本文關(guān)鍵詞：面向智能配電的異構(gòu)融合通信網(wǎng)絡(luò)動態(tài)負載均衡，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.2013.01.017

第33卷 第1期 2013年1月5日 中 國 電 機 工 程 學(xué) 報

Proceedings of the CSEE Vol.33 No.1 Jan.5, 2013 ?2013 Chin.Soc.for Elec.Eng.

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(2013) 01-0039-11 中圖分類號：TM 73；TN 92 文獻標志碼：A 學(xué)科分類號：470·40 文章編號：0258-8013

面向智能配電的異構(gòu)融合通信網(wǎng)絡(luò)動態(tài)負載均衡

唐良瑞1，盛潔1，祁兵2，黃宇峰3

(1．新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室(華北電力大學(xué))，北京市 昌平區(qū) 102206；2．華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京市 昌平區(qū) 102206；3．江蘇省電力公司檢修分公司蘇州分部，江蘇省 蘇州市 215131)

Dynamic Load Balancing in Heterogeneous Integrated Communication Networks Oriented to

Smart Distribution Grid

TANG Liangrui1, SHENG Jie1, QI Bing2, HUANG Yufeng3

(1. State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources(North China Electric Power University), Changping District, Beijing 102206, China; 2. School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Changping District, Beijing 102206, China; 3. Jiangsu Electric Power Maintenance Branch Company Suzhou

Division, Suzhou 215131, Jiangsu Province, China)

ABSTRACT: To improve the quality of service (QoS) of communication services in smart distribution grid (SDG), a heterogeneous network model oriented to SDG was presented, and based on the development targets of smart distribution automation system combined with the minute analysis of QoS requirements of various types of communication services, a dynamic load balancing algorithm was proposed. Firstly, an adequate number of ongoing calls can be transferred from overload networks into the overlapping ones with light workload according to the load rate and QoS assurance degree of real time and non-real time services of each candidate networks. Then, new calls with different priorities are differently served according to call admission control strategy obtained by genetic algorithm. A heterogeneous network model was built within the coverage area from a 35 kV substation to 10 kV transformers for simulation, and the experimental results show that the model and the algorithm are effective and feasible. The proposed model can provide reference for the construction and service dispatching of smart distribution communication network.

KEY WORDS: smart distribution grid (SDG); heterogeneous integrated communication networks; load balancing

摘要：為提高智能配電通信業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，建立了面向智能配電的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型，并結(jié)合智能配電自動化系統(tǒng)的發(fā)展目標，分析了各類型通信業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量(quality of service，

基金項目：國家科技重大專項(2010ZX03006-005-001)；中央高�；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項基金資助項目(11QX47)。

Project Supported by National Science and Technology Major Project(2010ZX03006-005-001); the Fundamental Research Funds for the Central Universities (11QX47).

QoS)需求，進而設(shè)計了一種包括重載網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移與新業(yè)務(wù)接入控制的動態(tài)負載均衡算法。算法首先根據(jù)候選網(wǎng)絡(luò)的負載水平，以及對實時和非實時業(yè)務(wù)的QoS保證程度，將重載小區(qū)的適量業(yè)務(wù)向重疊覆蓋的輕載小區(qū)轉(zhuǎn)移；其次通過遺傳算法獲得最優(yōu)業(yè)務(wù)接入方案，為不同優(yōu)先級的新到業(yè)務(wù)提供有差別的服務(wù)。以某市一座35 kV變電站到10 kV變壓器的覆蓋范圍為例，構(gòu)建異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型進行仿真，仿真結(jié)果證明了所提模型與算法的合理性和有效性，該模型為智能配電通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和業(yè)務(wù)的調(diào)度提供參考。 關(guān)鍵詞：智能配電；異構(gòu)融合通信網(wǎng)絡(luò)；負載均衡

