本發(fā)明屬于網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種電力系統(tǒng)終端通信接入網(wǎng)匯聚節(jié)點(diǎn)的隊列調(diào)度方法。

背景技術(shù)：

隨著智能電網(wǎng)的不斷建設(shè)與發(fā)展，配用電環(huán)節(jié)作為智能化服務(wù)交互的窗口，其在業(yè)務(wù)應(yīng)用上發(fā)生新的變化。這就造成電力系統(tǒng)終端通信接入網(wǎng)(以下簡稱“終端通信接入網(wǎng)”)環(huán)境下業(yè)務(wù)的多樣性，優(yōu)先級較高的故障告警、實(shí)時監(jiān)控、配電自動化“三遙”數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和優(yōu)先級較低的用電信息采集、企業(yè)管理信息等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在同一個網(wǎng)絡(luò)中傳輸。目前終端通信接入網(wǎng)采用有線與無線相結(jié)合的方式進(jìn)行業(yè)務(wù)傳輸，其以光纖承載為主，無線承載為輔，二者使用環(huán)境側(cè)重不同，各有優(yōu)劣。然而由于城建改造等原因，光纜挖斷的事件常有發(fā)生，繼而大量的光網(wǎng)絡(luò)單元(Optical Network Unit，ONU)失聯(lián)并導(dǎo)致業(yè)務(wù)傳輸故障，使得電力系統(tǒng)的運(yùn)行與管理受到影響，甚至導(dǎo)致配電網(wǎng)癱瘓?；谏鲜龇治?，為增強(qiáng)配用電環(huán)節(jié)的可靠性，有必要在光纖通信方式失效時切換為無線通信方式進(jìn)行業(yè)務(wù)傳輸。同時，為了在切換后可以最大程度地減少各類業(yè)務(wù)的傳輸時延，保證不同業(yè)務(wù)的實(shí)時性，需要針對匯聚節(jié)點(diǎn)的隊列調(diào)度方法進(jìn)行研究。

隊列調(diào)度可以在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)多個不同優(yōu)先級隊列共享鏈路輸出速率，研究合適的隊列調(diào)度算法對于保證終端通信接入網(wǎng)的實(shí)時性以及業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量極為重要?，F(xiàn)有隊列調(diào)度策略主要可分為：基于通用共享處理器(General processor Sharing，GPS)模型的隊列調(diào)度算法、基于時延的隊列調(diào)度算法、基于輪詢的隊列調(diào)度算法以及基于靜態(tài)優(yōu)先級的隊列調(diào)度算法。加權(quán)公平排隊(Weighted Fair Queuing，WFQ)算法是最常見的分組公平排隊算法(Packet Fair Queuing，PFQ)，與其他算法相比該算法保證了分組的調(diào)度不會滯后相應(yīng)的GPS很多，然而由于采用了最小虛擬開始時間優(yōu)先選擇策略，會導(dǎo)致虛擬時間超前。為克服上述缺點(diǎn)有學(xué)者提出了最壞情況下的WFQ算法(Worst-case Fair Weighted Fair Queuing，WF²Q)，采用最小合法虛擬結(jié)束時間優(yōu)先策略，之后又相繼出現(xiàn)前跳虛時鐘(Leap-Forward Virtual Clock，LFVE)算法、時移公平排隊算法(TSFQ，Time-Shifting Fair Queuing)算法等。上述研究致力于達(dá)到更好的公平性和時延性能。與公共通信網(wǎng)不同，終端通信接入網(wǎng)中數(shù)據(jù)量的突發(fā)往往由于緊急情況下高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的傳輸。這些突發(fā)的數(shù)據(jù)流將可能造成網(wǎng)絡(luò)擁塞，使得匯聚節(jié)點(diǎn)成為整個網(wǎng)絡(luò)的瓶頸，導(dǎo)致重要信息的時延增加。對于匯聚節(jié)點(diǎn)來說，時延過高又將會導(dǎo)致高優(yōu)先級業(yè)務(wù)被丟棄。然而，高優(yōu)先級業(yè)務(wù)往往意味著重要信息，這些業(yè)務(wù)如果被丟棄將可能影響到電網(wǎng)一次設(shè)備動作，對電網(wǎng)造成很大的損失。為此，有必要針對終端接入通信網(wǎng)環(huán)境，特別是終端接入通信網(wǎng)光通道失效時的隊列調(diào)度策略進(jìn)行研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，進(jìn)一步保證光通道失效時業(yè)務(wù)的時延和丟包率，本發(fā)明提出了一種電力系統(tǒng)終端通信接入網(wǎng)匯聚節(jié)點(diǎn)的隊列調(diào)度方法，所述方法包括

