終端通信接入網(wǎng)網(wǎng)絡資源分配策略分析

毛 瑞，陳亞琨，李昭靜

（鄭州電力高等專科學校 信息通信學院，河南 鄭州 450000）

0 引 言

日前，在國家電力終端通信接入網(wǎng)的具體建設和營運中設置有多個業(yè)務部門。各部門按照各自實際業(yè)務以獨立形式實現(xiàn)建網(wǎng)，網(wǎng)絡維護方面也體現(xiàn)了獨立性。在多部門共同組建下實現(xiàn)了多層網(wǎng)絡構(gòu)建，各業(yè)務在向電力通信網(wǎng)內(nèi)部并存接入期間所選擇的通信方式也是多樣化的，這使得電力通信網(wǎng)具有更加復雜的結(jié)構(gòu)和更龐大的網(wǎng)絡規(guī)模。在保證國家電力通信網(wǎng)不做出改變的基礎上，可通過增設終端接入網(wǎng)關和網(wǎng)絡融合網(wǎng)關兩項功能實體，制定以雙通信代理機制為基礎的異構(gòu)網(wǎng)協(xié)同融合傳輸方案。在此基礎上設計并實現(xiàn)一個網(wǎng)絡資源分配算法，保證在多業(yè)務全面接入且多網(wǎng)絡保持動態(tài)協(xié)同的同時，更加充分合理地分配網(wǎng)絡資源。

1 網(wǎng)絡協(xié)同融合

當前，光纖專網(wǎng)、中壓電力線載波以及公用移動通信等是電力終端通信接入網(wǎng)所采用的主要通信方式。其中，光纖專網(wǎng)涵蓋了無源光網(wǎng)絡、工業(yè)以太網(wǎng)以及光調(diào)制解調(diào)器等。終端通信接入網(wǎng)中出現(xiàn)的多模終端可支持多種不同接入技術，并可實現(xiàn)異構(gòu)環(huán)境覆蓋，這就引發(fā)了新的網(wǎng)絡資源分配問題。這些網(wǎng)絡不管是在系統(tǒng)目標和業(yè)務QoS體系，還是接入方式和傳輸方式等方面都沒有體現(xiàn)出統(tǒng)一性，有關網(wǎng)絡資源的具體管理機制也體現(xiàn)出明顯差異性。

為了在終端通信接入網(wǎng)中更加合理地分配網(wǎng)絡資源，本文以不改變電力通信網(wǎng)中各種體制網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)為基礎，增設終端接入網(wǎng)關（EA-GW）和網(wǎng)絡融合網(wǎng)關（NI-GW）兩種功能實體機，以此提出雙通信代理機構(gòu)異構(gòu)網(wǎng)協(xié)同融合傳輸設計方案，具體如圖1所示。在此方案支持下，促使通信網(wǎng)絡和電力業(yè)務實現(xiàn)解耦，統(tǒng)一位于異構(gòu)融合網(wǎng)絡實現(xiàn)智能電網(wǎng)多業(yè)務的接入和承載[1]。其中，NI-GW主要是以向上的方向來承載有關業(yè)務需求，EA-GW按照統(tǒng)一化原則設置終端接口，同步虛擬各類終端資源。EA-GW和NI-GW兩者關聯(lián)中可選一種或多種通信方式，具體主要基于實際業(yè)務需求決定資源調(diào)度策略及具體的通信方式[2]。從業(yè)務層來看，EA-GW和NI-GW相互所建通信網(wǎng)絡具有透明的特點，兩者均直面終端虛擬資源。在本文所提的融合網(wǎng)關系統(tǒng)方案下，可基于運營策略、用戶策略以及網(wǎng)絡資源狀態(tài)等在多網(wǎng)絡動態(tài)環(huán)境中，促使業(yè)務在差異化網(wǎng)絡間智能切換網(wǎng)絡智能選擇技術和網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)技術，使資源分配及網(wǎng)絡選擇具有更細致的顆粒度，保證接入更加靈活，且能夠?qū)崿F(xiàn)多業(yè)務的綜合接入，保證多網(wǎng)絡保持動態(tài)協(xié)同。

