战术环境NDN基于判决选择的节点感知转发策略

文章编号：1009 -2552(2017)05 -0125-07D O I：10. 13274/j. cnki. hdzj. 2017. 05. 029
战术环境N D N基于判决选择的节点感知转发策略
葛云飞、钱良\丁良辉2,杨峰1
(1.上海交通大学无线通信技术研究所，上海200240;
2.上海交通大学图像通信与网络工程研究所，上海200240)
摘要：传统互联网在多方面面临挑战，全新架构的命名数据网络N D N的特点使其适用于战术环
境。

目前无线移动N D N转发策略在提升网络效率同时会增加开销，也未考量战术环境服务发现、
抗毁性和协议轻量化等关键特征。

文中设计基于判决选择的节点感知转发策略（D S P A F)，并用基
于权重的优选内容提供者判决准则W F S R P选择中继，仿真验证该策略的优越性和适用性。

关键词：战术网络；命名数据网络；转发策略
中图分类号：T N915. 85 文献标识码：A
Design of decision-based selective provider aware
forwarding strategy in tactical NDN
GE Yun-fei1，QIAN Liang1，DING Liang-hui2, YANG Feng1
(1. In stitu te of W ireless C o m m u nications，S hanghai Jiao to n g U n iv ersity，Shanghai 200240，C h in a ；
2. In stitu te of Im age C om m unication an d N etw ork E n g in e erin g，S hanghai Jiaotong U n iv ersity，S hanghai 200240, C h in a) Abstract:T ra d itio n a l In te rn e t faces various challenges.As a brand new netw ork a rc h ite c tu re，features
o f N D N m ake it suitable fo r ta c tic a l e n viro n m e n t.W ireless m ob ile N D N’s forw a rdin g strategies increase overhead w h ile enhance netw ork e ffic ie n c y，and do not consider key features o f ta c tic a l environm ent such as service d is c o v e ry，in v u ln e ra b ility and protocol lig h tw e ig h t.In th is p a p e r，decision-based selective p ro v id e r aware fo rw a rdin g strategy(D S P A F)is designed w ith relay selection based on the c rite rio n o f w eighted fa cto r selected responsive p ro v id e r(W F S R P).The sim ulations ve rify the stra te g y’s su p e rio rity and a p p lic a b ility.
Key words：ta c tic a l n e tw o rk；nam ed data n e tw o rk；forw a rdin g strategy
2017年第5期 V信息疼术
0引言
目前以T C P/I P协议为核心的互联网在移动性、路由效率和安全性等方面面临严峻挑战，基于 T C P/I P的战术网络依旧基于端到端传输，依赖IP 协议提供网络功能，然而战术网络中移动节点的移 人移出会导致严重的链路间断连接，也需要安全高 效率的大规模数据分发，对服务发现、抗毁性和协议 轻量化要求也较高，故战术环境中有效传递数据并 满足其诸多严苛性能成为亟需解决的难题[1]。

目前国际上对基于I P的互联网技术形成两类 发展路线，一是渐进式路线，改良IP v4平滑过渡到 IP v6协议，包括如P2P的覆盖网络、内容分发网络 (C D N);二是革命性路线，重新设计以信息为中心的网络(IC N)作为主要体系架构，代表是命名数据 网络（Nam ed Data N e tw o rk，N D N)。

N D N 网内缓存、轻量级转发等特征使其成为战术网络等无线移动环 境的优秀解决方案，战术环境中节点移动导致网络 拓扑和路由动态变化，节点消亡对抗毁性的要求，作 战对实时信息请求的时效性要求，都使传统端到端 传输效果大打折扣，而N D N支持异步通信的机制使 其特别适合战术网络间断连接环境。

目前对战术环境N D N转发策略研究较少。

本文收稿日期：2016 -04 -29
作者简介：葛云飞（1991 -)，男，在读硕士研究生，研究方向为战术网络、命名数据网络、无线通信网络层算法与实现等。

通
讯作者:钱良。

一125—
提出基于判决选择的节点感知转发策略(D S P A F )，从 提升服务发现与抗毁能力、降低开销和增加传输有效 性方面改进，使其良好应用于战术环境。

1
相关研究
1.1命名数据网络
N D N 是建立在命名数据基础上底层无主机概 念的体系结构，使用名字转发数据而不关心节点位 置，具备路由简单、扩展性强特点。

TCP /I P 和N D N 网络结构模型如图1所示。

图1
TCP /IP 和NDN 网络结构模型
图2
WIN -T 结构与拓扑
(a)ADNS 网络拓扑结构
(b )辐射型网络拓扑模型
图3
ADNS 结构与拓扑
N D N
用于这两类战术网络可使岸上站点等缓
存转发为兴趣报文业务服务，由此降低端到端连接
开销，节省带宽资源。

