電能表信息采集終端通信鏈路擁塞安全自動控制

寇德謙,燕伯峰,蘇 焰,劉宇鵬,黃 欣

(內蒙古超高壓供電公司,內蒙古 通遼 010080)

0 引言

人工抄表方式工序復雜,需要耗費大量的人力與財力。除此之外,人工抄表數據量較多,不能快速實現數據整合與分析,存在計量故障問題時未能實現實時診斷[1-3]。在電子技術高速發展大環境下,電能表信息采集終端的出現使抄表工作也向智能化發展,遠程抄表系統能夠優化用電管理信息的智能程度,實現電能準確、科學化抄表。而電能表信息采集終端所采集到的用電數據規模較大,大規模數據傳輸會導致鏈路擁塞問題發生,鏈路擁塞會直接影響電能表信息采集終端通信鏈路的吞吐量和數據安全[4]。當前對于網絡擁塞控制及網絡安全控制方面的研究較多,但將兩者相結合的研究較少,為此,本文提出新的電能表信息采集終端通信鏈路擁塞安全自動控制方法,以此保證通信鏈路的信息傳輸安全性。

1 電能表信息采集終端通信鏈路擁塞安全自動控制方法

1.1 基于入侵雜草算法的通信鏈路擁塞自動控制

1.1.1 通信鏈路擁塞自動控制目標函數

a.通信鏈路擁塞自動控制模型。將電能表信息采集終端通信鏈路網絡描述為有向圖F(U,D),U、D分別為網絡節點集合、鏈路集合,U={u1,u2,…,uM},D={d1,d2,…,dM}。假設源節點是r,目的節點是e,網絡的節點數量是M,隨機一個從源節點r至目的節點的鏈路是q,那么鏈路q的瓶頸帶寬A(q)、時延E(q)的計算公式分別為:

A(q)=minci,j

(1)

(2)

式中:ci,j為第i個節點、第j個節點之間鏈路帶寬可用值;ei,j為第i個節點、第j個節點之間鏈路傳輸時延。

假設A、E分別表示通信鏈路中傳輸的帶寬限值、時延限值。若鏈路q的帶寬、時延都滿足上述條件,那么該鏈路可用。

b.資源消耗函數設置。針對一個特定的鏈路,電能表信息采集業務流使用的網絡資源為此鏈路預留資源以及此業務流占用該鏈路的時間之積[5-7]。假設鏈路q中的網絡資源是S(q),那么存在

(3)

式中:k(q)為鏈路q跳數。

分析式(3)可知,資源耗損和鎖定鏈路q的跳數、時延具有高度關聯性,k(q)較小、E(q)較小的鏈路耗損的網絡資源也較少。資源耗損函數S(q)主要明確了最小跳數與最小時延的控制條件。

c.鏈路使用率。通過接入新的連接后對原始鏈路帶寬資源的影響來描述負載狀態,則第i個節點、第j個節點之間鏈路的使用率Vi,j計算公式為

(4)

鏈路的帶寬可用值越大,說明此鏈路的安全性越高。如果A和ci,j數值相近,Vi,j和1接近,表示第i個節點、第j個節點之間鏈路的帶寬可用值和電能表信息采集業務需要的帶寬吻合度較高,則此條鏈路安全性較低,若此鏈路接受了此業務,便不能接受其他業務。反之,A和ci,j數值不相近,第i個節點、第j個節點之間鏈路的帶寬可用值較大,則此鏈路安全性較高,接受新電能表信息采集業務后,帶寬余值較大,對新電能表信息采集業務的接納程度較高[8]。因此,需盡全力將負載分散在空閑鏈路中,實現通信鏈路負載均衡。

鏈路負載的均衡狀態可以通過此鏈路使用率的方差描述,即

(5)

此時鏈路使用率方差為

(6)

方差越大,表示鏈路使用率越高,鏈路的負載均衡狀態越差[9]。

d.目標函數。電能表信息采集終端通信鏈路擁塞自動控制目標滿足

(7)

