本發(fā)明屬于智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域，具體來說，涉及一種智能電網(wǎng)通信的數(shù)據(jù)傳輸時延的優(yōu)化方法，有利于智能電網(wǎng)通信中數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅芴嵘?/p>

背景技術(shù)：

作為下一代電網(wǎng)技術(shù)，智能電網(wǎng)將有機(jī)地結(jié)合信息技術(shù)、自動控制、傳感技術(shù)以及智能電力設(shè)備等。它通過提供雙向互動、高度集成的服務(wù)和模式，使得電網(wǎng)更加安全、可靠、高效和智能。然而對于智能電網(wǎng)通信網(wǎng)來說，一方面負(fù)著未來數(shù)十年的電網(wǎng)支撐的重任，隨著未來電力設(shè)備更多的引入，電力系統(tǒng)更多的升級，從規(guī)模上以及運行復(fù)雜度上都將面臨眾多挑戰(zhàn)；另一方面，更多新能源的介入以及電力逐漸市場化的趨勢，智能電網(wǎng)通信網(wǎng)需要提供更多快捷的功能服務(wù)以及增值服務(wù)，這些都將對智能電網(wǎng)通信網(wǎng)中不同系統(tǒng)之間的信息共享以及信息交互提出了更高的要求。

為了提高智能電網(wǎng)中的數(shù)據(jù)傳輸速率，虛擬時延概念被提出來。在智能電網(wǎng)通信網(wǎng)中，其數(shù)據(jù)分為硬實時、準(zhǔn)實時、非實時等多種類型，其對應(yīng)的時延要求從8ms到5秒不等。不同于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時延，智能電網(wǎng)通信網(wǎng)中的時延要求跨度極大，而且其數(shù)據(jù)時延不僅關(guān)系著信息及時的交互，更是關(guān)系著整個電網(wǎng)的安全以及電力系統(tǒng)的快速反應(yīng)。尤其是對于時延敏感的數(shù)據(jù)來講，越是情況糟糕關(guān)鍵信息的實時性要求就越高、越嚴(yán)格智能電網(wǎng)通信網(wǎng)中各類數(shù)據(jù)的快速實時的傳輸是牽一發(fā)而動全身的，它對智能電網(wǎng)通信網(wǎng)的建設(shè)提出了前所未有的挑戰(zhàn)。不難發(fā)現(xiàn)，解決數(shù)據(jù)傳輸時延難題不僅是建設(shè)智能電網(wǎng)通信網(wǎng)的關(guān)鍵所在，也是保證未來智能電網(wǎng)通信網(wǎng)可靠、安全、高效、智能的核心基礎(chǔ)，該問題的研究及解決意義重大。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種智能電網(wǎng)通信的數(shù)據(jù)傳輸時延的優(yōu)化方法,目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供基于最早截止時間優(yōu)先的改進(jìn)型VL0(虛擬時延優(yōu)化)-EDF調(diào)度算法，提升智能傳輸網(wǎng)絡(luò)的性能。

本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：一種智能電網(wǎng)通信的數(shù)據(jù)傳輸時延的優(yōu)化方法，包括如下步驟:

步驟01)在某一個交換節(jié)點處，首先開始計算虛擬時簽，即計算最先到達(dá)的六類數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包的虛擬時簽，同時進(jìn)行排序，然后從六類數(shù)據(jù)包中找出最小虛擬時簽的數(shù)據(jù)包，被選定的調(diào)度數(shù)據(jù)包的虛擬時簽假定為式中表示第i類數(shù)據(jù)中的第j個數(shù)據(jù)包的虛擬時簽；