1.3无线移动环境N D N 转发策略研究现状
N D N 保留细腰沙漏模型，从协议构架上彻底解
决
TCP /I P
设计的不适应性，不同点体现在基于数
据本身的安全机制和多样的路由策略选择上。

1.2战术N D N 适用性分析
战术级指战员信息网（W IN -T )和自动化数字网 络系统(A D N S )是两类典型战术网络架构。

W IN -T 是美陆军高速、机动组网的骨干通信网；A D N S 是
J M C O M S 主计划中的骨干网。

文献[2]认
为N D N
能用于军事通信网络，且基于N
D N
比基于传统
TCP /I P
的战术通信网络具备更优性能。

W IN -T
中陆上用户通过分层的作战车辆和设备
与其他用户连接，如图2(a )所示。

N D N 能让网关 作为缓存使用，利用这一层次化结构。

A D N S 汇聚船舰信息通过LOS R F 或卫星转发
至岸上站点，指挥部与岸上站点通过有线链路连接， 可视为辐射型拓扑结构，如图3所示。

无线移动环境中基于I P 的内容传递已被广泛 研究[3]，数据传递仅依赖路由机制，转发行为不需 要状态信息。

而N D N 路由转发平面与I P 协议网络 中的设计完全不同，N D N 提供全新的内容传递策 略，兴趣和数据报文根据各节点策略层被逐跳转发， 转发需要状态信息且自适应[4]。

各节点本地转发 决策基于P I T 和F I B 中的信息，也取决于需求、设 备、用户和网络特性。

无线移动环境N D N 转发策略 如表1所示。

目前M A N E T 中N D N 转发技术都是“消费者辅 助的”数据传递方式，内容获取由内容消费者触发， 将兴趣报文广播到一跳邻居节点。

各中间节点的转 发策略决定新到达的兴趣在本地即被满足、还是要 再次广播、或直接丢弃。

现有转发策略可归为盲转 发（B lin d F o rw a rd in g )策略和感知转发（A w are F or -
w a rd in g )策略两类。

表1无线移动环境NDN 转发策略
类别转发策略
文献
特点
仿真平台
盲转发策略
Traffic information dissemination
[6]时延定时器控制报文冗余
ndnSIM
(Blind Forwarding，BF )
基于计数器抑制策略[7]节点监听信道;设定不同时延定时器给数据报文 更高优先级
方向选择转发策略
[8]
通过发送者与邻居节点间额外ACK/CMD 报文 选择中继
NS -2
下一跳感知策略
邻居感知兴趣报文转发
(Next-hop Awareness (NAIF ，
Neighborhood-Aware Interest Forwarding )[9]根据距消费者的距离和到达报文速率选择中继
Qualnet
Forwarding，NAF )
策略BLOOGO
[1〇]
利用信标发现邻居节点;通过在发送者邻居范围 内交换报文的Bloom 过滤器选择中继
Analytical
一 126
—
续表
类别转发策略文献特点仿真平台MANET CCN[11]消费者和提供者间有附加的REP/REQ报文交换Linux O S
提供者感知策略(Provider Awareness Forwarding，PAF)
LFBL
(Listen First Broadcast Later)策略
[12]定时器控制报文冗余
;具有REP/REQ/ACK报文
和距离表
Qualnet E-CHANET[13]时延定时器控制报文冗余
;基于距离的提供者选
择策略
NS-2
盲转发策略中，文献[5]提出基于定时器的报 文抑制技术，“受控的”洪泛机制优于基于拓扑的路 由算法;文献[6]将定时器用于移动车辆环境协调 广播，邻居车辆用防碰撞定时器安排非同步数据广 播和传播拥塞信息；C C V N[7]给兴趣和数据报文转 发设定不同时延定时器给予不同优先级。

