基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的帶寬需求分析預(yù)測(cè)

杜潔

(云南電網(wǎng)公司信息中心，昆明 650217)

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的帶寬需求分析預(yù)測(cè)

杜潔

(云南電網(wǎng)公司信息中心，昆明 650217)

提出了一套應(yīng)用 “十二五”期間應(yīng)用系統(tǒng)的流量數(shù)據(jù)預(yù)測(cè) “十三五”期間電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)帶寬需求的方法，該方法基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)管理信息化業(yè)務(wù)系統(tǒng)建模，在考慮假設(shè)與限制條件的前提下，應(yīng)用建立的模型分析出分析出“十三五”期間通信數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的帶寬需求，為未來(lái)通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)提供參考。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；帶寬需求；業(yè)務(wù)流量模型

0 前言

隨著電力行業(yè)信息化建設(shè)的不斷深入，IT集約化建設(shè)管控的不斷加強(qiáng)，云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、商業(yè)智能等先進(jìn)技術(shù)發(fā)展及日趨廣泛應(yīng)用，如何有效預(yù)測(cè)信息系統(tǒng)的帶寬需求，進(jìn)而開展數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)是當(dāng)前必須系統(tǒng)安排的問(wèn)題。

1 網(wǎng)絡(luò)帶寬預(yù)測(cè)技術(shù)

1.1 網(wǎng)絡(luò)帶寬預(yù)測(cè)模型技術(shù)分析

通過(guò)Internet傳輸?shù)男畔⒘空诓粩嗟爻尸F(xiàn)出以指數(shù)速率方式增加[1]。目前，線性預(yù)測(cè)方法[2-4]是最常用的方法，例如簡(jiǎn)單的基于業(yè)務(wù)的平均值、最大值累加，也有基于過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間的統(tǒng)計(jì)趨勢(shì)預(yù)測(cè)。業(yè)務(wù)流量累加是流量估算中最常想到和使用的方法，就是將每個(gè)業(yè)務(wù)每天的平均值或最大值進(jìn)行累加，估算某接口上的平均值或最大值，但由于某一業(yè)務(wù)在一天中的流量分布情況和另一業(yè)務(wù)在這天中的流量分布情況不一定相同，因此這種方法的準(zhǔn)確性不高。泊松模型是根據(jù)電話業(yè)務(wù)的特征提出來(lái)的，可以較為準(zhǔn)確的描述電話網(wǎng)中業(yè)務(wù)特性并得到廣泛應(yīng)用，同時(shí)該模型也用于研究網(wǎng)絡(luò)流量，在網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)、維護(hù)、管理和性能分析等方面發(fā)揮了很大作用，但數(shù)據(jù)通信流量的突發(fā)性并不像語(yǔ)音通信那樣平滑，因此泊松模型不適合用于數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量分析。業(yè)務(wù)流量累加的技術(shù)采用各業(yè)務(wù)最大或平均流量估值相加的方式，流量的預(yù)測(cè)具有很大的不準(zhǔn)確性，只能定性的判斷鏈路的帶寬需求，無(wú)法定量的判斷帶寬需求，更無(wú)法用于指導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和投資。Poisson模型則更多用于傳統(tǒng)的電話交換網(wǎng)，不適用于流量評(píng)估預(yù)測(cè)中。ARIMA等自相似模型基于統(tǒng)計(jì)規(guī)律，采用歷史值預(yù)估未來(lái)值，是網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)估分析中最常用的方法，但是其缺點(diǎn)也很明顯，即無(wú)法反映業(yè)務(wù)的發(fā)展對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量造成的影響。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型首先可以根據(jù)業(yè)務(wù)，建立每個(gè)業(yè)務(wù)的流量模型；其次，只要激活函數(shù)選取合理，就能模擬出最優(yōu)方程；此外，基于樣本的自學(xué)習(xí)與自修正，與實(shí)際情況相比誤差小。

因此，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)適用于對(duì)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測(cè)研究中。