步驟02)利用上一次的計算結(jié)果，當(dāng)下一個數(shù)據(jù)包進(jìn)行調(diào)度時，第一步先在調(diào)度候補中放入第i類數(shù)據(jù)中的第(j+1)個數(shù)據(jù)包，第二步用第i類數(shù)據(jù)中的第(j+1)個數(shù)據(jù)包的虛擬時簽和其他剩余的五個虛擬時簽中最小的一個值先進(jìn)行比較，假如該虛擬時簽比其他剩余的五個虛擬時簽中的最小值還要小的話，則可以直接對虛擬時簽中所對應(yīng)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)度，否則，就調(diào)度虛擬時簽為所對應(yīng)的數(shù)據(jù)包，即調(diào)度虛擬時簽的最小值；

步驟03)在此用插入的方式，將第m類數(shù)據(jù)中的第(n+1)個數(shù)據(jù)包對應(yīng)的虛擬時簽和第i類數(shù)據(jù)中的第(j+1)個數(shù)據(jù)包對應(yīng)的虛擬時簽加入到新的六維數(shù)組中，與此同時實現(xiàn)排序；

步驟04)當(dāng)調(diào)度進(jìn)行到下一數(shù)據(jù)包時，通過該交換節(jié)點之后的某個數(shù)據(jù)包，它的結(jié)束時間和它在物理鏈路上傳播所消耗的時延之和，即成為下一個交換節(jié)點的到達(dá)時間。

進(jìn)一步地，所述的虛擬時簽的獲得方法為：

對于每一類數(shù)據(jù)的虛擬時延，其定義如公式下所示：

對于第i類數(shù)據(jù)中的第j個數(shù)據(jù)包來講，其發(fā)送時間如下公式所示：

則對該數(shù)據(jù)包來講，其時簽為：

m：表示第m類數(shù)據(jù)，

表示第m類數(shù)據(jù)的第j個數(shù)據(jù)包，是從m＝1即第一類數(shù)據(jù)包開始累加至第i-1類數(shù)據(jù)包的所有虛擬時延之和，

引入虛擬時延之后，其對應(yīng)的虛擬時簽為：

上述各個概念公式的含義如下：

第i類數(shù)據(jù)的第j個數(shù)據(jù)包的到達(dá)時間，其中i＝1,2,3,4,5,6；j＝1,2,3,4…，

F_i^j：第i類數(shù)據(jù)的第j個數(shù)據(jù)包的發(fā)送時間，和數(shù)據(jù)包大小以及端口速率有關(guān)，

C：代表交換節(jié)點處端口的速率，

P_i：代表第i類數(shù)據(jù)包的大小，

Vl_i：引入的第i類數(shù)據(jù)的虛擬時延，

Deadline_i：表示第i類數(shù)據(jù)包的截止時間，

第i類數(shù)據(jù)中的第j個數(shù)據(jù)包的時簽，

第i類數(shù)據(jù)中第j個數(shù)據(jù)包的虛擬時簽。

本發(fā)明的工作原理是：采用VLO-EDF調(diào)度算法，對不同的數(shù)據(jù)類型引入不同的“虛擬時延”，當(dāng)最后一類數(shù)據(jù)包的第一個數(shù)據(jù)包的時簽和第一類數(shù)據(jù)的第一個數(shù)據(jù)包的時簽差值小于引入的“虛擬時延”時，最后一類數(shù)據(jù)包的虛擬時簽可以由原來的最小變?yōu)樽畲?，第一類?shù)據(jù)包的虛擬時簽也可以從之前的最大變?yōu)樽钚。蚨?，同樣的情況，采用VLO-EDF調(diào)度算法之后，其調(diào)度順序可能會導(dǎo)致虛擬時簽數(shù)字越小越先被調(diào)度。

該算法有兩個輸入，第一個輸入是按照通信網(wǎng)業(yè)務(wù)模型產(chǎn)生的六類數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)包大小，到達(dá)時間，到達(dá)規(guī)律以及數(shù)據(jù)速率。第二個輸入是交換節(jié)點處的端口速率以及所經(jīng)過的網(wǎng)絡(luò)，這里主要考慮網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)目和兩個節(jié)點之間的物理鏈路距離等。當(dāng)輸入確定下來之后，接下來要計算出各類數(shù)據(jù)對應(yīng)的虛擬時延，并依據(jù)每類數(shù)據(jù)中最早到達(dá)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行虛擬時簽的計算，找到虛擬時簽最小的數(shù)據(jù)包，進(jìn)行調(diào)度。然后進(jìn)入到VLO-EDF調(diào)度算法處理中。

