QoS等级组值，即步骤(3)中的值，结束方法；若没有达到，返回步骤(3)；(9)利用模拟退火算法对于步骤(8)中所得到的粗略QoS最优值进行进一步的细化搜索，得到各电力通信网络全局最优QoS解，具体包括以下步骤：(a)初始化温度系数；(b)根据退温系数生成新的温度，在新的温度下，计算一组新的QoS等级组值；(c)若步骤(b)中的QoS等级组所对应网络能效值大于之前求得的最大网络能效值，则用步骤b中的QoS等级组值进行替换，否则以某一概率进行替换；(d)判断当前温度是否已经达到所设置的最低温度，若达到，输出最优解，否则，返回步骤(b)；步骤2.1.5：根据步骤2.1.4所得的最优QoS等级组值，对各电力通信网络中的路由器QoS值进行配置；步骤2.2：将数据流在已配置好的电力通信网络中从源网络向目的网络进行传输。