趙平

國(guó)網(wǎng)四川雅安電力(集團(tuán))股份有限公司

基于量子遺傳算法的電力通信網(wǎng)路由選擇策略分析

趙平

國(guó)網(wǎng)四川雅安電力(集團(tuán))股份有限公司

在目前，電力通信網(wǎng)路由在算法上往往不能充分考慮電力業(yè)務(wù)的特征情況，并且無(wú)法指出一種針對(duì)電力業(yè)務(wù)的路由算法。針對(duì)各個(gè)電力通信指標(biāo)的差異要求，將電力系統(tǒng)現(xiàn)有業(yè)務(wù)劃分類別，明確業(yè)務(wù)對(duì)通信指標(biāo)的要求，在滿足電力業(yè)務(wù)通信需求的基拙上，利用量子遺傳算法進(jìn)行路由選擇，將網(wǎng)絡(luò)帶寬、時(shí)延和丟包率作為目標(biāo)函數(shù)，采用量子比特編碼，利用量子旋轉(zhuǎn)門操作實(shí)現(xiàn)量子染色體的更新以求最優(yōu)解，起到了優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源、平衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的成效。仿真結(jié)果表明，對(duì)電力業(yè)務(wù)劃分類別進(jìn)行路徑選擇，能夠?qū)こ鰸M足業(yè)務(wù)特性的最佳路徑，且算法的收斂性比較理想，能在較短時(shí)間內(nèi)收斂到最優(yōu)解。

電力業(yè)務(wù) 業(yè)務(wù)分類 量子遺傳算法 蟻群算法 QoS路由

本文基于量子遺傳算法的基本原理，提出一種而向電力業(yè)務(wù)的路由算法。該算法根據(jù)電力業(yè)務(wù)對(duì)通信指標(biāo)的不同要求，對(duì)其進(jìn)行劃分類別，明確業(yè)務(wù)對(duì)通信指標(biāo)的要求;路由起始節(jié)點(diǎn)根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和電力業(yè)務(wù)類別調(diào)用相應(yīng)的適應(yīng)度函數(shù)，利用量子遺傳算法進(jìn)行路由選擇。該算法一方而考慮了傳統(tǒng)技術(shù)中的通信指標(biāo)對(duì)路由鏈路的影響，另一方而構(gòu)建了適應(yīng)度函數(shù)，對(duì)電力系統(tǒng)的各種業(yè)務(wù)按照其權(quán)重值進(jìn)行考慮。綜合考慮最短路徑和針對(duì)電力業(yè)務(wù)特點(diǎn)的約束條件，尋出滿足電力業(yè)務(wù)特性的最優(yōu)路徑，仿真結(jié)果表明了該算法的有效性。

1 電力系統(tǒng)現(xiàn)有業(yè)務(wù)的主要類別

針對(duì)電力通信網(wǎng)的物理結(jié)構(gòu)和業(yè)務(wù)需求情況，應(yīng)該合理選擇路由，滿足業(yè)務(wù)的QoS要求，同時(shí)提高電力通信網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量，平衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。電力通信網(wǎng)中，時(shí)延、帶寬和丟包率是三個(gè)重要的參數(shù)，各電力業(yè)務(wù)對(duì)三者的要求也不盡相同。根據(jù)對(duì)通信指標(biāo)的不同要求，將電力系統(tǒng)現(xiàn)有業(yè)務(wù)劃分為五種類別，具體為:

1)高可靠寬帶實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，包括電力市場(chǎng)營(yíng)銷、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等;

2)高可靠窄帶實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，包括繼電保護(hù)和安穩(wěn)系統(tǒng);

3)可靠寬帶實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，包括視頻會(huì)議;

4)可靠窄帶實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，包括調(diào)度自動(dòng)化和電能計(jì)量;

5)低可靠窄帶非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，包括辦公自動(dòng)化、管理信息業(yè)務(wù)和調(diào)度管理信息系統(tǒng)。

2 量子遺傳算法的基本原理概述

2.1 量子比特編碼

相比于實(shí)數(shù)編碼、二進(jìn)制編碼以及屬性編碼等多種已有的GA編碼方式，QGA編碼則做出了改變，即是基于量子比特進(jìn)行編碼，利用量子比特進(jìn)行存儲(chǔ)基因、表達(dá)基因。其中，量子比特正常處于0或者1兩種本征態(tài)，且兩種狀態(tài)可以相互疊加，可表示為：

|φ≥a|0＞＋β|1＞.