1.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

BP(Back Propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，即誤差反傳誤差反向傳播算法的學(xué)習(xí)過(guò)程，由信息的正向傳播和誤差的反向傳播兩個(gè)過(guò)程組成[5]。輸入層各神經(jīng)元負(fù)責(zé)接收來(lái)自外界的輸入信息，并傳遞給中間層各神經(jīng)元；中間層是內(nèi)部信息處理層，負(fù)責(zé)信息變換，根據(jù)信息變化能力的需求，中間層可以設(shè)計(jì)為單隱層或者多隱層結(jié)構(gòu)；最后一個(gè)隱層傳遞到輸出層各神經(jīng)元的信息，經(jīng)進(jìn)一步處理后，完成一次學(xué)習(xí)的正向傳播處理過(guò)程，由輸出層向外界輸出信息處理結(jié)果。當(dāng)實(shí)際輸出與期望輸出不符時(shí)，進(jìn)入誤差的反向傳播階段。誤差通過(guò)輸出層，按誤差梯度下降的方式修正各層權(quán)值，向隱層、輸入層逐層反傳。周而復(fù)始的信息正向傳播和誤差反向傳播過(guò)程，是各層權(quán)值不斷調(diào)整的過(guò)程，也是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)訓(xùn)練的過(guò)程，此過(guò)程一直進(jìn)行到網(wǎng)絡(luò)輸出的誤差減少到可以接受的程度，或者預(yù)先設(shè)定的學(xué)習(xí)次數(shù)為止。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型BP網(wǎng)絡(luò)模型包括其輸入輸出模型、作用函數(shù)模型、誤差計(jì)算模型和自學(xué)習(xí)模型。

1.2.1 節(jié)點(diǎn)輸出模型

f-非線性作用函數(shù)；q-神經(jīng)單元閾值。

1.2.2 作用函數(shù)模型

作用函數(shù)是反映下層輸入對(duì)上層節(jié)點(diǎn)刺激脈沖強(qiáng)度的函數(shù)又稱刺激函數(shù)，一般取為 (0，1)

1.2.3 誤差計(jì)算模型

誤差計(jì)算模型是反映神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)期望輸出與計(jì)算輸出之間誤差大小的函數(shù)：

tpi-i節(jié)點(diǎn)的期望輸出值；Opi-i節(jié)點(diǎn)計(jì)算輸出值。

1.2.4 自學(xué)習(xí)模型

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過(guò)程，即連接下層節(jié)點(diǎn)和上層節(jié)點(diǎn)之間的權(quán)重矩陣Wij的設(shè)定和誤差修正過(guò)程。BP網(wǎng)絡(luò)有師學(xué)習(xí)方式-需要設(shè)定期望值和無(wú)師學(xué)習(xí)方式-只需輸入模式之分。自學(xué)習(xí)模型為

h-學(xué)習(xí)因子；Фi-輸出節(jié)點(diǎn)i的計(jì)算誤差；Oj-輸出節(jié)點(diǎn)j的計(jì)算輸出；a-動(dòng)量因子。

