劉貴榮，周 靜，趙子巖，張睿汭

（中國電力科學(xué)研究院 北京 100192）

1 引言

電力系統(tǒng)通信網(wǎng)是一種專業(yè)的通信網(wǎng)，是由發(fā)電廠及變電所等各級電力部門相互連接的傳輸系統(tǒng)和設(shè)在這些部門的交換系統(tǒng)或終端設(shè)備構(gòu)成，是電網(wǎng)的重要組成部分，由電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、運行管理模式、經(jīng)濟(jì)性等因素決定。

電力通信網(wǎng)在出現(xiàn)局部損傷的情況下，要求網(wǎng)絡(luò)的工作部分仍能保持較好的連通性。環(huán)形網(wǎng)由于其結(jié)構(gòu)簡單，與點對點的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，其業(yè)務(wù)恢復(fù)能力強(qiáng)，而與網(wǎng)狀網(wǎng)相比，其業(yè)務(wù)恢復(fù)算法簡單，可以使得網(wǎng)絡(luò)在極短的時間內(nèi)恢復(fù)業(yè)務(wù)，因而環(huán)形網(wǎng)在SDH系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。目前，電力通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浠窘Y(jié)構(gòu)為SDH環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。環(huán)形拓?fù)鋵嶋H上是指將鏈形拓?fù)涫孜蚕噙B，從而構(gòu)成網(wǎng)上任何一個網(wǎng)元節(jié)點都不對外開放的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问剑@是當(dāng)前使用最多的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问?，主要是因為它具有很?qiáng)的生存性，即可靠性高，網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時間短，具有良好的業(yè)務(wù)疏導(dǎo)能力。

2 電力光傳輸網(wǎng)特點與現(xiàn)狀

2.1 電力光傳輸網(wǎng)特點

電力光傳輸網(wǎng)的構(gòu)成主要以SDH環(huán)網(wǎng)電路與鏈狀電路為主。光傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要依托輸電線路的走向。光傳輸網(wǎng)架依托于底層光纜路由形成后，面對以星狀匯聚業(yè)務(wù)為主的業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)，將產(chǎn)生眾多的跨環(huán)穿透業(yè)務(wù)。過多的跨環(huán)穿透業(yè)務(wù)容易引發(fā)帶寬瓶頸和節(jié)點瓶頸，同時增加了網(wǎng)絡(luò)運行與維護(hù)管理的難度。

光傳輸網(wǎng)基本采用SDH體制，為了能夠最大限度地提高網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的可靠性，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和工程應(yīng)用中不可避免地盡可能多地采用環(huán)形拓?fù)?。?dāng)SDH環(huán)網(wǎng)數(shù)量較多時，光傳輸網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)域所承載業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)間的矛盾將越發(fā)明顯，環(huán)型拓?fù)涞娜毕輰χ行慕尤牍?jié)點的安全性以及光傳輸網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)性能產(chǎn)生巨大的壓力。

2.2 所承載的業(yè)務(wù)特點

現(xiàn)階段電力光傳輸網(wǎng)所承載的業(yè)務(wù)信息，其流向和流量具有電力企業(yè)固有的特點。

管理部門之間的業(yè)務(wù)信息以縱向為主 （縣>地>省>網(wǎng)），少有平行部門間（縣與縣、地與地、省與省、網(wǎng)與網(wǎng)）的橫向業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)流向具有明顯的星狀匯聚網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特點。在現(xiàn)階段，以SDH環(huán)網(wǎng)為主的光傳輸網(wǎng)中表現(xiàn)為環(huán)上多點向中心匯聚型的業(yè)務(wù)，環(huán)網(wǎng)中越接近中心點的區(qū)段業(yè)務(wù)流量越大，缺少運營商SDH環(huán)網(wǎng)中相鄰站點之間上下分散型業(yè)務(wù)。

電網(wǎng)管理部分與變電站、電廠之間的業(yè)務(wù)信息也是以縱向業(yè)務(wù)為主，具有星狀匯聚網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點，但是業(yè)務(wù)量比較小。

