一种面向电力自动化过程的5G网络资源调度方法

一种面向电力自动化过程的5g网络资源调度方法
技术领域
1.本发明涉及电力自动化技术领域，具体是一种面向电力自动化过程的5g网络资源调度方法。


背景技术：

2.5g可通过虚拟化和云化技术，开放位置服务、业务配置、内容缓存等网络能力，为到来的网络服务(network service,ns)提供具有保障的网络能力，通过核心网资源管理和编排实现高效的网络负载管理和资源优化。因此电力自动化场景在虚拟化范畴中，业务所需的网络服务是由一系列串联起来的虚拟网络功能(virtualized network function,vnf)组成的，vnf可以动态创建与删除，灵活性高并且可扩展，不仅部署更方便，资源利用也更加地高效，从而降低了运营成本和资本性支出。网络服务的构建与部署主要考虑虚拟网络功能的数目、网络功能在服务功能链中的顺序和在虚拟化基础设施(network function virtualization infrastructure,nfvi)中整个服务功能链的资源分配情况，包含多个服务链结构的逻辑拓扑可以用虚拟网络功能转发图表示，因此服务请求可通过虚拟功能转发图的编排来实现。
3.转发图编排能够根据特定的应用场景设计网络服务模板ns，继而根据网络服务模板，驱动底层基础设施域的相关功能开放和资源管理，最终满足特定应用需求。具体可分为高层业务编排与底层资源编排或调度，业务编排主要负责端到端业务可用性的保障，资源编排则提供相应的底层基础资源调度，其流程可如图1所示。首先根据应用场景定义出业务，由通信服务管理功能(communication service management function,csmf)将业务的通信服务需求转换为对切片管理功能(network slice management function,nsmf)的网络切片需求，即网络服务需求，包括了业务的区域相关容量、覆盖面积、隔离程度、可达性、可靠性、带宽、时延等需求描述。然后nsmf将网络切片需求又分解为网络子切片的服务等级协议(service level agreement,sla)需求，向子切片管理功能(network slice subnet management function,nssmf)下发网络子切片部署请求，最终各领域的nssmf将网络切片子网的sla需求转换为网元的业务参数并下发。
4.petri网是一种集数学分析和图形描述的建模分析工具，可以对具有并发、冲突、共享、不确定性的分布式系统进行建模分析，得到有关系统结构和动态行为方面的信息，根据这些信息可以对要开发的系统进行评价和改进。petri网以其模型的直观图形表示和方便的模型分析能力在计算机科学领域、通信与网络、自动控制系统、等领域有着广泛的应用。
5.5g转发图编排具体可分为高层业务编排与底层资源编排或调度，业务编排主要负责端到端业务可用性的保障，资源编排则提供相应的底层网络资源调度。网络资源调度通常是通过流调度算法对业务流流经各节点的时延、优先级等进行控制，现有的主流流调度算法主要为时间敏感型网络(time sensitive network,tsn)中提出的流调度算法。
6.对于时延要求高的业务流调度问题，若按照严格优先级的方式进行调度，当存在
时间敏感流时，会造成普通业务流服务的不确定性，并且不同优先级的时间敏感流之间也会互相影响。因此，tsn ieee 802.1qav协议中提出了整形算法cbs，cbs通过对时间敏感流进行流量整形和队列调度来减小时间敏感流的突发和保障其调度的优先级。然而有的电力自动化业务对确定性时延要求很高，如差动保护业务，严格优先级和cbs算法都不能满足差动保护业务的确定性需求。因为当低优先级数据帧正在传输时，高优先级数据帧需等待低优先级帧传输完成才能开始传输，算法不能保障高优先级业务的确定性时延需求。因此ieee 802.1qbv协议中提出了门操作机制，门操作机制基于时分多址tdma(time division multiple access)的思想，为每个周期性数据流提前预留网络资源来保证数据流之间不会互相干扰和传输的实时性。
