基于5G網(wǎng)絡(luò)切片在線映射算法的電力通信遠(yuǎn)程視頻指揮系統(tǒng)設(shè)計

高志華，王居正，樊 旻，張凌云，李國良

（內(nèi)蒙古超高壓供電局，呼和浩特010080）

0 引言

變電站電力通信遠(yuǎn)程視頻指揮系統(tǒng)是一種基于自動化技術(shù)的新型電力智能應(yīng)用系統(tǒng)，通過攝像機采集視頻圖像信息，利用數(shù)字化處理技術(shù)對信息進(jìn)行壓縮編碼，再將處理結(jié)果上傳至電力信息調(diào)度中心，最終完成電力通信指揮。當(dāng)前大部分變電站采用多網(wǎng)連接方式與局域網(wǎng)進(jìn)行通信；部分未連接局域網(wǎng)的變電站，通過窄帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)、非對稱數(shù)字用戶線路等進(jìn)行信息傳輸[1]。根據(jù)信道傳輸方式，傳輸路徑可分為無線傳輸和有線傳輸，其中無線傳輸能夠避免人為干擾和破壞，具有安全性高的優(yōu)點，是當(dāng)前及未來的發(fā)展方向[2]。

目前5G技術(shù)是最主要的移動通信技術(shù)，5G網(wǎng)絡(luò)切片在滿足5G系統(tǒng)要求的基礎(chǔ)上，能夠進(jìn)一步進(jìn)行通信的深度調(diào)度。在虛擬網(wǎng)絡(luò)中，利用映射關(guān)系可以完成5G網(wǎng)絡(luò)切片。映射是指在特定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，維持當(dāng)前底層物理網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，準(zhǔn)確匹配物理資源中的物理節(jié)點及鏈路。但現(xiàn)有的映射算法僅單方面考慮系統(tǒng)時延性或運行效率，而忽略了兩者的并行關(guān)系[3-4]。本文在滿足系統(tǒng)時延性和運行效率的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于5G網(wǎng)絡(luò)切片在線映射算法的電力通信遠(yuǎn)程視頻指揮系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 電力通信遠(yuǎn)程視頻指揮系統(tǒng)架構(gòu)

電力通信遠(yuǎn)程視頻指揮系統(tǒng)主要由前端音視頻采集裝置、安全控制器、5G無線傳輸裝置以及指揮中心平臺構(gòu)成[5-6]。前端音視頻采集裝置對現(xiàn)場采集的音視頻信號進(jìn)行壓縮處理，由站端網(wǎng)絡(luò)設(shè)備經(jīng)5G無線傳輸設(shè)備發(fā)送到指揮中心平臺，平臺對音視頻信號進(jìn)行解碼并存儲至服務(wù)器[7]。電力通信遠(yuǎn)程視頻指揮系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 電力通信遠(yuǎn)程視頻指揮系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1.1.1 圖像采集模塊

圖像采集模塊由攝像機、云臺以及云臺控制器等構(gòu)成。攝像機用于采集原始圖像信號；云臺用于調(diào)整焦點和照相機的方向；云臺控制器實現(xiàn)對云臺的控制及對圖像進(jìn)行壓縮編碼，并將壓縮編碼后的圖像數(shù)據(jù)發(fā)送至CDMA-modem。

1.1.2 圖像壓縮及編碼模塊

目前圖像處理技術(shù)大多采用FPGA技術(shù)，傳輸速度較快，但存在一定的丟包率[8]。本文將基于數(shù)字信號處理（Digital Signal Process，DSP）的視頻服務(wù)器作為圖像壓縮模塊，壓縮算法由快速DCT、FDCT結(jié)果的重排、量化、行程編碼和赫夫曼編碼五部分組成[9]。電力通信遠(yuǎn)程視頻指揮系統(tǒng)采用TI公司DSP開發(fā)環(huán)境的公共信道信令I(lǐng)mglib庫，由于DSP芯片無法存儲數(shù)量較大的原始圖像數(shù)據(jù)及視頻信息，因此利用FIFO讀取原始圖像數(shù)據(jù)，再存儲到擴展的SDRAM中，通過分區(qū)縮短CPU等待數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間，提高圖像壓縮速度。