2 通信網(wǎng)絡(luò)帶寬需求預(yù)測(cè)分析

2.1 預(yù)測(cè)方法

“十三五”期間的通信網(wǎng)絡(luò)帶寬需求將基于“十二五”期間的業(yè)務(wù)系統(tǒng)建模開展分析，總體方法如圖1所示：

圖1 網(wǎng)絡(luò)帶寬預(yù)測(cè)方法

首先，根據(jù)業(yè)務(wù)的特性，對(duì)綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)所承載的業(yè)務(wù)進(jìn)行分類分析，經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)承載的業(yè)務(wù)進(jìn)行分析和梳理。在明確業(yè)務(wù)類型的基礎(chǔ)上，以盡量覆蓋重要業(yè)務(wù)為原則，選取現(xiàn)網(wǎng)中的業(yè)務(wù)流量采集范圍和采集點(diǎn)，利用流量分析工具，采用Netflow方式對(duì)綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)流量進(jìn)行采集和分析。基于采集到的流量特征數(shù)據(jù)，分別針對(duì)納入采集范圍的重要業(yè)務(wù)進(jìn)行建模分析，重點(diǎn)針對(duì)管理信息化業(yè)務(wù)系統(tǒng)，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)關(guān)鍵業(yè)務(wù)系統(tǒng)的單用戶帶寬流量需求進(jìn)行建模。基于 “十三五”業(yè)務(wù)流量估算的假設(shè)，梳理“十三五”期間業(yè)務(wù)的范圍；根據(jù)具體業(yè)務(wù)在峰值帶寬需求等方面的特征，將業(yè)務(wù)系統(tǒng)與現(xiàn)網(wǎng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)所建立的單用戶帶寬需求模型相對(duì)應(yīng)，選取相應(yīng)的模型進(jìn)行分析；分析業(yè)務(wù)系統(tǒng)的用戶情況，提出某一時(shí)刻內(nèi)的活躍用戶比例；在上述幾個(gè)步驟的基礎(chǔ)上，用單用戶的流量與活躍用戶數(shù)相乘，可以得到業(yè)務(wù)系統(tǒng)在工作時(shí)段內(nèi)的總體流量情況。根據(jù)已建立的各業(yè)務(wù)的模型，分別按業(yè)務(wù)流經(jīng)的路徑，對(duì)綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)主干網(wǎng)、省級(jí)綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)以及地區(qū)綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)的帶寬需求進(jìn)行估算，同時(shí)考慮一定的裕量，提出 “十三五”期間的帶寬流量需求。

2.2 假設(shè)及限制條件

1)假設(shè)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的用戶訪問(wèn)習(xí)慣和業(yè)務(wù)模式基本是不會(huì)變化的，從而可以大致確定活躍用戶分布情況以及單用戶的流量分布情況；

2)假設(shè)新增加的業(yè)務(wù)系統(tǒng)能給出平均流量值或與現(xiàn)有某系統(tǒng)非常相似，如用戶群體相同、架構(gòu)相近、業(yè)務(wù)內(nèi)容基本相同等。

3)在業(yè)務(wù)量的增長(zhǎng)方面， “十三五”期間，原有的企業(yè)信息系統(tǒng)將會(huì)根據(jù)業(yè)務(wù)的發(fā)展需求，提供更豐富的業(yè)務(wù)應(yīng)用，例如是營(yíng)銷管理系統(tǒng)，可能將會(huì)引入面向終端用戶的電動(dòng)汽車充電、分布式能源管理等業(yè)務(wù)，預(yù)計(jì)業(yè)務(wù)量將大幅增長(zhǎng)，假設(shè)業(yè)務(wù)的增長(zhǎng)量為30%。此外，隨著業(yè)務(wù)的進(jìn)一步發(fā)展，可能會(huì)涌現(xiàn)出新的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，假設(shè)在“十三五”期間，公司將新建五個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，用戶覆蓋網(wǎng)省地市等分子公司。

4)在系統(tǒng)的部署模式方面，假設(shè) “十三五”期間，將實(shí)現(xiàn)集團(tuán)化部署。

5)根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)測(cè)算，系統(tǒng)的活躍用戶數(shù)一般為0.5%～0.6%，按0.6%進(jìn)行估算，特殊業(yè)務(wù) (OA和營(yíng)銷)活躍用戶比例達(dá)到10%。

6)網(wǎng)絡(luò)帶寬需求分析應(yīng)考慮企業(yè)信息化系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求、互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)業(yè)務(wù)、語(yǔ)音視頻、FTP等業(yè)務(wù)。

2.3 業(yè)務(wù)帶寬需求建模

2.3.1 建模方法

本次分析采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)模擬出流量的方程，流量方程的模擬過(guò)程是用樣本學(xué)習(xí)、修改的過(guò)程。最終，當(dāng)方程模擬結(jié)果和樣本值誤差小于定義的誤差時(shí)，就認(rèn)為得到一個(gè)描述業(yè)務(wù)系統(tǒng)流量的最佳方程。一個(gè)完整的流量估算步驟如下：