7.然而，网络中的业务量是有一定突发性，上述算法和机制对于限定周期内并不能保证合适的公平性，帧的调度顺序不应只决定于优先级，且帧的优先级不应保持不变，应使高优先级不被“撑死”，低优先级不被“饿死”。除此之外，对于电力自动化过程中，大量业务所需的ns部署过程可能存在逻辑冲突以及对共享资源的竞争问题，现有流调度技术未考虑上述问题。


技术实现要素：

8.为克服现有技术的不足，本发明提供了一种面向电力自动化过程的5g网络资源调度方法，解决现有技术存在的以下问题：电力自动化业务之间存在工作逻辑冲突、资源分配不合理，难以满足多样化电力自动化业务的及时、准时、协同等确定性需求。
9.本发明解决上述问题所采用的技术方案是：
10.一种面向电力自动化过程的5g网络资源调度方法，建立基于petri网的vnf-fg流调度模型，在进行5g网络资源调度时将节点调度问题转换成petri网托肯调度问题。
11.作为一种优选的技术方案，vnf-fg流调度模型中，每个业务流被表示成一个含托肯的库所，每个库所都与vnf进程的petri模型中的变迁相连，多个业务流对资源的竞争抽象为对共享变迁t1的竞争；若业务流库所中的托肯发生转移表示vnf进程正在处理该业务；在节点调度前，多个业务流在vnf的端口处排队等待处理；当业务流处理完成时，进入下一个vnf进程处理。
12.作为一种优选的技术方案，业务流i的转发限制如下：
[0013][0014]
令其中，i表示vnf-fg流调度模型中一个在间隔(τ,t)内转发的业务流的编号，j表示vnf-fg流调度模型中另一个在间隔(τ,t)内转发的业务流的编号，n表示vnf-fg流调度模型中在间隔(τ,t)内转发的业务流总数，i≠j；i＝1,2...,n；j＝1,2...,n，i、j均必须是在(τ,t)内连续转发时才能成立，gi表示业务流i的确保速率，τ表示时间间
隔起点，t表示时间间隔终点，si(τ,t)表示时间间隔(τ,t)内业务流i得到的服务量。
[0015]
作为一种优选的技术方案，基于动态紧急度的确定性托肯调度算法进行5g网络资源调度。
[0016]
作为一种优选的技术方案，基于动态紧急度的确定性托肯调度算法基于tsn的优先级调度算法和gps算法，具体为：在建立的vnf-fg节点流调度模型中，每个业务流被描述为含有托肯的库所，动态计算库所中托肯的优先级，每个托肯具有不同的优先级，托肯的优先级表示该业务流的优先级；在每一次调度时，根据托肯的优先级分配托肯调度的时隙。
[0017]
作为一种优选的技术方案，动态优先级的计算受全路径规划的进程消耗时间要求与业务流到达该进程时的状态影响，将该优先级称为紧急度；在上一次调度时都会计算下一周期内需要调度的托肯的紧急程度，并以此决定下一周期的托肯调度的次序，基于动态紧急度的确定性托肯调度算法在每一进程中规划等待时间，实际等待时间越接近该时间紧急度越低，反之越高。
[0018]
作为一种优选的技术方案，基于动态紧急度的确定性托肯调度算法包括以下步骤：
[0019]
s1，对到达进程的不同业务流中的托肯进行分类，整体分为确定性需求托肯和非确定性需求托肯；
[0020]
s2，获取托肯的特征信息；
[0021]
s3，计算紧急度ci(t)，根据紧急度动态编排每一业务流库所中托肯的调度顺序；
[0022]
s4，根据紧急度整体编排调度顺序，进而根据抖动特性、实际时延与期望时延差值进行调整，寻得最优排列方案，再将调度周期内剩余时间窗口分配给非确定性需求业务。
[0023]
作为一种优选的技术方案，步骤s3中，对于及时确定性要求的业务，其存在时间下界门限值要求，其紧急度ci(t)表达式如下：
[0024][0025]
其中，di(t)为t时刻的业务从源端开始发送所经历的时间，业务当前di(t)越接近下界门限值，其紧迫度越高；
[0026]
wi为一个调度周期内，托肯开始服务与结束服务时刻之间的时间段成为该托肯的服务窗口的宽度：
[0027]
wi＝(li+l
over
)/r；
[0028]
式中，l
over
为发送该托肯所需要的固定开销，
[0029]
网络中n个确定性需求托肯f1,f2...fn，对于每一个托肯fi(i＝1,2...n)，其托肯大小为li，发送周期为ti，cpu的处理速率为r，ti＝r/li；
[0030]dd
为该进程d处的期望等待时延值，具体表示为：
[0031][0032]