廠站業(yè)務(wù)主要是針對點對點的保護(hù)業(yè)務(wù)，是電力光傳輸網(wǎng)上承載的特殊業(yè)務(wù)。該業(yè)務(wù)建在廠站之間，不涉及管理部門，其占用帶寬較小，但是對通道的可靠性要求極高，對傳輸時延的要求也很嚴(yán)格。

3 環(huán)網(wǎng)業(yè)務(wù)模型

3.1 自愈網(wǎng)（環(huán)）技術(shù)

所謂自愈網(wǎng)(self-healing network)，就是具有網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)保護(hù)功能的傳輸網(wǎng)絡(luò)。不需網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)和人為的干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)能在極短的時間內(nèi)(ITU-T規(guī)定在50 ms以內(nèi))從失效故障中自動恢復(fù)業(yè)務(wù)傳輸能力。替代路由可以采用備用設(shè)備或是利用現(xiàn)有設(shè)備中的冗余能力，以滿足端到端的業(yè)務(wù)恢復(fù)，或指定優(yōu)先級業(yè)務(wù)不受影響。在自愈過程中，各種業(yè)務(wù)不會中斷，用戶感覺不到網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)出現(xiàn)故障并發(fā)生了重組。

SDH自愈環(huán)是典型的利用備用線路的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),具有如下優(yōu)點：配置簡單；具有自愈能力，網(wǎng)絡(luò)的生存性強(qiáng)；網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)時間比較短(一般小于50 ms)；具有良好的業(yè)務(wù)疏導(dǎo)能力。

自愈環(huán)是利用多路由的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞绞剑粌H提高了網(wǎng)絡(luò)的生存能力，還降低了倒換所需備用路由的成本，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中起到重要的作用。目前，SDH傳輸技術(shù)已成為電力通信網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的主要技術(shù)手段，SDH傳輸網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為電力系統(tǒng)各類信息應(yīng)用的基礎(chǔ)平臺，是行政調(diào)度電話、繼電保護(hù)、遠(yuǎn)動信號、MIS信息等各類電力生產(chǎn)信息最主要的傳輸網(wǎng)絡(luò)。

3.2 業(yè)務(wù)模型

目前，SDH傳輸技術(shù)已成為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的主要技術(shù)手段，而SDH環(huán)網(wǎng)技術(shù)又是在網(wǎng)絡(luò)中大量應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)保護(hù)手段，對于電力通信網(wǎng)來說，發(fā)生的業(yè)務(wù)多屬于匯聚型業(yè)務(wù)，即數(shù)據(jù)多由下級接入站點向上級匯聚站點，核心站點流入，如果某個跨距段上的業(yè)務(wù)特別多，而其他跨距段上的業(yè)務(wù)相對少，則在很大程度上影響了網(wǎng)絡(luò)的流量均衡以及可能對電力安全業(yè)務(wù)造成隱患。業(yè)務(wù)均衡建立在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之上，它提供了一種廉價、有效、透明的方法擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和服務(wù)器的帶寬、增加吞吐量、加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理能力、提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可用性。典型的環(huán)網(wǎng)業(yè)務(wù)量分布類型，如圖1所示，共3種類型。

均勻型（即分布型）分布：此時各個節(jié)點之間的業(yè)務(wù)量分布比較均勻，電力通信網(wǎng)的一、二級網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)量分布往往趨近這類分布。

相鄰型（循環(huán)型）分布：此時業(yè)務(wù)量分布主要集中在相鄰節(jié)點之間，某些中繼網(wǎng)的匯接局之間的業(yè)務(wù)量分布可能趨近這類分布。

匯聚型（即樞紐型）分布：此時業(yè)務(wù)量分布主要集中于一個特殊節(jié)點（如匯接局或端局）。接入網(wǎng)的業(yè)務(wù)量分布通常如此，另外某些省內(nèi)干線業(yè)務(wù)量也往往集中在省會市落地，采用匯接制的中繼網(wǎng)的業(yè)務(wù)量也往往集中于幾個匯接局。

