李 敏, 許振飛, 許崇志, 年安君

(國網(wǎng)蚌埠供電公司 信通公司, 蚌埠 233000)

引言

隨著智能電網(wǎng)研究和應(yīng)用的快速發(fā)展, 電力通信網(wǎng)在電力行業(yè)中的作用越來越重要. 當(dāng)前, 電力通信網(wǎng)主要由底層物理網(wǎng)絡(luò)、上層業(yè)務(wù)邏輯網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成[1]. 其中, 底層物理網(wǎng)絡(luò)主要由光纖通信網(wǎng)構(gòu)成, 并輔以微波、衛(wèi)星等傳輸方式. 上層業(yè)務(wù)邏輯網(wǎng)絡(luò)主要由路由器、交換機(jī)等數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成, 完成電力調(diào)度及業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)控制. 電力通信邏輯網(wǎng)絡(luò)承載的業(yè)務(wù)主要包括配網(wǎng)保護(hù)、配電網(wǎng)視頻監(jiān)控、配網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)檢測、用電信息采集自動(dòng)化等電力通信業(yè)務(wù), 各類業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)延遲、帶寬、網(wǎng)絡(luò)可靠性等要求不同[2].

上層業(yè)務(wù)邏輯網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)營, 對(duì)于電力業(yè)務(wù)的穩(wěn)定運(yùn)行起著非常關(guān)鍵的作用. 但是, 當(dāng)前電力系統(tǒng)自有的底層物理網(wǎng)絡(luò)的光纖覆蓋水平較低, 還存在光纖芯數(shù)緊張, 資源不足的情況, 還有較多地區(qū)的底層物理網(wǎng)絡(luò)采用租用第三方光纖實(shí)現(xiàn)電力通信的問題. 為解決這些問題, 已有部分研究提出一些解決方法[3–5]. 文獻(xiàn)[3,4]研究均衡電力通信網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性和業(yè)務(wù)分布, 以最小的代價(jià)建設(shè)最可靠的電力通信網(wǎng). 文獻(xiàn)[5]制定了不同優(yōu)先級(jí)的 QoS 差異化策略. 但是, 這幾種 QoS 保障機(jī)制只適用于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò). 網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)是當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵技術(shù), 在 QoS 保障方面具有較大優(yōu)勢[6–10]. 網(wǎng)絡(luò)虛擬化環(huán)境下, 電力通信網(wǎng)包括基礎(chǔ)設(shè)施提供商 (Infrastructure Providers, InPs)和服務(wù)提供商 (Service Providers, SPs). 其中 InPs 創(chuàng)造和管理基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò), 包含計(jì)算節(jié)點(diǎn)、鏈路資源等物理資源. 而 SPs 根據(jù)電力通信業(yè)務(wù)的需求, 為業(yè)務(wù)提供差異性服務(wù). 文獻(xiàn)[11]通過提高休眠節(jié)點(diǎn)和鏈路數(shù)量, 提高底層網(wǎng)絡(luò)資源的利用率. 文獻(xiàn)[12]采用隱馬爾科夫模型描述滿足資源約束的可用的底層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)拓?fù)湫畔? 文獻(xiàn)[13]建立了高效節(jié)能節(jié)點(diǎn)映射運(yùn)輸模型. 文獻(xiàn)[14]用概率理論輔助分析了每個(gè)虛擬節(jié)點(diǎn)的多個(gè)可用物理節(jié)點(diǎn)被選中的概率. 上述的虛擬化資源分配主要解決提高底層節(jié)點(diǎn)或鏈路資源利用率的問題, 缺少對(duì)多個(gè)服務(wù)提供商和多個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施提供商環(huán)境下電力通信網(wǎng)絡(luò)的帶寬容量、資源成本、資源價(jià)格等QoS要素的綜合考慮, 不能很好的解決電力通信網(wǎng)在QoS驅(qū)動(dòng)的資源分配時(shí)面臨的問題.

