一种电力系统终端通信接入网汇聚节点的队列管理方法与流程

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管理方法。

背景技术：

信息通信平台是坚强智能电网的基础支撑，是实现电网信息化、自动化、互动化的关键所在。为统筹配电和用电环节的通信网络建设，国家电网公司“十二五”通信规划中创造性地提出了终端通信接入网的概念。终端通信接入网是电力通信网的重要组成部分，是电力骨干通信网的延伸，主要承载着配电自动化、配网调控一体化、用电信息采集等各项生产业务。随着智能电网建设的高速发展，终端通信接入网的重要性与日俱增。

伴随着双向营销互动、智能小区、电力光纤到户、“三网融合”等新兴业务的出现，终端通信接入网的业务种类不断增多，结合终端通信接入网未来的发展趋势，可以根据业务的重要程度不同，将其分为以下三类：紧急类业务(A类业务)、重点类业务(B类业务)和标准类业务(C类业务)。紧急类业务(A类业务)包括故障信息和保护动作信息，有着极高的通信安全性要求，通信时延要求也十分严格，这类业务传输频率低，通信量小，通信失效时可能对电网的保护执行造成影响，导致电网瘫痪。重点类业务(B类业务)包括重要终端的监测、控制与调度信息，业务的通信安全性要求很高，通信时延要求较为严格，业务的传输频率高，单点传输通信量小，总体通信量大，这类业务的通信失效可能对电网的控制执行造成影响，导致电网运行故障。标准类业务(C类业务)主要为一些监测信息、视频信息以及采集、管理等非运营信息通信的时延要求宽松，总体通信量大，通信失效在一定程度上可能影响电网的运行管理，但不会导致电网故障或瘫痪。

电力系统配电通信网目前采用有线和无线两种队列传输方式，有线传输方式通常采用光纤传输，无线传输方式通常采用无线公网(4G)传输等，当有线传输出现故障时会切换成无线传输，但在传输方式的切换过程中必然会导致队列拥塞现象的发生，从而使业务的丢包率激增，因此，如何在传输方式切换的过程中通过合理的业务队列管理方法降低紧急类业务(A类业务)和重点类业务(B类业务)的丢包率去保障电网的安全就变得非常重要。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提出了一种一种电力系统终端通信接入网汇聚节点的队列管理方法，所述方法包括

步骤1、设置三个业务队列，分别接收A、B、C三类业务；

步骤2、等待分组到达或者请求离开，如果为分组到达，转至步骤3；如果为分组请求离开，转至步骤4；

步骤3、判断到达分组的类别，根据相应类别的业务队列长度决定接收还是丢弃，转至步骤5；

步骤4：按照QLT算法决定发送哪类业务，转至步骤5；

步骤5：判断是否到达队列缓冲区长度调整时刻，如果没有到达，转至步骤1；否则，转至步骤6；

步骤6：预测下一队列缓冲区长度调整时刻各队列的长度，根据预测结果并结合队列管理方法对各队列缓冲区长度进行调整，转至步骤2。

所述步骤3具体包括

步骤301、判断到达分组的类别，若为A类业务，转至步骤3.2；若为B类业务或C类业务，转至步骤3.3；

步骤302、分组进入队列，若此时业务队列已满则将排在队列最前面的分组进行丢弃后再进入队列；

步骤303、采用RED算法决定接收还是丢弃分组。

所述步骤6具体包括

步骤601、结合当前时刻的队列长度和前两个队列缓冲区长度调整时刻的队列长度以及历史丢包数来预测在下一个队列缓冲区长度调整时刻不同业务的队列长度；

步骤602、从A到C的顺序对三类业务队列依次进行判断；若为A类业务队列和B类业务队列，比较其预测值和当前队列缓冲区长度，如果预测值大于当前队列缓冲区长度，则队列为紧张状态，需要增加队列缓冲区长度，转至步骤603；如果预测值小于当前队列缓冲区长度，则队列为空闲状态，可以减少队列缓冲区长度，转至步骤604；如果预测值等于当前队列缓冲区长度，则队列为不变状态，队列缓冲区长度保持不变；

若为C类业务队列，如果A类业务队列和B类业务队列有任何一方处于紧张状态，则C类业务队列无论预测值是多少，都要处于空闲状态，减少队列缓冲区长度，转至步骤604；如果A类业务队列和B类业务队列都处于非紧张状态，若此时C的预测值大于当前队列缓冲区长度，则C类业务队列为紧张状态，需要增加队列缓冲区长度，转至步骤603；若此时C的预测值等于当前队列缓冲区长度，则C类业务队列为不变状态，队列缓冲区长度保持不变，若此时C的预测值小于当前队列缓冲区长度，则C类业务队列处于空闲状态，转至步骤606；