在對(duì)電力通信網(wǎng)路由問題進(jìn)行求解時(shí)，量子染色體的量子比特?cái)?shù)由電力通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)和節(jié)點(diǎn)中最大鄰接點(diǎn)數(shù)共同確定。例如在一個(gè)N個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的電力通信網(wǎng)，設(shè)節(jié)點(diǎn)的最大鄰接點(diǎn)數(shù)為l，求解k使得2k-1≤l≤2k，則編碼時(shí)量子染色體的量子比特?cái)?shù)為n=N×k。

2.2 量子變異

為了加快算法收斂，需對(duì)種群進(jìn)行變異操作，在量子理論中，量子比特狀態(tài)的轉(zhuǎn)換是通過量子門實(shí)現(xiàn)的，常用的量子門有:非門、異或門、受控異或門和旋轉(zhuǎn)門。量子旋轉(zhuǎn)門用旋轉(zhuǎn)角來表征染色體變異，并在變異過程中加入當(dāng)前最優(yōu)個(gè)體信息，達(dá)到加速算法收斂的目的。由于量子旋轉(zhuǎn)門的參數(shù)具有可調(diào)整性，通用性強(qiáng)，故采用量子旋轉(zhuǎn)門來實(shí)現(xiàn)染色體的變異。

3 電力通信網(wǎng)路由選擇策略

在為電力業(yè)務(wù)選擇路由時(shí)，首先根據(jù)業(yè)務(wù)對(duì)通信指標(biāo)的需求判定所屬類別，確定目標(biāo)函數(shù)及可容忍時(shí)延最大值、最小可用帶寬和可容忍丟包率最大值約束條件。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中時(shí)延、帶寬和節(jié)點(diǎn)的丟包率大小選擇滿足QoS約束條件的路徑，利用量子遺傳算法尋找符合業(yè)務(wù)通信指標(biāo)要求的最佳路徑，具體步驟如下：

1)初始化。遺傳代數(shù)t=U，種群Q(t)=Q(0)種群規(guī)模為K，并對(duì)種群進(jìn)行量子遺傳編碼。

2)對(duì)Q(t)的所有個(gè)體實(shí)施一次測(cè)量得到P(t)含有K個(gè)確定的個(gè)體。

3)對(duì)P(t)進(jìn)行譯碼得到具體路徑，將路徑信息(包括時(shí)延、可用帶寬和丟包率)代入，進(jìn)行適應(yīng)度評(píng)估。

4)選擇并保存最優(yōu)個(gè)體及其適應(yīng)度值，作為該種群個(gè)體下一步進(jìn)化的目標(biāo)值。

5)驗(yàn)證得到的最優(yōu)個(gè)體是否滿足最佳路由條件，若是，則結(jié)束并輸出當(dāng)前最優(yōu)個(gè)體，否則繼續(xù)。

6)量子變異操作，采用量子旋轉(zhuǎn)門變異操作更新Q(t)，得到下一代種群Q(t+1)。

7)t=t+1，轉(zhuǎn)回2)。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究提出了一種基于量子遺傳算法的電力通信網(wǎng)絡(luò)路由選擇策略，一方而考慮了傳統(tǒng)技術(shù)中的通信指標(biāo)對(duì)路由鏈路的影響，另一方而根據(jù)電力業(yè)務(wù)對(duì)通信指標(biāo)要求程度構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)。綜合考慮最短路徑和針對(duì)電力業(yè)務(wù)特點(diǎn)的QoS約束條件，利用量子遺傳算法尋出滿足電力業(yè)務(wù)特性的最優(yōu)路徑。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，按照對(duì)通信指標(biāo)的不同需求，對(duì)電力業(yè)務(wù)劃分類別進(jìn)行路由選擇，能夠?qū)こ鰸M足電力業(yè)務(wù)特性的最佳路徑，且算法的收斂性比較理想，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)收斂到最優(yōu)解。

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趙平，男，漢族，雅安，通信運(yùn)檢初級(jí)工，本科，國(guó)網(wǎng)四川雅安電力(集團(tuán))股份有限公司，通信路由。