李 苗

(安徽新華學(xué)院大數(shù)據(jù)與人工智能學(xué)院,安徽 合肥 230088)

隨著通信網(wǎng)絡(luò)負(fù)載日益增大,為了保證電力通信正常進(jìn)行,為用戶提供質(zhì)量更高的通信服務(wù),路由控制技術(shù)是最關(guān)鍵因素.多跳網(wǎng)絡(luò)中因通信路徑多樣化,故需采用動(dòng)態(tài)路由發(fā)現(xiàn)策略并形成多信道通信.然而,這種處理方式可能導(dǎo)致多信道協(xié)作不協(xié)調(diào)、任務(wù)分配不均等問(wèn)題[1].為了解決這些問(wèn)題,部分學(xué)者采用相應(yīng)的協(xié)調(diào)措施和優(yōu)化方法[2-5],以達(dá)到協(xié)調(diào)多信道協(xié)作、實(shí)現(xiàn)任務(wù)分配均衡的效果.

通信網(wǎng)絡(luò)通常使用單一信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,但隨著通信需求的增加,單一信道往往無(wú)法滿足大量數(shù)據(jù)的傳輸需求.考慮到IPv6[6](互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第6版)技術(shù)可以最大程度弱化路由信息生成不及時(shí)對(duì)通信效率造成的影響,因此筆者擬利用IPv6技術(shù)設(shè)計(jì)電力通信網(wǎng)多信道協(xié)作路由跨層控制系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱“跨層控制系統(tǒng)”).該系統(tǒng)可以讓多個(gè)信道之間實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作,提高整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和響應(yīng)速度.

1 跨層控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)與工作流程

跨層控制系統(tǒng)整體架構(gòu)是基于IPv6協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)的.在構(gòu)建過(guò)程中,應(yīng)注重信道協(xié)作問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)跨層控制.基于IPv6協(xié)議棧的跨層控制系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示.

跨層控制系統(tǒng)作為通信路由控制的實(shí)體,通過(guò)態(tài)勢(shì)感知獲取信道參數(shù),并以此為依據(jù)優(yōu)化通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),再利用控制策略動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)多條信道協(xié)作.系統(tǒng)工作邏輯如圖2所示.

由圖2可知,系統(tǒng)的工作邏輯包括感知、反應(yīng)、決策與行動(dòng)4個(gè)步驟.感知是對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè),具有一定的周期性;反應(yīng)是在網(wǎng)絡(luò)事件出現(xiàn)后,信息經(jīng)過(guò)信道傳輸?shù)椒?wù)器,服務(wù)器接收到信息時(shí)進(jìn)行路由決策和調(diào)整等;決策是在接收到網(wǎng)絡(luò)事件的信息后,系統(tǒng)根據(jù)收集的信息和預(yù)設(shè)的規(guī)則、策略作出路由決策;行動(dòng)是在作出決策后,系統(tǒng)采取行動(dòng)來(lái)調(diào)整路由或進(jìn)行其他相應(yīng)的操作,以確保網(wǎng)絡(luò)能夠高效、安全地處理和傳輸數(shù)據(jù),滿足用戶的需求.

1.2 跨層控制系統(tǒng)通信協(xié)議棧搭建

多信道協(xié)作通信是由集中器和終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)[7].其中,集中器的作用是構(gòu)建網(wǎng)絡(luò),集中管理通信節(jié)點(diǎn);終端節(jié)點(diǎn)包括中繼節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn),前者主要處理和轉(zhuǎn)發(fā)自身數(shù)據(jù),后者負(fù)責(zé)處理通信信息.多信道協(xié)作通信架構(gòu)如圖3所示.

圖3 多信道協(xié)作通信架構(gòu)Fig. 3 Multichannel Collaborative Communication Architecture

根據(jù)電力通信網(wǎng)絡(luò)特征與組成結(jié)構(gòu),基于IPv6技術(shù),利用分層思想搭建通信協(xié)議棧.該協(xié)議棧共分為4層,各層功能如下:

(1)應(yīng)用層.分析系統(tǒng)用戶特征,根據(jù)不同用戶采用對(duì)應(yīng)協(xié)議.

(2)傳輸層.完成IPv6的封裝與解析.

(3)網(wǎng)絡(luò)層.利用IPv6協(xié)議完成系統(tǒng)信息自動(dòng)更新和配置.

(4)適配層[8].協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)層與傳輸層之間的轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制,可壓縮和重組IPv6報(bào)頭,通過(guò)Mesh-under形式轉(zhuǎn)發(fā)路由.