0 引言

建設(shè)智能電網(wǎng)面臨的一個重要問題，就是如何設(shè)計與建造一個不僅能夠滿足當(dāng)前電網(wǎng)的需求，并為將來發(fā)展提供充分可能的、覆蓋整個電網(wǎng)的信息系統(tǒng)[1-2]。智能配電網(wǎng)(smart distribution grid，SDG)作為智能電網(wǎng)的重要組成部分，以靈活、可靠、高效的配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和高可靠性、高安全性的通信網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，支持靈活自適應(yīng)的故障處理和自愈，可滿足高滲透率的分布式電源和儲能元件的接入要求，滿足用戶提高電能質(zhì)量的要求[3]。智能配電網(wǎng)的實現(xiàn)對通信技術(shù)的要求將不斷提高，其中骨干網(wǎng)和接入網(wǎng)部分在條件允許的環(huán)境下將以光纖通信網(wǎng)絡(luò)作為首選，寬帶無線通信網(wǎng)絡(luò)作為輔助方 式[4]。然而在一些環(huán)境比較惡劣的地區(qū)，光纖的鋪設(shè)和維護困難較大，因此需采用多樣化的無線接入技術(shù)(radio access technology，RAT)，互相補充，以

40 中 國 電 機 工 程 學(xué) 報 第33卷

形成重疊覆蓋的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境來保證接入網(wǎng)部分的高可靠性和高安全性。

智能配電通信網(wǎng)融合了配電自動化系統(tǒng)、配電設(shè)備檢測系統(tǒng)、電網(wǎng)生產(chǎn)管理系統(tǒng)、營銷現(xiàn)代化系統(tǒng)，來實現(xiàn)電網(wǎng)運行管理的現(xiàn)代化，業(yè)務(wù)類型復(fù)雜、通信服務(wù)質(zhì)量(quality of service，QoS)需求多樣，且在通信安全性、可靠性和經(jīng)濟性等方面具有工業(yè)級要求，需要合理、高效的通信資源管理方法來保證通信服務(wù)的質(zhì)量[5]。此外，配電網(wǎng)設(shè)備數(shù)量十分龐大，通信數(shù)據(jù)具有周期性強、數(shù)據(jù)量巨大的特點，需要優(yōu)化的負載均衡方法來調(diào)節(jié)通信網(wǎng)絡(luò)的負載水平，降低由于各網(wǎng)絡(luò)負載不均衡而帶來的配電業(yè)務(wù)阻塞概率。

基于以上分析，本文在前期研究的基礎(chǔ)[6]

上，結(jié)合智能配電網(wǎng)中通信業(yè)務(wù)的類型及其QoS需求，提出了一種動態(tài)的負載均衡算法(dynamic load balancing，DLB)。該算法首先根據(jù)異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)中各寬帶無線接入網(wǎng)的實時負載水平動態(tài)調(diào)節(jié)重載網(wǎng)絡(luò)與輕載網(wǎng)絡(luò)之間的業(yè)務(wù)量；其次對新產(chǎn)生的配電通信業(yè)務(wù)，依據(jù)業(yè)務(wù)優(yōu)先級和QoS需求，采用接入選擇機制為其分配合理的網(wǎng)絡(luò)資源，從而有效地控制各接入網(wǎng)絡(luò)之間的負載均衡。實驗結(jié)果表明，該算法能有效地降低配電通信業(yè)務(wù)的阻塞率，為智能配電通信業(yè)務(wù)提供了可靠、經(jīng)濟、高效的服務(wù)。

1 面向智能配電的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型及業(yè)務(wù)等

級劃分

1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

本文針對光纖鋪設(shè)受環(huán)境影響或老城區(qū)配網(wǎng)改造工程復(fù)雜的區(qū)域，構(gòu)建智能配電異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型。如圖1所示，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)主要部署在配電子站與10 kV變電站業(yè)務(wù)終端層之間的通信接入網(wǎng)層。

異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)中存在著多樣化的無線接入網(wǎng)絡(luò)，例如：以GPRS/CDMA/3G通信技術(shù)為代表的無線公網(wǎng)，以WiMax/McWiLL為代表的無線專網(wǎng)以及以TD-LTE為代表的新一代寬帶無線通信網(wǎng)絡(luò)等，實現(xiàn)了多網(wǎng)絡(luò)的融合。在一個異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍內(nèi)，業(yè)務(wù)終端可根據(jù)當(dāng)前的各個接入網(wǎng)絡(luò)實時性能指標保證QoS，通過各網(wǎng)絡(luò)的接收信號強度保證服務(wù)的可靠性，并結(jié)合業(yè)務(wù)實際需求選擇最合適的通信網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)信息的傳送，避免了在單一網(wǎng)絡(luò)覆蓋環(huán)境下，由于網(wǎng)絡(luò)負載過重而導(dǎo)致的業(yè)務(wù)延遲、阻塞等概率。

