本发明涉及电力光载通信网技术领域，特别涉及一种量子通信业务的电力光载通信多维资源分配优化方法。
背景技术
随着我国智能电网建设的展开以及量子通信技术的应用，电力系统对通信宽带、稳定性、接入可靠性和安全性的要求越来越高，针对利用量子通信产生的密钥支撑电力通信业务安全传输的现状和特点，合理地植入光载无线通信技术，将光和无线的优势相结合，可以在满足通信可靠安全需求的同时减少成本。如图1所示，量子密钥点对点组网方案中，业务密钥产生主要是通过量子密钥生成终端协商产生密钥，并由传输网承载的数据通信网进行承载分发。
目前，国家电网已建成大容量光通信骨干网，并部署了相关量子设备，产生并分配密钥。但是在接入网方面，转发量子密钥相对缺乏技术支撑条件，主要体现在覆盖范围、适用野外恶劣环境等方面存在不足。适用于电网的光载无线技术应运而生。
光载无线通信作为一种光与无线传输交叉融合的先进技术，不仅适用未来通信技术的发展要求，而且具备诸多技术优势。一方面，光载无线通信技术继承了光纤通信快捷、安全、稳定的优势，另一方面也具有无线通信成本低、适应好、设备维护操作方便等特点。
电网拥有的行业资源优势为光载无线通信技术在电力行业中的应用提供了有利的先决条件。目前，110kv以上电压等级的输电线路、变电站基本实现光纤覆盖，且电力行业拥有专用的230mhz无线频率资源。已有的专用光纤资源可以减少建设成本，避免重复投资，缩短建设周期，已有的专用无线频段可以减免频谱竞争，降低信号间干扰。
电力光载无线通信技术的原理如图2所示，充分利用电力行业丰富的光缆资源，以及光纤传输低损耗、高带宽特性，代替传统的基带数据处理模块和射频发射天线模块间的射频线缆，改变传统基站中基带与射频信号集中处理的方式，将基站的无线信号和基带信号在不同的地理位置上处理，传统的基站系统被分拆为基带处理(中心基站)与射频传输(远端基站)两部分，二者放置在不同的物理位置。远端基站仅实现简单的光电转换功能，而复杂昂贵的设备集中到中心基站，让多个远端基站共享这些设备。
和传统的无线通信方式相比，采用电力光载无线通信技术具有如下优点：
(1)覆盖范围扩大：适应智能电网的网架结构，充分利用现有的光缆资源，将无线通信技术和光纤通信技术相结合，扩大传统光纤通信和无线通信的覆盖范围，减少传统无线通信方式的覆盖盲区。
(2)建网成本降低：基站的无线覆盖小区可由多个分散放置的天线组成，在简化远端基站的同时，也可以在中心基站实现功能的集中、器件设备的共享以及频谱带宽资源的动态分配，从而大幅度降低整个宽带无线接入系统的成本。
(3)部署方式灵活：基站系统被拆分为中心基站和远端基站，远端基站功耗低，部署灵活，可以适应输配电领域通信覆盖范围大，环境恶劣的特点。
(4)提升容量：由于远端基站的成本较低，布设密度可相应提高，在带宽一定的情况下，可以获得更大的信道容量。
但是，网络中资源的多维性对电力光载无线通信的管理和分配带来了困难，较高qos的服务质量需求以及噪声干扰的存在限制了频谱资源的可用性，不同应用程序的优先级别限制了服务和qos保障，而硬件的运算能力又限制了这些应用程序的执行。
联合资源管理的主要任务就是屏蔽这些限制，使其对用户来说是透明的。网络资源管理的目标，是在有限的宽带下，为网络内的用户提供质量保障。其出发点是在网络负载分布不均匀、信道特性起伏变化的情况下，灵活分配和动态调整可用资源，最大程度地提高频谱利用率，防止网络拥塞并尽可能减小信令负荷的开销。多维资源联合管理优化技术从全局角度考虑频谱、功率、距离和处理单元等各种资源的不同特性，可以将网络中各种接口资源进行最为有效地规划和调度，在有限资源的情况下，满足用户的业务需求，确保服务质量，扩大系统的覆盖范围，最大程度地提高资源利用率。