數(shù)據(jù)包到達(dá)時間和轉(zhuǎn)發(fā)時間都是無法改變的，但可以引入“虛擬時延”，時延越是敏感的數(shù)據(jù)，其對應(yīng)的虛擬時延越小，時延越是不敏感的數(shù)據(jù)，其對應(yīng)的虛擬時延越大。這樣，原來可能時延不敏感數(shù)據(jù)時簽小于時延敏感數(shù)據(jù)時簽的情況就有可能會變成現(xiàn)在的時延敏感數(shù)據(jù)虛擬時簽小于時延不敏感數(shù)據(jù)的虛擬時簽。在該情況下，調(diào)度的時候，越是時延敏感的數(shù)據(jù)包，就會越優(yōu)先被考慮，促使其服務(wù)開始時間提前，進(jìn)而提升了時延敏感數(shù)據(jù)包的排隊等待時間。一方面在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載正常時，調(diào)度不存在沖突的情況，各類數(shù)據(jù)包的服務(wù)開始時間都近似于到達(dá)時間，即使引入了“虛擬時延”的概念，也不會影響其時延性能，另一方面，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大時，各類數(shù)據(jù)包都會出現(xiàn)等待，而這時引入的“虛擬時延”就可以更好的服務(wù)于時延敏感數(shù)據(jù)，即使出現(xiàn)了突發(fā)和偶爾的擁塞，也可以更好的被優(yōu)先調(diào)度，改善了多米諾骨牌現(xiàn)象，通過多跳的調(diào)整和調(diào)整，極大的提升了其等待時延性能。

在負(fù)載比較小的時候，VLO-EDF調(diào)度算法時延敏感數(shù)據(jù)的時延抖在突發(fā)性的關(guān)鍵事件發(fā)生時，可以根據(jù)不同時延門限符合智能電網(wǎng)通信網(wǎng)的特點和時延要求。而時延不敏感數(shù)據(jù)的時延抖動會現(xiàn)對影響較小。而當(dāng)負(fù)載增大并出現(xiàn)部分擁塞時，VLO-EDF調(diào)度算法在時延抖動上就有了很好的效果。

本發(fā)明的有益效果是：通過基于最早截止時間優(yōu)先的改進(jìn)型VL0(虛擬時延優(yōu)化)-EDF調(diào)度算法，提升智能傳輸網(wǎng)絡(luò)的性能。

附圖說明

圖1為關(guān)智能電網(wǎng)通信網(wǎng)中的時延分解示意圖；

圖2為本發(fā)明的系統(tǒng)流程框圖；

圖3為EDF調(diào)度算法實例；

圖4為LBFS調(diào)度舉例；

圖5為仿真的負(fù)載為88％時所對應(yīng)的三種調(diào)度算法平均時延圖；

圖6為負(fù)載流量為88％時所對應(yīng)的三種調(diào)度算法的最大時延圖；

圖7為仿真滿足通信時延要求的最大負(fù)載流量圖；

圖8為采用VLO-EDF對穩(wěn)定數(shù)據(jù)包進(jìn)行調(diào)度后的時延圖；

圖9對實體交換機(jī)測試所得時延圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。

實施例1：如圖1-9所示，一種智能電網(wǎng)通信的數(shù)據(jù)傳輸時延的優(yōu)化方法，其特征在于:包括如下步驟:

