趙全東，郝文娟

(國網(wǎng)固原供電公司，寧夏 固原 756000)

電力通信網(wǎng)絡是電力系統(tǒng)中的重要組成部分之一，是電力系統(tǒng)的支撐和保障系統(tǒng)，主要作用是為發(fā)電、輸電、配電、變電提供溝通的橋梁，不僅承擔著電力系統(tǒng)的生產(chǎn)指揮和調(diào)度，也為行政管理和自動化信息傳輸提供服務。電力通信傳輸網(wǎng)通過部署在各地的基站組成一張大的全國性信息傳輸網(wǎng)絡，因此為有信號，需要建設基站，否則很多地方存在出現(xiàn)信號差或者信號盲區(qū)的情況，也就無法實現(xiàn)對這一地區(qū)電力系統(tǒng)的有效指揮和調(diào)度。因此，如何提高通信網(wǎng)絡覆蓋范圍，減少空洞的出現(xiàn)成為當下電力企業(yè)致力于研究的重點[1]。

關于通信網(wǎng)絡覆蓋問題的研究在很多專家和學者發(fā)表的文獻中已經(jīng)進行一些研究。如，文獻[2]將電力信標(PBs)用于SDN網(wǎng)絡控制器的部署當中，通過來自PBs的入射連續(xù)波進行自組織通信網(wǎng)絡部署優(yōu)化，擴大通信范圍。文獻[3]討論了基于不同SDN天線方案的覆蓋靈敏度以及冗余覆蓋的能力，并在約束優(yōu)化方案框架下，構建通信網(wǎng)絡節(jié)點的覆蓋模型；文獻[4]從電網(wǎng)通信業(yè)務的需求出發(fā)，闡述發(fā)展通信無線網(wǎng)絡深覆蓋技術的重要性，在總結覆蓋技術發(fā)展現(xiàn)狀，在了解當前覆蓋技術的基礎上，提出一種基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡的覆蓋技術，對深度覆蓋站點網(wǎng)絡設計進行優(yōu)化，擴大網(wǎng)絡覆面積。

基于前人研究經(jīng)驗，本文研究一種基于SDN的電力通信網(wǎng)絡覆蓋優(yōu)化算法。該算法通過建立覆蓋模型并求解得出通信網(wǎng)絡節(jié)點部署優(yōu)化方案，提高網(wǎng)絡覆蓋范圍，從而改善偏遠山區(qū)電力通信難以到達的問題。最后進行仿真對比實驗，通過實驗校驗優(yōu)化效果是否達到預期。通過本研究以期優(yōu)化電力通信網(wǎng)絡，為電力通信網(wǎng)絡全覆蓋目標的實現(xiàn)提供更加可靠的技術支持。

1 網(wǎng)絡覆蓋優(yōu)化算法研究

電力行業(yè)支撐其他行業(yè)的生產(chǎn)需要，為其提供重要的電力能源。隨著科學技術的發(fā)展，電力行業(yè)也在快速地升級和優(yōu)化。為滿足海量數(shù)據(jù)處理的需要，構建一個能夠承載業(yè)務穩(wěn)固發(fā)展的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡中心，其已成為電力行業(yè)必不可少的一部分[5]。軟件定義網(wǎng)絡(SDN)是一種新型的網(wǎng)絡架構體系，是當前電力通信網(wǎng)絡構建的主要框架[6]。SDN構成如圖1所示。①應用層：不同的應用邏輯，通過控制層開放的應用程序接口管理能力，控制設備的報文轉(zhuǎn)發(fā)功能；②控制層：由SDN控制軟件組成，與下層可用的南向接口協(xié)議OpenFlow協(xié)議通信；③基礎設施層：由大量的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點設備組成，用于轉(zhuǎn)發(fā)信息。

圖1 SDN構成

相較一般網(wǎng)絡架構，由于將網(wǎng)絡設備控制面與數(shù)據(jù)面分離開，改進服務交付、網(wǎng)絡響應能力，更好地實現(xiàn)對資源的調(diào)度，但是若想發(fā)揮優(yōu)勢，必須全面覆蓋電力通信網(wǎng)絡，盡量避免出現(xiàn)空洞的問題[7]。為此，本文研究一種基于SDN的電力通信網(wǎng)絡覆蓋優(yōu)化算法研究。該研究分為3部分：①感知通信網(wǎng)絡節(jié)點，構建通信網(wǎng)絡覆蓋模型；②選取覆蓋優(yōu)化目標；③改進果蠅優(yōu)化通信網(wǎng)絡節(jié)點覆蓋算法。下面進行具體分析。

1.1 通信網(wǎng)絡覆蓋模型

對基于SDN的電力通信網(wǎng)絡進行優(yōu)化部署，擴大覆蓋面積，首先是感知電力通信網(wǎng)絡中的各個轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，構建通信網(wǎng)絡覆蓋模型，明確當前的通信節(jié)點覆蓋情況[8]。