實際業(yè)務(wù)量是上述分布類型的混合形式，以其中一種為主，而且其分布隨時間、網(wǎng)絡(luò)的變化以及其他因素而異，但作為分析參考則仍有相當(dāng)?shù)牡湫托浴?/p>

不同的業(yè)務(wù)量分配方案，不同的路由算法，對應(yīng)著環(huán)中不同的業(yè)務(wù)容量。研究自愈環(huán)內(nèi)的路由算法，尋找合理的業(yè)務(wù)量分配方案，以減小對環(huán)路的容量要求，對SDH自愈環(huán)的設(shè)計有著重要的實際意義。本算法的目的是使環(huán)上各跨距段分配的電路總數(shù)盡可能平衡，從而使最終環(huán)容量的需求盡可能的小。摒除瓶頸跨距段，優(yōu)化環(huán)網(wǎng)容量，提高業(yè)務(wù)均衡度以及網(wǎng)絡(luò)利用率?？缇喽紊献畲髽I(yè)務(wù)數(shù)記為CMax。

4 業(yè)務(wù)均衡算法介紹

選擇合適的路由算法可以減少對環(huán)路的容量要求，用盡量少的配置滿足通信的需要。以下為幾種路由算法及其實現(xiàn)的步驟介紹。

4.1 最少轉(zhuǎn)接法

這是環(huán)路的幾種基本算法之一，其選擇業(yè)務(wù)路由的原則是該業(yè)務(wù)經(jīng)過中間節(jié)點轉(zhuǎn)接的次數(shù)最少，進(jìn)入環(huán)中的所有業(yè)務(wù)都通過這一方法來確定其所經(jīng)過路由的環(huán)路方向，這在一定程度上能減小對整個環(huán)的容量要求。這種算法速度快，且易于實現(xiàn)，但效率不高。以下用B2算法代之。

4.2 按需順序算法

按需順序法的主要思想為，先分配相鄰節(jié)點間的業(yè)務(wù)，然后把不相鄰節(jié)點間的業(yè)務(wù)從大到小排序，依次分配。比較此節(jié)點對間正反方向（最少跳數(shù)為正方向）業(yè)務(wù)數(shù)，將業(yè)務(wù)分配到業(yè)務(wù)數(shù)較少的方向上。算法流程如圖2所示。以下用B4算法代之。

按需順序法算法圖例見表1和圖3所示。

4.3 最優(yōu)化算法

表1 原始業(yè)務(wù)分布量

首先，T(i,j)為各選定最短路由，并記錄為P(i,j)={i,a,…,b,j},其中a,b為途徑跨距段編號，令C=max Sk=Sm，將經(jīng)由m段的各路由收集到S集合，將與S中路由交叉但不屬于S集合的路由收集到與S元素分別對應(yīng)的Q集合。其次，從集合S中一一取出元素，安排至反方向，計算臨時Cmax，對應(yīng)的Q集合元素也一一取出，安排至反方向，也得到Cmax，最后比較這些Cmax并與之前的C進(jìn)行比較，得到最小值，并記錄此最小值的業(yè)務(wù)分配狀態(tài)。最后，如果新得到的Cmax小于C則回到（2）繼續(xù)執(zhí)行。否則程序結(jié)束。算法流程圖如圖4所示。以下用B5算法代之。

算法示例：以B4算法提到的例子為例。優(yōu)化算法業(yè)務(wù)分配結(jié)果如圖5所示。

5 仿真分析

為了對算法的性能進(jìn)行驗證，我們用C++語言實現(xiàn)了所有算法，針對不同業(yè)務(wù)模型（均勻型業(yè)務(wù)，匯聚型業(yè)務(wù)），對不同節(jié)點數(shù)的環(huán)分別產(chǎn)生了100個隨機(jī)業(yè)務(wù)矩陣，如對于均勻型業(yè)務(wù)，5個節(jié)點環(huán)，產(chǎn)生100個業(yè)務(wù)矩陣，6個節(jié)點環(huán)，也產(chǎn)生100個業(yè)務(wù)矩陣，一直到16個節(jié)點（受SDH幀結(jié)構(gòu)中段開銷字節(jié)K1、K2最大尋址能力的限制，在一個需要使用自動保護(hù)倒換算法的環(huán)中最多允許存在16個節(jié)點），對于匯聚型業(yè)務(wù)也一樣。最后求100次運算的均值，圖6和圖7是最后得到的仿真結(jié)果。