步驟1、判斷隊列F₁是否為空，若為空執(zhí)行步驟3，否則執(zhí)行步驟2；

步驟2、發(fā)送隊列F₁的隊首數(shù)據(jù)包，返回步驟1；

步驟3、計算隊列F₂,F₃,F₄隊首數(shù)據(jù)包的發(fā)送完成時間；

步驟4、發(fā)送完成時間最小的數(shù)據(jù)包被發(fā)送，返回步驟1。

所述步驟3具體包括以下步驟：

步驟301、確定隊列F₂,F₃,F₄的緩沖區(qū)狀況，計算其相對隊列長度；

步驟302、確定緩沖區(qū)狀態(tài)閾值χ₁、χ₂，根據(jù)相對隊列長度l_i,(i＝2,3,4)判斷隊列F_i的緩沖區(qū)狀態(tài)，若χ₁<l_i<χ₂時，表明此隊列緩沖區(qū)的空閑長度適中，無需進(jìn)行權(quán)值更新，執(zhí)行步驟3.4，否則執(zhí)行步驟3.3；

步驟303、根據(jù)相對隊列長度更新隊列權(quán)值；

步驟304、根據(jù)隊列權(quán)值計算發(fā)送速率；

步驟305、計算F₂,F₃,F₄隊首數(shù)據(jù)包的發(fā)送完成時間。

步驟301的相對隊列長度的計算公式為

其中：

l_i為隊列F_i的相對隊列長度；q_i為隊列F_i的隊列長度；L為隊列F_i分配的總緩沖區(qū)長度，即匯聚節(jié)點(diǎn)的總緩沖區(qū)長度；L_i為隊列F_i分別對應(yīng)的緩沖區(qū)長度。

步驟303的隊列權(quán)值的計算公式為：

其中：

為隊列F_i對應(yīng)的權(quán)值；α_i為隊列F_i的優(yōu)先級系數(shù)，α₂>α₃>α₄且α_i越大，l_i對的影響越大。

步驟304的隊列發(fā)送速率的計算公式為：

其中：λ_i為隊列F_i對應(yīng)的發(fā)送速率；λ為節(jié)點(diǎn)總發(fā)送速率。

步驟305的發(fā)送完成時間的計算公式為：

其中：FT_i為隊列F_i的隊首數(shù)據(jù)包發(fā)送完成時間；T_i為隊列F_i中隊首數(shù)據(jù)包的到達(dá)時間；Length_i為隊列F_i中隊首數(shù)據(jù)包的包長；T_{delay_i}為隊列F_i的最大時延要求。

有益效果

本發(fā)明通過將緊急類業(yè)務(wù)進(jìn)行基于優(yōu)先級的調(diào)度，保證了緊急業(yè)務(wù)流的實(shí)時轉(zhuǎn)發(fā)；同時針對非緊急類業(yè)務(wù)提出基于相對隊列長度的公平調(diào)度算法，該方法通過將當(dāng)前隊列長度和緩沖區(qū)分配長度聯(lián)合考慮計算相對隊列長度，并將相對隊列長度與設(shè)定閾值判斷隊列繁忙程度，以此為依據(jù)更新不同優(yōu)先級的隊列權(quán)值與發(fā)送速率。在此基礎(chǔ)上根據(jù)虛擬完成時間發(fā)送隊首數(shù)據(jù)包，降低高等級業(yè)務(wù)的傳輸時延和丟包率。本發(fā)明在隊列調(diào)度階段，充分考慮終端通信網(wǎng)業(yè)務(wù)特征，采用PQ算法和WFQ改進(jìn)算法(QL-WFQ)相結(jié)合的方式確保緊急業(yè)務(wù)的時延和丟包率；同時，提出相對隊列長度的概念，以此判斷緩沖區(qū)繁忙程度，并在此基礎(chǔ)上提出QL-WFQ算法，從而最終保證了整體業(yè)務(wù)的時延和丟包率。