圖1 智能配電異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型

Fig. 1 Heterogeneous wireless network model towards

smart distribution grid

1.2 智能配電通信網(wǎng)業(yè)務(wù)類型及等級劃分

根據(jù)國家電網(wǎng)公司制定的一系列配電自動化技術(shù)標準[7-9]的相關(guān)要求，

智能配電通信系統(tǒng)作為配電網(wǎng)各類信息傳輸?shù)妮d體，在建設(shè)和改造時應(yīng)充分考慮配電自動化系統(tǒng)的需求，以覆蓋全部配電終端為目的，為配電終端信息接入提供符合要求和標準的通信網(wǎng)絡(luò)。具體來說，智能配電通信網(wǎng)要求實現(xiàn)智能配電自動化中智能配電終端、分布式能源/儲能設(shè)備/微網(wǎng)接入的業(yè)務(wù)節(jié)點、變壓器用電信息采集中智能電能表和負荷控制管理的業(yè)務(wù)節(jié)點等的全覆蓋[9-10]。

1）智能配電終端通信業(yè)務(wù)分析。

智能配電終端主要包括配電開關(guān)監(jiān)控終端饋線終端(feed terminal unit，F(xiàn)TU)、配電變壓器監(jiān)測終端(transformer terminal unit，TTU)和公用及用戶配電所的監(jiān)控終端(distribution terminal unit，DTU)等，主要實現(xiàn)配電自動化系統(tǒng)的“三遙”，即遙測、遙信和遙控功能。智能配電通信網(wǎng)應(yīng)實現(xiàn)所有配電終端對配電設(shè)備、線路的監(jiān)測信息、自愈控制信息、故障定位信息的傳送[7,11]。其中“三遙”功能對無線通信方式的速度要求是小于60 s；智能配電網(wǎng)自愈動作速度要求是小于3 s，

除去元件采集和調(diào)度系統(tǒng)處理時間，雙向通信通道時間應(yīng)小于1 s，實時性、可靠性要求較高，所需帶寬范圍在20~100 kbit/s之間，一般以64 kbit/s可滿足需求。

2）分布式電源/儲能設(shè)備/微網(wǎng)接入的通信業(yè)務(wù)分析。

隨著分布式發(fā)電資源以及微電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，

第1期 唐良瑞等：面向智能配電的異構(gòu)融合通信網(wǎng)絡(luò)動態(tài)負載均衡 41

城市配電網(wǎng)受端系統(tǒng)出現(xiàn)發(fā)電單元并且其發(fā)電能力得到不斷提升[12]。分布式電源/儲能設(shè)備/微網(wǎng)系統(tǒng)接入配電網(wǎng)，需要在配電主站和分布式電源/儲能設(shè)備/微網(wǎng)之間部署通信通道，并為站內(nèi)每個間隔和需要接入的分布式電源/儲能設(shè)備/微網(wǎng)配置一臺智能電子設(shè)備(intelligent electronics device，IED)，通過IED之間的通信來實現(xiàn)對分布式電源/儲能設(shè)備/微網(wǎng)的狀態(tài)監(jiān)測、控制與管理[13-15]。儲能站狀態(tài)監(jiān)測、控制、管理信息通信時延為s級，通信帶寬為64 kbit/s~1 Mbit/s。分布式能源站控制信息通信時延為s級，所需帶寬約為30 kbit/s。分布式能源站負荷曲線預(yù)測信息通信時延為min級，通信帶寬約為5 kbit/s。

3）居民用電信息采集通信業(yè)務(wù)分析。 在配電的變壓器層，對居民用戶的用電信息采集通過集中器收集居民電表信息獲得。居民用戶電能表實時采集用戶用電量信息，各智能家電功率、用電狀態(tài)等信息上傳給配電調(diào)度端，向用戶傳送實時電費、分時電價、智能家電控制等信息，每個電

表信息量達300 Byte/15 min。每臺集中器接收約500個居民電表的電能量數(shù)據(jù)，其所需帶寬約為5 kbit/s。

4）負荷控制與管理通信業(yè)務(wù)需求。

由負荷控制與管理終端采集獲得大負荷用戶用電信息。針對大負荷用戶的特殊需求，需要進行負荷需求側(cè)管理，包括負荷預(yù)測、電能質(zhì)量監(jiān)測、負荷控制參數(shù)下發(fā)等功能。負荷控制與管理的通信業(yè)務(wù)所需帶寬約為5 kbit/s。此類通信業(yè)務(wù)時延要求為min級，實時性要求較低。