那么，如何在电力光载无线通信网背景下，进行有效的多维资源集中管理，通过资源的优化配置提高网络性能是电力行业亟需解决的问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种量子通信业务的电力光载通信多维资源分配优化方法，以实现电力行业多维资源的全局化调度。
为实现以上目的，本发明采用一种量子通信业务的电力光载通信多维资源分配优化方法，其用于在光纤控制器使用辅助图选择承载量子通信业务的候选路径，包括：
在业务需求信号传输到电力光载无线网时，根据当前实际网络状态建立辅助图，该辅助图由无线电层、光层、处理单元层以及无向边构成，该无向边包括无线电边、rof边和光谱边；
获取计算所述无向边权重的参数，并根据无向边权重的参数计算所述无向边的权重；
在源节点和目的节点间使用dijkstra最短路径算法，选取相应节点和链路作为承载量子通信业务的初步候选路径；
以所述无向边的权重作为约束条件，从所述初步候选路径中选择具有最小边权重和的路径作为最终候选路径，建立光路。
进一步地，所述光学控制器分别与无线电控制器、bbu控制器连接进行双向通信，该光学控制器、无线电控制器以及bbu控制器分别用于控制无线层、光层及bbu资源频谱层；
所述无线层、光层及bbu资源频谱层采用openflow协议接入电力骨干网；
所述光学控制器用于虚拟化所需的光网络资源，得到虚拟无线资源；
所述无线电控制器用于管理和监控该虚拟无线资源。
进一步地，所述用于计算无向边权重的参数包括：无线电发射频率rf0、用户i和无线电层rrh节点j间的无线电频率rfi,j、无线电链路上用户i和rrh节点j间距离di,j和功率pi,j的比值、rrh节点j向光节点k发射的无线电信号的符号率bj,k、无线电频率fj,k、第s个子载波相邻可用光谱m、n的连续性程度
进一步地，所述根据无向边权重的参数计算所述无向边的权重，包括：
根据所述无线电频率rfi,j及无线电链路上距离di,j和功率pi,j的比值，计算用户i和无线电层节点j之间的无线电边权重
根据所述无线电信号的符号率bj,k和无线电频率fj,k，计算天线与光层中节点j之间的rof边权重
根据所述第s个子载波相邻可用光谱的连续性程度
其中：
式中，rf0表示无线电发射频率，fj,k表示无线电频率，c和q表示归一化参数。
进一步地，所述在源节点和目的节点间使用dijkstra最短路径算法，选取相应节点和链路作为承载量子通信业务的初步候选路径，包括：
在电力光载无线网中，以路由节点为定点、通信链路为边建立权重有向图；
将权重有向图中的顶点分为第一顶点组和第二顶点组，第一顶点组包括已确定最短路径的顶点，第二顶点组包括未确定最短路径的顶点；
按最短路径长度递增的顺序逐个将第二顶点组中的顶点添加到第一顶点组中，直到从源节点出发的所有可达顶点都添加进第一顶点组中，得到最短径长通信链路作为初步候选路径。
进一步地，在在计算所述无向边的权重的基础上，从所述初步候选路径中选择具有最小边权重和的路径作为最终候选路径，建立光路，包括：
利用所述无向边权重对初步候选路径进行约束，得到最终候选路径；
基于跨层级联的异质资源调度机制确定调制无线信号的边缘光节点；
根据所述最终候选路径和边缘光节点建立光路。
进一步地，在所述无向边的权重的基础上，根据该候选路径，建立光路之后，还包括：
通过光谱连续性约束对所述建立的光路进行检查。
与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：本发明借助辅助图，根据多维资源边权重实现服务提供。在此基础上，在多维网络中源节点到目的节点间使用dijkstra最短路径算法计算并选择候选路径建立光路，为量子密钥分发提供通道。传统网络中的路由方法只选择最短路径从而建立光路，然而，如果所选光链路光谱使用程度较高，上述所选用的最短路径将导致网络负载严重，无线覆盖和网络性能下降，连接此链路的其他请求将被阻塞，对动态业务需求的响应较弱。本发明的方法考虑到电力光载网络中的多维资源整合问题，相比于传统方案，能够增强对动态端到端用户需求的响应，高效地实现资源优化，同时提供服务质量保证。
