一种保障电力时延敏感业务质量的资源分配方法及系统与流程

本发明涉及电力业务资源分配技术领域，具体涉及一种保障电力时延敏感业务质量的资源分配方法及系统。

背景技术：

近年来，随着5g无线通信技术的发展，电力无线网络承载的业务类型越来越多，如何保证智能电力业务差异化的服务质量要求，提升业务效率，是5g无线通信技术在电力系统中应用发展的重要基础。根据电网中各类业务的qos确定性需求进行优先级调度是提高电力业务效率的重要手段。如何在5g确定性网络的背景下，构建较为科学合理的资源分配方案以保证电网中时延敏感类业务对时延抖动的极高要求及业务之间的公平性至关重要。目前，国内外电力业务资源分配机制的研究中，大多是采用静态及固定频谱分配的方案，即某授权用户始终占用某一固定频段，其它用户都不能使用该频段。这样的做法虽然在一定程度上保证了信号传输质量，但是分配的无线资源在绝大部分时间内未被利用，造成了频谱利用率低下，使得电力业务资源调度效率低。

技术实现要素：

因此，本发明提供一种保障电力时延敏感业务质量的资源分配方法及系统，克服现有技术中由于频谱利用率低，使得电力业务资源调度效率低的缺陷。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

第一方面，本发明实施例提供一种保障电力时延敏感业务质量的资源分配方法，包括:

将时延和时延抖动作为服务质量指标，将电力业务静态划分为主要用户pu和次要用户su，所述主要用户pu的优先级高于次要用户su；

通过预设优先级动态调整方案进一步调整次要用户su的优先级；

基于预设优先级的动态信道预留算法，为次要用户su预留信道；

根据的优先级和相应数量的预留信道，接入次要用户su并为其分配信道。

优选地，所述电力业务根据时延敏感度分为：电网控制和保护类业务、配电自动化业务、分布式能源业务、交互式音频和视频业务、用电信息采集业务，静态划分电网控制和保护类业务为主要用户pu，配电自动化业务、分布式能源业务、交互式音频和视频业务、用电信息采集业务为次要用户su。

优选地，所述通过预设优先级动态调整方案进一步调整次要用户su的优先级的过程，包括：

获取次要用户su的松弛时间，所述松弛时间ds为目标时延dd与固定时延dfixed、排队时延dq和不对称时延dcd的差值；

给次要用户su的优先级p设置松弛时间门限值:

其中，τn为优先级n的松弛时间门限值；

当某个次要用户su的松弛时间由于紧急情况突然下降到门限值时，升高它的优先级。

优选地，松弛时间ds通过以下公式表示：

ds＝dd-dfixed-dq-dcd

其中，固定时延dfixed取区间均值；排队时延λr为平均流量到达速率，μr为队列的分组传输速率；不对称时延dcd＝|td1-td2|，从机向主机发送方向通道时延为td1，主机向从机发送方向通道时延为td2，由于发送延时与接收延时不等造成的同步调整时间误差为：且ω为业务的呼叫频率，k为制动系数。

优选地，基于预设优先级的动态信道预留算法，为次要用户su预留信道的过程，包括：

获取次要用户su对主要用户pu的干扰概率，并基于此获取授权信道的空闲概率，以及次要用户su传输过程中对主要用户pu的干扰概率，并基于此获取授权信道的传输概率；

根据授权信道空闲概率或传输概率对信道的可用性进行排队；

获取次要用户su业务呼叫总到达率，并基础此获取空闲信道中次要用户的可接入信道总数。

优选地，根据的优先级和相应数量的预留信道，接入次要用户su并为其分配信道的过程，包括：

将次级基站的呼叫队列建模为m/n/j/k排队系统，其中m为请求到达时间满足满足passion分布，n为服务时间呈指数分布，j为服务台个数；k为系统空间；

利用马尔可夫链模型进行排队分析，根据次要用户su可的信道总数，计算每个业务进入阻塞状态的概率，得到每个优先级业务的呼叫阻塞概率；

新的次要用户su呼叫请求到达时，计算出该优先级预留的信道数，根据次要用户su的呼叫阻塞概率决定是否接收该新的次要用户su呼叫请求，如果需要次级基站为每个接入的次要用户su建立一个缓冲区，估计信道可用性，并将检测到的空闲信道集中合用，调度器在其分配的信道上调度被接入的su业务，持续时间为ωp是第p个优先级的呼叫频率。

