基于量子遺傳算法的電力通信網路由選擇策略分析

趙平

國網四川雅安電力(集團)股份有限公司

基于量子遺傳算法的電力通信網路由選擇策略分析

趙平

國網四川雅安電力(集團)股份有限公司

在目前，電力通信網路由在算法上往往不能充分考慮電力業務的特征情況，并且無法指出一種針對電力業務的路由算法。針對各個電力通信指標的差異要求，將電力系統現有業務劃分類別，明確業務對通信指標的要求，在滿足電力業務通信需求的基拙上，利用量子遺傳算法進行路由選擇，將網絡帶寬、時延和丟包率作為目標函數，采用量子比特編碼，利用量子旋轉門操作實現量子染色體的更新以求最優解，起到了優化網絡資源、平衡網絡負載的成效。仿真結果表明，對電力業務劃分類別進行路徑選擇，能夠尋出滿足業務特性的最佳路徑，且算法的收斂性比較理想，能在較短時間內收斂到最優解。

電力業務 業務分類 量子遺傳算法 蟻群算法 QoS路由

本文基于量子遺傳算法的基本原理，提出一種而向電力業務的路由算法。該算法根據電力業務對通信指標的不同要求，對其進行劃分類別，明確業務對通信指標的要求;路由起始節點根據當前網絡狀態和電力業務類別調用相應的適應度函數，利用量子遺傳算法進行路由選擇。該算法一方而考慮了傳統技術中的通信指標對路由鏈路的影響，另一方而構建了適應度函數，對電力系統的各種業務按照其權重值進行考慮。綜合考慮最短路徑和針對電力業務特點的約束條件，尋出滿足電力業務特性的最優路徑，仿真結果表明了該算法的有效性。

1 電力系統現有業務的主要類別

針對電力通信網的物理結構和業務需求情況，應該合理選擇路由，滿足業務的QoS要求，同時提高電力通信網的服務質量，平衡網絡負載。電力通信網中，時延、帶寬和丟包率是三個重要的參數，各電力業務對三者的要求也不盡相同。根據對通信指標的不同要求，將電力系統現有業務劃分為五種類別，具體為:

1)高可靠寬帶實時業務，包括電力市場營銷、電能質量監測系統等;

2)高可靠窄帶實時業務，包括繼電保護和安穩系統;

3)可靠寬帶實時業務，包括視頻會議;

4)可靠窄帶實時業務，包括調度自動化和電能計量;

5)低可靠窄帶非實時業務，包括辦公自動化、管理信息業務和調度管理信息系統。

2 量子遺傳算法的基本原理概述

2.1 量子比特編碼

相比于實數編碼、二進制編碼以及屬性編碼等多種已有的GA編碼方式，QGA編碼則做出了改變，即是基于量子比特進行編碼，利用量子比特進行存儲基因、表達基因。其中，量子比特正常處于0或者1兩種本征態，且兩種狀態可以相互疊加，可表示為：

|φ≥a|0＞＋β|1＞.

在對電力通信網路由問題進行求解時，量子染色體的量子比特數由電力通信網節點數和節點中最大鄰接點數共同確定。例如在一個N個節點組成的電力通信網，設節點的最大鄰接點數為l，求解k使得2k-1≤l≤2k，則編碼時量子染色體的量子比特數為n=N×k。

2.2 量子變異

為了加快算法收斂，需對種群進行變異操作，在量子理論中，量子比特狀態的轉換是通過量子門實現的，常用的量子門有:非門、異或門、受控異或門和旋轉門。量子旋轉門用旋轉角來表征染色體變異，并在變異過程中加入當前最優個體信息，達到加速算法收斂的目的。由于量子旋轉門的參數具有可調整性，通用性強，故采用量子旋轉門來實現染色體的變異。

3 電力通信網路由選擇策略

在為電力業務選擇路由時，首先根據業務對通信指標的需求判定所屬類別，確定目標函數及可容忍時延最大值、最小可用帶寬和可容忍丟包率最大值約束條件。根據網絡中時延、帶寬和節點的丟包率大小選擇滿足QoS約束條件的路徑，利用量子遺傳算法尋找符合業務通信指標要求的最佳路徑，具體步驟如下：

1)初始化。遺傳代數t=U，種群Q(t)=Q(0)種群規模為K，并對種群進行量子遺傳編碼。

2)對Q(t)的所有個體實施一次測量得到P(t)含有K個確定的個體。

3)對P(t)進行譯碼得到具體路徑，將路徑信息(包括時延、可用帶寬和丟包率)代入，進行適應度評估。

4)選擇并保存最優個體及其適應度值，作為該種群個體下一步進化的目標值。

5)驗證得到的最優個體是否滿足最佳路由條件，若是，則結束并輸出當前最優個體，否則繼續。

6)量子變異操作，采用量子旋轉門變異操作更新Q(t)，得到下一代種群Q(t+1)。

7)t=t+1，轉回2)。

4 結語

本研究提出了一種基于量子遺傳算法的電力通信網絡路由選擇策略，一方而考慮了傳統技術中的通信指標對路由鏈路的影響，另一方而根據電力業務對通信指標要求程度構建目標函數。綜合考慮最短路徑和針對電力業務特點的QoS約束條件，利用量子遺傳算法尋出滿足電力業務特性的最優路徑。從實驗結果可以看出，按照對通信指標的不同需求，對電力業務劃分類別進行路由選擇，能夠尋出滿足電力業務特性的最佳路徑，且算法的收斂性比較理想，能夠在較短的時間內收斂到最優解。

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趙平，男，漢族，雅安，通信運檢初級工，本科，國網四川雅安電力(集團)股份有限公司，通信路由。