圖2 建模方法

完整的流量估算過(guò)程是學(xué)習(xí)-＞修改-＞驗(yàn)證-＞修改的過(guò)程。一個(gè)模型的好壞取決于樣本的質(zhì)量和BP網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)參數(shù)，通過(guò)使用新樣本來(lái)驗(yàn)證之前推導(dǎo)出的模型是否工作良好，如果誤差不在可忍受的范圍，則需要重新調(diào)整BP網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)參數(shù)。

2.3.2 模型數(shù)學(xué)推導(dǎo)

流量模型用于將來(lái)的流量預(yù)測(cè)，即要將業(yè)務(wù)的發(fā)展反映到流量模型中，需要推導(dǎo)出流量和用戶數(shù)、時(shí)間的關(guān)系。即：

設(shè)y為某業(yè)務(wù)的流量，x為業(yè)務(wù)的并發(fā)用戶數(shù)，t為一天中的某時(shí)刻。

而并發(fā)用戶數(shù)x是一個(gè)和總用戶數(shù)及時(shí)間相關(guān)的函數(shù)：

其中A是業(yè)務(wù)的總用戶數(shù)

經(jīng)驗(yàn)可知，某業(yè)務(wù)的總用戶數(shù)A在一定時(shí)間內(nèi)是不會(huì)變化的，所以A是一個(gè)常數(shù)。因此x是一個(gè)只和時(shí)間t相關(guān)的函數(shù)。

綜上，業(yè)務(wù)的流量y是一個(gè)和時(shí)間相關(guān)的函數(shù)：

所以我們整個(gè)運(yùn)用BP網(wǎng)絡(luò)解決流量模型的過(guò)程就是推導(dǎo)出流量和時(shí)間的關(guān)系方程。

當(dāng)我們需要測(cè)量某一接口上的流量時(shí)，只需要將接口上各種業(yè)務(wù)的流量累加，即：

2.3.4 單系統(tǒng)模型

用MATLAB的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具集設(shè)計(jì)一個(gè)二層的BP網(wǎng)絡(luò)，以某系統(tǒng)的流量估算為例，首先將前期采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。

圖3 歸一化處理前后數(shù)據(jù)

經(jīng)過(guò)歸一化處理后，流量曲線未發(fā)生任何變化，但流量已經(jīng)收斂到-1到1的范圍內(nèi)，這將大大減少后面計(jì)算公式的計(jì)算量。

經(jīng)過(guò)3 038次計(jì)算后，誤差已經(jīng)收斂到0.01；繪制出的函數(shù)曲線如下圖所示，這條曲線代表了此業(yè)務(wù)從早上9點(diǎn)到18點(diǎn)的流量情況，可以用作估算此業(yè)務(wù)的流量。

圖4 流量模型與原流量對(duì)比

有了這些權(quán)值參數(shù)后，就可以根據(jù)前面選取的激活函數(shù)推出代表此流量的方程：

其中，

選取了8個(gè)典型系統(tǒng)進(jìn)行建模，這些模型為網(wǎng)絡(luò)帶寬需求分析的基礎(chǔ)。

2.3.5 模型匹配及網(wǎng)絡(luò)帶寬需求

1)已上線的系統(tǒng)采用現(xiàn)有數(shù)據(jù)建模。

2)未上線且與現(xiàn)有業(yè)務(wù)高度匹配的系統(tǒng)，采用現(xiàn)有系統(tǒng)的模型。

3)未上線且與現(xiàn)有業(yè)務(wù)不匹配的系統(tǒng)，將提取這些系統(tǒng)的覆蓋范圍以及單用戶峰值帶寬數(shù)據(jù)，選取與這些特征相似的現(xiàn)有系統(tǒng)的流量模型。

4)對(duì)于預(yù)留考慮的新增業(yè)務(wù)系統(tǒng)，使用現(xiàn)有業(yè)務(wù)系統(tǒng)中流量較高的模型進(jìn)行預(yù)估。

