高志華,王居正,樊 旻,張凌云,李國良
(內(nèi)蒙古超高壓供電局,呼和浩特010080)
變電站電力通信遠程視頻指揮系統(tǒng)是一種基于自動化技術(shù)的新型電力智能應用系統(tǒng),通過攝像機采集視頻圖像信息,利用數(shù)字化處理技術(shù)對信息進行壓縮編碼,再將處理結(jié)果上傳至電力信息調(diào)度中心,最終完成電力通信指揮。當前大部分變電站采用多網(wǎng)連接方式與局域網(wǎng)進行通信;部分未連接局域網(wǎng)的變電站,通過窄帶綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)、非對稱數(shù)字用戶線路等進行信息傳輸[1]。根據(jù)信道傳輸方式,傳輸路徑可分為無線傳輸和有線傳輸,其中無線傳輸能夠避免人為干擾和破壞,具有安全性高的優(yōu)點,是當前及未來的發(fā)展方向[2]。
目前5G技術(shù)是最主要的移動通信技術(shù),5G網(wǎng)絡切片在滿足5G系統(tǒng)要求的基礎上,能夠進一步進行通信的深度調(diào)度。在虛擬網(wǎng)絡中,利用映射關(guān)系可以完成5G網(wǎng)絡切片。映射是指在特定的網(wǎng)絡環(huán)境下,維持當前底層物理網(wǎng)絡狀態(tài),準確匹配物理資源中的物理節(jié)點及鏈路。但現(xiàn)有的映射算法僅單方面考慮系統(tǒng)時延性或運行效率,而忽略了兩者的并行關(guān)系[3-4]。本文在滿足系統(tǒng)時延性和運行效率的基礎上,設計了基于5G網(wǎng)絡切片在線映射算法的電力通信遠程視頻指揮系統(tǒng)。
電力通信遠程視頻指揮系統(tǒng)主要由前端音視頻采集裝置、安全控制器、5G無線傳輸裝置以及指揮中心平臺構(gòu)成[5-6]。前端音視頻采集裝置對現(xiàn)場采集的音視頻信號進行壓縮處理,由站端網(wǎng)絡設備經(jīng)5G無線傳輸設備發(fā)送到指揮中心平臺,平臺對音視頻信號進行解碼并存儲至服務器[7]。電力通信遠程視頻指揮系統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)如圖1所示。
圖1 電力通信遠程視頻指揮系統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)
1.1.1 圖像采集模塊
圖像采集模塊由攝像機、云臺以及云臺控制器等構(gòu)成。攝像機用于采集原始圖像信號;云臺用于調(diào)整焦點和照相機的方向;云臺控制器實現(xiàn)對云臺的控制及對圖像進行壓縮編碼,并將壓縮編碼后的圖像數(shù)據(jù)發(fā)送至CDMA-modem。
1.1.2 圖像壓縮及編碼模塊
目前圖像處理技術(shù)大多采用FPGA技術(shù),傳輸速度較快,但存在一定的丟包率[8]。本文將基于數(shù)字信號處理(Digital Signal Process,DSP)的視頻服務器作為圖像壓縮模塊,壓縮算法由快速DCT、FDCT結(jié)果的重排、量化、行程編碼和赫夫曼編碼五部分組成[9]。電力通信遠程視頻指揮系統(tǒng)采用TI公司DSP開發(fā)環(huán)境的公共信道信令I(lǐng)mglib庫,由于DSP芯片無法存儲數(shù)量較大的原始圖像數(shù)據(jù)及視頻信息,因此利用FIFO讀取原始圖像數(shù)據(jù),再存儲到擴展的SDRAM中,通過分區(qū)縮短CPU等待數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間,提高圖像壓縮速度。
1.1.3 圖像傳輸模塊及遠程指揮模塊
圖像傳輸模塊主要包括DDMA-Mo-DEM、CD?MA-a和因特網(wǎng)專用網(wǎng)三部分,用于電力通信遠程視頻指揮系統(tǒng)的無線傳輸。遠程指揮模塊通常是指電力公司的指令中心,主要由視頻解碼器、圖像解析器以及數(shù)據(jù)庫分析器組成,實現(xiàn)視頻圖像信號的再現(xiàn)。單個系統(tǒng)邏輯架構(gòu)如圖2所示。
圖2 單個系統(tǒng)邏輯架構(gòu)
應用層包含電視電話會議、視頻監(jiān)控、OA、系統(tǒng)接口等;數(shù)據(jù)存儲層即數(shù)據(jù)庫;傳輸層通過光纖、衛(wèi)星以及5G進行數(shù)據(jù)傳輸;信息采集層采集語音、視頻、文本等數(shù)據(jù)信息[10]。
網(wǎng)絡切片系統(tǒng)由無線虛擬接入網(wǎng)片層、虛擬運營商層和基礎設施提供商層構(gòu)成[11],系統(tǒng)框架如圖3所示。虛擬運營商提出虛擬網(wǎng)絡路由(Virtual Net?work Router,VNR),并將VNR分發(fā)到網(wǎng)絡功能的虛擬化管理中。通過對NFV mano的控制,基礎設施供應商實現(xiàn)基于不同VNR的VNFC配置和部署,構(gòu)成不同的虛擬化處理單元內(nèi)部基帶,并連接到相應的虛擬化遠程射頻單元,從而實現(xiàn)基于虛擬運營商VNR的不同無線虛擬接入網(wǎng)片層的需求。
圖3 網(wǎng)絡切片系統(tǒng)框架示意圖