步骤603、计算还需要增加的队列缓冲区长度；

步骤604、计算能减少的队列缓冲区长度；

步骤605、从A到C的顺序，找出处于紧张状态的队列，从C到A的顺序，找出处于空闲状态的队列，根据步骤603和604的计算结果，增加处于紧张状态队列的队列缓冲区长度，同时处于空闲状态的队列缓冲区缩短相同长度，直至紧张状态队列的队列缓冲区长度满足其预测值或者空闲状态队列的缓冲区长度减少为0；

步骤606、判断此时三个业务队列长度是否小于初始长度，若三个业务队列长度均小于初始长度，则将三个业务队列缓冲区长度恢复成初始队列缓冲区长度。

所述步骤601中预测在下一个队列缓冲区长度调整时刻不同业务的队列长度的具体过程为

其中，i为业务类别；j为队列缓冲区长度调整时刻的到达次数；α₁，α₂，α₃为队列长度系数，α₁+α₂+α₃＝1，且α₁>α₂>α₃；β₁，β₂为队列增减幅度系数，β₁+β₂＝1，且β₁≥β₂；

为了得出最终i类业务在第j个队列缓冲区长度调整时刻所预测的队列缓冲区长度，而设置的中间变量；

为i类业务在第j个队列缓冲区长度调整时刻所预测的队列缓冲区长度；

为i类业务在第j个队列缓冲区长度调整时刻的队列长度；

为i类业务在第j‐1个到第j个队列缓冲区长度调整时刻之间时间段内的丢包数；

L_{i_max}为i类业务的队列缓冲区长度上限；

为i类业务在第j个队列缓冲区长度调整时刻的队列长度与在第j‐1个队列缓冲区长度调整时刻的队列长度之差。

所述步骤603中计算还需要增加的队列缓冲区长度的具体过程为

其中：

Loan_i为i类业务需要增加的队列缓冲区长度；

L_present_i为i类业务的当前队列缓冲区长度。

所述步骤604中的计算能减少的队列缓冲区长度的过程为

其中：L_min_i为i业务队列缓冲区长度下限；Borrow_i为i业务能减少的队列缓冲区长度。

有益效果

本发明考虑了历史队列长度、相邻队列缓冲区长度调整时刻的队列长度增减幅度以及历史丢包数三个参量来预测下一个队列缓冲区长度调整时刻的队列长度，并根据其预测值对队列缓冲区长度进行增减，当传输光纤断开，系统从有线传输切换到无线传输过程中，保证了高优先级队列的丢包率，也降低了整体丢包率。

附图说明

图1是终端通信接入网汇聚节点的队列管理PDL‐RED算法的流程图；

图2a‐c是PDL‐RED与RED算法每30ms间各类业务丢包率比较；

图3是PDL‐RED与RED算法每30ms间总体丢包率比较；

具体实施方式

下面结合附图，对实施例作详细说明。本发明对现有队列管理算法—RED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管理方法，包括以下几个步骤：

步骤1：设置三个业务队列，分别接收A、B、C三类业务；

步骤2：等待分组到达或者请求离开，如果为分组到达，转至步骤3；如果为分组请求离开，转至步骤4；

步骤3：判断到达分组的类别，根据相应类别的业务队列长度决定接收还是丢弃，转至步骤5；

步骤4：按照QLT算法决定发送哪类业务，转至步骤5；

步骤5：判断是否到达队列缓冲区长度调整时刻，如果不是，转至步骤1；否则，转至步骤6；

步骤6：预测下一队列缓冲区长度调整时刻各队列的长度，根据预测结果并结合队列管理方法对各队列缓冲区长度进行调整，转至步骤2。

图1所示为本发明的具体实现过程。

对分组到达进入队列具体包括以下步骤：

1)判断到达分组的类别，若为A类业务，转至2)；若为B类业务或C类业务，转至3)；

2)分组进入队列，若此时业务队列已满则将排在队列最前面的分组进行丢弃后再进入队列；

3)依照RED算法决定接收还是丢弃分组。

在业务队列从有线传输切换到无线传输过程中，还能保证高优先级业务的丢包率，保护电网不发生故障，本发明提出从0s开始，每隔一段时间t便设定为队列缓冲区长度调整时刻，在队列缓冲区长度调整时刻具体步骤如下：

1)需要结合历史队列长度、队列长度增减幅度以及历史丢包数三个参量来预测出下一个队列缓冲区长度调整时刻队列长度，其计算公式如下：

其中：i为业务类型；j为队列缓冲区长度调整时刻的到达次数；α₁，α₂，α₃为队列长度系数，应满足α₁+α₂+α₃＝1，且α₁>α₂>α₃；β₁，β₂为队列增减幅度系数，应满足β₁+β₂＝1，且β₁≥β₂；

