一种电力系统终端通信接入网汇聚节点的队列调度方法与流程

本发明属于网络通信技术领域，尤其涉及一种电力系统终端通信接入网汇聚节点的队列调度方法。

背景技术：

随着智能电网的不断建设与发展，配用电环节作为智能化服务交互的窗口，其在业务应用上发生新的变化。这就造成电力系统终端通信接入网(以下简称“终端通信接入网”)环境下业务的多样性，优先级较高的故障告警、实时监控、配电自动化“三遥”数据业务和优先级较低的用电信息采集、企业管理信息等数据业务在同一个网络中传输。目前终端通信接入网采用有线与无线相结合的方式进行业务传输，其以光纤承载为主，无线承载为辅，二者使用环境侧重不同，各有优劣。然而由于城建改造等原因，光缆挖断的事件常有发生，继而大量的光网络单元(Optical Network Unit，ONU)失联并导致业务传输故障，使得电力系统的运行与管理受到影响，甚至导致配电网瘫痪。基于上述分析，为增强配用电环节的可靠性，有必要在光纤通信方式失效时切换为无线通信方式进行业务传输。同时，为了在切换后可以最大程度地减少各类业务的传输时延，保证不同业务的实时性，需要针对汇聚节点的队列调度方法进行研究。

队列调度可以在网络节点实现多个不同优先级队列共享链路输出速率，研究合适的队列调度算法对于保证终端通信接入网的实时性以及业务服务质量极为重要。现有队列调度策略主要可分为：基于通用共享处理器(General processor Sharing，GPS)模型的队列调度算法、基于时延的队列调度算法、基于轮询的队列调度算法以及基于静态优先级的队列调度算法。加权公平排队(Weighted Fair Queuing，WFQ)算法是最常见的分组公平排队算法(Packet Fair Queuing，PFQ)，与其他算法相比该算法保证了分组的调度不会滞后相应的GPS很多，然而由于采用了最小虚拟开始时间优先选择策略，会导致虚拟时间超前。为克服上述缺点有学者提出了最坏情况下的WFQ算法(Worst-case Fair Weighted Fair Queuing，WF²Q)，采用最小合法虚拟结束时间优先策略，之后又相继出现前跳虚时钟(Leap-Forward Virtual Clock，LFVE)算法、时移公平排队算法(TSFQ，Time-Shifting Fair Queuing)算法等。上述研究致力于达到更好的公平性和时延性能。与公共通信网不同，终端通信接入网中数据量的突发往往由于紧急情况下高优先级业务的传输。这些突发的数据流将可能造成网络拥塞，使得汇聚节点成为整个网络的瓶颈，导致重要信息的时延增加。对于汇聚节点来说，时延过高又将会导致高优先级业务被丢弃。然而，高优先级业务往往意味着重要信息，这些业务如果被丢弃将可能影响到电网一次设备动作，对电网造成很大的损失。为此，有必要针对终端接入通信网环境，特别是终端接入通信网光通道失效时的队列调度策略进行研究。

技术实现要素：

为了解决上述问题，进一步保证光通道失效时业务的时延和丢包率，本发明提出了一种电力系统终端通信接入网汇聚节点的队列调度方法，所述方法包括

步骤1、判断队列F₁是否为空，若为空执行步骤3，否则执行步骤2；

步骤2、发送队列F₁的队首数据包，返回步骤1；

步骤3、计算队列F₂,F₃,F₄队首数据包的发送完成时间；

步骤4、发送完成时间最小的数据包被发送，返回步骤1。

所述步骤3具体包括以下步骤：

步骤301、确定队列F₂,F₃,F₄的缓冲区状况，计算其相对队列长度；

步骤302、确定缓冲区状态阈值χ₁、χ₂，根据相对队列长度l_i,(i＝2,3,4)判断队列F_i的缓冲区状态，若χ₁<l_i<χ₂时，表明此队列缓冲区的空闲长度适中，无需进行权值更新，执行步骤3.4，否则执行步骤3.3；

步骤303、根据相对队列长度更新队列权值；

步骤304、根据队列权值计算发送速率；

步骤305、计算F₂,F₃,F₄队首数据包的发送完成时间。

步骤301的相对队列长度的计算公式为

其中：

l_i为队列F_i的相对队列长度；q_i为队列F_i的队列长度；L为队列F_i分配的总缓冲区长度，即汇聚节点的总缓冲区长度；L_i为队列F_i分别对应的缓冲区长度。

步骤303的队列权值的计算公式为：

其中：

为队列F_i对应的权值；α_i为队列F_i的优先级系数，α₂>α₃>α₄且α_i越大，l_i对的影响越大。

步骤304的队列发送速率的计算公式为：

其中：λ_i为队列F_i对应的发送速率；λ为节点总发送速率。

步骤305的发送完成时间的计算公式为：

其中：FT_i为队列F_i的队首数据包发送完成时间；T_i为队列F_i中队首数据包的到达时间；Length_i为队列F_i中队首数据包的包长；T_{delay_i}为队列F_i的最大时延要求。