附圖說明

圖1是匯聚節(jié)點(diǎn)中隊列調(diào)度的原理圖；

圖2是終端通信接入網(wǎng)匯聚節(jié)點(diǎn)的隊列調(diào)度方法；

圖3是本發(fā)明方法和WFQ算法、WRR算法的丟包率比較圖；圖3a緊急業(yè)務(wù)丟包率比較，圖3b為重要業(yè)務(wù)丟包率比較，圖3c位標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)丟包率比較，圖3d為適度業(yè)務(wù)丟包率比較；

圖4為WFQ算法和WRR算法的緊急業(yè)務(wù)時延；圖4a為WFQ緊急業(yè)務(wù)時延；圖4b為WRR緊急業(yè)務(wù)時延；

圖5為本算法和WFQ算法、WRR算法的重要業(yè)務(wù)時延；圖5a為WFQ重要業(yè)務(wù)時延；圖5b為WRR重要業(yè)務(wù)時延；圖5c為本發(fā)明方法重要業(yè)務(wù)時延；

圖6為本算法和WFQ算法、WRR算法的標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)時延，圖6a為WFQ算法標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)的時延；圖6b WRR算法標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)的時延；圖6c本發(fā)明方法標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)的時延；

圖7為本算法和WFQ算法、WRR算法的適度業(yè)務(wù)時延，圖7a為WFQ算法適度業(yè)務(wù)的時延；圖7bWRR算法適度業(yè)務(wù)的時延；圖7c本發(fā)明方法適度業(yè)務(wù)的時延；

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對實(shí)施例作詳細(xì)說明。本發(fā)明對隊列調(diào)度算法進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種電力系統(tǒng)終端通信接入網(wǎng)匯聚節(jié)點(diǎn)的隊列調(diào)度方法。本發(fā)明公開的隊列調(diào)度策略應(yīng)用于終端通信接入網(wǎng)匯聚節(jié)點(diǎn)隊列調(diào)度器，在本實(shí)施例中，隊列管理器利用RED方法進(jìn)行隊列管理，如附圖1所示。

本實(shí)施例中，以業(yè)務(wù)傳輸時間的緊迫程度為主，輔以安全性要求及數(shù)據(jù)失效對電網(wǎng)的影響，將終端通信接入網(wǎng)業(yè)務(wù)劃分為四類，分別為：緊急類、重點(diǎn)類、標(biāo)準(zhǔn)類、適度類，分別以F₁,F₂,F₃,F₄表示相應(yīng)隊列，并對其斷面流量進(jìn)行測算，具體如表1所示。

步驟1：判斷隊列F₁是否為空，若為空執(zhí)行步驟3，否則執(zhí)行步驟2。

步驟2：發(fā)送隊列F₁的隊首數(shù)據(jù)包，返回步驟1；

步驟3：計算隊列F₂,F₃,F₄隊首數(shù)據(jù)包的發(fā)送完成時間；

步驟4：發(fā)送完成時間最小的數(shù)據(jù)包被發(fā)送，返回步驟1。

圖2所示為本發(fā)明的具體實(shí)現(xiàn)過程。

判斷隊列F₁是否為空，若為空隊列則計算隊列F₂,F₃,F₄隊首數(shù)據(jù)包的虛擬完成時間，并選擇虛擬完成時間最小的進(jìn)行發(fā)送，否則執(zhí)行PQ算法優(yōu)先發(fā)送F₁隊列數(shù)據(jù)包。

隊列F₂,F₃,F₄的虛擬完成時間計算具體包括以下步驟：

1)先確定各隊列緩沖區(qū)狀況。計算相對隊列長度(relative queue length)l_i：

其中：

l_i,(i＝2,3,4)為隊列F_i(i＝2,3,4)的相對隊列長度；

q_i,(i＝2,3,4)為隊列F_i(i＝2,3,4)的隊列長度；

L為隊列F_i(i＝2,3,4)分配的總緩沖區(qū)長度，即匯聚節(jié)點(diǎn)的總緩沖區(qū)長度；

L_i,(i＝2,3,4)為隊列F_i分別對應(yīng)的緩沖區(qū)長度。

2)確定緩沖區(qū)狀態(tài)閾值χ₁、χ₂，根據(jù)相對隊列長度l_i,(i＝2,3,4)判斷隊列F₂,F₃,F₄的緩沖區(qū)狀態(tài)，當(dāng)χ₁<l_i<χ₂時，說明此隊列緩沖區(qū)的空閑長度適中，無需進(jìn)行權(quán)值更新；當(dāng)0<l_i<χ₁時表明此隊列緩沖區(qū)的空閑區(qū)過長，隊列處于閑置狀態(tài)，可以適當(dāng)減小權(quán)值；當(dāng)l_i>χ₂時，說明此隊列緩沖區(qū)的空閑區(qū)不足，隊列處于緊張狀態(tài)，需要適量增大權(quán)值。