附图说明
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述：
图1是量子密钥点对点组网方案原理图；
图2是电力光载无线通信技术模式示意图；
图3是一种量子通信业务的电力光载通信多维资源分配优化方法的流程示意图；
图4是本发明多维资源分配优化方法的适用场景；
图5是另一种量子通信业务的电力光载通信多维资源分配优化方法的流程示意图；
图6是资源集成配置方案辅助图。
具体实施方式
为了更进一步说明本发明的特征，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图。所附图仅供参考与说明之用，并非用来对本发明的保护范围加以限制。
如图3所示，本实施例公开了一种量子通信业务的电力光载通信多维资源分配优化方法，其适用于对应用了光载无线通信技术的电力接入网(即电力光载无线网)进行多维资源集成管理，通过资源的优化配置提高电力接入网的性能。该方法包括如下步骤s1至s4：
s1、在业务需求信号传输到电力光载无线网时，根据当前实际网络状态建立辅助图，该辅助图由无线电层、光层、处理单元层以及无向边构成，该无向边包括无线电边、rof边和光谱边；
s2、获取计算所述无向边权重的参数，并根据无向边权重的参数计算所述无向边的权重；
s3、在源节点和目的节点间使用dijkstra最短路径算法，选取相应节点和链路作为承载量子通信业务的初步候选路径；
s4、以所述无向边的权重作为约束条件，从所述初步候选路径中选择具有最小边权重和的路径作为最终候选路径，建立光路。
需要说明的是，如图4所示，本实施例提供的量子通信业务的电力光载通信多维资源分配优化方法适用的场景为：
在电力接入网中，在光网络和应用层资源之间使用sdn控制器执行跨层优化。弹性光网络用于互连bbu，同时分布式rrh汇聚到光网络，为无线信号分配更细粒度的定制频谱。引入sdn的思想，可以实现基于采用sdn编排的多层资源集成和跨层优化。
无线层、光层和bbu资源频谱层都是由软件定义的，采用openflow协议(ofp)，分别由无线电控制器(rc)，光纤控制器(oc)和bbu控制器(bc)统一控制。多维资源整合方案强调rc与oc之间的合作，以克服多层覆盖网络产生的互通障碍，有效实现垂直整合。为了提供端到端的qos，通过控制器间水平合并的交互，合并多个层次资源，同时实现光和处理资源的全局跨层优化。光纤控制器oc虚拟化所需的光网络资源，而无线电控制器rc管理和监控虚拟无线资源。在光纤控制器oc中使用辅助图执行rip方案，决定候选路径。可在增强对动态端到端用户需求响应的同时对多维资源进行全局调度。
进一步地，所述用于计算无向边权重的参数包括：无线电频率rfi,j、无线电链路上距离di,j和功率pi,j的比值、无线电信号的符号率bj,k、无线电频率fj,k、第s个子载波相邻可用光谱的连续性程度
辅助图ag各无向边的计算公式为：
式中：
其中，
进一步地，上述步骤s3：在源节点和目的节点间使用dijkstra最短路径算法，选取相应节点和链路作为承载量子通信业务的初步候选路径。其原理为：
首先，在电力光载无线网络中，以路由节点为定点，以通信链路为边建立带权重有向图；将图中的所有顶点分成两组，第一组为已确定最短路径的顶点，第二组为未确定最短路径的顶点；然后按最短路径长度递增的顺序逐个将第二组中的顶点添加到第一组中，直到从源节点出发的所有可达顶点都添加进第一组中。
