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面向分布式电源场景的时间敏感网络流量调度方法

电子技术应用

吴海洋1，李维2，郦竞伟2，沙洲3，陆忞2

1.国网江苏省电力有限公司，江苏南京 210000；2.国网江苏省电力有限公司南京供电分公司；3.中国电力科学研究院

摘要： 随着电网控制系统智能化程度越来越高，为保证系统安全性和灵活性，同一交换设备必须支持多种流的混合传输，目前的混合流传输机制在面对大量混合流时调度成功率和调度速度上仍有不足。为此，提出了一种基于元启发式方法的BTCO 混合流量协同优化框架来共同优化调度顺序和传输时间来解决TSN中的混合流量问题。该研究对BTCO进行了仿真验证，结果表明，与现有的基于约束规划方法和启发式方法相比，BTCO有着更高的调度成功率，同时具有更快的调度速度、更低的整体延迟和抖动，实现了混合流的高效调度。

關(guān)鍵詞： 时间敏感网络时间感知整形循环队列转发流量调度

中圖分類號(hào)：TM73.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.256775
中文引用格式： 吳海洋，李維，酈競(jìng)偉，等. 面向分布式電源場(chǎng)景的時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)流量調(diào)度方法[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2026，52(1)：58-65.
英文引用格式： Wu Haiyang，Li Wei，Li Jingwei，et al. Traffic scheduling method for time-sensitive networks in distributed power generation scenarios[J]. Application of Electronic Technique，2026，52(1)：58-65.

Traffic scheduling method for time-sensitive networks in distributed power generation scenarios

Wu Haiyang1，Li Wei2，Li Jingwei2，Sha Zhou3，Lu Min2

1.State Grid Jiangsu Electric Power Co.， Ltd.；2.State Grid Jiangsu Electric Power Co.， Ltd.， Nanjing Power Supply Company；3.China Electric Power Research Institute

Abstract： As power network control systems become more and more intelligent, the same switching device must support the mixed transmission of multiple streams in order to ensure system security and flexibility, and the current mixed-traffic transmission mechanism is still insufficient in scheduling success rate and scheduling speed when facing a large number of mixed streams. To this end, this paper proposes a BTCO hybrid traffic co-optimization framework based on a meta-heuristic approach to jointly optimize the scheduling order and transmission time to solve the hybrid traffic problem in TSNs. This research simulated and validated BTCO, and the results show that compared with existing constraint-based planning methods and heuristics, BTCO has a higher scheduling success rate, as well as faster scheduling speed, lower overall delay and jitter, and achieves efficient scheduling of hybrid flows.

Key words : time-sensitive networks；time-aware shaping；cyclic queuing and forwarding；traffic scheduling

引言

低延遲確定性組網(wǎng)被視為下一代工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（Industrial Internet of Things, IIoT）網(wǎng)絡(luò)的首要需求和挑戰(zhàn)。隨著數(shù)據(jù)傳輸速率的不斷提高，更多智能工業(yè)設(shè)備通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接，對(duì)通信基礎(chǔ)設(shè)施的潛在需求也在不斷增加。其通信帶寬與時(shí)延需求也不斷提升，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿足。一些專有的以太網(wǎng)協(xié)議，如PROFINET、EtherCAT、Powerlink等，為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)提供了有保證的延遲邊界。然而，這些協(xié)議彼此之間以及與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)互不兼容。這種不兼容性可能導(dǎo)致設(shè)備支持受限、網(wǎng)絡(luò)分割、客戶鎖定等問(wèn)題，最終增加成本。而時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（Time-Sensitive Network, TSN）[1]作為一種在以太網(wǎng)2層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，有著良好的可擴(kuò)展性，旨在支持基于標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)確定性網(wǎng)絡(luò)，滿足時(shí)間敏感流量低延遲和低抖動(dòng)的要求[2]。