圖1 網(wǎng)絡融合網(wǎng)關及終端接入網(wǎng)關

2 網(wǎng)絡資源具體分配

當前，圍繞網(wǎng)絡資源分配策略開展的一系列研究中，所設定的環(huán)境均屬于異構(gòu)無線網(wǎng)絡，具有功率分配、負載控制、接納控制以及切換控制等功能。關鍵性目的是在遵循信道特性的前提下，當信道由于干擾因素出現(xiàn)一定的幅度改變時，實現(xiàn)對有線網(wǎng)絡資源的動態(tài)調(diào)整與靈活分配，促使無線用戶終端獲得QoS保障，使無線頻譜的利用率達到最大，避免發(fā)生網(wǎng)絡堵塞情況。

有學者以系統(tǒng)最大吞吐量為基礎提出了聯(lián)合分配算法，該算法在設計中將分配帶寬設定為連續(xù)變量[3]。相繼有專家學者對該算法進行了深度研究，并改進了求解算法。選用牛頓迭代法，增設了對最大發(fā)送功率的限制要求，并實現(xiàn)了對差異化業(yè)務需求的綜合考量，確保時延受限用戶具備最小的基礎性速率需求，同步考慮最大程度使用戶保持相同的速率或保持在一定比例[4]。

與電信公網(wǎng)相比，電力通信網(wǎng)中的業(yè)務類型具有一定特殊性。這要求其在網(wǎng)絡資源分配中要考慮相應的特殊性，有區(qū)別的制定分配策略。電力通信網(wǎng)根據(jù)電網(wǎng)的運行和生產(chǎn)及企業(yè)的經(jīng)營和管理等特點將承載業(yè)務分為管理信息化業(yè)務和電網(wǎng)生產(chǎn)調(diào)度業(yè)務兩大類。本文設定在異構(gòu)網(wǎng)絡環(huán)境中，通過雙信道代理機制聯(lián)合網(wǎng)關EA-GW和NI-GW實現(xiàn)設計，討論分析終端通信接入網(wǎng)中涉及到的網(wǎng)絡資源分配策略，并設計電力通信網(wǎng)下有限網(wǎng)絡資源的合理化分配框架，如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡資源分配框架

圍繞網(wǎng)絡流量的相應分配機制涉及到兩個組成部分，分別為流量分配策略和網(wǎng)絡狀態(tài)認知。設計以NI-GW為基礎，業(yè)務從應用層方向發(fā)出后，由傳輸層實現(xiàn)封裝，進而傳輸至網(wǎng)絡層。網(wǎng)絡層接收后流量分配器自動啟動，按照流量有關分配方式，在網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)模塊發(fā)揮作用下得到對應的分配依據(jù)，分別計算單個網(wǎng)絡所分配到的實際流量，最后分配結(jié)果會向流量相應的分配執(zhí)行模塊中進行傳輸，從而獲得流量分配控制效果。

業(yè)務流量在具體分配中，要始終掌握各項信息，并準確預估EA-GW狀態(tài)。要實現(xiàn)這一點，就需要網(wǎng)絡狀態(tài)相應檢測模塊從多個層面檢測網(wǎng)絡狀態(tài)。在異構(gòu)無線網(wǎng)絡中，用戶移動、用戶發(fā)起會話以及終止會話都會導致網(wǎng)絡承載負載在大小方面體現(xiàn)時變性，網(wǎng)絡環(huán)境、各節(jié)點移動以及網(wǎng)絡各種干擾在終端通信接入網(wǎng)內(nèi)部均會保持可預知狀態(tài)，則網(wǎng)絡資源細化分配環(huán)節(jié)能夠直觀反映網(wǎng)絡鏈路傳輸具體性能的改變狀態(tài)。

由于一個網(wǎng)絡中并存有多個網(wǎng)絡，并且各網(wǎng)絡涉及到差異化的網(wǎng)絡性能和業(yè)務分布情況，因此當某網(wǎng)絡在某時隙要承擔繁重業(yè)務時，就有很大幾率發(fā)生網(wǎng)絡繁忙和擁塞等，相應的某網(wǎng)絡承擔業(yè)務非常清閑，進而降低網(wǎng)絡利用率。所以說，單一按照網(wǎng)絡鏈路時延設計網(wǎng)絡資源分配算法，不僅無法有效反映網(wǎng)絡性能，而且無法真實反映網(wǎng)絡實際業(yè)務狀態(tài)，不能解決異構(gòu)網(wǎng)面臨的業(yè)務流量分配缺乏均衡性的問題。為此，要深層次探究異構(gòu)網(wǎng)所具備的網(wǎng)絡吞吐量、網(wǎng)絡平均時延以及網(wǎng)絡容量等各方面體現(xiàn)出的獨有特征，圍繞各特性探索出有效的業(yè)務流量分配算法。