選取得到的模型是基于業(yè)務(wù)的單用戶流量模型，在此基礎(chǔ)上，需要考慮網(wǎng)絡(luò)所承載的活躍用戶數(shù)，通過(guò)單用戶的流量與活躍用戶數(shù)相乘得到該業(yè)務(wù)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)帶寬需求。根據(jù)對(duì)現(xiàn)網(wǎng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，一般業(yè)務(wù)活躍用戶的比例基本在0.5%～0.6%，因此按最大0.6%進(jìn)行預(yù)估，特殊業(yè)務(wù) (OA和營(yíng)銷)活躍用戶比例達(dá)到10%。

在獲得單用戶帶寬需求模型以及活躍數(shù)量后，可以預(yù)測(cè)出管理信息化業(yè)務(wù)在 “十三五”期間對(duì)是通信網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求。

除了管理信息化業(yè)務(wù)外，還需要考慮互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)業(yè)務(wù)流量、FTP流量以及視頻會(huì)議、語(yǔ)音業(yè)務(wù)的流量。對(duì)于互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)業(yè)務(wù)，可以采用管理信息化業(yè)務(wù)相同的方法建模進(jìn)行預(yù)測(cè)；對(duì)于FTP業(yè)務(wù)，由于其業(yè)務(wù)有較大的不確定性，故應(yīng)該將其考慮累加到帶寬的峰值上，對(duì)于視頻語(yǔ)音業(yè)務(wù)，由于視頻會(huì)議流量大小相對(duì)固定，業(yè)務(wù)時(shí)間有非常大的不確定期性，故應(yīng)將視頻會(huì)議與語(yǔ)音業(yè)務(wù)流量帶寬需求直接累加到網(wǎng)絡(luò)通信帶寬的峰值上。

綜上，通過(guò)利用BP網(wǎng)絡(luò)對(duì)現(xiàn)網(wǎng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)建模，預(yù)測(cè)出 “十三五”期間管理信息化業(yè)務(wù)對(duì)帶寬的需求，同時(shí)考慮互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)業(yè)務(wù)、FTP業(yè)務(wù)和視頻語(yǔ)音業(yè)務(wù)的帶寬需求。

3 分析結(jié)果

對(duì)于管理信息化的流量，根據(jù)業(yè)務(wù)流量建模，將流量曲線乘以用戶數(shù)，并按時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合并，即可得到管理信息化業(yè)務(wù)的帶寬要求的流量曲線。在總體考慮50%的冗余后，可得到各層級(jí)網(wǎng)絡(luò)帶寬需求如下所示：

圖5 主干綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)管理信息化流量模型

根據(jù)以上通信網(wǎng)絡(luò)帶寬需求分析，可以預(yù)測(cè)出網(wǎng)-省-地-縣-所四級(jí)綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)通信帶寬需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)電網(wǎng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行分析，應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)業(yè)務(wù)帶寬需求進(jìn)行建模，在此基礎(chǔ)，估算出 “十三五”期間綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)的帶寬需求，為 “十三五”期間總和數(shù)據(jù)網(wǎng)的建設(shè)提供參考。

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Analysis of Network Bandwidth Requirement Based on Neural Network of Integrated Data Network in Power Grid

DU Jie
(Yunnan Power Grid Co.，Ltd Information Centre，Kunming 650217，China)

This paper analyzes the network bandwidth estimation model，and proposed method of network bandwidth demand analysis of power data communication.On the basis of this，BP neural network is used to modeling of bandwidth demands of information system.The bandwidth requirement of communication data network is analyzed，and the reference for the construction of communication network is provided.

BP neural network；bandwidth requirement；traffic model

TM76

B

1006-7345(2015)06-0083-04

2015-09-03

杜潔 (1985)，女，工程師，碩士，云南電網(wǎng)公司信息中心，主要從事電力信息化的規(guī)劃建設(shè) (e-mail)dujie1430＠sina.com。