3)根據(jù)相對隊列長度更新隊列權(quán)值，為保證高優(yōu)先級隊列更高的QoS要求，同等緩沖區(qū)占用情況下，高優(yōu)先級隊列減小權(quán)值的幅度應(yīng)當(dāng)小于低優(yōu)先級隊列；與此相反，低優(yōu)先級隊列增大權(quán)值的幅度應(yīng)當(dāng)小于高優(yōu)先級隊列。

因此，各隊列權(quán)值應(yīng)滿足：

其中：

為隊列F₂,F₃,F₄對應(yīng)的權(quán)值；

α_i為隊列F₂,F₃,F₄的優(yōu)先級系數(shù)，α₂>α₃>α₄且l_i對的影響越大。

根據(jù)隊列權(quán)值計算發(fā)送速率：

其中：

λ_i,(i＝2,3,4)為隊列F₂,F₃,F₄對應(yīng)的發(fā)送速率；

λ為節(jié)點(diǎn)總發(fā)送速率。

4)計算F₂,F₃,F₄隊首數(shù)據(jù)包的發(fā)送完成時間：

其中：

FT_i,(i＝2,3,4)為隊列F₂,F₃,F₄的隊首數(shù)據(jù)包發(fā)送完成時間；

T_i(i＝2,3,4)為隊列F_i中隊首數(shù)據(jù)包的到達(dá)時間；

Length_i(i＝2，3，4)為隊列F_i中隊首數(shù)據(jù)包的包長；

T_{delay_i}(i＝2，3，4)為隊列F_i的最大時延要求。

為了檢驗本發(fā)明提出的終端通信接入網(wǎng)匯聚節(jié)點(diǎn)的隊列調(diào)度方法的優(yōu)越性，將其與WFQ算法、WRR算法在相同環(huán)境下進(jìn)行仿真并比較。采用Matlab作為仿真工具，仿真參數(shù)設(shè)置如下：

1)根據(jù)終端通信接入網(wǎng)中承載的業(yè)務(wù)斷面流量，此處將數(shù)據(jù)包長度假定為512bit；

2)仿真時間為60s，其中在0s、20s、40s時緊急類業(yè)務(wù)突發(fā)(F₁隊列)，突發(fā)量為200packets/s，持續(xù)時間均為10s；

3)假設(shè)隊列F₂,F₃,F₄數(shù)據(jù)包到達(dá)速率服從參數(shù)為γ_i(i＝2,3,4)的泊松分布，其中γ₂:γ₃:γ₄＝2:11:7；

4)總發(fā)送速率(即鏈路速率)按照LTE230環(huán)境帶寬1.76Mb/s計算，取λ＝3000packets/s，為保證匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)出平衡，數(shù)據(jù)包到達(dá)速率

5)隊列F₁,F₂,F₃,F₄的時延要求T_{delay_i}分別設(shè)為40ms，500ms，2s，4s；

6)隊列F₂,F₃,F₄的優(yōu)先級系數(shù)α_i根據(jù)時延要求設(shè)為：α₂:α₃:α₄＝8:2:1；

7)緩沖區(qū)總長度設(shè)為L＝500packets，分配的緩沖區(qū)長度為L₁＝25packets、L₂＝75packets、L₃＝200packets、L₄＝200packets。

以上參數(shù)并不恒定，對于不同的仿真內(nèi)容可以根據(jù)需要改變某些參數(shù)。

圖3為本算法和WFQ算法、WRR算法的丟包率比較，其中，圖3(a)為緊急業(yè)務(wù)的丟包率比較；圖3(b)為重要業(yè)務(wù)的丟包率比較；圖3(c)為標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)的丟包率比較；圖3(d)為適度業(yè)務(wù)的丟包率比較。