利用IPv6技術(shù)構(gòu)建跨層控制系統(tǒng)協(xié)議棧,實(shí)現(xiàn)路由信息快速生成,有利于采集更加全面的多信道狀態(tài)信息,為控制決策提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ).

2 跨層控制系統(tǒng)的硬件設(shè)置與軟件實(shí)現(xiàn)

2.1 跨層控制系統(tǒng)硬件設(shè)置

考慮跨層控制系統(tǒng)的功能需求,系統(tǒng)硬件包括數(shù)據(jù)庫(kù)、處理器、判決器和控制器等組件.

圖4 控制器的組成Fig. 4 Controller Composition Structure

(1)數(shù)據(jù)庫(kù).為協(xié)同判決器提供數(shù)據(jù)信息,包含業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、路由數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋽?shù)據(jù)等.數(shù)據(jù)庫(kù)會(huì)保存接收的業(yè)務(wù)信息,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息同步,為跨層控制模塊提供查詢功能.

(2)異常信息處理器[9].處理各類故障數(shù)據(jù).當(dāng)處理器接收到異常預(yù)警信息后,將信息傳輸?shù)脚袥Q器,觸發(fā)跨層控制模塊.

(3)恢復(fù)數(shù)據(jù)處理器.恢復(fù)各類異常信息,再將信息發(fā)送到控制器.各類異常信息是控制器狀態(tài)變換的依據(jù),同時(shí)也是用戶需要統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù).

(4)判決器[10].結(jié)合業(yè)務(wù)特征與網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行綜合判決,并從控制策略中選擇最佳控制方案,以此達(dá)到多信道協(xié)作控制目的.

(5)控制器.系統(tǒng)的核心部件,也是執(zhí)行者,根據(jù)控制策略執(zhí)行響應(yīng)命令.控制器的整體架構(gòu)主要包括協(xié)議管理、拓?fù)涔芾?、路由管理和連接管理(圖4).其中,協(xié)議管理負(fù)責(zé)IPv6協(xié)議的控制與通信過(guò)程;拓?fù)涔芾碛脕?lái)收集網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?感知鏈路安全態(tài)勢(shì),儲(chǔ)存獲取的數(shù)據(jù)與資源;路由管理執(zhí)行選路功能,計(jì)算控制器選路情況;連接管理的作用是新增、刪除、修改與系統(tǒng)有關(guān)的處理流程.

2.2 跨層控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)與控制算法

圖5 跨層控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)Fig. 5 Soft Structure of Cross Layer Control System

2.2.1 軟件結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示,其中與IPv6協(xié)議有關(guān)的處理內(nèi)容均由外置服務(wù)器發(fā)送給主控[11].

2.2.2 基于多蟻群優(yōu)化的跨層控制算法 電力通信網(wǎng)絡(luò)多個(gè)源節(jié)點(diǎn)匯聚為單一節(jié)點(diǎn),導(dǎo)致通信任務(wù)在各個(gè)信道中的任務(wù)分布不均.通過(guò)多蟻群優(yōu)化算法中的信息素協(xié)作和更新過(guò)程,可以快速確定源節(jié)點(diǎn)與子節(jié)點(diǎn)之間的最佳路徑,達(dá)到多信道協(xié)作路由跨層控制目的.多蟻群-跨層控制算法的部分步驟如下:

步驟1在距離基站較近的節(jié)點(diǎn)中選取匯聚節(jié)點(diǎn).具體操作是:針對(duì)任意一個(gè)節(jié)點(diǎn),在[0,1]區(qū)間內(nèi)選取某隨機(jī)數(shù),該數(shù)會(huì)隨時(shí)間的推移逐漸增大.若選定的值高于設(shè)定閾值t(d),則認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)為子匯聚節(jié)點(diǎn).t(d)計(jì)算公式為

其中:M為通信網(wǎng)絡(luò)中的信道數(shù)量;κ為匯聚節(jié)點(diǎn)數(shù)量;r為算法操作次數(shù);G為整體操作次數(shù);d為第d次操作.

步驟2算法初始化處理.將從原點(diǎn)出發(fā)的蟻群分為κ個(gè)子群.假設(shè)種群中的螞蟻數(shù)量是m,所有螞蟻都已知種群ID和節(jié)點(diǎn)ID,同時(shí)能夠獲取節(jié)點(diǎn)負(fù)載Si和帶寬接入效率ξi.將螞蟻按照前向和后向分為2類,初始化蟻群禁忌表.前向螞蟻采集節(jié)點(diǎn)信息,同時(shí)更新局部信息素,抵達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)后將獲取的路徑信息發(fā)送給后向螞蟻.后向螞蟻接收信息后,在回到源節(jié)點(diǎn)的路途中更新全局路徑[12].