1.1.3 圖像傳輸模塊及遠(yuǎn)程指揮模塊

圖像傳輸模塊主要包括DDMA-Mo-DEM、CD?MA-a和因特網(wǎng)專用網(wǎng)三部分，用于電力通信遠(yuǎn)程視頻指揮系統(tǒng)的無線傳輸。遠(yuǎn)程指揮模塊通常是指電力公司的指令中心，主要由視頻解碼器、圖像解析器以及數(shù)據(jù)庫分析器組成，實現(xiàn)視頻圖像信號的再現(xiàn)。單個系統(tǒng)邏輯架構(gòu)如圖2所示。

圖2 單個系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

應(yīng)用層包含電視電話會議、視頻監(jiān)控、OA、系統(tǒng)接口等；數(shù)據(jù)存儲層即數(shù)據(jù)庫；傳輸層通過光纖、衛(wèi)星以及5G進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；信息采集層采集語音、視頻、文本等數(shù)據(jù)信息[10]。

1.2 網(wǎng)絡(luò)切片系統(tǒng)架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)切片系統(tǒng)由無線虛擬接入網(wǎng)片層、虛擬運營商層和基礎(chǔ)設(shè)施提供商層構(gòu)成[11]，系統(tǒng)框架如圖3所示。虛擬運營商提出虛擬網(wǎng)絡(luò)路由（Virtual Net?work Router，VNR），并將VNR分發(fā)到網(wǎng)絡(luò)功能的虛擬化管理中。通過對NFV mano的控制，基礎(chǔ)設(shè)施供應(yīng)商實現(xiàn)基于不同VNR的VNFC配置和部署，構(gòu)成不同的虛擬化處理單元內(nèi)部基帶，并連接到相應(yīng)的虛擬化遠(yuǎn)程射頻單元，從而實現(xiàn)基于虛擬運營商VNR的不同無線虛擬接入網(wǎng)片層的需求。

圖3 網(wǎng)絡(luò)切片系統(tǒng)框架示意圖

2 網(wǎng)絡(luò)模型搭建

設(shè)物理網(wǎng)絡(luò)帶權(quán)無向圖C=（Ai，Si），其中Ai={a1，a2，…，an}表示網(wǎng)絡(luò)節(jié)點集，Si={s1，s2，…，sn}為Ai的計算水平，Ln={l1，l2，…，ln}為由節(jié)點組成的鏈路集，ln為底層具體物理鏈路，其中物理網(wǎng)絡(luò)通信鏈路的無效率表示為γi，帶寬為di。

將隊列理論與網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)結(jié)合起來建立物理網(wǎng)絡(luò)切片系統(tǒng)中NFV mano和NFVs兩級動態(tài)調(diào)度模型，使網(wǎng)絡(luò)切片系統(tǒng)的VNR在一定范圍內(nèi)積壓穩(wěn)定[12-13]。根據(jù)隊列理論可知，動態(tài)調(diào)度共發(fā)生兩次，其中，第一級隊列動態(tài)調(diào)度過程發(fā)生在系統(tǒng)NFV mano處，隊列狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)為：

第二級隊列動態(tài)調(diào)度過程發(fā)生在NFVs處，隊列狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)為：

綜上分析，可進(jìn)一步得到5G網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)中的映射模型，表示為：

在網(wǎng)絡(luò)虛擬化場景中，分片的網(wǎng)絡(luò)請求不能總是按一定的間隔逐個到達(dá)。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)切片的流量特性，利用在線映射技術(shù)實現(xiàn)底層物理資源的動態(tài)分配，并對其進(jìn)行時間維度調(diào)度。如圖4所示，使用時間窗口動態(tài)處理已到達(dá)的網(wǎng)絡(luò)切片請求，時間被分成一系列連續(xù)的時間窗口。將網(wǎng)絡(luò)切片按照生命周期的優(yōu)先級在特定時間窗口內(nèi)進(jìn)行處理，壽命越短，優(yōu)先處理等級越高。按照可靠度的定義，映射生命周期越短，失效率越低，從而提高整個網(wǎng)絡(luò)的可靠度。