對于緊急業(yè)務(wù)，除WRR算法外，WFQ與本算法均能保障緊急業(yè)務(wù)的丟包率，隊列丟包率為0；對于重點(diǎn)業(yè)務(wù)與標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)，WFQ與本算法仍能維持其丟包率為0；WRR算法表現(xiàn)最差，WRR會產(chǎn)生大量丟包；對于適度業(yè)務(wù)，WRR的丟包率最小，且本算法丟包率與WFQ算法基本相同，其原因在于本算法與WFQ犧牲了低優(yōu)先級隊列的服務(wù)質(zhì)量，從而保證了高優(yōu)先級隊列的零丟包。

圖4為WFQ算法和WRR算法的緊急業(yè)務(wù)時延，其中，圖4(a)為WFQ算法緊急業(yè)務(wù)的時延；圖4(b)WRR算法緊急業(yè)務(wù)的時延。

WFQ算法時延集中在0.2‐0.6ms左右，WRR算法的時延波動較大，且最高為1.9s。同時，由于本算法中緊急業(yè)務(wù)采用基于優(yōu)先級的調(diào)度算法(PQ)且鏈路傳輸速率遠(yuǎn)大于緊急業(yè)務(wù)到達(dá)速率，其時延為零。

圖5為本算法和WFQ算法、WRR算法的重要業(yè)務(wù)時延，其中，圖5(a)為WFQ算法重要業(yè)務(wù)的時延；圖5(b)WRR算法重要業(yè)務(wù)的時延；圖5(c)本算法重要業(yè)務(wù)的時延。

對于重要業(yè)務(wù)，使用WFQ算法進(jìn)行調(diào)度時，時延的波動較大，時延集中在0.5‐1ms左右，最高約為4.8ms；使用WRR算法進(jìn)行調(diào)度時，時延的波動很大，完全不能達(dá)到重要業(yè)務(wù)的時延要求；使用本算法進(jìn)行調(diào)度時，時延已遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于重要業(yè)務(wù)的時延要求，時延最高約1.5ms，大部分在1ms以下，且前期時延稍大于后期，這是由于優(yōu)先發(fā)送緊急類業(yè)務(wù)導(dǎo)致重要業(yè)務(wù)的時延稍有增加。

圖6為本算法和WFQ算法、WRR算法的標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)時延，其中，圖6(a)為WFQ算法標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)的時延；圖6(b)WRR算法標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)的時延；圖6(c)本算法標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)的時延。

對于標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)，使用WFQ算法進(jìn)行調(diào)度時，時延主要集中在0.5‐1ms左右；使用WRR算法進(jìn)行調(diào)度時，隨著數(shù)據(jù)包的增加，隊列擁塞情況逐漸加重，最高時延約在0.8s左右；而使用本算法進(jìn)行調(diào)度時，時延主要集中在1‐2ms左右比之WFQ算法略大，其是由于本算法需要優(yōu)先保證重要業(yè)務(wù)和緊急業(yè)務(wù)的時延而導(dǎo)致的。

圖7為本算法和WFQ算法、WRR算法的適度業(yè)務(wù)時延，其中，圖7(a)為WFQ算法適度業(yè)務(wù)的時延；圖7(b)WRR算法適度業(yè)務(wù)的時延；圖7(c)本算法適度業(yè)務(wù)的時延。

對于適度業(yè)務(wù)，使用WFQ和本算法進(jìn)行調(diào)度時，時延不斷升高，后期穩(wěn)定在0.3s左右，但由于終端通信接入網(wǎng)中適度業(yè)務(wù)并沒有硬性的時延要求，這種結(jié)果仍可以接受，此兩種算法犧牲適度業(yè)務(wù)的時延用以保證高等級業(yè)務(wù)的可靠傳輸；而使用WRR算法進(jìn)行調(diào)度時，適度業(yè)務(wù)的時延較小，其原因在于高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的丟包率較大而WRR算法并未做出調(diào)整。

仿真結(jié)果表明，本發(fā)明中的調(diào)度策略可以進(jìn)一步降低高等級業(yè)務(wù)的時延和丟包率，從而保障其實(shí)時、可靠地傳輸，其對于終端通信接入網(wǎng)尤其當(dāng)光通道失效且需要保障大規(guī)模業(yè)務(wù)傳輸時有著重要意義。