步驟4制定轉(zhuǎn)移規(guī)則.種群Q中,處于節(jié)點(diǎn)j的第i只螞蟻選取下個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)移概率為

其中:W為未訪問(wèn)過(guò)的節(jié)點(diǎn)集合;s為信息素類型,1個(gè)節(jié)點(diǎn)僅能維護(hù)1類信息素表,并采集鄰邊的信息素濃度[13];ηij為啟發(fā)函數(shù),通過(guò)該函數(shù)能綜合分析延時(shí)、負(fù)載和接入效率等因素,

步驟5確定前向螞蟻信息素更新方式.不同類型的種群釋放的信息素類型不同.前向螞蟻結(jié)合所屬種群釋放的信息素運(yùn)動(dòng)到下一個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)后,局部信息素通過(guò)下述表達(dá)式更新:

其中q為常數(shù).

步驟6后向螞蟻全局信息素更新.前向螞蟻抵達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)后記錄路徑信息,后向螞蟻在沿著該路徑行進(jìn)時(shí)更新全局信息素.更新規(guī)則為[14-15]

其中ρ為殘留因子.

步驟7后向螞蟻回到源節(jié)點(diǎn)后,下一批蟻群出發(fā),直到到達(dá)最大迭代次數(shù)時(shí)停止循環(huán),此時(shí)每只螞蟻都能獲取1條最佳路徑.經(jīng)過(guò)上述循環(huán)可以獲取多信道協(xié)作通信的最佳方式,實(shí)現(xiàn)路由跨層控制.

3 實(shí)驗(yàn)分析

以某地區(qū)電力通信網(wǎng)絡(luò)為例,該網(wǎng)絡(luò)共包含20個(gè)通信節(jié)點(diǎn),由節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的通信鏈路如圖6所示.為了保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠與其他節(jié)點(diǎn)正常通信,設(shè)定通信帶寬為230 kbps,控制節(jié)點(diǎn)隊(duì)列長(zhǎng)度在25 pactets以內(nèi),信息最大重復(fù)傳輸次數(shù)為5,節(jié)點(diǎn)初始能量為0.55 J,信道衰減率為0.001.在這樣的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下,選取信息傳輸延時(shí)、信道節(jié)點(diǎn)沖撞率、吞吐量等指標(biāo)作為控制算法的評(píng)價(jià)依據(jù),對(duì)比分析多蟻群-跨層控制算法、蟻群算法和牛頓算法的性能.

(1)信息傳輸延時(shí).通信過(guò)程中,受各類因素影響,延時(shí)是一定存在的.延時(shí)過(guò)大不僅會(huì)降低用戶滿意度,還會(huì)造成信道堵塞.因此,傳輸延時(shí)是評(píng)價(jià)路由控制性能的重要指標(biāo).不同算法的傳輸延時(shí)如圖7所示.

圖6 電力通信節(jié)點(diǎn)鏈路示意Fig. 6 Schematic Diagram of Power Communication Node Link

圖7 不同算法的通信延時(shí)對(duì)比Fig. 7 Comparison of Communication Delays Between Different Algorithms

由圖7可知:蟻群算法的延時(shí)隨數(shù)據(jù)量的增多而緩慢增長(zhǎng);在測(cè)試前期,牛頓算法的延時(shí)增長(zhǎng)速度較緩慢,但當(dāng)傳輸量達(dá)到500 MB時(shí),延時(shí)上升趨勢(shì)顯著;多蟻群-跨層控制算法的延時(shí)情況沒(méi)有受到傳輸數(shù)據(jù)量的影響,始終保持在0.03 s左右.這是因?yàn)?利用IPv6技術(shù)建立的通信協(xié)議能夠快速生成路由信息,跨層控制系統(tǒng)根據(jù)這些信息及時(shí)作出響應(yīng),減少了傳輸延時(shí).

(2)信道節(jié)點(diǎn)沖撞率.沖撞率是判斷控制算法是否合理的指標(biāo)之一,能體現(xiàn)信道數(shù)據(jù)傳輸能力.不同節(jié)點(diǎn)在相同時(shí)刻占用同一信道時(shí)會(huì)發(fā)生節(jié)點(diǎn)沖撞現(xiàn)象,這不僅會(huì)導(dǎo)致丟包率增加,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓.不同算法的通信節(jié)點(diǎn)沖撞次數(shù)見(jiàn)表1.