圖4 時間窗在線網(wǎng)絡(luò)切片映射機制

3 仿真試驗結(jié)果

為了驗證系統(tǒng)的可行性，采用Matlab仿真工具對5G網(wǎng)絡(luò)切片在線映射算法進(jìn)行仿真分析。模擬物理網(wǎng)絡(luò)隨機生成10個物理節(jié)點，計算資源、鏈路資源分布區(qū)間為[50，80]。不同切片生命周期的時間單元分別為60、80、100，切片要求泊松分布隨機到達(dá)，單個時間窗口（50時間單元）平均到達(dá)率為1.4，每個網(wǎng)絡(luò)切片的服務(wù)時間間隔服從15時間單元的泊松分布。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)虛擬節(jié)點計算資源和鏈路帶寬隨機分布區(qū)間[30，50],RRU采用1.1~1.4服務(wù)率模式，控制參數(shù)為0.2~0.6，設(shè)置模擬周期為400時間單元。對系統(tǒng)應(yīng)用前后的壓縮率和圖像質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性、運動檢測的靈敏度和魯棒性及其有效性進(jìn)行比較。

3.1 壓縮率和圖像質(zhì)量

隨機選取監(jiān)控圖像進(jìn)行壓縮，結(jié)果如圖5所示。系統(tǒng)應(yīng)用后，圖像由3 MBytes降至1.1 MBytes，圖像質(zhì)量無明顯差異，表明該系統(tǒng)能夠在保證圖像質(zhì)量的基礎(chǔ)上有效壓縮空間。

圖5 系統(tǒng)應(yīng)用前、后壓縮率與圖像質(zhì)量對比

3.2 網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性

在不同帶寬條件下，測試系統(tǒng)的傳輸速率（見圖6），以此作為分析網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性指標(biāo)的關(guān)鍵因素。系統(tǒng)經(jīng)多級動態(tài)調(diào)度進(jìn)行信息管理，利用隊列狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)分析數(shù)據(jù)特征，并根據(jù)數(shù)據(jù)特征進(jìn)行數(shù)據(jù)分流，使得數(shù)據(jù)傳輸速率明顯提升，且穩(wěn)定性較好。

圖6 系統(tǒng)應(yīng)用前、后傳輸速率比較

3.3 有效性評估

3.3.1 時間平均隊列積壓

由于考慮到系統(tǒng)在映射時的隊列狀態(tài)和NFVs服務(wù)率的差異，盡可能將VNR轉(zhuǎn)換為隊列狀態(tài)較短的隊列，或優(yōu)先將VNFC映射到服務(wù)率較高的NFV，因此當(dāng)VNR的到達(dá)速率大于NFV的服務(wù)速率時，應(yīng)用該系統(tǒng)能夠很好地控制排隊平均時間（見圖7）。

圖7 系統(tǒng)應(yīng)用前、后時間平均隊列積壓比較

3.3.2 時間平均映射成本

由于系統(tǒng)綜合考慮了隊列狀態(tài)和NFVs服務(wù)率的不同，當(dāng)系統(tǒng)隊列趨于穩(wěn)定時，系統(tǒng)時間平均映射成本由84.70提高至88.25（見圖8），僅增加了4.19%的映射成本就可以顯著降低系統(tǒng)隊列積壓，滿足了系統(tǒng)延遲性要求。

圖8 系統(tǒng)應(yīng)用前、后的時間映射成本比較

4 結(jié)語

針對5G網(wǎng)絡(luò)的最新需求，從資源調(diào)度優(yōu)化的角度分析了5G網(wǎng)段的鏈路映射，提出了基于5G網(wǎng)段節(jié)點和鏈路的映射算法，并通過仿真驗證了該算法能夠有效降低系統(tǒng)隊列積壓，滿足系統(tǒng)延遲要求，從理論上證明了5G網(wǎng)段節(jié)點和鏈路的時間平均映射開銷與時間平均隊列積壓之間的可控均衡。