有益效果

本发明通过将紧急类业务进行基于优先级的调度，保证了紧急业务流的实时转发；同时针对非紧急类业务提出基于相对队列长度的公平调度算法，该方法通过将当前队列长度和缓冲区分配长度联合考虑计算相对队列长度，并将相对队列长度与设定阈值判断队列繁忙程度，以此为依据更新不同优先级的队列权值与发送速率。在此基础上根据虚拟完成时间发送队首数据包，降低高等级业务的传输时延和丢包率。本发明在队列调度阶段，充分考虑终端通信网业务特征，采用PQ算法和WFQ改进算法(QL-WFQ)相结合的方式确保紧急业务的时延和丢包率；同时，提出相对队列长度的概念，以此判断缓冲区繁忙程度，并在此基础上提出QL-WFQ算法，从而最终保证了整体业务的时延和丢包率。

附图说明

图1是汇聚节点中队列调度的原理图；

图2是终端通信接入网汇聚节点的队列调度方法；

图3是本发明方法和WFQ算法、WRR算法的丢包率比较图；图3a紧急业务丢包率比较，图3b为重要业务丢包率比较，图3c位标准业务丢包率比较，图3d为适度业务丢包率比较；

图4为WFQ算法和WRR算法的紧急业务时延；图4a为WFQ紧急业务时延；图4b为WRR紧急业务时延；

图5为本算法和WFQ算法、WRR算法的重要业务时延；图5a为WFQ重要业务时延；图5b为WRR重要业务时延；图5c为本发明方法重要业务时延；

图6为本算法和WFQ算法、WRR算法的标准业务时延，图6a为WFQ算法标准业务的时延；图6b WRR算法标准业务的时延；图6c本发明方法标准业务的时延；

图7为本算法和WFQ算法、WRR算法的适度业务时延，图7a为WFQ算法适度业务的时延；图7bWRR算法适度业务的时延；图7c本发明方法适度业务的时延；

具体实施方式

下面结合附图，对实施例作详细说明。本发明对队列调度算法进行了改进，提出了一种电力系统终端通信接入网汇聚节点的队列调度方法。本发明公开的队列调度策略应用于终端通信接入网汇聚节点队列调度器，在本实施例中，队列管理器利用RED方法进行队列管理，如附图1所示。

本实施例中，以业务传输时间的紧迫程度为主，辅以安全性要求及数据失效对电网的影响，将终端通信接入网业务划分为四类，分别为：紧急类、重点类、标准类、适度类，分别以F₁,F₂,F₃,F₄表示相应队列，并对其断面流量进行测算，具体如表1所示。

步骤1：判断队列F₁是否为空，若为空执行步骤3，否则执行步骤2。

步骤2：发送队列F₁的队首数据包，返回步骤1；

步骤3：计算队列F₂,F₃,F₄队首数据包的发送完成时间；

步骤4：发送完成时间最小的数据包被发送，返回步骤1。

图2所示为本发明的具体实现过程。

判断队列F₁是否为空，若为空队列则计算队列F₂,F₃,F₄队首数据包的虚拟完成时间，并选择虚拟完成时间最小的进行发送，否则执行PQ算法优先发送F₁队列数据包。

队列F₂,F₃,F₄的虚拟完成时间计算具体包括以下步骤：

1)先确定各队列缓冲区状况。计算相对队列长度(relative queue length)l_i：

其中：

l_i,(i＝2,3,4)为队列F_i(i＝2,3,4)的相对队列长度；

q_i,(i＝2,3,4)为队列F_i(i＝2,3,4)的队列长度；

L为队列F_i(i＝2,3,4)分配的总缓冲区长度，即汇聚节点的总缓冲区长度；

L_i,(i＝2,3,4)为队列F_i分别对应的缓冲区长度。

2)确定缓冲区状态阈值χ₁、χ₂，根据相对队列长度l_i,(i＝2,3,4)判断队列F₂,F₃,F₄的缓冲区状态，当χ₁<l_i<χ₂时，说明此队列缓冲区的空闲长度适中，无需进行权值更新；当0<l_i<χ₁时表明此队列缓冲区的空闲区过长，队列处于闲置状态，可以适当减小权值；当l_i>χ₂时，说明此队列缓冲区的空闲区不足，队列处于紧张状态，需要适量增大权值。

3)根据相对队列长度更新队列权值，为保证高优先级队列更高的QoS要求，同等缓冲区占用情况下，高优先级队列减小权值的幅度应当小于低优先级队列；与此相反，低优先级队列增大权值的幅度应当小于高优先级队列。

