终端通信接入网网络资源分配策略分析

毛 瑞，陈亚琨，李昭静

（郑州电力高等专科学校 信息通信学院，河南 郑州 450000）

0 引 言

日前，在国家电力终端通信接入网的具体建设和营运中设置有多个业务部门。各部门按照各自实际业务以独立形式实现建网，网络维护方面也体现了独立性。在多部门共同组建下实现了多层网络构建，各业务在向电力通信网内部并存接入期间所选择的通信方式也是多样化的，这使得电力通信网具有更加复杂的结构和更庞大的网络规模。在保证国家电力通信网不做出改变的基础上，可通过增设终端接入网关和网络融合网关两项功能实体，制定以双通信代理机制为基础的异构网协同融合传输方案。在此基础上设计并实现一个网络资源分配算法，保证在多业务全面接入且多网络保持动态协同的同时，更加充分合理地分配网络资源。

1 网络协同融合

当前，光纤专网、中压电力线载波以及公用移动通信等是电力终端通信接入网所采用的主要通信方式。其中，光纤专网涵盖了无源光网络、工业以太网以及光调制解调器等。终端通信接入网中出现的多模终端可支持多种不同接入技术，并可实现异构环境覆盖，这就引发了新的网络资源分配问题。这些网络不管是在系统目标和业务QoS体系，还是接入方式和传输方式等方面都没有体现出统一性，有关网络资源的具体管理机制也体现出明显差异性。

为了在终端通信接入网中更加合理地分配网络资源，本文以不改变电力通信网中各种体制网络结构为基础，增设终端接入网关（EA-GW）和网络融合网关（NI-GW）两种功能实体机，以此提出双通信代理机构异构网协同融合传输设计方案，具体如图1所示。在此方案支持下，促使通信网络和电力业务实现解耦，统一位于异构融合网络实现智能电网多业务的接入和承载[1]。其中，NI-GW主要是以向上的方向来承载有关业务需求，EA-GW按照统一化原则设置终端接口，同步虚拟各类终端资源。EA-GW和NI-GW两者关联中可选一种或多种通信方式，具体主要基于实际业务需求决定资源调度策略及具体的通信方式[2]。从业务层来看，EA-GW和NI-GW相互所建通信网络具有透明的特点，两者均直面终端虚拟资源。在本文所提的融合网关系统方案下，可基于运营策略、用户策略以及网络资源状态等在多网络动态环境中，促使业务在差异化网络间智能切换网络智能选择技术和网络发现技术，使资源分配及网络选择具有更细致的颗粒度，保证接入更加灵活，且能够实现多业务的综合接入，保证多网络保持动态协同。

图1 网络融合网关及终端接入网关

2 网络资源具体分配

当前，围绕网络资源分配策略开展的一系列研究中，所设定的环境均属于异构无线网络，具有功率分配、负载控制、接纳控制以及切换控制等功能。关键性目的是在遵循信道特性的前提下，当信道由于干扰因素出现一定的幅度改变时，实现对有线网络资源的动态调整与灵活分配，促使无线用户终端获得QoS保障，使无线频谱的利用率达到最大，避免发生网络堵塞情况。

有学者以系统最大吞吐量为基础提出了联合分配算法，该算法在设计中将分配带宽设定为连续变量[3]。相继有专家学者对该算法进行了深度研究，并改进了求解算法。选用牛顿迭代法，增设了对最大发送功率的限制要求，并实现了对差异化业务需求的综合考量，确保时延受限用户具备最小的基础性速率需求，同步考虑最大程度使用户保持相同的速率或保持在一定比例[4]。

与电信公网相比，电力通信网中的业务类型具有一定特殊性。这要求其在网络资源分配中要考虑相应的特殊性，有区别的制定分配策略。电力通信网根据电网的运行和生产及企业的经营和管理等特点将承载业务分为管理信息化业务和电网生产调度业务两大类。本文设定在异构网络环境中，通过双信道代理机制联合网关EA-GW和NI-GW实现设计，讨论分析终端通信接入网中涉及到的网络资源分配策略，并设计电力通信网下有限网络资源的合理化分配框架，如图2所示。