TSN集成了不同調(diào)度機(jī)制實(shí)現(xiàn)多種流量類型的調(diào)度[3]，如IEEE 802.1Qbv標(biāo)準(zhǔn)化的時(shí)間感知整形器（Time-Aware Shaper,TAS），IEEE 802.1Qch標(biāo)準(zhǔn)化的循環(huán)排隊(duì)轉(zhuǎn)發(fā)（Cyclic Queuing and Forwarding,CQF），IEEE 802.1Qcr標(biāo)準(zhǔn)化的異步流量整形器（Asynchronous Traffic Shaper,ATS），IEEE 802.1Qav標(biāo)準(zhǔn)化的基于信用的整形器（Credit-Based Shaper,CBS）。這些整形器可以單獨(dú)使用，也可以幾種組合使用。TAS基于IEEE 802.1AS提供全局時(shí)鐘同步實(shí)現(xiàn)時(shí)間敏感流量調(diào)度[4]，以保證確定性傳輸。CQF主要解決了傳輸?shù)挠薪缪舆t問(wèn)題。ATS避免了使用全局時(shí)鐘同步，但仍然可以通過(guò)重塑每跳流量來(lái)提供實(shí)時(shí)保證，以減少流量的突發(fā)性。CBS是一種常用的流量整形器，以信用機(jī)制進(jìn)行流量調(diào)度。

流量調(diào)度是保證TSN系統(tǒng)中信息實(shí)時(shí)性、確定性傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)。但目前，時(shí)間敏感流的TAS調(diào)度仍是TSN中的一個(gè)核心挑戰(zhàn)，是一個(gè)NP-hard問(wèn)題[4-5]?，F(xiàn)有文獻(xiàn)中提出了許多基于約束規(guī)劃（Constraints Programming,CP）[6]的方法來(lái)解決時(shí)間敏感業(yè)務(wù)的TAS調(diào)度問(wèn)題。然而，約束的數(shù)量可能會(huì)隨著時(shí)間敏感業(yè)務(wù)流的數(shù)量而迅速膨脹，這阻礙了求解器在實(shí)際和可接受的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)解決該問(wèn)題。元啟發(fā)式算法[7]是解決基于CP方法局限性的有效方案。一些先前的研究已經(jīng)使用元啟發(fā)式算法，如模擬退火（Simulated Annealing,SA）、蟻群優(yōu)化算法（Ant Colony Optimization,ACO）[8]或禁忌搜索（Tabu Search,TS），來(lái)解決它們的復(fù)雜問(wèn)題。

在混合流量調(diào)度上現(xiàn)有文獻(xiàn)已經(jīng)提出一些調(diào)度方案。文獻(xiàn)[9]提出TACQ機(jī)制，限制TAS隊(duì)列與CQF隊(duì)列不可同時(shí)開(kāi)啟，以實(shí)現(xiàn)時(shí)間敏感流的零抖動(dòng)，并降低時(shí)間敏感流對(duì)其他周期流的影響，但CQF的雙關(guān)門機(jī)制會(huì)帶來(lái)緩存資源和傳輸帶寬的浪費(fèi)；文獻(xiàn)[10]對(duì)TAS結(jié)合CQF的混合傳輸框架進(jìn)行了探究，提出一種參數(shù)選擇方法來(lái)確定網(wǎng)絡(luò)的循環(huán)周期和時(shí)間調(diào)度單元，以實(shí)現(xiàn)減少非時(shí)間敏感度流的平均時(shí)延，但該方案只給出了高時(shí)間敏感流的調(diào)度方案。文獻(xiàn)[11]所提結(jié)合特定領(lǐng)域知識(shí)的啟發(fā)式求解（Tabu-ITP）方案調(diào)整傳輸時(shí)隙利用CQF實(shí)現(xiàn)全局流量規(guī)劃；文獻(xiàn)[12]所提在線逐流調(diào)度（Flow Injection Time Scheduling,FITS）方案動(dòng)態(tài)調(diào)整傳輸時(shí)隙，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)利用率優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)。

本文提出了一種基于BBO[13]的元啟發(fā)式算法BTCO，用于優(yōu)化調(diào)度順序和傳輸時(shí)隙，以解決TSN中混合流量調(diào)度的復(fù)雜問(wèn)題。本文主要貢獻(xiàn)如下：

（1）提出了一種應(yīng)用于TAS和CQF的混合流量?jī)?yōu)化框架，解決了如何在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中有效協(xié)調(diào)不同類型流量的調(diào)度順序和傳輸時(shí)隙的問(wèn)題。

（2）提出了一種BTCO啟發(fā)式算法，能夠在合理的時(shí)間內(nèi)求解最優(yōu)的調(diào)度方案，從而提升混合流量調(diào)度的效率和準(zhǔn)確性。

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作者信息：

吳海洋1，李維2，酈競(jìng)偉2，沙洲3，陸忞2

（1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司，江蘇南京 210000；

2.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司南京供電分公司，江蘇南京 210000；

3.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京 100192）

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