[发明专利]电力信息物理系统无线通信网等价多路径动态控制方法

摘要

本发明提供了电力信息物理系统无线通信网等价多路径动态控制方法，针对电力CPS无线通信网络建立多约束优化模型，模型在传统ECMP模型的基础上，结合电力CPS无线通信网络结构特性，提出动态配置ECMP模型；模型将流入无线通信节点流量等于流出节点流量作为业务守恒约束，无线信道带宽上限作为链路容量约束，以最大链路利用率最小化为目标函数建立电力CPS无线通信网络多约束优化模型；在此模型的基础上提出动态配置ECMP最优负载均衡算法DECMP，实现网络负载均衡，得到电力CPS无线通信网络最优网络传输性能。

主权项

1.电力信息物理系统无线通信网等价多路径动态控制方法，其特征在于：针对电力CPS无线通信网络建立多约束优化模型，在传统ECMP模型的基础上，结合电力CPS无线通信网络结构特性，提出动态配置ECMP模型；在此模型的基础上提出动态配置ECMP最优负载均衡算法DECMP，实现网络负载均衡，得到电力CPS无线通信网络最优网络传输性能；控制方法的动态选择需开通ECMP节点，实现电力CPS无线通信网络更优负载均衡，即通过减少网络内控制信息开销，减少特定区域的通信负载，使电力CPS无线通信网络运行达到更优负载均衡；动态配置ECMP最优负载均衡算法DECMP依据最大链路使用率max(z_e)和节点度k_x判定优先级，动态选择需开通ECMP节点；算法将流入节点流量等于流出节点流量作为业务守恒约束，链路带宽上限作为链路容量约束，以最大链路利用率最小化为目标函数，建立多约束优化模型，采用动态选择贪婪算法求解，以获取最优网络传输性能；建立动态配置ECMP模型时，将电力CPS无线监测和信息采集终端设备抽象为节点，V＝{v₁,v₂,…,v_n}；将可通信的各设备间无线信道抽象为链路边集，E＝{e₁,e₂,…,e_n}；则电力CPS系统数学建模为有向赋权图G＝(V,E)；其中每个节点有唯一标识符，v_i，i＝1,...,n为通信节点，具有信息采集和数据转发功能；V中各节点的有效传输距离λ₀相等，则E＝{e(v_j,v_k)≤λ₀,v_j,v_k∈V}；且相邻节点v_j,v_k共享同一无线介质，节点的信息发射功率：式中α为发射功率参数，依据实际网络节点发射模块类型决定；当为网络节点v_i的状态向量，其中Eg_i为v_i的当前能量，定义当Eg_i≤α/λ₀²时节点v_i失效；k_i为v_i的节点度(v_i的最大邻节点数)，S_k为节点ECMP控制开关；当为链路e_i上量度函数集； Ca(e_i):链路e_i带宽上限；Me_max(e_i):经过链路e_i所消耗网络费用；μ_max(e_i):经过链路e_i所需最大延时；并且定义网络传输业务矩阵F＝{f_st|源目的节点对v_s,v_t间的业务量,v_s,v_t∈V}；则业务守恒约束和链路容量约束定义如下：其中x⁺_e为链路e上行流量，定义为正，v(eⁱ)＝s表示上行流量是由链路e的s端流入，其中eⁱ表示链路e中上行流量的终端节点；x^—_e为链路e下行流量，定义为负，v(e_j)＝t表示下行流量是由链路e的t端流出，其中e_j表示链路e的下行流量的始端节点；因此式(3)表示由信源节点v_s产生流量等于信宿节点v_t接收流量，等于信源信宿两点之间的业务量，保证业务守恒；式(4)表示对任意链路e上行|x⁺_e|和下行|x^—_e|流量分布不超过链路单向带宽上限Ca(e)；我们以链路带宽使用率为衡量网络是否存在拥塞的量度，定义如式(5)所示； 因此优化目标为最小化最大链路使用率min{max(z_e)},e∈E；动态配置ECMP最优负载均衡算法DECMP，在网络流量分担应用时设定配置节点比率η，即上限配置η·N个节点；动态配置ECMP最优负载均衡算法DECMP每次仅选择配置优先级最高节点开通ECMP功能，随后对网络状态进行更新，重新计算负载分担，检测最大链路使用率max(z_e)是否下降，即提升网络均衡状态，并达到设计目标；若未满足，则在当前网络状态下选择配置优先级最高的节点；终止条件为网络最大链路使用率max(z_e)最小，或已达到η·N节点配置上限； 动态配置策略是一种启发式贪婪算法，在考虑网络每次最新的负载状态条件下进行节点选择，以达到负载均衡效果最优；DECMP算法的基本步骤如下：Step1：初始化，将据电力CPS无线通信网络抽象成图，根据电力CPS无线通信网络业务流生成业务矩阵[H]作为算法的输入，并配置节点比率η；Step2：比较已配置节点个数n和上限配置节点个数η·N；若n＞η·N，则输出节点ECMP最优配置并输出流量配置和路由，算法结束；反之，则下一步；Step3：判断max(z_e)是否已达到最小，若max(z_e)已达最小，则输出节点ECMP最优配置并输出流量配置和路由，算法结束；反之，则下一步；Step4：计算v_i的节点度k_i,v_i∈V，依据公式(6)计算配置ECMP优先级；Step5：对当前最高优先级节点v_h开通ECMP，计算开通后新网络的等价最短多路径和链路使用率z_e,e∈E；判断max(z_e)是否降低，如果成立，则确定S_k(v_h)＝1，即v_h开通ECMP功能，跳转到Step2；否则，忽略v_h，跳转到Step5；动态配置ECMP最优负载均衡算法DECMP，在配置ECMP优先级计算时，决定节点动态选择的参数为配置ECMP优先级；当以节点v_x为出口的链路中存在高使用率时，则易产生拥塞，需要开通ECMP功能；而具有更高的节点度说明节点处于拓扑核心，并且具备更多连接链路分摊流量；因此本发明采用最大链路使用率max(z_e),{v(e_j)＝x}和节点度k_x衡量ECMP优先级，计算公式如式(6)；定义节点n的ECMP配置优先级为：式中，{e|v(e_j)＝x}表示以节点v_x为出口的所有链路集合。