表1 不同算法的信道節(jié)點(diǎn)沖撞次數(shù)對(duì)比

由表1可知:當(dāng)任務(wù)數(shù)量小于100時(shí),多蟻群-跨層控制算法沒(méi)有出現(xiàn)信道節(jié)點(diǎn)沖撞現(xiàn)象,其他方法的沖撞次數(shù)較少;當(dāng)任務(wù)數(shù)量增加時(shí),多蟻群-跨層控制算法的沖撞次數(shù)增加較少(最高沖撞次數(shù)為2),而牛頓算法與蟻群算法的沖撞次數(shù)增加較多,通信性能降低.這說(shuō)明,跨層控制系統(tǒng)的控制性能良好,能夠保證節(jié)點(diǎn)有規(guī)律地運(yùn)動(dòng).此外,多蟻群-跨層控制算法通過(guò)多個(gè)蟻群之間的協(xié)作,可以滿足多信道協(xié)作需求,從而獲取最優(yōu)的節(jié)點(diǎn)通信路徑.

(3)吞吐量.吞吐量可以反映電力通信容量,吞吐量越高表明通信成功率越大.在多信道協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)中,輸出傳輸有優(yōu)先級(jí)之分.有效吞吐量計(jì)算公式為

其中:G0,G1,G2分別表示高、中、低級(jí)信道的吞吐率計(jì)算模型;L0,L1,L2分別為高、中、低級(jí)信道中數(shù)據(jù)包的字節(jié)長(zhǎng)度;k為數(shù)據(jù)包數(shù)量;p0,p1,p2分別為高、中、低級(jí)信道的數(shù)據(jù)發(fā)送概率;N為節(jié)點(diǎn)總數(shù)量.不同算法在不同傳輸任務(wù)數(shù)量下的吞吐量如圖8所示.

圖8 不同算法的吞吐量對(duì)比Fig. 8 Comparison of Throughput of Different Methods

由圖8可知,隨著傳輸任務(wù)數(shù)量的增加,3種算法的吞吐量大都逐漸下降.其中,蟻群算法的下降趨勢(shì)最明顯,多蟻群-跨層控制算法與牛頓算法在下降一定程度后逐漸趨于平緩.整體來(lái)看,多蟻群-跨層控制算法的吞吐量大于520 MB/s,相較于其他2種算法更高,這是因?yàn)榭鐚涌刂葡到y(tǒng)中的硬件部分采用了消息處理器與協(xié)同判決器,可以減輕通信網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑?jīng)Q策壓力,提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量,為成功通信提供更好的保障.

4 結(jié)語(yǔ)

為了解決多信道協(xié)作不協(xié)調(diào)、任務(wù)分配不均等問(wèn)題,提升電力通信網(wǎng)多信道協(xié)作路由傳輸質(zhì)量,筆者基于IPv6技術(shù)設(shè)計(jì)了電力通信網(wǎng)多信道協(xié)作路由跨層控制系統(tǒng).選取信息傳輸延時(shí)、信道節(jié)點(diǎn)沖撞率和吞吐量作為評(píng)價(jià)依據(jù),將多蟻群-跨層控制算法與蟻群算法、牛頓算法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn).結(jié)果表明,多蟻群-跨層控制算法的信息傳輸延時(shí)保持在0.03 s左右,而牛頓算法和蟻群算法的傳輸延時(shí)較高;當(dāng)任務(wù)數(shù)量小于100時(shí),牛頓算法和蟻群算法的沖撞次數(shù)較少,而多蟻群-跨層控制算法沒(méi)有出現(xiàn)信道節(jié)點(diǎn)沖撞現(xiàn)象;多蟻群-跨層控制算法的吞吐量大于520 MB/s,相較于牛頓算法與蟻群算法更高.這些結(jié)果說(shuō)明,跨層控制系統(tǒng)具有較優(yōu)的路由跨層控制效果.本研究主要關(guān)注的是傳輸效率和路由跨層控制,而在實(shí)際應(yīng)用中,通信網(wǎng)絡(luò)的安全性也是至關(guān)重要的.因此,下一步工作筆者將重點(diǎn)研究通信網(wǎng)絡(luò)的安全機(jī)制,以期在提高電力通信網(wǎng)傳輸效率的同時(shí)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?