因此，各队列权值应满足：

其中：

为队列F₂,F₃,F₄对应的权值；

α_i为队列F₂,F₃,F₄的优先级系数，α₂>α₃>α₄且l_i对的影响越大。

根据队列权值计算发送速率：

其中：

λ_i,(i＝2,3,4)为队列F₂,F₃,F₄对应的发送速率；

λ为节点总发送速率。

4)计算F₂,F₃,F₄队首数据包的发送完成时间：

其中：

FT_i,(i＝2,3,4)为队列F₂,F₃,F₄的队首数据包发送完成时间；

T_i(i＝2,3,4)为队列F_i中队首数据包的到达时间；

Length_i(i＝2，3，4)为队列F_i中队首数据包的包长；

T_{delay_i}(i＝2，3，4)为队列F_i的最大时延要求。

为了检验本发明提出的终端通信接入网汇聚节点的队列调度方法的优越性，将其与WFQ算法、WRR算法在相同环境下进行仿真并比较。采用Matlab作为仿真工具，仿真参数设置如下：

1)根据终端通信接入网中承载的业务断面流量，此处将数据包长度假定为512bit；

2)仿真时间为60s，其中在0s、20s、40s时紧急类业务突发(F₁队列)，突发量为200packets/s，持续时间均为10s；

3)假设队列F₂,F₃,F₄数据包到达速率服从参数为γ_i(i＝2,3,4)的泊松分布，其中γ₂:γ₃:γ₄＝2:11:7；

4)总发送速率(即链路速率)按照LTE230环境带宽1.76Mb/s计算，取λ＝3000packets/s，为保证汇聚节点进出平衡，数据包到达速率

5)队列F₁,F₂,F₃,F₄的时延要求T_{delay_i}分别设为40ms，500ms，2s，4s；

6)队列F₂,F₃,F₄的优先级系数α_i根据时延要求设为：α₂:α₃:α₄＝8:2:1；

7)缓冲区总长度设为L＝500packets，分配的缓冲区长度为L₁＝25packets、L₂＝75packets、L₃＝200packets、L₄＝200packets。

以上参数并不恒定，对于不同的仿真内容可以根据需要改变某些参数。

图3为本算法和WFQ算法、WRR算法的丢包率比较，其中，图3(a)为紧急业务的丢包率比较；图3(b)为重要业务的丢包率比较；图3(c)为标准业务的丢包率比较；图3(d)为适度业务的丢包率比较。

对于紧急业务，除WRR算法外，WFQ与本算法均能保障紧急业务的丢包率，队列丢包率为0；对于重点业务与标准业务，WFQ与本算法仍能维持其丢包率为0；WRR算法表现最差，WRR会产生大量丢包；对于适度业务，WRR的丢包率最小，且本算法丢包率与WFQ算法基本相同，其原因在于本算法与WFQ牺牲了低优先级队列的服务质量，从而保证了高优先级队列的零丢包。

图4为WFQ算法和WRR算法的紧急业务时延，其中，图4(a)为WFQ算法紧急业务的时延；图4(b)WRR算法紧急业务的时延。

WFQ算法时延集中在0.2‐0.6ms左右，WRR算法的时延波动较大，且最高为1.9s。同时，由于本算法中紧急业务采用基于优先级的调度算法(PQ)且链路传输速率远大于紧急业务到达速率，其时延为零。

图5为本算法和WFQ算法、WRR算法的重要业务时延，其中，图5(a)为WFQ算法重要业务的时延；图5(b)WRR算法重要业务的时延；图5(c)本算法重要业务的时延。

对于重要业务，使用WFQ算法进行调度时，时延的波动较大，时延集中在0.5‐1ms左右，最高约为4.8ms；使用WRR算法进行调度时，时延的波动很大，完全不能达到重要业务的时延要求；使用本算法进行调度时，时延已远远低于重要业务的时延要求，时延最高约1.5ms，大部分在1ms以下，且前期时延稍大于后期，这是由于优先发送紧急类业务导致重要业务的时延稍有增加。

图6为本算法和WFQ算法、WRR算法的标准业务时延，其中，图6(a)为WFQ算法标准业务的时延；图6(b)WRR算法标准业务的时延；图6(c)本算法标准业务的时延。

对于标准业务，使用WFQ算法进行调度时，时延主要集中在0.5‐1ms左右；使用WRR算法进行调度时，随着数据包的增加，队列拥塞情况逐渐加重，最高时延约在0.8s左右；而使用本算法进行调度时，时延主要集中在1‐2ms左右比之WFQ算法略大，其是由于本算法需要优先保证重要业务和紧急业务的时延而导致的。

图7为本算法和WFQ算法、WRR算法的适度业务时延，其中，图7(a)为WFQ算法适度业务的时延；图7(b)WRR算法适度业务的时延；图7(c)本算法适度业务的时延。

对于适度业务，使用WFQ和本算法进行调度时，时延不断升高，后期稳定在0.3s左右，但由于终端通信接入网中适度业务并没有硬性的时延要求，这种结果仍可以接受，此两种算法牺牲适度业务的时延用以保证高等级业务的可靠传输；而使用WRR算法进行调度时，适度业务的时延较小，其原因在于高优先级业务的丢包率较大而WRR算法并未做出调整。

仿真结果表明，本发明中的调度策略可以进一步降低高等级业务的时延和丢包率，从而保障其实时、可靠地传输，其对于终端通信接入网尤其当光通道失效且需要保障大规模业务传输时有着重要意义。