为了得出最终i类业务在第j个队列缓冲区长度调整时刻所预测的队列缓冲区长度，而设置的中间变量；

为i类业务在第j个队列缓冲区长度调整时刻所预测的队列缓冲区长度；

为i类业务在第j个队列缓冲区长度调整时刻的队列长度；

为i类业务在第j-1个到第j个队列缓冲区长度调整时刻之间时间段内的丢包数；

L_{i_max}为i类业务的队列缓冲区长度上限；

为i类业务在第j个队列缓冲区长度调整时刻的队列长度与在第j-1个队列缓冲区长度调整时刻的队列长度之差；

2)从A到C的顺序对三个业务队列依次进行判断：若为A类业务队列和B类业务队列，比较其预测值和当前队列缓冲区长度，如果预测值大于当前队列缓冲区长度，则队列为紧张状态，需要增加队列缓冲区长度，并计算出需要增加的队列缓冲区长度的大小，如果预测值小于当前队列缓冲区长度，则队列为空闲状态，可以减少队列缓冲区长度，并计算出可以减少的队列缓冲区长度的大小，如果预测值等于当前队列缓冲区长度，则队列为不变状态，队列缓冲区长度保持不变。若为C类业务队列，如果A类业务队列和B类业务队列有任何一方处于紧张状态，则C类业务队列无论其预测值为多少，都要处于空闲状态，可以减少队列缓冲区长度，并计算出可以减少的队列缓冲区长度的大小，如果A类业务队列和B类业务队列都处于非紧张状态，若此时C的预测值大于当前队列缓冲区长度，则C类业务队列为紧张状态，需要增加队列缓冲区长度，并计算出需要增加的队列缓冲区长度的大小，若此时C的预测值等于当前队列缓冲区长度，则C类业务队列为不变状态，队列缓冲区长度保持不变，若此时C的预测值小于当前队列缓冲区长度，则C类业务队列处于空闲状态，转至3)；

3)各类型业务增加或减少队列缓冲区长度的大小计算公式如下：队列处于紧张状态时队列缓冲区长度增加量计算公式为：

其中：

Loan_i为i类业务需要增加的队列缓冲区长度；

L_present_i为i类业务的当前队列缓冲区长度；

队列处于空闲状态时队列缓冲区长度减少量计算公式为：

其中：

L_min_i为i业务队列缓冲区长度下限；

Borrow_i为i业务可以减少的队列缓冲区长度；

判断此时三个业务队列长度是否小于初始长度，若三个业务队列长度均小于初始长度，则将三个业务队列缓冲区长度恢复成初始队列缓冲区长度。

为了检验本发明提出的考虑历史队列长度、相邻队列缓冲区长度调整时刻的队列长度增减幅度以及历史丢包数三个参量来预测下一个队列缓冲区长度调整时刻的队列长度并进行队列缓冲区长度变换的算法在当传输光纤断开，系统从有线传输切换到无线传输过程中，降低高优先级业务丢包率和整体丢包率的效果，运用Matlab进行仿真，具体如图2和图3所示。

采用Matlab作为仿真工具，仿真参数设置如下：

1)A、B、C类业务初始队列缓冲区长度分别为40，80，150；

2)A、B、C类业务最大阈值权重分别为0.9，0.85，0.8；最小阈值权重分别为0.6，0.4，0.2；

3)A、B、C类业务队列缓冲区长度上限分别为80，120，150；队列缓冲区长度下限分别为40，70，70；

4)每隔30ms设定为队列缓冲区长度调整时刻；

5)预测下一个队列缓冲区长度调整时刻的队列缓冲区长度公式中队列长度系数α₁，α₂，α₃分别为0.6，0.3，0.1；队列增减幅度系数β₁，β₂分别为0.6，0.4；

6)系统传输方式切换完成后队列分组发送速率为2000packets/s，A、B、C类业务到达速率服从参数为λ_i(i＝1,2,3)的泊松分布，其中λ₁＝240packets/s，且λ₁：λ₂：λ₃设为1：2：5；

7)QLT调度算法A、B、C类业务队列调度阈值分别为0，20，50；

8)系统从有线传输切换到无线传输的切换时间设为200ms，并从0s开始切换，由于光纤传输速率极快，可以将0s时的各类业务队列长度设为0。

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2为本发明提出的PDL-RED算法与传统RED算法在系统从有线传输切换到无线传输前后，每30ms各类业务丢包率的比较，其中图2(a)可以看出PDL-RED算法相较于传统RED算法能大幅度降低A类业务丢包率；图2(b)可以看出PDL-RED算法相较于传统RED算法能明显降低B类业务丢包率；图3可以看出PDL-RED算法相较于传统RED算法在整体丢包率上也有所降低。

仿真结果表明，本发明在系统从有线传输切换到无线传输前后，能保证高优先级业务的丢包率，并且能降低整体丢包率。