式中，qi为ftvpo算法所要求托肯i在进程处的排队时延，由总消耗时间减去固定
的cpu处理时间可得，td为到达进程d的链路时延与cpu处理时间之和。
[0033]
作为一种优选的技术方案，步骤s3中，对于准时确定性与协同确定性要求的业务，其存在时间上界与下界门限值要求，其紧急度ci(t)表达式为：
[0034][0035]
式中，du为业务的时间上界门限值，du为时间下界值与允许的抖动范围求得，当前di(t)未达到在该进程处的时间下界门限值时，其紧急度设置为0，当当前di(t)已位于业务所要求的时间上下界中时，则di(t)距离时间上界越近越紧迫，当前时间已经超过时间上界门限值时，则di(t)距离时间上界越远越紧迫。
[0036]
作为一种优选的技术方案，步骤s4中，利用当前托肯调度完成到下一次再调度的时间间隔的波动描述托肯调度的抖动特性，假定在一个周期内，托肯fi被调度服务k次，对于序列中的第j次调度，其传输窗口记为w
tx
(i,j)，相邻传输窗口的发送间隔为tdi(j)：
[0037][0038]
式中，w
tx
(i,j)
start
为托肯fi第j次调度相对于调度周期开始时刻的起始时间；
[0039]
定义fi的抖动特性pdv(fi)：
[0040]
pdv(fi)＝max{tdi(m)}-min{tdi(n)}；
[0041]
m表示托肯fi的第m次调度，n表示托肯fi的第n次调度。
[0042]
本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：
[0043]
(1)本发明基于petri网建模的优势，本发明采用petri网对流调度过程进行建模，建立vnf-fg通信调度模型进行业务流调度，解决电力自动化业务之间的工作逻辑冲突和资源的合理分配问题；并且保障业务流调度时的库所消耗时间，使不确定业务的排队等待时间可控，从而支撑vnf-fg的确定性编排，满足多样化电力自动化业务的及时、准时、协同等确定性需求；
[0044]
(2)本发明针对tsn流调度存在高优先级“撑死”，低优先级“饿死”的问题，为实现在可达路径中保障库所消耗时间，将不确定业务的排队等待时间可控，基于tsn优先级调度和gps算法思想，提出了基于动态紧急度的确定性托肯调度算法duts，动态调整每一业务流托肯在进程中的紧急度，进而调整调度顺序，减少时延抖动，实现托肯的确定性调度。
附图说明
[0045]
图1为转发图编排的流程示意图；
[0046]
图2为vnf-fg节点调度的petri网模型示意图；
[0047]
图3为确定性托肯调度示意图。
具体实施方式
[0048]
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
[0049]
实施例1
[0050]
如图1至图3所示，因此基于petri网建模的优势，本发明采用petri网对流调度过程进行建模，建立vnf-fg通信调度模型进行业务流调度，解决电力自动化业务之间的工作逻辑冲突和资源的合理分配问题。并且保障业务流调度时的库所消耗时间，使不确定业务的排队等待时间可控，从而支撑vnf-fg的确定性编排，满足如表1所示的多样化电力自动化业务的及时、准时、协同等确定性需求。
[0051]
表1业务确定性定义表
[0052][0053]
一种面向电力自动化过程的5g网络资源调度方法分为调度模型建模和调度算法两部分。方法针对工业场景业务的及时、准时、协同的确定性需求，建立了基于petri网的vnf-fg流调度模型，并设计了基于动态紧急度的确定性托肯调度算法。
[0054]
1)vnf-fg流调度模型具体为：
[0055]
通信时延主要有节点的处理时延t1，节点将数据放在缓冲区内引起的排队时延t2，通过整个网络的各个交换节点以及物理链路产生的转发时延t3，总的时延t
sum
可以用公式(3.20)表示:
[0056]
t
sum
＝t1+t2+t3(3.20)
[0057]