在此过程中，必须保持从源节点到第一组的各个顶点的最短路径长度都不大于从源节点出发到第二组的任何顶点的最短路径长度。两组中的每个顶点都对应着一个距离，第一组顶点所对应的距离值是从源节点出发到该顶点的最短路径长度，第二组顶点对应的距离是从源节点出发到该顶点，并且仅以第一组中顶点为中间顶点的最短路径长度。
其具体过程为：
将顶点端集分为两组，一组称为置定端集gp，另一组称为未置定端集g-gp，每端都逐步给予一个标值。对于置定端，这标值就是源端vs到该端的最短路径的长度；对于未置定端，所标的值是暂时的，随着算法的进展而调整。dab表示端a、b间的权值。
开始时，令指定端vs被置定，标值为0，置定端集gp＝{vs}，其他端都为未置定，暂时标值wj＝dsj(vj∈g-gp)。若
综上所述，dijkstra最短路径算法的步骤如下：
d0：起始：
置定vs，置ws＝0，得gp＝{vs}，暂置wj＝∞(vj∈g-gp)
d1：计算暂置值：
其中，wi是上一次置定值，wj是上一次暂置值。
d2：取最小值
将v1并入gp得到新的gp。若|gp|＝e(e为网络中所有节点的集合)，即所有端都被置定，终止，不然返回d1。
用以上步骤置值，可得所有端到vs的最短径长。最短径也可由计算过程中看出，当暂置值变更时，就说明经过一次转接，直到被置定为止。若只要求计算vs到某一端vk的最短径长，则上述步骤可在vk并入gp后即终止，这样可压缩计算量。
进一步地，上述步骤s4：在计算所述无向边的权重的基础上，从所述初步候选路径中选择具有最小边权重和的路径作为最终候选路径，建立光路。其原理为：业务到来时，相应的辅助图根据当前网络状态产生，给每个边赋以对应的权重。基于辅助图首先在源宿节点间进行考虑边权重的最小权重算法，寻找具有最小权重值和的路径作为候选路径。基于跨层级联的异质资源调度机制可决定哪个光节点为调制无线信号的边缘光节点，并建立新光路。
本实施例中在采用dijkstra最短路径算法选取最短路径之后，利用各无向边的权重对其进行约束，从最短路径中选取最合适的路径，构建光路。在保障量子秘钥传输服务质量的前提下，提高了资源利用率，实现多维资源的全局优化调度，增强了对动态端到端用户需求的安全传输的响应。
优选地，如图5所示，本实施例在上述步骤s4之后，还包括：
通过光谱连续性约束对所建立的光路进行检查。
需要说明的是，通过光谱连续性约束对所建立的光路进行检查可确保沿路由每条链路上为同一用户请求分配相同的频谱资源，保障光网络对业务传输的合理性要求。
如图6所示，本实施例借助辅助图，该图根据当前网络状态建立，由无线电层、光层、处理单元层以及三种无向边组成，即无线电边，rof边和光谱边。然后根据光载无线网络中多维资源边权重实现服务配置。与传统方案(如图2所示)：将传统的基站系统分拆为基带处理(中心基站)与射频传输(远端基站)两部分，二者放置在不同的物理位置，用光纤进行连接。复杂昂贵的设备集中到中心基站，让多个远端基站共享这些设备。远端基站使用电力行业专用的230mhz无线频率资源与无线终端进行通信，实现简单的光电转换功能。相比之下：本实施例提供的方案可在本地有效拉动远端处理资源实现协同无线管理，可利用无线层和光网络层的多层资源以支持服务调度，异质资源调度机制可通过光与无线网络跨层级联方法实现，在多层重叠网络中通过使用混合路径，采用无线与光谱等资源为用户提供高效服务，增强对动态端到端用户需求的响应并且在考虑多维资源的情况下全局调度服务，集成资源，大大提高资源利用率。通过最佳的多维资源使用来减少服务队列中的拥塞，降低路径配置延迟，能够高效地实现全局性电力光载无线网络和应用资源的优化，以实现更高服务质量(qos)保证。
需要说明的是，本发明的技术方案适用于任何网络拓扑，本发明对多维资源整合的方法可结合不同网络场景进行资源的分配过程。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。