优选地，当一个主要用户pu到达任何次要用户su分配的信道k时，中断正在使用信道k的次要用户su的传输，并从它的可访问信道列表中找到一个替代信道来重新调度它，如果没有替代信道可用，次级基站将挂起的次要用户su，并放入等待队列，附加在等待队列中的次要用户su具有更高的优先级，当一个信道对次要用户su可用时，根据它们的优先级来分配信道。

第二方面，本发明实施例提供一种保障电力时延敏感业务质量的资源分配系统，包括：

优先级静态划分模块，用于将时延和时延抖动作为服务质量指标，将电力业务静态划分为主要用户pu和次要用户su，所述主要用户pu的优先级高于次要用户su；

优先级动态划分模块，用于通过预设优先级动态调整方案进一步划分次要用户su的优先级；

动态预留信道模块，用于基于预设优先级的动态信道预留算法，为次要用户su预留信道；

信道分配模块，用于根据的优先级和相应数量的预留信道，接入次要用户su并为其分配信道。

第三方面，本发明实施例提供一种计算机设备，包括：至少一个处理器，以及与至少一个处理器通信连接的存储器，其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器执行本发明实施例第一方面的保障电力时延敏感业务质量的资源分配方法。

第四方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机指令，计算机指令用于使计算机执行本发明实施例第一方面的保障电力时延敏感业务质量的资源分配方法。

本发明技术方案，具有如下优点：

本发明提供的保障电力时延敏感业务质量的资源分配方法及系统，以时延和时延抖动作为qos指标，时延敏感类业务作为主要用户pu，其余业务作为次要用户su，采用静态划分和动态调整相结合的方式划分su的优先级。根据此优先级调度方案执行动态信道预留，利用马尔科夫模型进行排队分析并估计所有优先级的su到达率，然后对电力业务进行呼叫接入和资源分配，以降低高优先级su的呼叫阻塞概率，同时提高电网的频带利用率。本发明提供的资源分配方法不仅考虑了电力业务对时延和时延抖动的确定性需求，更考虑到了电网业务的公平性和传输效率，减小高优先级su的呼叫阻塞概率，提高频带利用率，保证大规模的数据传输需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中提供的保障电力时延敏感业务质量的资源分配方法的一个具体示例的流程图；

图2为本发明实施例中提供的基于时延敏感度对电力业务分类示意图；

图3为本发明实施例中提供的su业务的授权信道总数随着呼叫到达率的变化而变化的示意图；

图4为本发明实施例中提供的4类su业务的丢包率的示意图；

图5为本发明实施例中提供的各优先级业务的吞吐量的示意图；

图6为本发明实施例中提供的pu到达时各优先级的业务的时延的示意图；

图7为本发明实施例中提供的静态优先级调度和本实施例的所提供优先级调度的平均时延的比较示意图；

图8为本发明实施例保障电力时延敏感业务质量的资源分配系统的一个具体示例的原理框图；

图9为本发明实施例提供的计算机设备一个具体示例的组成图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本发明实施例提供一种的保障电力时延敏感业务质量的资源分配方法，如图1所示，包括:

步骤s1:将时延和时延抖动作为服务质量指标，将电力业务静态划分为主要用户pu和次要用户su，所述主要用户pu的优先级高于次要用户su。

实际应用中将时延和时延抖动作为服务质量(简称qos)指标，如图2所示，电力业务根据时延敏感度分为：电网控制和保护类业务、配电自动化业务、分布式能源业务、交互式音频和视频业务、用电信息采集业务，静态划分电网控制和保护类业务为主要用户pu，配电自动化业务、分布式能源业务、交互式音频和视频业务、用电信息采集业务为次要用户su，主要用户pu的优先级高于次要用户su，可以占用任何su使用的许可信道。

步骤s2:通过预设优先级动态调整方案进一步调整次要用户su的优先级。

本发明实施例中，具体实现过程为：获取次要用户su的松弛时间，所述松弛时间ds为目标时延dd与固定时延dfixed、排队时延dq和不对称时延dcd的差值：

ds＝dd-dfixed-dq-dcd(1)

其中，固定时延取区间均值1.57ms；排队时延λr为平均流量到达速率，μr为队列的分组传输速率；不对称时延dcd＝|td1-td2|，当双向通道延时不相等时，存在一定的时延差，因此设从机向主机发送方向通道时延为td1，主机向从机发送方向通道时延为td2，由于发送延时与接收延时不等造成的同步调整时间误差为：且必须满足(k为制动系数)，ω为业务的呼叫频率，才能保证保护类业务不发生误动。