式(7)中,要求鏈路q的瓶頸帶寬不大于A、鏈路信息傳輸時延不大于E,且網絡資源占有率最低,鏈路使用率方差最小[10]。

則通信鏈路擁塞自動控制目標函數為

O=A·S(q)+β·E(q)

(8)

1.1.2 基于入侵雜草算法的目標函數求解

本文使用入侵雜草算法求解通信鏈路擁塞自動控制目標函數時,各雜草的位置就是通信鏈路擁塞自動控制的可行解,雜草種群就是通信鏈路擁塞自動控制可行解的集合,雜草的適應度就是通信鏈路擁塞自動控制的目標函數值。進化時,雜草結合適應度決策可以產生種子的數目,種子分布在父代附近構建新的雜草群體,若全部雜草數目大于種群規模最大值,雜草之間便會存在競爭關系,適應能力強的雜草才會參加后續進化。

基于入侵雜草算法的通信鏈路擁塞自動控制目標函數求解步驟如下:

a.雜草種群初始化。假設通信鏈路擁塞自動控制方案可行解的維度是W,代表通信鏈路擁塞自動控制方案初始解的雜草數目和初始種群中最大雜草數目依次是M0、Mmax,進化次數最大值是tmax,各雜草可以衍生的種子數量最多是Zmax,最少是Zmin,非線性調制系數是m。

b.雜草繁殖。在代表通信鏈路擁塞自動控制方案可行解集合的雜草群體里,雜草的適應度函數值變大,表示雜草適應能力顯著,衍生的子雜草數目也慢慢變多。種子的數量為

(9)

式中:g為此雜草的適應度函數;gmax、gmin分別為適應度最大值與最小值。

雜草所衍生的種子數目與其適應度呈正比關系,如圖1所示。

圖1 種子數量設置方法

c.雜草擴散。父代雜草衍生種子后,種子以正態分布模式擴散于父代雜草附近,分布均值就是父代雜草的坐標,標準差是ε,以此方式構建雜草群落,此群落就是通信鏈路擁塞自動控制方案可行解集合。如果迭代次數慢慢變多,正態分布的標準差便會自初始值ε0慢慢衰減至最終值εf。

(10)

d.競爭生存。由于群體里雜草數目受限于雜草數量最大值Mmax,迭代次數變多后,若目前的雜草數目和種子數目之和不大于Mmax,便把全部雜草與種子相加,建立新父代雜草群體再次繁殖。若目前代表通信鏈路擁塞自動控制方案可行解的雜草數目和種子數目之和不小于Mmax,需要在群體中執行過篩處理,篩掉競爭能力不強的雜草。主要根據雜草適應度選擇,把小于Mmax的雜草篩掉。其他雜草以新父代雜草身份繼續繁殖。若迭代次數為最大值,便輸出適應度最大的雜草位置和適應度值,獲取通信鏈路擁塞自動控制方案的最優解。

1.2 基于條件隨機場模型的鏈路數據安全傳輸控制方法

通過1.1節實現電能表信息采集終端通信鏈路擁塞控制后,使用基于條件隨機場模型的鏈路數據安全傳輸控制方法,有效保證電能表信息的傳輸安全。假設電能表信息的調制碼元是Np,根據碼元之間差異性與分簇鏈路稀疏性配置系數,將目前多個通信鏈路執行同步解調處理[11-12]。通過隨機碼元寬度調節技術執行電能表信息序列傳輸的加權調節,此時權值為

?=μ1Np

(11)

式中:μ為加權系數,需結合獲取的電能表信息序列的傳輸延遲執行自適應調節處理[13]。

結合上文分析,電能表信息序列傳輸的條件隨機場分布模型表達式為

(12)

設第a個碼元的速率是θa,電能表信息序列的碼元寬度是Ha,Ha=1/θa,計算鏈路中的干擾頻率M,通過脈沖響應調整方法設計電能表信息序列的跟蹤模型,該模型為

(13)