根據(jù)以上分析，智能配電通信網(wǎng)配電子站到10 kV變壓器之間接入網(wǎng)層的通信業(yè)務(wù)等級劃分如表1所示。智能配電網(wǎng)通信業(yè)務(wù)以數(shù)據(jù)通信為主，根據(jù)每類業(yè)務(wù)的時延要求可分為實時(real time，RT)控制業(yè)務(wù)和非實時(non-real time，NRT)監(jiān)測、表1 智能配電通信業(yè)務(wù)等級劃分

Tab. 1 Level classification of communication services in

smart distribution grid

業(yè)務(wù)類型

單業(yè)務(wù)節(jié)點

時延 業(yè)務(wù)等級

所需帶寬/(kbit/s) 要求

劃分 智能配電終端通信業(yè)務(wù) 64 s級 分布式能源站控制信息 30 s級 實時性儲能站狀態(tài)監(jiān)測業(yè)務(wù) 64 s級

業(yè)務(wù)

變壓器用電信息采集業(yè)務(wù) 5 min級非實時性分布式能源站負荷曲線預(yù)測信息 5 min級

業(yè)務(wù)

管理業(yè)務(wù)2類，其所需通信帶寬根據(jù)具體業(yè)務(wù)類型有不同的特點和需求。但是由于配電網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)設(shè)備種類繁雜、數(shù)量龐大，需要實時或非實時傳輸、分析和處理的數(shù)據(jù)量驚人，亟需可靠性、穩(wěn)定性和安全性有保障的通信網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋。

2 動態(tài)負載均衡算法

2.1 基于效用函數(shù)的接入網(wǎng)性能分析

負載均衡是改善網(wǎng)絡(luò)運行質(zhì)量的有效途徑，可用于緩解或解決異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)中資源分布不均的問題，從而提升系統(tǒng)的容量和服務(wù)質(zhì)量，提高日益緊張的無線資源利用率[16]。智能配電通信網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)信息具有周期性和數(shù)據(jù)突發(fā)性強的特點，雖然每個業(yè)務(wù)節(jié)點占用帶寬有限，但是由于配電終端數(shù)目龐大，某一信息傳輸時刻點需要同時傳送的業(yè)務(wù)量可觀，因此需要對各業(yè)務(wù)進行合理的資源分配和網(wǎng)絡(luò)選擇，以保證各接入網(wǎng)的負載均衡從而保證配電通信業(yè)務(wù)的可靠傳輸。此外，配電網(wǎng)中通信相關(guān)終端位置基本固定，本文在考慮無線資源管理和分配

時并未考慮終端的移動性。

業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移主要是將重載網(wǎng)絡(luò)的部分業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移到其他輕載網(wǎng)絡(luò)中去，從而改善系統(tǒng)性能。本文DLB算法重載網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移策略針對智能配電通信業(yè)務(wù)需求將其分為RT業(yè)務(wù)和NRT業(yè)務(wù)，結(jié)合各網(wǎng)絡(luò)的當(dāng)前有效可用帶寬、RT業(yè)務(wù)阻塞率和NRT業(yè)務(wù)的平均傳輸時間，利用效用函數(shù)與三角模融合算子[17]，靈活調(diào)整轉(zhuǎn)移的業(yè)務(wù)量，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)負載均衡。

假設(shè)本文異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中共有m個無線接入網(wǎng)絡(luò)(radio access networks，RANs)，第i個無線接入網(wǎng)絡(luò)RANi可以提供的有效帶寬資源為Ci，該網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前共承載K個RT配電通信業(yè)務(wù)和L個NRT配電通信業(yè)務(wù)，并假設(shè)第k個RT業(yè)務(wù)需求的有效帶寬為BRT(k)，第l個NRT業(yè)務(wù)占用的有效的帶寬為BNRT(l)。分析RT業(yè)務(wù)QoS滿意度時，在保證業(yè)務(wù)時延的前提下更關(guān)注其業(yè)務(wù)的阻塞率；而NRT業(yè)務(wù)更強調(diào)業(yè)務(wù)平均傳輸時間的保證。因此DLB算法在效用函數(shù)方面，針對2種業(yè)務(wù)的不同需求，分別設(shè)計了2種不同的效用函數(shù)。