每个su节点都有一个数据包的缓存队列，当所有可用信道都被pu或更高优先级的su占用时，su的数据包将会被阻塞，被阻塞的数据包重新进入缓存队列等待下次传输调度。在目标时延dd一定的情况下，随着su排队时间或不对称时延的增加，其松弛时间ds就越小。因此，给次要用户su的优先级p设置松弛时间门限值；当某个次要用户su的松弛时间由于紧急情况突然下降到门限值时，升高它的优先级，以暂时满足其qos需求。松弛时间长的su相比松弛时间短的可以在队列中停留更长的时间，这允许目标时延dd越小的su能够经历较少的排队时间而被发送。定义τn为优先级n的松弛时间门限值，p为su的优先级，取值为1，2，3，4，即class1-class4，根据目标时延要求依次对应配电自动化、交互式音频和视频、分布式能源、用电信息采集，则有具体实现过程如算法1：

本发明实施例对电力业务优先级做出如下假设：

1、pu始终具有许可信道的最高优先级，并且可以占用任何su使用的许可信道。

2、每个su一次最多可以为其服务分配一个信道。

3、每个优先级p呼入请求的到达率服从泊松分布，其中class1su具有最高优先级，class4su具有最低优先级。

4、每个优先级p的呼叫保持时间服从指数分布，ωp指第p个优先级的呼叫频率。

以上基于qos的优先级模型能较为公平地保证电力业务的差异化qos需求，并满足时延敏感类业务对时延和时延抖动的确定性要求。

步骤s3:基于预设优先级的动态信道预留算法，为次要用户su预留信道。

在一具体实施例中，获取次要用户su对主要用户pu的干扰概率，并基于此获取授权信道的空闲概率，以及次要用户su传输过程中对主要用户pu的干扰概率，并基于此获取授权信道的传输概率；根据授权信道空闲概率或传输概率对信道的可用性进行排队；获取次要用户su业务呼叫总到达率，并基础此获取空闲信道中次要用户的可接入信道总数。

具体地，假设t是pu将其状态从繁忙切换到空闲所需的时间。当su在流量模式k下的时间t处感知授权信道时，对pu的干扰概率为：

在流量模式k下的时间t处，su传输过程中对pu的干扰概率为：

其中，fx(.)是pu空闲时间的累积分布函数，γs和γt分别是su感知和传输的时间。

授权信道的空闲概率为：

授权信道的传输概率为：

其中，γ0和γ1分别指由于信道条件(例如衰落、多径效应等)和pu冲突而接收失败的概率；定义θt为su的动作空间，例如θt∈{1:transmit,0:sense}；感知观测值表示为传输观测值表示为(ack，接收成功；nack，接收失败)；σt表示基于流量模式k下的历史动作观测值ot，pu在时间t处空闲的条件概率。

需要说明的是流量模式k是授权信道的空闲时间分布是特定于pu流量的。例如，具有不同pu业务模式(即pu活动)的两个不同信道可能具有相同的信道占用概率，但是它们仍然可能具有不同的空闲/忙碌频率。本实施例假设次级基站sbs知道授权信道流量模式，这些模式是基于现有的贝叶斯非参数流量聚类方法计算的。

本发明实施例为服务质量自适应认知网络设计了一种基于服务质量供应的动态信道预留方案，以降低高优先级阻塞概率，并确保信道的高效利用。在本发明实施例中，如图3所示，可用于接收任何优先级p的su业务的授权信道总数随着呼叫到达率的变化而变化，考虑p个不同的su流量优先级，用λp表示优先级p的呼叫到达率。所有su业务呼叫的总到达率如下：

优先级p的保留信道数计算如下：

其中，n表示在sbs附近获得授权的总信道数量，sbs可在时间t处为su预留k个信道。因此，k可以用下式替换：

最后，k个空闲信道中第p个优先级的可接入信道总数如下:

如果su业务的优先级高，则分配给它更多数量的授权信道，以最小化其呼叫阻塞概率。然而，任何优先级p的业务呼叫只有在该类的预留信道尚未被占用时才被接收。

为了估计呼叫到达率，观察了所有优先级的最后n+1次呼叫，并测量了任意优先级p的两次连续调用(i-1)和i之间的到达时间因此，为了计算两次连续调用的平均到达时间，取每个优先级的n个样本并计算