步驟01)在某一個交換節(jié)點處，首先開始計算虛擬時簽，即計算最先到達(dá)的六類數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包的虛擬時簽，同時進(jìn)行排序，然后從六類數(shù)據(jù)包中找出最小虛擬時簽的數(shù)據(jù)包，被選定的調(diào)度數(shù)據(jù)包的虛擬時簽假定為式中表示第i類數(shù)據(jù)中的第j個數(shù)據(jù)包的虛擬時簽；

步驟02)合理利用上一次的計算結(jié)果，當(dāng)下一個數(shù)據(jù)包進(jìn)行調(diào)度時，第一步先在調(diào)度候補中放入第i類數(shù)據(jù)中的第(j+1)個數(shù)據(jù)包，第二步用第i類數(shù)據(jù)中的第(j+1)個數(shù)據(jù)包的虛擬時簽和其他剩余的五個虛擬時簽中最小的一個值先進(jìn)行比較，假如該虛擬時簽比其他剩余的五個虛擬時簽中的最小值還要小的話，則可以直接對虛擬時簽中所對應(yīng)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)度，否則，就調(diào)度虛擬時簽為所對應(yīng)的數(shù)據(jù)包，即調(diào)度虛擬時簽的最小值；

步驟03)在此用插入的方式，將第m類數(shù)據(jù)中的第(n+1)個數(shù)據(jù)包對應(yīng)的虛擬時簽和第i類數(shù)據(jù)中的第(j+1)個數(shù)據(jù)包對應(yīng)的虛擬時簽加入到新的六維數(shù)組中，與此同時實現(xiàn)排序；

步驟04)當(dāng)調(diào)度進(jìn)行到下一數(shù)據(jù)包時，通過該交換節(jié)點之后的某個數(shù)據(jù)包，它的結(jié)束時間和它在物理鏈路上傳播所消耗的時延之和，即成為下一個交換節(jié)點的到達(dá)時間。

“虛擬時簽”是建立在“虛擬時延”的基礎(chǔ)上所提出的一個概念，以下是對虛擬時簽的解釋及具體獲得的方法：

其中對于每一類數(shù)據(jù)的“虛擬時延”，其定義如公式下所示：

對于第i類數(shù)據(jù)中的第j個數(shù)據(jù)包來講，其發(fā)送時間如下公式所示：

則對該數(shù)據(jù)包來講，其時簽為：

引入“虛擬時延”之后，其對應(yīng)的虛擬時簽為：

上述各個概念公式的含義如下：

m：表示第m類數(shù)據(jù)，

表示第m類數(shù)據(jù)的第j個數(shù)據(jù)包，是從m＝1即第一類數(shù)據(jù)包開始累加至第i-1類數(shù)據(jù)包的所有虛擬時延之和，

第i類數(shù)據(jù)的第j個數(shù)據(jù)包的到達(dá)時間。其中i＝1,2,3,4,5,6；j＝1,2,3,4…，

F_i^j：第i類數(shù)據(jù)的第j個數(shù)據(jù)包的發(fā)送時間，和數(shù)據(jù)包大小以及端口速率有關(guān)，

C：代表交換節(jié)點處端口的速率，比如常見的交換機(jī)其端口可支持1Gbps的速率，

P_i：代表第i類數(shù)據(jù)包的大小，

Vl_i：引入的第i類數(shù)據(jù)的“虛擬時延”，

Deadline_i：表示第i類數(shù)據(jù)包的截止時間，對于一般的截止時間來講，都是一個常數(shù)向量，故把截止時間簡單定義為每類數(shù)據(jù)包的傳輸時間，