首先，定義RANi當(dāng)前剩余的有效可用帶寬與網(wǎng)絡(luò)總有效帶寬的比值FBW(i)： K

L

FBW(i)=[Ci?(∑BRT(k)+∑BNRT(l))]/Ci (1)

k=1

l=1

42 中 國 電 機 工 程 學(xué) 報 第33卷

其次，對于RT業(yè)務(wù)，首要的原則是保證業(yè)務(wù)的阻塞率在業(yè)務(wù)需求的范圍之內(nèi)，定義當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)對

入網(wǎng)RANi綜合性能水平效用函數(shù)U(i)。

RT業(yè)務(wù)的QoS保證程度QRT為

**URT(i)UNRT(i)

(6) U(i)=****

1?URT(i)?UNRT(i)+2URT(i)UNRT(i)

**?lgPRT(i)式中URT(i)和UNRT(i)為參與融合的2個參數(shù)。 ,P(i)>PRTRT_tag?

(2) QRT(i)=?lgPRT_tag三角模融合算子是將單源決策映射到另一空

??

1,PRT(i)≤PRT_tag

式中：PRT(i)為RANi對RT業(yè)務(wù)的阻塞率，由

Erlang-B分布模型[18]獲得；PRT_tag為RT業(yè)務(wù)對阻塞率的限制要求。幾何平均法是運用幾何平均數(shù)求得一組數(shù)值的平均數(shù)的一種方法，具有受極端值的影響較小且適用于具有比率性質(zhì)數(shù)據(jù)的特點，適合本文對FBW和QRT值的融合。據(jù)此，定義RANi對

RT業(yè)務(wù)的效用函數(shù)URT(i)為

URT(i)=式中URT(i)綜合考慮了RANi當(dāng)前剩余有效帶寬和對RT業(yè)務(wù)的實時阻塞率這2個因素，網(wǎng)絡(luò)的阻塞率越低，則其取對數(shù)后與目標阻塞率對數(shù)值的比值越大，效用函數(shù)的值也越大。

對于NRT業(yè)務(wù)，重點關(guān)注的是業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包的平均傳輸時間，參考指數(shù)調(diào)度算法[19]，定義當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)對NRT業(yè)務(wù)的QoS保證程度QNRT為

?

T?

?T(i)

Qi)=?

?

NRT(?

TNRT(i)>T (4) NRT_avg??

1,TNRT(i)≤TNRT_avg式中：TNRT(i)為RANi的NRT業(yè)務(wù)平均傳輸時間，由文獻

[20]

中計算NRT業(yè)務(wù)平均傳輸時間的模型獲

得；TNRT_avg為所有網(wǎng)絡(luò)對NRT業(yè)務(wù)的平均傳輸時間的均值；TNRT_tag為NRT業(yè)務(wù)對平均傳輸時間的限制要求。同理，根據(jù)幾何平均法，定義RANi對

NRT業(yè)務(wù)的效用函數(shù)UNRT(i)為

UNRT(i)= (5)

式中UNRT(i)考慮RANi當(dāng)前剩余有效帶寬和對NRT

業(yè)務(wù)的平均傳輸時間這2個因素。當(dāng)RANi的平均

傳輸時間低于所有網(wǎng)絡(luò)對NRT業(yè)務(wù)平均傳輸時間

的均值時，其QoS保證程度將成指數(shù)上升，其對應(yīng)

的NRT業(yè)務(wù)的效用函數(shù)值也將增加。

分別對URT(i)和UNRT(i)進行歸一化處理，得到

UR*T(i)和UN*RT(i)，并利用三角模融合算子

[17]

對RT業(yè)務(wù)和NRT業(yè)務(wù)的效用函數(shù)值進行融合，得到接

間進行比較來完成融合判決的方法，可解決單一特征無法衡量決策合理性的問題。其設(shè)計簡單、復(fù)雜度低、實時性強、效費比高，并具有同類信息的加強性和矛盾信息的調(diào)和性，對參與融合的參數(shù)給出合理的融合結(jié)果。結(jié)合本文的實際應(yīng)用可知：

1）當(dāng)UR*T(i) < 0.5且UN*

RT(i) < 0.5時，表明該網(wǎng)

絡(luò)對2類業(yè)務(wù)均不能提供較為可靠的服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)性能較差，此時根據(jù)三角模融合算子的同類信息加強