為了有效地保證智能電網(wǎng)中業(yè)務(wù)的隔離性和解決智能電網(wǎng)資源高效分配問題, 該文借助網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù), 首先對(duì)QoS驅(qū)動(dòng)的SP資源分配問題進(jìn)行了形式化的描述, 提出了基于三方博弈的兩階段資源分配模型. 該模型通過引入一類“資源分配中心”實(shí)體, 將資源分配問題轉(zhuǎn)化為由資源提供者、資源請(qǐng)求者、資源分配中心三方組成的博弈過程. 基于這個(gè)資源分配模型,提出一種QoS驅(qū)動(dòng)的電力通信網(wǎng)效用最大化的資源分配機(jī)制. 通過對(duì)提出的資源分配機(jī)制的分配策略性能分析, 證明了本文提出的資源分配機(jī)制滿足占優(yōu)策略激勵(lì)兼容特性, 并且可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)利潤最大化的目標(biāo).最后, 通過仿真實(shí)驗(yàn), 驗(yàn)證了本文的資源分配機(jī)制的有效性.

1 問題描述

2 QoS 驅(qū)動(dòng)的資源分配機(jī)制

根據(jù)QoS驅(qū)動(dòng)的資源分配問題的形式化描述, 本小節(jié)首先提出了基于三方博弈的兩階段資源分配模型.其次, 基于這個(gè)資源分配模型, QoS驅(qū)動(dòng)的資源分配機(jī)制被提出. 最后, 通過對(duì)提出的資源分配機(jī)制的分配策略性能分析, 證明了本文提出的資源分配機(jī)制的有效性.

2.1 資源分配模型

由于拍賣機(jī)制可操作性強(qiáng), 可使資源在短時(shí)間內(nèi)被合理分配, 獲得系統(tǒng)范圍內(nèi)最優(yōu)解或較優(yōu)解[15–17]. 拍賣機(jī)制已被成功應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)資源分配[18–20].本文提出的基于三方博弈的兩階段資源分配模型如圖1所示, 該模型通過引入一類“資源分配中心”實(shí)體, 將電力通信網(wǎng)的資源分配問題轉(zhuǎn)化為由資源提供者、資源請(qǐng)求者、資源分配中心三方組成的博弈過程. 模型主要包括InP Agent模塊、SP Agent模塊、資源分配中心Agent模塊.

圖1 基于三方博弈的兩階段資源分配模型

資源分配時(shí), 在第一階段, InP Agent向資源分配中心上報(bào)資源供給信息, SP Agent向資源分配中心提出資源需求信息. 在第二階段, 資源分配中心使用資源分配機(jī)制, 執(zhí)行資源分配, 并向 SP Agent返回資源需求的支付信息, 向InP Agent返回資源供給的效用信息.

2.2 InP效用函數(shù)

InP的效用為銷售計(jì)算資源和帶寬資源帶來的收益. 如果InP能夠被激勵(lì)上報(bào)自己資源的真實(shí)情況, 資源分配中心才能夠求解出真實(shí)的資源分配情況, 否則,會(huì)出現(xiàn)資源分配錯(cuò)誤. 例如, 假設(shè)InP的計(jì)算資源容量為150個(gè), 但是InP出于自私的目的, 誤報(bào)自己的計(jì)算資源容量為200個(gè), 當(dāng)資源分配中心為其分配180個(gè)計(jì)算資源請(qǐng)求時(shí), 由于InP不能提供SP 120個(gè)計(jì)算資源, 導(dǎo)致資源分配失敗, 影響資源分配中心和InP的市場信譽(yù). 為了使InP能夠被激勵(lì)上報(bào)自己資源的真實(shí)情況, 本文定義QoS驅(qū)動(dòng)的InP的效用函數(shù)為:

為了防止InP說謊, 導(dǎo)致資源分配失敗, 影響資源分配中心和InP的市場信譽(yù). 本文對(duì)故意誤報(bào)資源供給信息的InP進(jìn)行懲罰:

2.3 QoS驅(qū)動(dòng)的電力通信網(wǎng)效用最大化的資源分配機(jī)制

基于資源分配模型和InP效用函數(shù)的定義, 本文提出的QoS驅(qū)動(dòng)的資源分配機(jī)制如下:

1) n個(gè)InP Agent向資源分配中心上報(bào)資源供給信息

2) m個(gè)SP Agent向資源分配中心提出資源需求信息

3) 資源分配中心使用公式(2), 為每個(gè)SP需求分配資源, 得到分配向量

5) 資源分配中心使用式(6)計(jì)算InP的效用值, 結(jié)算后完成本次交易.