第i類數(shù)據(jù)中的第j個數(shù)據(jù)包的時簽，

第i類數(shù)據(jù)中第j個數(shù)據(jù)包的虛擬時簽。

本發(fā)明結(jié)合智能電網(wǎng)通信網(wǎng)的特點和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)特點，首先引入了一個“虛擬時延優(yōu)化”(Virtual Latency Optimization)的概念。在智能電網(wǎng)通信環(huán)節(jié)中采用引入虛擬時延優(yōu)化(VLO)的方法解決在運用最早截止時間優(yōu)先算法(EDF)時出現(xiàn)的非時延敏感數(shù)據(jù)優(yōu)于時延敏感數(shù)據(jù)調(diào)度的情況，即基于最早截止時間優(yōu)先的改進(jìn)型VL0(虛擬時延優(yōu)化)-EDF調(diào)度算法。智能電網(wǎng)通信網(wǎng)中，在直接運用EDF算法進(jìn)行調(diào)度時，主要決定因素取決于數(shù)據(jù)的時延敏感性和非時延敏感型。

本發(fā)明圖1中：其中，D1代表的是發(fā)送節(jié)點的處理時延；D2代表的是發(fā)送節(jié)點將發(fā)送數(shù)據(jù)放在緩沖區(qū)引起的排隊時延；D3代表的是網(wǎng)絡(luò)時延，嚴(yán)格意義上來講，其包括數(shù)據(jù)包的發(fā)送時延、接收時延、交換時延、轉(zhuǎn)發(fā)表查詢時延、傳播時延、排隊時延；D4為對應(yīng)的接收節(jié)點的排隊時延；D5對應(yīng)的是接收節(jié)點的處理時延。

圖2中：首先對最先到達(dá)的六類數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行虛擬時簽的計算，并排序，找到其虛擬時簽最小的數(shù)據(jù)包。在下一個數(shù)據(jù)包的調(diào)度時，充分利用上次計算的結(jié)果然后用其虛擬時簽和其余五個虛擬時簽中的最小值先比較，如果比其余五個虛擬時簽的最小值小，則只需一次比較就可以對該數(shù)據(jù)包進(jìn)行調(diào)度。否則，對虛擬時簽最小值所對應(yīng)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行調(diào)度。然后可利用插入的方式將虛擬時簽加入到新的六維數(shù)組中，同時也完成了排序的功能。進(jìn)入到下一數(shù)據(jù)包的調(diào)度中，當(dāng)某個數(shù)據(jù)包經(jīng)過該交換節(jié)點之后，其結(jié)束時間加上在物理鏈路上傳播所消耗的時延，就成為下一個交換節(jié)點的到達(dá)時間。然后，和上述單個交換節(jié)點的處理一樣，再次進(jìn)入到相似的處理過程中。

圖3中：假設(shè)class1到class6分別代表具有不同時延要求的六類數(shù)據(jù)，其時延從敏感到不敏感，即class1數(shù)據(jù)是時延最敏感的數(shù)據(jù)，class6是時延最不敏感的數(shù)據(jù)。根據(jù)EDF調(diào)度算法，按照時簽的大小，其數(shù)據(jù)包的調(diào)度順序可能會出現(xiàn)如圖中數(shù)字順序所示的情況,其中數(shù)字越小表示越先被調(diào)度。

圖4中：在沒有LBFS調(diào)度情況下，時延敏感數(shù)據(jù)流和時延不敏感數(shù)據(jù)流的路由如圖中的實線箭頭所示。在某一時間段內(nèi)，假設(shè)flow1是平均速率為130Mbps的從Host1到Host3的時延敏感數(shù)據(jù)流，flow2是平均速率為300Mbps的從Host2到Host3的時延不敏感數(shù)據(jù)流。而當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中各個鏈路上的網(wǎng)絡(luò)流量負(fù)載如圖所示。

圖5、圖6、圖7為仿真圖，仿真實驗中所定義的三個參考因數(shù)的選擇是為了證明所提出的VL0-EDF算法的有效性。

圖5為仿真的負(fù)載為88％時所對應(yīng)的三種調(diào)度算法平均時延。在傳輸電路平均時延仿真試驗中，引入了六個不同類別的數(shù)據(jù)，對于不同類別的數(shù)據(jù)，傳輸要求也應(yīng)當(dāng)不同，因此可以區(qū)別出三種不同的調(diào)度算法下的傳輸時延的估計結(jié)果。

