一种基于复杂网络的电力通信网络链路带宽分配策略

屈琴芹

摘 要：在实际电力通信系统的数据传输过程中，需要考虑链路资源的有限性。电力通信网络由于网络通信链路带宽有限制，即网络中连接边在单位时间内传输数据包的数量是有限的，需要提高链路带宽资源利用率来增大网络通信容量。仿真结果表明，所提策略能有效提高链路带宽利用率。

关键词：电力通信网；复杂网络；链路带宽；节点介数；利用率

当前电力通信网中数据量呈现爆炸式的增长，若受限于网络资源，导致关键数据无法得到及时处理[1，2]，会威胁到电力系统的安全运行[3]。因此，如何提高网络资源利用率成为智能电网更好运营的关键问题。

目前，国内外学者针对电力通信网络资源利用率问题提出了多种解决方案。文献[4]利用节点介数计算边的权重，数据按加权网络最短路径路由。文献[5]指出链路带宽资源的分配对网络容量影响很大，为了让负载量大的链路分配到更多的资源，依据链路两端节点介数乘积大小来进行带宽分配，仿真结果表明该分配方案能够有效提高网络的传输容量。本文基于电力通信网络拓扑的复杂网络特性，建立电力通信网络拓扑结构模型，按照节点介数分配带宽资源。

1 电力通信网络模型建立

电力通信网是一个典型的具有无标度特性的复杂网络，基于图论的思想，建立电力通信网络拓扑结构模型，建模原则如下。

1）仅分析省级电力通信网，将服务于110kV及以上高压输电网的通信站点抽象为电力通信网络中的普通节点。

2）将所有通信节点间的光纤链路建模为通信网络模型的边，光纤连接是恒定带宽且双向通信的，即通信链路抽象为无权无向边。

3）不考虑通信线路的方向和技术，同一方向上的只保留1条通信线路。

依据以上建模原则，可以将电力通信网抽象为具有N个节点、M条边的无权无向图，表示如下。

G=（V，E，Ω） （1）

其中V={v1，v2，…， vN}表示网络的节点集合；E={eij}表示网络的链路集合，链路连接时取值为1，否则为0；Ω为网络的链路权值集合，Ω={ω（eij）}。

电力通信网络具有无标度网络特性，即存在少数连接数很多的节点，通常表现为节点度数呈幂律分布，网络具有极强的异质性。

2 电力通信网络带宽资源分配策略

在有关网络传输能力的研究中，通常假设链路带宽为无限大，但是在现实网络中，链路带宽也是不可忽视的重要约束。为了突出带宽限制带来的影响，本文取消了对节点缓存容量的限制，仅考虑节点的处理能力，设置节点的处理能力与节点度数相同，即 。在实际电力通信网络中，通信链路铺设后，链路带宽不再发生改变，因此研究链路带宽的分配方案非常必要，链路带宽分配对网络传输容量以及网络整体传输性能有重要影响。

边介数反映了边在网络中的重要程度，边介数越高表示数据传输过程中通过该边的频率越高。为了研究带宽分配策略对网络拥塞控制的影响，主要介绍了三种分配策略：平均分配、基于节点对度数分配和基于边介数分配。规定网络带宽资源总量为常数 ，如式（2）所示。

（2）

其中， 为网络拓扑邻接矩阵中的元素。在不同分配策略中，为保证分配的链路带宽为大于0的整数，对计算结果采用进一法。

2.1 平均分配

平均分配忽视了网络中链路的差异性，链路带宽分配如式（3）所示， 为网络中的总边数。

（3）

2.2 基于节点对度数分配

依据链路的重要程度来分配带宽，给流量大的链路分配更大的带宽。通过链路两端节点度数的乘积来衡量链路的重要程度，链路带宽分配如式（4）所示。

（4）

其中， 和 分别为节点 和节点 的度数， 为可调参数。当 时，节点对度数乘积大的边分配较多带宽；当 ，节点对度数乘积小的边分配较多带宽；当 时，平均分配带宽。

2.3 基于边介数分配

在电力通信网络中，链路的介数越高，业务流通量越大，拥塞风险高，因此需要更大的带宽以实现高速传输。链路带宽分配如式（5）所示， 为链路介数。 与边介数 的大小具有正相关性。

（5）

3 仿真结果与分析

针对不同的带宽资源分配方案，对网络流量进行实验仿真与分析。采用流量模型和北京电力通信网络模型。仿真参数设置如下：幂指数 =2.02；节点处理能力 ；节点的缓存容量为无限大；带宽总量 。采用最短路径路由策略和静态局部路由策略。

图1、图2和图3分别为在网络节点总资源一定的情况下，三种不同带宽资源分配策略下，不同数据包生成率对应的网络流量变化情况。

3.1 带宽资源平均分配

图1 带宽资源平均分配时，有序参数η随数据包生成率R的变化情况

由图1可知，带宽资源平均分配时，没有考虑链路之间的差异，网络中负载量大的链路由于带宽限制无法传递节点发送的数据包，造成数据包在节点累积，产生拥塞，网络的临界数据包生成率较小。

3.2 带宽资源基于节点对度数分配

图2是在不同α参数下，网络临界数据包生成率的变化情况。

（a）最短路径路由 （b）静态局部路由

图2 带宽资源基于节点对度数分配，临界数据包生成率Rc随α的变化情况

由图2可以看出，在不同路由策略下，α的最优值是不一样的，在最短路径路由中α的最优值为0.3，大于0，此时的Rc=35；而在静态局部路由中，α的最优值为-0.5，小于0，此时的Rc=42。这说明采用最短路径路由时，应该给度数大的节点对分配较大的帶宽，而采用静态局部路由时，应给度数小的节点之间分配较多的带宽。当α=0时，分配策略变为平均分配，此时的临界数据包生成率和图1相对应。

3.3 带宽资源基于边介数分配

图3显示了链路带宽基于边介数分配，并采用最短路径路由时，Rc=36，采用静态局部路由时Rc=45。由此可见，链路带宽基于边介数分配时，在两种路由策略下均有较高的临界数据包生成率。

图3 带宽资源基于边介数分配时，序参数η随数据包内生成率R的变化情况

4 总结

在三种不同带宽资源分配策略下，从网络流量变化情况可以看出，基于节点介数的带宽资源分配方案能够获得更大的临界数据包生成率和网络传输能力。

参考文献

[1]Chen W， Zhou K， Yang S， et al. Data quality of electricity consumption data in a smart grid environment[J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews， 2016， 75.

[2]周文法.电力通信网风险分析[J].工程技术：引文版，2016（12）：00294-00294.

[3]李洋，郭晋祥，张丽霞，等.关于电力通信网保护机制的研究[J].光通信技术，2016，40（4）.

[4]刘伟彦，刘斌.基于加权路由策略的复杂网络拥塞控制研究[J].系统工程理论与实践，2015（4）：1063-1068.

[5] Jiang Y Z， Liang M G， Zhang S， et al. An efficient bandwidth allocation strategy for scale-free network[J]. International Journal of Modern Physics C， 2012， 23（10）：440-449.