(1)通信網(wǎng)絡節(jié)點感知。通信網(wǎng)絡節(jié)點感知，即感知節(jié)點的位置。通過一種布爾感知模型實現(xiàn)。假設在一個二維平面上存在一個通信網(wǎng)絡節(jié)點，以i為圓心，通信半徑為R，以R畫圓，即通信網(wǎng)絡節(jié)點i的覆蓋范圍。若在覆蓋范圍內(nèi)存在一個目標節(jié)點j，則j會被i感知到，感知度這時為1；否則，感知度為0[9]。感知模型如圖2所示。

圖2 布爾感知模型

描述如下：

(1)

(2)

式中，為通信網(wǎng)絡節(jié)點與目標節(jié)點 之間的距離。

(2)通信網(wǎng)絡覆蓋模型?；诟兄酵ㄐ殴?jié)點，處于節(jié)點通信半徑以內(nèi)的區(qū)域稱為通信覆蓋區(qū)，處于通信半徑以外的節(jié)點區(qū)域稱為通信盲區(qū)，以此構建通信網(wǎng)絡覆蓋模型，如圖3所示[10]。

圖3 通信網(wǎng)絡覆蓋模型

通過通信網(wǎng)絡覆蓋模型可知，一個通信網(wǎng)絡節(jié)點的通信半徑是有效的，只有二者之間的距離小于通信半徑，二者才能通信，否則二者之間存在通信空洞現(xiàn)象。然而，二者之間通信距離不能小于通信半徑，易導致大量的通信節(jié)點重疊在一起，浪費通信資源[11]。由此可知通信網(wǎng)絡覆蓋優(yōu)化的目標是在保證網(wǎng)絡連通性的前提下，擴大通信節(jié)點的覆蓋范圍。

1.2 覆蓋優(yōu)化目標選取

覆蓋優(yōu)化目標是考慮如何部署通信網(wǎng)絡節(jié)點，以達到保證網(wǎng)絡連通性的前提下，擴大通信節(jié)點的覆蓋范圍的目標。由此可知，覆蓋優(yōu)化目標有2個：①網(wǎng)絡連通模型；②覆蓋率模型[12]。

(1)網(wǎng)絡連通模型。2個通信節(jié)點之間的距離小于等于通信半徑才能實現(xiàn)網(wǎng)絡連通，這2個通信節(jié)點被稱為鄰接節(jié)點，2個節(jié)點間的邊設為1；若2個通信節(jié)點之間的距離大于通信半徑，2個節(jié)點間的邊設為0[13]。由此，構建節(jié)點鄰接矩陣AM，判斷網(wǎng)絡的連通性N。

N=AM+AM2+AM3+AM4+…+AMn-1

(3)

式中，n為節(jié)點的數(shù)量。

(2)覆蓋率模型。假定Sall為電力通信網(wǎng)絡中所有節(jié)點，對目標節(jié)點的聯(lián)合感知概率定義為：

(4)

式中，KP(Sall，j)為聯(lián)合感知概率；p(i，j)為目標節(jié)點位置坐標。

通過KP(Sall，j)，計算覆蓋面積，即為所有通信點的聯(lián)合感知概率之和，用K來表示，如下：

(5)

式中，L為電力通信網(wǎng)絡的布設面積，W為電力通信網(wǎng)絡的節(jié)點區(qū)域。

1.3 改進果蠅優(yōu)化通信網(wǎng)絡節(jié)點覆蓋算法

基于上述研究與分析，本章節(jié)利用改進果蠅算法優(yōu)化通信網(wǎng)絡移動節(jié)點部署方案，提高覆蓋面積。

果蠅算法是一種新型智能尋優(yōu)算法。該算法利用果蠅覓食原理設計。果蠅具有極為優(yōu)秀的視覺和嗅覺。依靠嗅覺，果蠅可以察覺到距離自己較遠之外的食物；依靠視覺，果蠅可以向其他果蠅靠攏，形成聚集，最后所有果蠅都能到達食物所在的地點，完成覓食[14]。果蠅算法基本工作流程如下。

(1)步驟1：初始化果蠅群規(guī)模，果蠅群體坐標(x，y)以及算法收斂條件。

(2)步驟2：果蠅個體向著任意方向和距離移動，搜尋食物。數(shù)學表達式：

(6)

Hr=H×[2 rand()-1]

(7)

式中，(xi，yi)為果蠅的位置坐標；Hr為在固定區(qū)間[-H，+H]之間的隨機數(shù)；H為果蠅i每次搜索的最大步長長度。

(3)步驟3：計算果蠅個體處的食物味道濃度判定值。

Si=1/di

(8)

(9)

式中，di為果蠅個體與原點距離。

(4)步驟4：使用適應度函數(shù)求出果蠅個體i的味道濃度。計算公式：

Smelli=F(Si)

(10)

式中，Smelli為果蠅個體i的味道濃度；F()為適應度函數(shù)。

(5)步驟5：重復上述步驟，直至所有果蠅群體中所用個體的味道濃度計算完畢。

(6)步驟6：找出果蠅群體中味道濃度最佳的個體yi。

yi=min(Smelli)

(11)