在該機(jī)制中, “資源分配中心檢測InP是否能夠確保其上SP業(yè)務(wù)按QoS要求運(yùn)行”是基于SP向資源分配中心的反饋獲得, 所以, 說謊話只有當(dāng)InP虛報(bào)的容量不能滿足給他分配的資源請(qǐng)求時(shí), 資源分配中心才會(huì)發(fā)現(xiàn), 并對(duì)其進(jìn)行懲罰. 在后續(xù)研究中, 可以對(duì)此機(jī)制進(jìn)行優(yōu)化, 提高SP業(yè)務(wù)的QoS.

3 分配策略性能分析

有效的拍賣機(jī)制是指每個(gè)參與者都可以得到占優(yōu)策略. 由文獻(xiàn)[16]可知, 要實(shí)現(xiàn)占優(yōu)策略, 參與者需要實(shí)現(xiàn)激勵(lì)相容性、資源分配效率兩個(gè)目標(biāo). 其中, 激勵(lì)相容性是指投標(biāo)者出于自利的目的, 而投標(biāo)自己的真實(shí)成本函數(shù), 需要證明投標(biāo)真實(shí)估價(jià)是所有投標(biāo)者的占優(yōu)策略(使用定理1證明)、參與者是個(gè)體理性的并且都會(huì)積極的參與到拍賣中來(使用定理2證明). 資源分配效率是指實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)利潤的最大化, 可以使用定理3證明.

定理1. 對(duì)于每一個(gè)交易者的拍賣價(jià)格和數(shù)量是策略性防偽的(Strategy-Proof).

證明:

因?yàn)?/p>

上式變?yōu)?

由于第一部分會(huì)影響全局的最優(yōu)資源分配結(jié)果,所以, 資源分配中心會(huì)限制單個(gè)InP對(duì)其固定成本和單位價(jià)格的誤報(bào). 如發(fā)現(xiàn)誤報(bào)的InP擾亂市場價(jià)格機(jī)制, 會(huì)將其從交易市場中剔除. 所以, 對(duì)于固定成本和單位價(jià)格來說, 真實(shí)的取值是占優(yōu)策略.

所以, 每個(gè)InP報(bào)真實(shí)的容量是最優(yōu)策略.

綜上所述, 對(duì)于每個(gè)InP, 真實(shí)的上報(bào)自己的固定成本、單位成本以及容量的策略, 是每個(gè)交易者的占優(yōu)策略.

證畢.

定理2. 每個(gè)參與者是個(gè)人理性的(Individual Rational).

證明:

要證明每個(gè)參與者是個(gè)人理性的, 需要證明參與者的效用函數(shù)一直取非負(fù)值. 因?yàn)槊總€(gè)InP上報(bào)自己真實(shí)的情況, 所以, 效用函數(shù)為:

又因?yàn)?/p>

的參與者的個(gè)數(shù)比

證畢.

定理3. 證明機(jī)制的分配效率是較高的.

證明:

首先, 式(2)的優(yōu)化目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)利潤最大化,能夠產(chǎn)生比傳統(tǒng)資源分配策略更大的交易量, 從而提高了網(wǎng)絡(luò)資源利用率. 其次, InP真實(shí)的上報(bào)自己的價(jià)格, 這樣SP會(huì)按照用戶的需求, 真實(shí)的向InP申請(qǐng)資源. 如果InP提高自己的價(jià)格, SP必將提高服務(wù)價(jià)格,從而導(dǎo)致用戶的使用需求降低, 導(dǎo)致市場處于資源過剩狀態(tài). 所以, 本文提出的資源分配機(jī)制, 有助于提高InP資源的使用效率. 因此本文的資源分配機(jī)制的分配效率較高.

證畢.

4 仿真

4.1 環(huán)境

本文使用Matlab環(huán)境進(jìn)行仿真. 仿真中包括10個(gè)InP作為資源供給者, 10個(gè)SP作為資源需求者.InP的固定啟動(dòng)成本都服從均勻分布(25,50), 資源單位成本都服從均勻分布(1.5,2.5), 資源的最大供給量都服從均勻分布(25, 50). 設(shè)定SP請(qǐng)求的計(jì)算資源容量與鏈路資源容量數(shù)量相同, SP的資源需求量從初始600, 步長50遞增,直到賣者的總供給量, 隨機(jī)分布到所有的買者當(dāng)中.