性，由式(6)所得U(i)值將小于UR*T(i)和UN*RT(i)的較

小值。

2）當(dāng)UR*T(i) < 0.5且UN*RT(i) ≥ 0.5，或UR*

T(i) ≥ 0.5且UN*

RT(i) < 0.5時，，表明該網(wǎng)絡(luò)只對一類業(yè)務(wù)的服

務(wù)質(zhì)量提供保證，網(wǎng)絡(luò)性能無法通過單一效用函數(shù)值確定，而根據(jù)三角模融合算子的矛盾信息的調(diào)和

性，U(i)值將介于UR*T(i)和UN*RT(i)之間。

3）同理，當(dāng)UR*T(i) > 0.5且UN*

RT(i) > 0.5時，表

明該網(wǎng)絡(luò)對2類業(yè)務(wù)均能提供較為可靠的服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)性能較好，根據(jù)三角模融合算子的同類信息加強

性，U(i)值將大于UR*T(i)和UN*RT(i)的較大值。

因此，采用三角模融合算子可以較好地滿足本文對接入網(wǎng)的綜合性能水平所要進行的模糊融合衡量的要求。 2.2 業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移策略

設(shè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中RANi和RANj的綜合性能水平分別滿足U(i) = max{U(1), U(2),???, U(m)}和U( j

) =

min{U(1), U(2),???, U(m)}。

定義重載網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移的觸發(fā)門限值為 η

0，當(dāng)滿足條件：FBW( j

) ≤ η

0且

FBW(i) > η

0，業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移策略被觸發(fā)，將從RANj中轉(zhuǎn)

移適量的配電通信業(yè)務(wù)至RANi。 為了避免業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移過程中被轉(zhuǎn)移的業(yè)務(wù)量由

于不能被目標網(wǎng)絡(luò)承載而導(dǎo)致丟包，需要依據(jù)不同

接入網(wǎng)對業(yè)務(wù)的接收能力來確定合理的待轉(zhuǎn)移業(yè)

務(wù)量，該業(yè)務(wù)量由式(7)確定：

wj,i=min(??(FBW(i)?η0)Ci??,??(η0?FBW(j))Cj??) (7) 式中：??? 表示向上取整；??? 表示向下取整。容易證明，wj,i既能保證轉(zhuǎn)移的業(yè)務(wù)被RANi全部接納，也能保證RANi不會由于接收了轉(zhuǎn)移的業(yè)務(wù)而陷入

第1期 唐良瑞等：面向智能配電的異構(gòu)融合通信網(wǎng)絡(luò)動態(tài)負載均衡 43

重載。

業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)移必然會對業(yè)務(wù)的服務(wù)時間和可靠性方面造成一定的影響，RT業(yè)務(wù)在這2方面的要求較高，而NRT業(yè)務(wù)通常對服務(wù)的延遲有一定的容忍性，因此在本文的業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移過程中，優(yōu)先選擇

NRT業(yè)務(wù)。此外，當(dāng)一個配電通信業(yè)務(wù)被要求執(zhí)行多次被動業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移時，由于切換的延遲，其QoS會受到嚴重的影響。因此，為了在一定程度上保證轉(zhuǎn)移業(yè)務(wù)的QoS，每個被執(zhí)行轉(zhuǎn)移的業(yè)務(wù)將被打上標記，在業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移時優(yōu)先選擇不帶標記的業(yè)務(wù)。 2.3 接入控制優(yōu)化模型

接入控制策略是為配電網(wǎng)中新產(chǎn)生的通信業(yè)務(wù)選擇最合適的接入網(wǎng)絡(luò)進行服務(wù)，旨在保證新業(yè)務(wù)需求完全滿足的同時達到異構(gòu)網(wǎng)中各個接入網(wǎng)間負載的均勻分布，提高系統(tǒng)的可靠性。結(jié)合本文的研究背景，面向智能配電的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)接入控制策略前提條件是配電終端對于各候選網(wǎng)絡(luò)的信號強度均達到需求的門限值，應(yīng)在“盡力而為”地為所有新業(yè)務(wù)服務(wù)的同時，合理分配這些新業(yè)務(wù)至候選的接入網(wǎng)絡(luò)，以達到異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的負載無差別化。