b.falahati在文献中指出，时延可以分解成固定的和变化的两部分，固定的时延与物理因素、硬件芯片等有关，如处理时延、转发时延是可确定的，变化的时延与网络拓扑以及网络状态等相关，如数据包在节点i中的排队时延不可知以及不可预测，当数据包所在端口缓存中的队列非常小或者为空时，排队时延非常小，反之排队时延非常长。上一节提出的面向业务确定性需求的全路径vnf-fg编排能够根据服务要求规划出业务流流经每一vnf节点时，在vnfc中的消耗时间，包括处理、转发。针对多任务流在vnf进程中的排队时间，可以采用相应的队列调度机制来保障业务的时延与抖动特性。队列调度是按照某种规则，从不同队列中选择接下来进行转发的业务流，通过改变服务的先后顺序，可以改变甚至控制不同种类业务流的时延性能。
[0058]
在虚拟化环境中，完成端到端ns需要业务流有序的经过vnf节点进行处理，而当前业务流调度是根据优先级进行的非实时进程调度，难以保障业务编排时所规划的vnf进程消耗时间。因此本专利进一步研究确定性进程调度问题，通过编排到达同一vnfc的不同业务流间的调度顺序，将非实时的底层资源适配给不同业务流，使之符合vnf-fg业务编排所规划的消耗时间。为有效保障业务流在vnf进程中的合理调度以保证业务的时延与抖动特性，本专利采用petri网对vnf-fg中vnf节点的流调度问题进行建模分析，根据petri网建模的步骤，给出vnf-fg多线程的petri网模型。如图2所示：
[0059]
图2中每个虚线方框表示一个vnf进程内部的运行情况，在模型中库所表示线程，有向弧表示线程之间的相互关系，库所中不同的托肯具有不同的紧急度，针对多业务流在vnf端口处进行排队处理的队列规划问题，由图2可以看到，每个业务流被表示成一个含托肯的库所，，每个库所都与vnf进程的petri模型中的变迁相连，于是存在多个业务流对共享变迁t1的竞争，若业务流库所中的托肯发生转移表示vnf进程正在处理该业务，于是在节点调度前，多个业务流在vnf的端口处排队等待处理，当业务流处理完成时，进入下一个vnf进程处理。因此通过petri网模型完成单业务流的编排，也呈现出多业务流之间对共享变迁的竞争关系，将节点调度问题转换成petri网托肯调度问题。
[0060]
用si(τ,t)表示间隔(τ,t)内业务流i得到的服务量，调度模型对任意的一个在间隔(τ,t)内转发的业务流i的定义如下：
[0061][0062]
从式(3.21)可以得出其中i必须是在(τ,t)内连续转发时才能成立。对j求和得到式(3.22)：
[0063][0064]
整理可得：
[0065][0066]
令gi为业务流i的确保速率，说明业务流i的转发速率至少为gi。
[0067]
2)基于动态紧急度的确定性托肯调度算法：
[0068]
基于tsn的优先级调度算法和gps算法的思想，提出了duts算法。在建立的vnf-fg节点流调度模型中，每个业务流被描述为含有托肯的库所，动态计算库所中托肯的优先级。每个托肯具有不同的优先级，表示该业务流的优先级。在每一次调度时，根据该优先级分配托肯调度的时隙。相较于优先级类的调度算法，公平性和确定性得到了保障；相较于gps调度算法，若存在托肯的突发或阻塞时，托肯会被延迟到下一调度周期，gps算法会使得端到端的时延与抖动增大，而所提算法能够动态调整托肯的转发顺序，从而有效降低时延抖动。
[0069]
动态优先级的计算受全路径规划的进程消耗时间要求与业务流到达该进程时的状态影响，本专利将该优先级称为紧急度。在上一次调度时都会计算下一周期内需要调度的托肯的紧急程度，并以此决定下一周期的托肯调度的次序，算法为及时、准时、协同任务在每一进程中规划等待时间，实际等待时间越接近该时间紧急度越低，反之越高。引入动态紧急度的优点在于：
①
倘若业务流突发或延误等情况，使得未在相应时隙内完成分发，则在之后进程中的紧急度会提高，能够在调度周期内优先调度，从而降低时延并平滑抖动；
②
以紧急度为基准，选定合适的调度周期，在一次调度周期排列出符合任务需求的最优的调度顺序方案。该调度方案中任务进程的执行是可连续的，即时间驱动与事件驱动相结合调度
模式，可提高系统的吞吐量。
[0070]
duts算法调度示意图如图3所示。借鉴gps中虚拟时间函数思想计算八个队列中不同业务流中托肯的紧急度，当业务流中托肯的紧急度接近于设定的阈值时，即可通过调度器进行调度，本专利所提的紧急度概念基于此思想对调度器进行控制，越接近设定阈值则业务流紧急度越高，越先得到服务。
[0071]
