一种电力通信网络中路由器服务等级的自适应分级方法

摘要

一种电力通信网络中路由器服务等级的自适应分级方法，属于电力通信网络管理和优化技术领域。首先利用延时和丢包率两个指标区分网络中不同业务的服务等级；其次利用延时、丢包率模型，定义网络吞吐量与能耗的模型，建立电力通信网络能效与服务质量等级的约束关系，以网络能效最大化作为优化目标，并将网络服务质量等级和遗传算法的约束条件作为约束，建立面向多粒度多业务电力通信的服务等级自适应分级方法；利用遗传算法通过快速迭代寻优进行求解。本发明在保证一定的电力通信网络服务质量前提下最大化网络能效，做到网络能效与服务质量的折中，针对电力通信网络中不同业务的不同大小的数据流为每一个电力通信网络配置最优的服务质量等级。

主权项

1.一种电力通信网络中路由器服务等级的自适应分级方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1、采集待传数据流的信息，主要记录待传输数据的初始发射速率；考虑到不同业务数据流的粒度不同，即数据流的长度不同，对数据流进行等间隔采样，获得多个数据流片段，记录每一个采样点数据流片段的初始发射速率；步骤2、在电力通信网络中将待传输数据流从源节点发送至目的节点，具体包括如下几个步骤：步骤2.1：确定待分配给各电力通信网络中路由器的QoS等级；步骤2.1.1：确定各电力通信网络的延时和丢包率；时变电力通信网络具有延时和丢包率特性，根据每一个电力通信网络所能提供的不同延时和丢包率特性对电力通信网络的服务质量等级进行划分，建立满足电力通信网络要求的延时和丢包率数学模型，对不同时刻每个网络的延时和丢包率进行预测；用于计算各电力通信网络的延时和丢包率的公式如下：(1)计算各电力通信网络延时的公式如下：${\mathrm{Td}}_i(c_i\left(t\right),t)=\frac{{\alpha }_i\left(t\right)}{c_i\left(t\right)}---\left(1\right)$(2)计算各电力通信网络丢包率的公式如下：${\mathrm{Lr}}_i(c_i\left(t\right),t)=\frac{{\sigma }_i\left(t\right)}{{\sigma }_i\left(t\right)+c_i\left(t\right)}---\left(2\right)$在式(1)～(2)中，Td_i(c_i(t)，t)表示t时刻电力通信网络i的延时，Lr_i(c_i(t)，t)表示t时刻电力通信网络i的丢包率，1≤i≤n，0≤t≤T，c_i(t)是t时刻网络i所要取的服务质量等级，α_i(t)与σ_i(t)是t时刻特定、服务质量服务级别下的电力通信网络i的延时和丢包率的系数参量，且为线性函数，公式分别为：σ_i(t)=σ_i(0)-ζt                   (3)α_i(t)=α_i(0)-ηt                   (4)式(3)～(4)中，ζ＞0，η＞0且为远小于1的值；α_i(0)，σ_i(0)为所设置的初始值，当一个初始速率为v₁，长度为T的数据流在经过电力通信网络i后，任意两个时间片段的数据流的网络延迟和丢包率都将远小于1，即，当数据流通过网络后，数据流的长度和速率仍可以认为是T和v₁，这满足最大无失真的网络传输条件；同时，t时刻电力通信网络i延时Td_i(c_i(t)，t)满足如下条件：$\left\{\begin{array}{c}\underset{c_i\to 0}{\lim }{\mathrm{Td}}_i\left(c_i\left(t\right)\right)=\infty \\ \underset{c_i\to \infty }{\lim }{\mathrm{Td}}_i\left(c_i\left(t\right)\right)=0\\ \left|\frac{\partial {\mathrm{Td}}_i(c_i\left(t\right),t)}{\partial c_i\left(t\right)}\right|<\frac{ϵ}{n}\end{array}\right.---\left(5\right)$t时刻网络i的丢包率Lr_i(c_i(t)，t)满足如下条件：$\left\{\begin{array}{c}\underset{c_i\to 0}{\lim }{\mathrm{Lr}}_i\left(c_i\left(t\right)\right)=1\\ \underset{c_i\to \infty }{\lim }{\mathrm{Lr}}_i\left(c_i\left(t\right)\right)=0\\ \underset{c_i\to 0}{\lim }\left|\frac{\partial {\mathrm{Lr}}_i(c_i\left(t\right),t)}{\partial c_i}\right|<\infty \end{array}\right.