使用波特間隔均衡調整模型,對跟蹤的電能表信息執行調制解調操作[14-15],此時便可獲取電能表信息序列數據安全傳輸的加密向量為

(14)

綜上所述,基于條件隨機場模型的鏈路數據安全傳輸控制步驟如下:

a.通過條件隨機場模型將電能表信息序列執行分簇聚類。

b.通過脈沖響應調整方法,設計電能表信息序列的跟蹤模型,使用波特間隔均衡調整模型,對跟蹤到的電能表信息執行調制解調操作,得到數據安全傳輸的加密向量,保證數據傳輸安全。

2 實驗分析

為分析本文方法對電能表信息采集終端通信鏈路擁塞安全的控制效果,在MATLAB平臺中搭建電能表信息采集終端通信網絡結構。實驗參數信息如表1所示。

表1 實驗參數信息

本文方法應用后,電能表信息采集終端通信鏈路的瓶頸帶寬與帶寬限值如圖2所示。

圖2 通信鏈路的瓶頸帶寬與帶寬限值變化

分析圖2可知,本文方法應用后通信鏈路的瓶頸帶寬小于帶寬限值,說明此時電能表信息采集終端通信鏈路暢通。

本文方法應用后,通信鏈路的信息傳輸時延變化如圖3所示。

圖3 通信鏈路的信息傳輸時延變化

分析圖3可知,本文方法應用后,電能表信息采集終端通信鏈路的信息傳輸時延小于時延限值,傳輸時延明顯得到抑制,說明本文方法對通信鏈路擁塞自動控制后,鏈路信息傳輸效率提升。

本文方法應用前后,通信鏈路的網絡資源占有率變化如圖4所示。

圖4 通信鏈路的網絡資源占有率變化

分析圖4可知,本文方法控制后的網絡資源占有率明顯比控制前少,說明本文方法在控制電能表信息采集終端通信鏈路擁塞問題時,不會耗費過多網絡資源。

本文方法應用前后,通信鏈路的鏈路使用率方差變化如表2所示。

表2 通信鏈路的鏈路使用率方差變化

分析表2可知,本文方法控制前,通信鏈路的鏈路使用率方差較大,說明鏈路應用情況飽和度高,此時如果出現新的電能表信息,易導致鏈路擁塞,控制后的鏈路使用率方差變小,說明本文方法可實現鏈路負載均衡,優先使用空閑鏈路,防止出現擁塞問題。

電能表信息采集終端通信鏈路在本文方法控制下,電能表信息序列傳輸時的數據狀態如圖5所示。

圖5 數據安全傳輸控制效果

分析圖5可知,本文方法應用前,用電量數據變化趨勢明顯,說明用電量隨著時間的變化呈現不規則變化趨勢,符合實際規律。而本文方法應用后用電量數據變化不顯著,數據特征不明顯,以此證明此時用電量數據處于被加密狀態,原始數據特征全部隱藏,數據安全性較高。

3 結束語

本文提出一種新的電能表信息采集終端通信鏈路擁塞安全自動控制方法,該方法主要分為鏈路擁塞自動控制、數據安全傳輸控制2部分,能夠有效保證電能表信息采集終端通信鏈路負載均衡的同時,實現數據安全傳輸。測試結論如下:

a.本文方法控制后,通信鏈路的瓶頸帶寬小于帶寬限值。

b.本文方法控制后,通信鏈路的信息傳輸時延小于時延限值,時延明顯得到抑制。

c.本文方法控制后的網絡資源占有率明顯比控制前少,說明本文方法在控制電能表信息采集終端通信鏈路擁塞問題時,不會耗費過多網絡資源。

d.本文方法控制后的鏈路使用率方差變小,可防止擁塞問題。

e.本文方法控制下,電能表信息采集終端通信鏈路中,用電量數據傳輸時屬于被加密狀態,安全性能高。