根據(jù)以上分析，可將本文的接入控制策略映射為如下問題：假設(shè)異構(gòu)系統(tǒng)中共有m個候選網(wǎng)絡(luò)，每個候選網(wǎng)絡(luò)的剩余可用資源為Bj( j = {1,2,???, m})；當(dāng)前共有n個新業(yè)務(wù)等待服務(wù)，且每個新業(yè)務(wù)需要占用的網(wǎng)絡(luò)資源為bi(i = {1,2,???, n})；接入控制即要實現(xiàn)n個業(yè)務(wù)在m個候選網(wǎng)絡(luò)中的合理分配。本文以負載率的方差最小為優(yōu)化的目標，設(shè)置約束條

件：1）每個業(yè)務(wù)只能同時被一個候選網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；2）每個候選網(wǎng)絡(luò)承載的業(yè)務(wù)所需資源的總量不能超過網(wǎng)絡(luò)自身所能提供的總有效資源；3）盡力為所有的RT和NRT業(yè)務(wù)提供服務(wù)。從而上述接入控制優(yōu)化問題可以定義為如式(8)所示的基于0/1規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型。

??minf(X)=1mj)?1m2

?

m∑(η(m∑η(j))

j=1j=1

???m

??∑xij≤1,

i=1,2,L,n??j=1

? (8) ??s.t.?n?∑xijbi≤Bj,j=1,2,L,m

??i=1??mn

?max

????

∑∑xij,i=1,2,j=1i=1L,n,j=1,2,L,m

n

式中：η(j)=(B*j

+∑xijbi)/Cj，為每個候選網(wǎng)絡(luò)的

i=1

負載率；Bj*為網(wǎng)絡(luò)j當(dāng)前已占用的帶寬資源；xij表示業(yè)務(wù)i與網(wǎng)絡(luò)j的連接情況，當(dāng)業(yè)務(wù)i接入網(wǎng)絡(luò)j時，xij為1，否則為0。則該模型的解X為一個n × m的0/1矩陣。

雖然X的定義域和可行解集合是有限的，但采用常規(guī)的枚舉法尋找解，需要考察的分配方案數(shù)為

2mn，當(dāng)業(yè)務(wù)和候選網(wǎng)絡(luò)數(shù)量較大，這顯然是不可接受的�？梢宰C明該問題是NP難問題[21]，因此必須尋找合適的求解方法。本文采用遺傳算法解決上述問題。

2.4 基于遺傳算法的接入控制優(yōu)化模型求解

1）遺傳編碼。接入控制優(yōu)化模型的遺傳編碼方法采用常用的二進制編碼。由于解空間X為一個

n × m的0/1矩陣，對其做如式(9)所示的變換所得向量X' 為長度等于mn的二進制符號串，符合二進制編碼的要求。因此，可直接將上述規(guī)劃問題的解空間映射成基因位空間，即本模型的遺傳編碼可直接用矩陣X來表示。

X′=[x11,L,xn1,x12,L,xn2,L,x1m,L,xnm] (9) 2）適應(yīng)性函數(shù)。在上述編碼的情況下，定義

接入控制優(yōu)化問題的適應(yīng)性函數(shù)如下：

n

m

n

f*

(X)=Q(f(X))+∑Ri(X)+i=1

∑Sj(X)+j=1

∑Ti(X)(10)

i=1

式中：Q( f (X))為模型的目標函數(shù)；Ri(X)為業(yè)務(wù)i隸屬于多個候選網(wǎng)絡(luò)的懲罰函數(shù)；Sj(X)為候選網(wǎng)絡(luò)

j承載業(yè)務(wù)總資源超出約束條件的懲罰函數(shù)；Ti(X)

為業(yè)務(wù)被阻塞的懲罰函數(shù)。上述函數(shù)的構(gòu)造如下：

Q(f(X))=

1

1+εf(X)

(11)

?

mm

?α(1?∑xij),1?∑xij<0

R(X)=?

?j=1j=1i?m

(12) ?0,1??∑xij≥0j=1?

βnn?(Bj?∑xijbi),Bj?∑xijb

S?i<0i=1i=1

j(X)=? (13) ?n

??

0,Bj?∑xijbi≥0i=1m

Ti(X)=γ(∑xij?1)bi (14)

j=1

式(11)為接入控制優(yōu)化模型目標函數(shù)的復(fù)函

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  本文關(guān)鍵詞：面向智能配電的異構(gòu)融合通信網(wǎng)絡(luò)動態(tài)負載均衡，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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