對于有N（5≤N≤16）個節(jié)點的環(huán)網(wǎng)，隨機(jī)產(chǎn)生100個均勻業(yè)務(wù)矩陣，在最優(yōu)化算法（以下代稱B5算法），按需順序法 （以下代稱B4算法），最短路徑法 （以下代稱B2算法）算法下都可以得到100個CMax值，取其平均值，則可知這幾種算法性能的趨勢。由圖6和圖7可知，對于均勻型業(yè)務(wù)，隨著節(jié)點數(shù)的增加，B5算法是效果最好的，B4算法效果反而越差。對于匯聚型業(yè)務(wù)，B5算法最好，B4算法次之，B2算法最差。

由圖8可知，不管是均勻型業(yè)務(wù)，還是匯聚型業(yè)務(wù)，B5算法是最有效的算法，可以很好地減少跨距段上的最大業(yè)務(wù)數(shù)。隨著環(huán)網(wǎng)節(jié)點數(shù)的增加，B5算法的效果越明顯。對于均勻型業(yè)務(wù)，只有5個節(jié)點時，B5算法失效次數(shù)較多，對于匯聚型業(yè)務(wù)，低于7個節(jié)點時，B5算法失效次數(shù)偏高。這里的失效是指B5的算法所得結(jié)果不比B2算法所得結(jié)果更好。

對于均勻型業(yè)務(wù)，B4算法表現(xiàn)出極大的不穩(wěn)定性。隨著節(jié)點數(shù)的增加，B4算法失效越多 （失效是指比B2算法得到的結(jié)果還差），且有全部失效的趨勢。對于匯聚型業(yè)務(wù)，B4算法失效次數(shù)有很大減少，環(huán)網(wǎng)節(jié)點多于7個時，基本趨于穩(wěn)定，且有減少的趨勢，總體效果比B2算法強(qiáng)，比B5算法差。

在實驗中，最優(yōu)化方法得到的結(jié)果相比較最短路徑法無疑是最好的，因為最優(yōu)化方法得到的數(shù)據(jù)只能小于等于最短路徑方法的結(jié)果。只不過，最優(yōu)化方法時間復(fù)雜度與空間復(fù)雜度都比最短路徑的大，并且實現(xiàn)相對復(fù)雜。

B2算法時間復(fù)雜度為O(N3),B4算法時間復(fù)雜度O(N3),B5算法時間復(fù)雜度O(kN4)，k為找到最小Cmax值的所需循環(huán)次數(shù)1≤k≤N。

6 結(jié)束語

本文對業(yè)務(wù)均衡的各個算法進(jìn)行了性能方面的比較。從業(yè)務(wù)最常用的分配方式最少轉(zhuǎn)接法開始，依次提出了按需順序法和最優(yōu)化方法兩種優(yōu)化算法。并且對有代表性的兩種業(yè)務(wù)模型：均勻型和匯聚型業(yè)務(wù)進(jìn)行了數(shù)百次的運算，得到充分的數(shù)據(jù)。得到的結(jié)論是最優(yōu)化算法在以開銷較多時間的基礎(chǔ)上下能相對較好地降低網(wǎng)絡(luò)的跨距段最大業(yè)務(wù)數(shù)，有效地增加網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的均衡性。最優(yōu)化算法在運算效率上有待改進(jìn)。

1 劉源.電力通信網(wǎng)S D H網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化研究.電力通信系統(tǒng)，2008,185(33)

2 李苑，方少元.S D H自愈環(huán)網(wǎng)特性分析及應(yīng)用.計算機(jī)工程，2006，32（13）

3 Wu T H.Fiber Network service survivability.New York,Artech House,1992