---\left(6\right)$条件(5)式和(6)式表明，当网络服务质量等级为0时，网络无连接，随着网络服务质量等级的增加，网络的丢包率和延迟都将下降，且由于服务等级划分问题本身是一个离散的最优化问题，在连续的条件下对其进行求解，用(5)～(6)中最后的不等式来保证可以求得最优的各网络服务等级；步骤2.1.2、利用步骤1中所记录的数据流的初始发射速率和2.1.1所得的各电力通信网络中的延时和丢包率值预测满足电力通信网络要求的吞吐量Th(c(t)，t)和能耗E(c(t)，t)值；(1)计算电力通信网络吞吐量的公式为：$\mathrm{Th}\left(t\right)=v_1(1-\underset{i=1}{\overset{n}{\Pi }}(1-{\mathrm{Lr}}_i(c_i\left(t\right),t)))---\left(7\right)$式中，v₁表示数据流的初始速率，Th(t)表示吞吐量，Lr_i(c_i(t)，t)为数据流经过网络的丢包率；(2)计算电力通信网络的能耗的公式为：E(t)=c_e×p+(1-p)×v(t)                  (8)式中，c_e为电力通信网络容量，p为电力通信网络中固有能耗所占比重，v(t)为t时刻的电力通信网络速率，根据步骤1中等式(1)～(2)，t时刻的电力通信网络速率v(t)计算公式为，$v\left(t\right)=\frac{v_1(1-\underset{i=1}{\overset{n}{\Pi }}(1-{\mathrm{Lr}}_i(c_i\left(t\right),t)))}{\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\mathrm{Td}}_i(c_i\left(t\right),t)}---\left(9\right)$式中，v₁表示数据流的初始速率；步骤2.1.3、利用步骤2.1.2预测所得的电力通信网络吞吐量和能耗值，建立电力通信网络的服务等级自适应划分模型；电力通信网络的服务等级自适应划分模型以网络能效最大化为目标，并且以电力通信网络延时、丢包率、服务质量等级这些服务质量指标为约束条件，建立满足多粒度多业务要求的电力通信的服务等级自适应划分模型；其中网络能效为网络吞吐量与能耗的比值，即，单位能耗所传输的数据量的大小，目标是自动调整网络的服务等级，使整个电力通信网络在保证网络服务质量的情况下，以最小能耗传输尽可能大的数据量，具体内容如下：(1)确定电力通信网络的能效值，计算公式为：$\mathrm{EE}\left(t\right)=\frac{\mathrm{Th}\left(t\right)}{E\left(t\right)}=\frac{v_1(1-\underset{i=1}{\overset{n}{\Pi }}(1-{\mathrm{Lr}}_i(c_i\left(t\right),t)))}{c_e\times p+(1-p)\times v\left(t\right)}---\left(10\right)$(2)以能效最大为目标，建立电力通信网络的服务等级自适应划分模型：$c_i^{*}\left(t\right)=\arg \max \mathrm{EE}\left(t\right)---\left(11\right)$式中，1≤i≤n且0≤t≤T，EE(t)为电力通信整体网络能效，为最终所求得的第i个网络的最优服务质量等级；(3)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，c_i(t)为t时刻电力通信网络i的QoS等级，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：$\underset{c_i\to 0}{\lim }{\mathrm{Td}}_i\left(c_i\left(t\right)\right)=\infty ---\left(13\right)$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：$\underset{c_i\to \infty }{\lim }{\mathrm{Td}}_i\left(c_i\left(t\right)\right)=0---\left(14\right)$约束4：保证能够得到使网络能效达到最大的各网络QoS等级值，公式为：$\left|\frac{\partial \mathrm{Td}(c_i\left(t\right),t)}{\partial t}\right|<\frac{ϵ}{n}---\left(15\right)$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：$\underset{c_i\to 0}{\lim }{\mathrm{Lr}}_i\left(c_i\left(t\right)\right)=1---\left(16\right)$约束6：当网络i的QoS等级趋于无穷时，丢包率为0，公式为：$\underset{c_i\to \infty }{\lim }{\mathrm{Lr}}_i\left(c_i\left(t\right)\right)=0---\left(17\right)$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：$\underset{c_i\to 0}{\lim }\left|\frac{{\partial \mathrm{Lr}}_i}{\partial c_i}\right|<\infty ---\left(18\right)$步骤2.1.4、针对步骤2.1.3得到的划分模型，采用遗传算法获得不同时刻不同电力通信网络的服务质量等级；利用遗传迭代进化算法提出一种启发算法进行求解，具体为：步骤A：对于源节点发送的某一业务数据流，以等间隔对其进行采样；步骤B：从第一个数据流片段开始调用遗传算法开始对于每个数据流片段求解，确定各个电力通信网络的服务质量等级；步骤C：判断是否已经完成对所有数据流片段的求解，若完成，则转步骤E，否则转入步骤D；步骤D：指示变量指向下一个数据流片段，转入步骤C，其中，指示变量标志待计算的当前数据流片段；步骤E：退出循环，输出结果。