算法首先对到达进程的不同业务流中的托肯(下文简称托肯)进行分类，整体可分为确定性需求托肯和非确定性需求托肯，其次获取托肯的特征信息，如周期、托肯大小等，假定网络中n个确定性需求托肯f1,f2...fn，对于每一个托肯fi(i＝1,2...n)，其托肯大小为li，发送周期为ti，cpu的处理速率为r，则存在：
[0072]
ti＝r/liꢀꢀ
(4.11)
[0073]
合理的调度周期会使得每一托肯都能够在处理器中有效分发，定义ts为一次基准调度周期：
[0074]
ts＝lcm(t1,t2,...tn)
ꢀꢀ
(4.12)
[0075]
各托肯在调度周期中的顺序和位置决定了其延迟抖动情况，考虑存在底层业务流的突发、拥塞，时钟同步误差等，相同托肯到达不同库所，其特征可能发生改变，若沿用固定优先级，即固定调度顺序与位置，不能保障及时与准时性需求，因此定义紧急度ci(t)，即非同步动态优先级，动态编排每一业务流库所中托肯的调度顺序。
[0076]
定义一个调度周期内，托肯开始服务与结束服务时刻之间的时间段成为该托肯的服务窗口，窗口宽度为wi：
[0077]
wi＝(li+l
over
)/r
ꢀꢀ
(4.13)
[0078]
式中，l
over
为发送该托肯所需要的固定开销。
[0079]
①
对于及时确定性要求的业务，其存在时间下界门限值要求，其紧急度ci(t)表达式如下，式中di(t)为t时刻的业务从源端开始发送所经历的时间。
[0080]
业务当前时间越接近下界门限值，其紧迫度越高。
[0081][0082]
式中，dd为该进程d处的期望等待时延值，可具体表示为：
[0083][0084]
式中，qi为ftvpo算法所要求托肯i在进程处的排队时延，由总消耗时间减去固定的cpu处理时间可得。td为到达进程d的链路时延与cpu处理时间之和。
[0085]
②
对于准时确定性与协同确定性要求的业务，其存在时间上界与下界门限值要求，其紧急度ci(t)表达式为：
[0086][0087]
式中，du为业务的时间上界门限值，为时间下界值与允许的抖动范围求得。当前时间未达到在该进程处的时间下界门限值时，其紧急度设置为0，当前时间已位于业务所要求的时间上下界中时，应距离时间上界越近越紧迫，当前时间已经超过时间上界门限值时，应距离时间上界越远越紧迫。
[0088]
当前托肯调度完成到下一次再调度的时间间隔的波动可描述托肯调度的抖动特性。假定在一个周期内，托肯fi被调度服务k次，对于序列中的第j次调度，其传输窗口记为w
tx
(i,j)，相邻传输窗口的发送间隔为tdi(j)：
[0089][0090]
式中，w
tx
(i,j)为相对于调度周期开始时刻的起始时间。定义fi的抖动特性pdv(fi)：
[0091]
pdv(fi)＝max{tdi(m)}-min{tdi(n)}
ꢀꢀ
(4.18)
[0092]
根据紧急度整体编排调度顺序，进而根据抖动特性、实际时延与期望时延差值等进行微调，寻得最优排列方案，再将调度周期内剩余时间窗口分配给非确定性需求业务。算法执行过程如表2所示。
[0093]
表2 duts算法伪代码表
[0094][0095][0096]
本发明基于petri网建模的优势，本专利采用petri网对流调度过程进行建模，建立vnf-fg通信调度模型进行业务流调度，解决电力自动化业务之间的工作逻辑冲突和资源的合理分配问题。并且保障业务流调度时的库所消耗时间，使不确定业务的排队等待时间可控，从而支撑vnf-fg的确定性编排，满足多样化电力自动化业务的及时、准时、协同等确定性需求。
[0097]
本发明针对tsn流调度存在高优先级“撑死”，低优先级“饿死”的问题，为实现在可达路径中保障库所消耗时间，将不确定业务的排队等待时间可控，基于tsn优先级调度和
gps算法思想，提出了基于动态紧急度的确定性托肯调度算法duts，动态调整每一业务流托肯在进程中的紧急度，进而调整调度顺序，减少时延抖动，实现托肯的确定性调度。
[0098]
如上所述，可较好地实现本发明。
[0099]
本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
[0100]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。