基于量子遺傳算法的電力通信網(wǎng)路由選擇策略分析

趙平

國網(wǎng)四川雅安電力(集團)股份有限公司

基于量子遺傳算法的電力通信網(wǎng)路由選擇策略分析

趙平

國網(wǎng)四川雅安電力(集團)股份有限公司

在目前，電力通信網(wǎng)路由在算法上往往不能充分考慮電力業(yè)務的特征情況，并且無法指出一種針對電力業(yè)務的路由算法。針對各個電力通信指標的差異要求，將電力系統(tǒng)現(xiàn)有業(yè)務劃分類別，明確業(yè)務對通信指標的要求，在滿足電力業(yè)務通信需求的基拙上，利用量子遺傳算法進行路由選擇，將網(wǎng)絡帶寬、時延和丟包率作為目標函數(shù)，采用量子比特編碼，利用量子旋轉(zhuǎn)門操作實現(xiàn)量子染色體的更新以求最優(yōu)解，起到了優(yōu)化網(wǎng)絡資源、平衡網(wǎng)絡負載的成效。仿真結(jié)果表明，對電力業(yè)務劃分類別進行路徑選擇，能夠?qū)こ鰸M足業(yè)務特性的最佳路徑，且算法的收斂性比較理想，能在較短時間內(nèi)收斂到最優(yōu)解。

電力業(yè)務 業(yè)務分類 量子遺傳算法 蟻群算法 QoS路由

本文基于量子遺傳算法的基本原理，提出一種而向電力業(yè)務的路由算法。該算法根據(jù)電力業(yè)務對通信指標的不同要求，對其進行劃分類別，明確業(yè)務對通信指標的要求;路由起始節(jié)點根據(jù)當前網(wǎng)絡狀態(tài)和電力業(yè)務類別調(diào)用相應的適應度函數(shù)，利用量子遺傳算法進行路由選擇。該算法一方而考慮了傳統(tǒng)技術中的通信指標對路由鏈路的影響，另一方而構(gòu)建了適應度函數(shù)，對電力系統(tǒng)的各種業(yè)務按照其權重值進行考慮。綜合考慮最短路徑和針對電力業(yè)務特點的約束條件，尋出滿足電力業(yè)務特性的最優(yōu)路徑，仿真結(jié)果表明了該算法的有效性。

1 電力系統(tǒng)現(xiàn)有業(yè)務的主要類別

針對電力通信網(wǎng)的物理結(jié)構(gòu)和業(yè)務需求情況，應該合理選擇路由，滿足業(yè)務的QoS要求，同時提高電力通信網(wǎng)的服務質(zhì)量，平衡網(wǎng)絡負載。電力通信網(wǎng)中，時延、帶寬和丟包率是三個重要的參數(shù)，各電力業(yè)務對三者的要求也不盡相同。根據(jù)對通信指標的不同要求，將電力系統(tǒng)現(xiàn)有業(yè)務劃分為五種類別，具體為:

1)高可靠寬帶實時業(yè)務，包括電力市場營銷、電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)等;

2)高可靠窄帶實時業(yè)務，包括繼電保護和安穩(wěn)系統(tǒng);

3)可靠寬帶實時業(yè)務，包括視頻會議;

4)可靠窄帶實時業(yè)務，包括調(diào)度自動化和電能計量;

5)低可靠窄帶非實時業(yè)務，包括辦公自動化、管理信息業(yè)務和調(diào)度管理信息系統(tǒng)。

2 量子遺傳算法的基本原理概述

2.1 量子比特編碼

相比于實數(shù)編碼、二進制編碼以及屬性編碼等多種已有的GA編碼方式，QGA編碼則做出了改變，即是基于量子比特進行編碼，利用量子比特進行存儲基因、表達基因。其中，量子比特正常處于0或者1兩種本征態(tài)，且兩種狀態(tài)可以相互疊加，可表示為：

|φ≥a|0＞＋β|1＞.

在對電力通信網(wǎng)路由問題進行求解時，量子染色體的量子比特數(shù)由電力通信網(wǎng)節(jié)點數(shù)和節(jié)點中最大鄰接點數(shù)共同確定。例如在一個N個節(jié)點組成的電力通信網(wǎng)，設節(jié)點的最大鄰接點數(shù)為l，求解k使得2k-1≤l≤2k，則編碼時量子染色體的量子比特數(shù)為n=N×k。

2.2 量子變異

為了加快算法收斂，需對種群進行變異操作，在量子理論中，量子比特狀態(tài)的轉(zhuǎn)換是通過量子門實現(xiàn)的，常用的量子門有:非門、異或門、受控異或門和旋轉(zhuǎn)門。量子旋轉(zhuǎn)門用旋轉(zhuǎn)角來表征染色體變異，并在變異過程中加入當前最優(yōu)個體信息，達到加速算法收斂的目的。由于量子旋轉(zhuǎn)門的參數(shù)具有可調(diào)整性，通用性強，故采用量子旋轉(zhuǎn)門來實現(xiàn)染色體的變異。

3 電力通信網(wǎng)路由選擇策略

在為電力業(yè)務選擇路由時，首先根據(jù)業(yè)務對通信指標的需求判定所屬類別，確定目標函數(shù)及可容忍時延最大值、最小可用帶寬和可容忍丟包率最大值約束條件。根據(jù)網(wǎng)絡中時延、帶寬和節(jié)點的丟包率大小選擇滿足QoS約束條件的路徑，利用量子遺傳算法尋找符合業(yè)務通信指標要求的最佳路徑，具體步驟如下：

1)初始化。遺傳代數(shù)t=U，種群Q(t)=Q(0)種群規(guī)模為K，并對種群進行量子遺傳編碼。

2)對Q(t)的所有個體實施一次測量得到P(t)含有K個確定的個體。

3)對P(t)進行譯碼得到具體路徑，將路徑信息(包括時延、可用帶寬和丟包率)代入，進行適應度評估。

4)選擇并保存最優(yōu)個體及其適應度值，作為該種群個體下一步進化的目標值。

5)驗證得到的最優(yōu)個體是否滿足最佳路由條件，若是，則結(jié)束并輸出當前最優(yōu)個體，否則繼續(xù)。

6)量子變異操作，采用量子旋轉(zhuǎn)門變異操作更新Q(t)，得到下一代種群Q(t+1)。

7)t=t+1，轉(zhuǎn)回2)。

4 結(jié)語

本研究提出了一種基于量子遺傳算法的電力通信網(wǎng)絡路由選擇策略，一方而考慮了傳統(tǒng)技術中的通信指標對路由鏈路的影響，另一方而根據(jù)電力業(yè)務對通信指標要求程度構(gòu)建目標函數(shù)。綜合考慮最短路徑和針對電力業(yè)務特點的QoS約束條件，利用量子遺傳算法尋出滿足電力業(yè)務特性的最優(yōu)路徑。從實驗結(jié)果可以看出，按照對通信指標的不同需求，對電力業(yè)務劃分類別進行路由選擇，能夠?qū)こ鰸M足電力業(yè)務特性的最佳路徑，且算法的收斂性比較理想，能夠在較短的時間內(nèi)收斂到最優(yōu)解。

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趙平，男，漢族，雅安，通信運檢初級工，本科，國網(wǎng)四川雅安電力(集團)股份有限公司，通信路由。