式中，min(Smelli)為果蠅群體中味道濃度最小值的果蠅個體為最佳個體yi。

(7)步驟7：判斷個體yi的味道濃度是否小于保存的最小值。若小于，則更新保存最佳味道濃度值以及其個體位置坐標；否則重復執(zhí)行上述步驟。

(8)步驟8：判斷是否達到算法收斂條件。若達到，算法結束；否則，繼續(xù)迭代計算。

果蠅算法運算簡單，尋優(yōu)效率高，精度也較高，但是穩(wěn)定性不強，容易出現(xiàn)早熟問題，導致陷入局部最優(yōu)。為此，本文通過改變果蠅每次搜索的步長長度來進行優(yōu)化，原理是將整個搜索過程分為若干個周期，每個周期采用不同的可變步長來進行尋優(yōu)，為避免上述問題，以達到更好的收斂效果[15]。

將改進后的果蠅算法應用到通信網(wǎng)絡節(jié)點覆蓋優(yōu)化當中，各個果蠅相當于在一定的空間維度(空間維度由節(jié)點網(wǎng)絡連通性和覆蓋率組成)中設置的可移動的通信網(wǎng)絡節(jié)點；擁有最佳味道濃度值的果蠅個體位置坐標就是算法求出的最優(yōu)解，求出各個節(jié)點的部署位置。改進果蠅優(yōu)化通信網(wǎng)絡節(jié)點覆蓋算法基本流程如圖4所示。

圖4 改進果蠅優(yōu)化通信網(wǎng)絡節(jié)點覆蓋算法基本流程

圖4中，可變步長Hi的計算公式如下：

Hi=L[sin(i)+1]α

(12)

式中，L為算法搜索區(qū)間長度；sin()為每個周期內(nèi)步長相若變化的計算函數(shù)；α為當前迭代在周期內(nèi)的余數(shù)。

2 優(yōu)化效果仿真分析

為驗證算法在電力通信網(wǎng)絡覆蓋優(yōu)化中應用效果，本章節(jié)進行仿真實驗分析，以文獻[2]、文獻[3]、文獻[4]算法作為對比項。

2.1 電力通信網(wǎng)絡節(jié)點初始布局

某區(qū)域內(nèi)電力通信網(wǎng)絡節(jié)點的初始布局如圖5所示。從圖5中可以看出，很多節(jié)點之間存在空洞問題，節(jié)點網(wǎng)絡連通性受到極大限制。為此，需要重新進行通信節(jié)點部署。

電力通信網(wǎng)絡環(huán)境和參數(shù)設置：部署區(qū)域100 m×100 m，通信網(wǎng)絡可移動節(jié)點24個，通信網(wǎng)絡靜態(tài)節(jié)點5個，最大通信半徑5 m，最小通信半徑2 m，初始網(wǎng)絡覆蓋面積256 m2，初始網(wǎng)絡連通性85.3%。

2.2 改進果蠅算法相關參數(shù)設置

改進果蠅算法求解過程中，設置的相關參數(shù)如下：果蠅群體24個，最大迭代次數(shù)(收斂條件)200次，周期10個，單位周期迭代20次，搜索區(qū)間5 m，初始化果蠅群體位置(10 m，15 m)，可變步長0.2、0.5、1.0 m。

2.3 電力通信網(wǎng)絡節(jié)點優(yōu)化部署

利用研究算法對圖5中各個可移動節(jié)點進行重新部署，優(yōu)化部署方案如圖6所示。

圖6 優(yōu)化部署方案

相同實驗條件下，利用文獻[2]、文獻[3]、文獻[4]算法進行電力通信網(wǎng)絡節(jié)點優(yōu)化部署，得到部署方案。

2.4 算法優(yōu)化效果統(tǒng)計

統(tǒng)計章節(jié)2.3電力通信網(wǎng)絡節(jié)點優(yōu)化部署方案的覆蓋率以及節(jié)點連通性，結果見表1。

表1 4種算法的覆蓋率優(yōu)化效果統(tǒng)計

從表1中可以看出，利用4種算法進行電力通信網(wǎng)絡節(jié)點優(yōu)化部署，其中本文所研究算法應用下部署方案覆蓋率達到97.56%、節(jié)點連通性達到96.31%，與文獻[2]、文獻[3]、文獻[4]算法應用下的部署方案相比，優(yōu)化效果更為明顯，說明本文所研究算法性能更優(yōu)。

3 結語

綜上所述，隨著業(yè)務智能化需求的不斷提高，對電力系統(tǒng)中通信網(wǎng)絡的通信能力要求也隨之增長。然而，當前電力通信網(wǎng)絡最大的缺點，尤其在偏遠地區(qū)，通信覆蓋率經(jīng)常出現(xiàn)空洞問題，導致很多地方出現(xiàn)信號差或者信號盲區(qū)，無法通信。為此，本文研究一種基于SDN的電力通信網(wǎng)絡覆蓋優(yōu)化算法。該算法通過一種智能尋優(yōu)算法來優(yōu)化部署方案，從而增大覆蓋面積。該算法經(jīng)過仿真實驗分析，證明算法的優(yōu)化效果。然而，本研究仍存在缺陷，即在部署當中沒有將地理環(huán)境、距離遠近、信號強弱等因素考慮在內(nèi)，與實際情況存在一定差距，因此有待進一步研究和應用。