图2 网络资源分配框架

围绕网络流量的相应分配机制涉及到两个组成部分，分别为流量分配策略和网络状态认知。设计以NI-GW为基础，业务从应用层方向发出后，由传输层实现封装，进而传输至网络层。网络层接收后流量分配器自动启动，按照流量有关分配方式，在网络发现模块发挥作用下得到对应的分配依据，分别计算单个网络所分配到的实际流量，最后分配结果会向流量相应的分配执行模块中进行传输，从而获得流量分配控制效果。

业务流量在具体分配中，要始终掌握各项信息，并准确预估EA-GW状态。要实现这一点，就需要网络状态相应检测模块从多个层面检测网络状态。在异构无线网络中，用户移动、用户发起会话以及终止会话都会导致网络承载负载在大小方面体现时变性，网络环境、各节点移动以及网络各种干扰在终端通信接入网内部均会保持可预知状态，则网络资源细化分配环节能够直观反映网络链路传输具体性能的改变状态。

由于一个网络中并存有多个网络，并且各网络涉及到差异化的网络性能和业务分布情况，因此当某网络在某时隙要承担繁重业务时，就有很大几率发生网络繁忙和拥塞等，相应的某网络承担业务非常清闲，进而降低网络利用率。所以说，单一按照网络链路时延设计网络资源分配算法，不仅无法有效反映网络性能，而且无法真实反映网络实际业务状态，不能解决异构网面临的业务流量分配缺乏均衡性的问题。为此，要深层次探究异构网所具备的网络吞吐量、网络平均时延以及网络容量等各方面体现出的独有特征，围绕各特性探索出有效的业务流量分配算法。

通过研究电力终端通信接入网中异构网络不同的EA-GW性能，根据网络负载情况和网络时延性能，本文研究并设计了以时延负载感知实现的异构网络资源分配算法。基于网络节点相对准确的估计时延，进而反映网络负载，在多种电力终端通信接入网充分利用的基础上实现资源的有效传输。在网络具有较重负载情况下，可分配相对少量的业务流量，将更多业务量适度分配给当前负载相对轻的网络，使异构网络保持均衡的业务分布状态，进而促使网络运行得更加稳定、高效且连续，并在此基础上有效优化分组丢包率及分组传输相应平均链路时延等综合性能，充分利用网络资源，促使业务具有的QoS保证更加优良[5]。在NI-GW中设计网络资源相关分配策略，要将时间戳添加到EA-GW通用链路层所对应的公共包头上，明晰记录分组准确发送时间，目的节点接收到分组后，可同步得到分组时延并自动计算。目的节点每经过一个固定的时间间隔，就统计一次分组平均时延，统计结果通过网络同步给源节点提供反馈。之后源节点根据相关时延数据与信息，掌握其体现的网络覆盖情况，以此为依据控制之后网络业务流的分配情况。在网络传输中，分组平均时延与网络负载和业务繁重程度呈正相关。

3 算法性能验证

本文在算法性能验证中选择OPNET Modeler仿真工具，将时延加入到网络链路中来模拟网络负载的变化情况。结合统计所得的时延数据，掌握网络负载状态，以此为依据决定流量分配决策[6]。在仿真中，验证本文所设计的异构网络资源分配算法，同时与负载感知流量分配算法（定时反馈）和均匀分配算法作出对比。

在仿真中，主要考察一对业务丢包情况和时延情况，基于平均分组丢包率和传输中分组的平均时延衡量流量分配算法的具体性能。同时，统计流量分配算法下相关的网络开销，对比3种算法下的网络开销，验证本文所设计分配算法的业务传输性能相对优良，并且相关流量分配算法下涉及到的网络开销也显著减少。3种算法从分组平均时延层面对比，均匀分配流量算法保持最大，负载感知流量分配算法的分组平均时延相对较小，而本文所设计分配算法保持最低分组平均时延。从分组丢包率层面对比，均匀分配算法和负载感知流量分配算法两者的分组丢包率大小相当，而本文所设计分配算法保有最低的分组丢包率。

4 结 论

本文在电力终端通信接入网维持现状条件下，提出一种以双通信代理机制为基础的异构网协同融合网关，并基于NI-GW模块进行以时延为基础具备负载感知机制的相关异构网络资源分配算法。通过准确预估节点时延，真实反映网络负载，最终充分有效利用各类电力终端通信接入网有限的传输资源。经过仿真验证，本文所设计分配策略在分配业务流量时，具有优良的时延性能，并且网络开销显著降低，传输质量优良。