为得到无偏估计，求的期望：

其中，δt^p表示真值，证明了是无偏估计。因此，根据最后n+1个观测值计算优先级p的平均呼叫到达率λp：

因此，λp是一个无偏估计，可以估计优先级p流量呼叫的到达率。

步骤s4:根据的优先级和相应数量的预留信道，接入次要用户su并为其分配信道。

本实施例将sbs的呼叫队列建模为m/n/j/k排队系统，其中m为请求到达时间满足满足passion分布，n为服务时间呈指数分布，j为服务台个数；k为系统空间，即可接入信道数；利用马尔可夫链模型进行排队分析，根据次要用户su可的信道总数，计算每个业务进入阻塞状态的概率，得到每个优先级业务的呼叫阻塞概率；新的次要用户su呼叫请求到达时，计算出该优先级预留的信道数，根据次要用户su的呼叫阻塞概率决定是否接收该新的次要用户su呼叫请求，如果需要次级基站为每个接入的次要用户su建立一个缓冲区，估计信道可用性，并将检测到的空闲信道集中合用，调度器在其分配的信道上调度被接入的su业务，持续时间为算法2解释了基于优先级的su呼叫接纳和信道分配方法的过程。

次级基站sbs估计所有授权信道并识别空闲信道(第1-2行)，如果发现一个信道空闲，应该将其合并到可用信道集合k中(第3-4行)；否则，它将被忽略(第5-6行)。最后，所有检测到的空闲信道根据它们相应的处理器空闲概率进行排序(第7行)。因此，对k个可用频道的最终集合进行排序，其中0≤k≤n。本发明实施例根据授权信道空闲概率进行排序作为举例，不以此为限，也可以根据授权信道的传输概率(公式5)对信道的可用性进行排队。

本发明实施例，当一个pu到达任何一个su分配的信道k时，调度器立即中断正在使用信道k的su的传输，并从它的可访问信道列表中找到一个替代信道来重新调度它。如果没有替代信道可用，基站将挂起的su，并放入等待队列。附加在等待队列中的su具有更高的优先级，因为当一个信道对su可用时，就根据它们的优先级来分配信道。算法3进行了根据的优先级和相应数量的预留信道，接入次要用户su并为其分配信道的过程。

算法3从第1–3行开始，当任何优先级为p的su到达时，基站估计和每个优先级的流量到达率。在第4行，计算每个优先级p可访问的信道数kp，如果已经占用的信道数小于kp，则接受优先级p的呼叫；否则，拒绝(第5-9行)。在su被分配后，如果需要，基站为被接纳的用户单元保留缓冲区相应su的传输并寻找替代方案(第10-11行)。如果找到了替代通道，sbs将重新调度挂，并更新被占用的信道索引。当基站在su使用的任何通道上检测到pu到达时，sbs将立即挂起起的su；否则，它将被删除并附加到等待队列中(第12-17行)。

为进一步说明本发明实施例提出的资源分配方法的分配效果，进行了仿真验证：

图4所示，显示当pu业务到达时，4类su业务的丢包率，其中优先级1丢包率最低，优先级4的丢包率最高。本发明采用基于优先级的动态信道预留方案，为高优先级的su预留替代信道，当pu到达时，可有效降低其呼叫阻塞概率。

图5为在pu到达时各优先级业务的吞吐量，pu的到达率越高，许可信道繁忙的概率就越高。因此，会导致更高的丢包率和较低的吞吐量。随着pu到达率的增加，su的总吞吐量降低。

图6为pu到达时各优先级的业务的时延，随着pu的到达，优先传输pu业务，增加了信道的繁忙，就可能会导致su业务的排队，从而增加了各业务的延时。

图7比较了静态优先级调度和本实施例的所提优先级的调度，从图中可以看出当优先级为静态时，所有业务的平均时延比本文所提方案高。因此，仅仅通过静态划分优先级，不能保障智能电网的qos。

本发明实施例根据电力业务的确定性需求，以时延和时延抖动作为qos指标，时延敏感类业务作为主要用户pu，其余业务作为次要用户su，采用静态划分和动态调整相结合的方式划分su的优先级。根据此优先级调度方案执行动态信道预留，利用马尔科夫模型进行排队分析并估计所有优先级的su到达率，然后对电力业务进行呼叫接入和资源分配，以降低高优先级su的呼叫阻塞概率，同时提高电网的频带利用率。该资源分配方案不仅考虑了电力业务对时延和时延抖动的确定性需求，更考虑到了电网业务的公平性和传输效率，减小高优先级su的呼叫阻塞概率，提高频带利用率，保证大规模的数据传输需求。