圖6為負(fù)載流量為88％時所對應(yīng)的三種調(diào)度算法的最大時延。引入了六個不同類別的數(shù)據(jù)，仿真結(jié)果表明了三種不同的調(diào)度算法下的傳輸時延，驗證了VLO-EDF算法的優(yōu)越性。

圖7為仿真滿足通信時延要求的最大負(fù)載流量。在三種算法下的傳輸時延抖動，可以看出當(dāng)負(fù)載增大并出現(xiàn)部分擁塞時，尤其是在時延敏感數(shù)據(jù)的調(diào)度時，本發(fā)明提出的VLO-EDF算法優(yōu)化更為效果明顯。

本發(fā)明的具體試驗步驟為：

步驟01)對于數(shù)據(jù)源，按照圖1的數(shù)據(jù)模型，六類數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包大小分別為50、76、80、200、200、1500字節(jié)，對于第二類、第三類數(shù)據(jù)，其特點是周期性的數(shù)據(jù)，對于第四類數(shù)據(jù)，其特點是連續(xù)性的，對于第五類和第六類數(shù)據(jù)隨機(jī)數(shù)據(jù)，我們采用泊松分布。對于第一類數(shù)據(jù)，我們采用隨機(jī)的突發(fā)數(shù)據(jù)。

步驟02)在仿真中，為了驗證三種調(diào)度算法對時延的影響，我們僅考慮buffer相同的情況。同時，在仿真中也結(jié)合智能電網(wǎng)通信網(wǎng)的特點，加入了跳數(shù)的控制，在仿真中我們設(shè)網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)為5。為了仿真的準(zhǔn)確性，對數(shù)據(jù)進(jìn)行50次處理并求平均值。

步驟03)對于交換節(jié)點出的線卡速率，我們采用1Gbps的端口。

步驟04)在仿真實驗中，通過對網(wǎng)絡(luò)流量負(fù)載的控制，查看三種調(diào)度算法對六類數(shù)據(jù)時延的影響。

仿真要求：具體的實驗中，采用的處理器為Inte(lR)Core(TM)i3-2370M CPU@2.4GHz2.4GHz，其內(nèi)存為6.00GB(5.6GB可用)的筆記本，該機(jī)器為64位操作系統(tǒng)。

單節(jié)點仿真結(jié)果和實際測量結(jié)果比較步驟為：

步驟01)采用VLO-EDF調(diào)度算法對大小為I500Bytes，且接近勻速的數(shù)據(jù)包進(jìn)行調(diào)度，采用了六個速率，分別為100Mbps、200Mbps、500Mbps、750Mbps900Mbps、980Mbps。則該類數(shù)據(jù)包的時延如附圖8所示。

步驟02)我們借助IXIA儀表，在Brocade的NetIron_CES_2000_DS型號交換機(jī)上對大小為1500Bytes的數(shù)據(jù)包進(jìn)行測試，其端口速率也是1Gbps。所采用的六個速率和VLO-EDF調(diào)度算法一樣。其結(jié)果如附圖9所示。

步驟03)從圖8、圖9兩個圖中可以看出，當(dāng)流量不大時，交換節(jié)點處沒有擁塞，其時延非常小，一般在us量級，而當(dāng)流量較大時，尤其是接近或者大于900Mbps時，其時延會出現(xiàn)急劇增加。當(dāng)數(shù)據(jù)不是穩(wěn)定的，而且有突發(fā)時，其時延會更大，這一部分將在下面小節(jié)中看到。

步驟04)兩個圖中所展示的時延規(guī)律都是接近的，而且其時延數(shù)值也相差不大，這驗證了VLO-EDF調(diào)度算法的可行性。

以上結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作了詳細(xì)說明，但是本發(fā)明并不限于上述實施方式，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下作出各種變化。