4.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

1) InP 的總效用

InP的總效用定義為N個(gè)InP的效用值之和.

2) InP的資源平均利用率

InP的資源平均利用率定義為被使用的InP資源數(shù)量除以總的InP資源數(shù)量.

4.3 驗(yàn)證QoS驅(qū)動(dòng)的資源分配機(jī)制的有效性

QoS驅(qū)動(dòng)的資源分配機(jī)制的有效性, 通過驗(yàn)證InP Agent在說謊和說實(shí)話兩種環(huán)境下, InP市場總效用的變化情況. 從10個(gè)InP中隨機(jī)選擇h個(gè)InP夸大自己的資源容量 t個(gè), 實(shí)現(xiàn) InP說謊. 其中

1) 說謊和說實(shí)話兩種環(huán)境下InP的總效用比較

說謊和說實(shí)話兩種環(huán)境下InP的總效用比較如圖2所示. 圖中X軸表示資源需求量遞增, 從600開始;Y軸表示InP獲得的總效用值. 從圖2可知, 在總需求量變化時(shí), 當(dāng)InP說謊, InP的總效用值都低于InP上報(bào)真實(shí)容量時(shí)的總效用值. 所以, 在多個(gè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下,本文提出的機(jī)制都能保證說真話得到更多的InP的總效用. 但是, 在個(gè)別環(huán)境下, 說謊話還是能得到較大的InP的總效用. 由于說謊話只有當(dāng)InP虛報(bào)的容量不能滿足給他分配的資源請(qǐng)求時(shí), 資源分配中心會(huì)對(duì)其進(jìn)行懲罰.

圖2 說謊和說實(shí)話兩種環(huán)境下InP的總效用比較

2) 說謊和說實(shí)話兩種環(huán)境下InP的平均利用率

說謊和說實(shí)話兩種環(huán)境下InP的平均利用率比較如圖3所示. 圖中X軸表示資源需求量遞增, 從600開始; Y 軸表示 InP 的平均利用率. 從圖3可知, 在總需求量變化時(shí), 當(dāng)InP說謊時(shí), InP的平均利用率都低于InP上報(bào)真實(shí)容量時(shí)的平均利用率. 所以, 在多個(gè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下, 本文提出的機(jī)制都能保證說真話得到更多的InP的平均利用率. 由于本文提出的機(jī)制提高了InP的資源利用率, 所以, 本文的機(jī)制可以保證SP得到較好的容量保證.

圖3 說謊和說實(shí)話兩種環(huán)境下InP資源平均利用率比較

5 結(jié)語

隨著智能電網(wǎng)的快速發(fā)展, 電力通信業(yè)務(wù)需要的帶寬容量、資源成本、資源價(jià)格等QoS要素在資源分配中越來越重要, 僅考慮提高電力通信網(wǎng)絡(luò)資源利用率的研究已經(jīng)不能解決這個(gè)問題. 為了有效地保證智能電網(wǎng)中業(yè)務(wù)的隔離性和解決智能電網(wǎng)資源高效分配問題, 該文借助網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù), 首先對(duì)QoS驅(qū)動(dòng)的SP資源分配問題進(jìn)行了形式化的描述, 提出了基于三方博弈的兩階段資源分配模型. 該模型通過引入一類“資源分配中心”實(shí)體, 將資源分配問題轉(zhuǎn)化為由資源提供者、資源請(qǐng)求者、資源分配中心三方組成的博弈過程. 基于這個(gè)資源分配模型, 提出一種QoS驅(qū)動(dòng)的電力通信網(wǎng)效用最大化的資源分配機(jī)制. 對(duì)于拍賣者及其獲勝者確定占優(yōu)策略問題, 證明了參與者集合能夠?qū)崿F(xiàn)激勵(lì)相容和系統(tǒng)利潤最大化兩個(gè)目標(biāo). 最后, 通過仿真實(shí)驗(yàn), 驗(yàn)證了本文資源分配機(jī)制的有效性.