实施例2

本发明实施例提供一种保障电力时延敏感业务质量的资源分配系统，如图8所示，包括：

优先级静态划分模块1，用于将时延和时延抖动作为服务质量指标，将电力业务静态划分为主要用户pu和次要用户su，所述主要用户pu的优先级高于次要用户su；此模块执行实施例1中的步骤s1所描述的方法，在此不再赘述。

优先级动态划分模块2，用于通过预设优先级动态调整方案进一步划分次要用户su的优先级；模块执行实施例1中的步骤s2所描述的方法，在此不再赘述。

动态预留信道模块3，用于基于预设优先级的动态信道预留算法，为次要用户su预留信道；模块执行实施例1中的步骤s3所描述的方法，在此不再赘述。

信道分配模块4，用于根据的优先级和相应数量的预留信道，接入次要用户su并为其分配信道；模块执行实施例1中的步骤s4所描述的方法，在此不再赘述。

本发明实施例提供的保障电力时延敏感业务质量的资源分配系统，以时延和时延抖动作为qos指标，时延敏感类业务作为主要用户pu，其余业务作为次要用户su，采用静态划分和动态调整相结合的方式划分su的优先级。根据此优先级调度方案执行动态信道预留，利用马尔科夫模型进行排队分析并估计所有优先级的su到达率，然后对电力业务进行呼叫接入和资源分配，以降低高优先级su的呼叫阻塞概率，同时提高电网的频带利用率。该资源分配方案不仅考虑了电力业务对时延和时延抖动的确定性需求，更考虑到了电网业务的公平性和传输效率，减小高优先级su的呼叫阻塞概率，提高频带利用率，保证大规模的数据传输需求。

实施例3

本发明实施例提供一种计算机设备，如图9所示，包括：至少一个处理器401，例如cpu(centralprocessingunit，中央处理器)，至少一个通信接口403，存储器404，至少一个通信总线402。其中，通信总线402用于实现这些组件之间的连接通信。其中，通信接口403可以包括显示屏(display)、键盘(keyboard)，可选通信接口403还可以包括标准的有线接口、无线接口。存储器404可以是高速ram存储器(ramdomaccessmemory，易挥发性随机存取存储器)，也可以是非不稳定的存储器(non-volatilememory)，例如至少一个磁盘存储器。存储器404可选的还可以是至少一个位于远离前述处理器401的存储装置。其中处理器401可以执行实施例1的保障电力时延敏感业务质量的资源分配方法。存储器404中存储一组程序代码，且处理器401调用存储器404中存储的程序代码，以用于执行实施例1的保障电力时延敏感业务质量的资源分配方法。

其中，通信总线402可以是外设部件互连标准(peripheralcomponentinterconnect，简称pci)总线或扩展工业标准结构(extendedindustrystandardarchitecture，简称eisa)总线等。通信总线402可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图9中仅用一条线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。

其中，存储器404可以包括易失性存储器(英文：volatilememory)，例如随机存取存储器(英文：random-accessmemory，缩写：ram)；存储器也可以包括非易失性存储器(英文：non-volatilememory)，例如快闪存储器(英文：flashmemory)，硬盘(英文：harddiskdrive，缩写：hdd)或固降硬盘(英文：solid-statedrive，缩写：ssd)；存储器404还可以包括上述种类的存储器的组合。

其中，处理器401可以是中央处理器(英文：centralprocessingunit，缩写：cpu)，网络处理器(英文：networkprocessor，缩写：np)或者cpu和np的组合。

其中，处理器401还可以进一步包括硬件芯片。上述硬件芯片可以是专用集成电路(英文：application-specificintegratedcircuit，缩写：asic)，可编程逻辑器件(英文：programmablelogicdevice，缩写：pld)或其组合。上述pld可以是复杂可编程逻辑器件(英文：complexprogrammablelogicdevice，缩写：cpld)，现场可编程逻辑门阵列(英文：field-programmablegatearray，缩写：fpga)，通用阵列逻辑(英文：genericarraylogic,缩写：gal)或其任意组合。可选地，存储器404还用于存储程序指令。处理器401可以调用程序指令，实现如本申请执行实施例1中的保障电力时延敏感业务质量的资源分配方法。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令可执行实施例1的保障电力时延敏感业务质量的资源分配方法。其中，所述存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-onlymemory，rom)、随机存储记忆体(randomaccessmemory，ram)、快闪存储器(flashmemory)、硬盘(harddiskdrive，缩写：hdd)或固降硬盘(solid-statedrive，ssd)等；所述存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。