設物理網(wǎng)絡帶權(quán)無向圖C=(Ai,Si),其中Ai={a1,a2,…,an}表示網(wǎng)絡節(jié)點集,Si={s1,s2,…,sn}為Ai的計算水平,Ln={l1,l2,…,ln}為由節(jié)點組成的鏈路集,ln為底層具體物理鏈路,其中物理網(wǎng)絡通信鏈路的無效率表示為γi,帶寬為di。
將隊列理論與網(wǎng)絡切片技術(shù)結(jié)合起來建立物理網(wǎng)絡切片系統(tǒng)中NFV mano和NFVs兩級動態(tài)調(diào)度模型,使網(wǎng)絡切片系統(tǒng)的VNR在一定范圍內(nèi)積壓穩(wěn)定[12-13]。根據(jù)隊列理論可知,動態(tài)調(diào)度共發(fā)生兩次,其中,第一級隊列動態(tài)調(diào)度過程發(fā)生在系統(tǒng)NFV mano處,隊列狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)為:
第二級隊列動態(tài)調(diào)度過程發(fā)生在NFVs處,隊列狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)為:
綜上分析,可進一步得到5G網(wǎng)絡切片架構(gòu)中的映射模型,表示為:
在網(wǎng)絡虛擬化場景中,分片的網(wǎng)絡請求不能總是按一定的間隔逐個到達。根據(jù)網(wǎng)絡切片的流量特性,利用在線映射技術(shù)實現(xiàn)底層物理資源的動態(tài)分配,并對其進行時間維度調(diào)度。如圖4所示,使用時間窗口動態(tài)處理已到達的網(wǎng)絡切片請求,時間被分成一系列連續(xù)的時間窗口。將網(wǎng)絡切片按照生命周期的優(yōu)先級在特定時間窗口內(nèi)進行處理,壽命越短,優(yōu)先處理等級越高。按照可靠度的定義,映射生命周期越短,失效率越低,從而提高整個網(wǎng)絡的可靠度。
圖4 時間窗在線網(wǎng)絡切片映射機制
為了驗證系統(tǒng)的可行性,采用Matlab仿真工具對5G網(wǎng)絡切片在線映射算法進行仿真分析。模擬物理網(wǎng)絡隨機生成10個物理節(jié)點,計算資源、鏈路資源分布區(qū)間為[50,80]。不同切片生命周期的時間單元分別為60、80、100,切片要求泊松分布隨機到達,單個時間窗口(50時間單元)平均到達率為1.4,每個網(wǎng)絡切片的服務時間間隔服從15時間單元的泊松分布。網(wǎng)絡系統(tǒng)虛擬節(jié)點計算資源和鏈路帶寬隨機分布區(qū)間[30,50],RRU采用1.1~1.4服務率模式,控制參數(shù)為0.2~0.6,設置模擬周期為400時間單元。對系統(tǒng)應用前后的壓縮率和圖像質(zhì)量、網(wǎng)絡適應性、運動檢測的靈敏度和魯棒性及其有效性進行比較。
隨機選取監(jiān)控圖像進行壓縮,結(jié)果如圖5所示。系統(tǒng)應用后,圖像由3 MBytes降至1.1 MBytes,圖像質(zhì)量無明顯差異,表明該系統(tǒng)能夠在保證圖像質(zhì)量的基礎上有效壓縮空間。
圖5 系統(tǒng)應用前、后壓縮率與圖像質(zhì)量對比
在不同帶寬條件下,測試系統(tǒng)的傳輸速率(見圖6),以此作為分析網(wǎng)絡適應性指標的關(guān)鍵因素。系統(tǒng)經(jīng)多級動態(tài)調(diào)度進行信息管理,利用隊列狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)分析數(shù)據(jù)特征,并根據(jù)數(shù)據(jù)特征進行數(shù)據(jù)分流,使得數(shù)據(jù)傳輸速率明顯提升,且穩(wěn)定性較好。
圖6 系統(tǒng)應用前、后傳輸速率比較
3.3.1 時間平均隊列積壓
由于考慮到系統(tǒng)在映射時的隊列狀態(tài)和NFVs服務率的差異,盡可能將VNR轉(zhuǎn)換為隊列狀態(tài)較短的隊列,或優(yōu)先將VNFC映射到服務率較高的NFV,因此當VNR的到達速率大于NFV的服務速率時,應用該系統(tǒng)能夠很好地控制排隊平均時間(見圖7)。
圖7 系統(tǒng)應用前、后時間平均隊列積壓比較
3.3.2 時間平均映射成本
由于系統(tǒng)綜合考慮了隊列狀態(tài)和NFVs服務率的不同,當系統(tǒng)隊列趨于穩(wěn)定時,系統(tǒng)時間平均映射成本由84.70提高至88.25(見圖8),僅增加了4.19%的映射成本就可以顯著降低系統(tǒng)隊列積壓,滿足了系統(tǒng)延遲性要求。
圖8 系統(tǒng)應用前、后的時間映射成本比較
針對5G網(wǎng)絡的最新需求,從資源調(diào)度優(yōu)化的角度分析了5G網(wǎng)段的鏈路映射,提出了基于5G網(wǎng)段節(jié)點和鏈路的映射算法,并通過仿真驗證了該算法能夠有效降低系統(tǒng)隊列積壓,滿足系統(tǒng)延遲要求,從理論上證明了5G網(wǎng)段節(jié)點和鏈路的時間平均映射開銷與時間平均隊列積壓之間的可控均衡。