通過研究電力終端通信接入網(wǎng)中異構(gòu)網(wǎng)絡不同的EA-GW性能，根據(jù)網(wǎng)絡負載情況和網(wǎng)絡時延性能，本文研究并設計了以時延負載感知實現(xiàn)的異構(gòu)網(wǎng)絡資源分配算法。基于網(wǎng)絡節(jié)點相對準確的估計時延，進而反映網(wǎng)絡負載，在多種電力終端通信接入網(wǎng)充分利用的基礎上實現(xiàn)資源的有效傳輸。在網(wǎng)絡具有較重負載情況下，可分配相對少量的業(yè)務流量，將更多業(yè)務量適度分配給當前負載相對輕的網(wǎng)絡，使異構(gòu)網(wǎng)絡保持均衡的業(yè)務分布狀態(tài)，進而促使網(wǎng)絡運行得更加穩(wěn)定、高效且連續(xù)，并在此基礎上有效優(yōu)化分組丟包率及分組傳輸相應平均鏈路時延等綜合性能，充分利用網(wǎng)絡資源，促使業(yè)務具有的QoS保證更加優(yōu)良[5]。在NI-GW中設計網(wǎng)絡資源相關分配策略，要將時間戳添加到EA-GW通用鏈路層所對應的公共包頭上，明晰記錄分組準確發(fā)送時間，目的節(jié)點接收到分組后，可同步得到分組時延并自動計算。目的節(jié)點每經(jīng)過一個固定的時間間隔，就統(tǒng)計一次分組平均時延，統(tǒng)計結(jié)果通過網(wǎng)絡同步給源節(jié)點提供反饋。之后源節(jié)點根據(jù)相關時延數(shù)據(jù)與信息，掌握其體現(xiàn)的網(wǎng)絡覆蓋情況，以此為依據(jù)控制之后網(wǎng)絡業(yè)務流的分配情況。在網(wǎng)絡傳輸中，分組平均時延與網(wǎng)絡負載和業(yè)務繁重程度呈正相關。

3 算法性能驗證

本文在算法性能驗證中選擇OPNET Modeler仿真工具，將時延加入到網(wǎng)絡鏈路中來模擬網(wǎng)絡負載的變化情況。結(jié)合統(tǒng)計所得的時延數(shù)據(jù)，掌握網(wǎng)絡負載狀態(tài)，以此為依據(jù)決定流量分配決策[6]。在仿真中，驗證本文所設計的異構(gòu)網(wǎng)絡資源分配算法，同時與負載感知流量分配算法（定時反饋）和均勻分配算法作出對比。

在仿真中，主要考察一對業(yè)務丟包情況和時延情況，基于平均分組丟包率和傳輸中分組的平均時延衡量流量分配算法的具體性能。同時，統(tǒng)計流量分配算法下相關的網(wǎng)絡開銷，對比3種算法下的網(wǎng)絡開銷，驗證本文所設計分配算法的業(yè)務傳輸性能相對優(yōu)良，并且相關流量分配算法下涉及到的網(wǎng)絡開銷也顯著減少。3種算法從分組平均時延層面對比，均勻分配流量算法保持最大，負載感知流量分配算法的分組平均時延相對較小，而本文所設計分配算法保持最低分組平均時延。從分組丟包率層面對比，均勻分配算法和負載感知流量分配算法兩者的分組丟包率大小相當，而本文所設計分配算法保有最低的分組丟包率。

4 結(jié) 論

本文在電力終端通信接入網(wǎng)維持現(xiàn)狀條件下，提出一種以雙通信代理機制為基礎的異構(gòu)網(wǎng)協(xié)同融合網(wǎng)關，并基于NI-GW模塊進行以時延為基礎具備負載感知機制的相關異構(gòu)網(wǎng)絡資源分配算法。通過準確預估節(jié)點時延，真實反映網(wǎng)絡負載，最終充分有效利用各類電力終端通信接入網(wǎng)有限的傳輸資源。經(jīng)過仿真驗證，本文所設計分配策略在分配業(yè)務流量時，具有優(yōu)良的時延性能，并且網(wǎng)絡開銷顯著降低，傳輸質(zhì)量優(yōu)良。