以上受控 盲转发是N D N在无线环境中广播的基准实现，缺陷 是无法保证选择最优节点参与转发。

更复杂的感知 转发策略可在其之上部署，感知转发策略分为下一 跳感知和提供者感知策略。

下一跳感知策略中，方 向选择转发策略[8]中消费者广播兴趣利用方向选 择中继，所用额外报文将提高开销;邻居感知兴趣报
文转发(N A IF)策略[9]中节点是否能成为中继取决 于给定名字前缀的数据获取速率和它距消费者的距 离;B lo o M[1G]策略利用B lo o m过滤器减少冗余依赖 于信标帧（Beacon F ra m e)的周期性广播，可能引起 高复杂度和开销的问题。

在提供者感知策略中，文 献[11]使用R E P/R E Q报文交换选择提供者;L F B L 策略[12]提出三次握手思路;文献[13 ]中兴趣和数 据报文包含轻量级路径状态，在识别到的最短路径 上路由数据，以控制信道负载，减少能耗。

这些策略存在为改善网络效率而使开销提升等 问题，也未考量战术环境关键特征。

而战术环境作 为一种条件更恶劣的无线移动环境，对资源开销、服 务发现、可靠性及抗毁要求更高，本文从上述特性与 问题出发改进设计战术N D N转发策略。

2网络转发策略设计
2. 1节点模型
节点模型数据结构包括N D N原型中的数据包 缓存C S(C ontent S tore)和待处理请求表P IT(Pend­in g Interest Table)与新增的内容提供者判决列表C P D L(C ontent P rovide r D ecision L is t)和优选内容提 供者节点列表 〇C P L(O ptim a l C ontent P rovide r L is t)。

战术N D N节点模型如图4所示。

2. 1.1数据包缓存CS
C S存储经过此节点的数据报文，字段N a m e是
图4战术NDN节点模型
数据内容名字，D a ta字段是数据报文内容，如图5 所示。

Name Data
//location/enemy/UAV-1/v 1
-
图5数据包缓存C S
2. 1.2待处理请求表P IT
P I T记录已转发的兴趣报文，字段P r e fix记录兴 趣的内容名字前缀，R equesting node I D存储请求该 兴趣的节点标号，如图6所示。

Prefix Requesting node ID
//location/enemy/UAV01,03
-
图6待处理请求表PIT
2. 1.3内容提供者判决列表C P D L
C P
D L存储给定内容的可达提供者信息，包括 提供者I D、收到来自不同请求节点的相同兴趣次数
C n t、该提供者与节点间距离
D s t、两节点间传输时延
D e la y和基于以上信息得出的判决值D ecision
一
127 —
V a lu e ，如图7所示。

Provider ID Content Name
Cnt
Dst
Delay
Decision Value
03
//locati on/enemy/UAV/1
2376251
-
图7内容提供者判决列表CPDL
2. 1.4
优选内容提供者节点列表O C PL
将内容名字和对应的由D ecision V a lu e 选出的 优选内容提供者节点I D 存人O C P L ，如图8所示。

Content Name
Optimal Provider ID / s /location/enemyAJAV-1/102
-图8优选内容提供者节点列表OCPL
2.2报文设计
本文修改N D N 原型设计的兴趣与数据报文，使 用四种报文用于实现转发策略，如表2所示。

兴趣 报文被分为两种以用于转发策略中两个不同阶段， 增加回复确认报文用于内容提供者选择决策。

表2战术NDN 报文
报文类型
描述Pre-IntP 预处理兴趣报文Pre-REP 预处理回复确认报文
DatP 数据报文Fml-IntP
兴趣报文
2. 2. 1预处理兴趣报文P re -In tP
P r e -In tP 用于发起首次内容请求探测，获取可
能的内容，也为后续接收到对提供者选择的反馈，如 图9所示。

Type
Content Name
node ID
geo-location
Nonce
图9
Pre -IntP 结构
其中T y p e 为报文类型，P re -In tP 该字段以“P I ” 标记，C ontent N a m e 为内容名字，node I D 为节点标 号，g e o -lo c a tio n 为地理位置。

2.2.2预处理回复确认报文P re-R E P
P re -R E P 用于向原始请求节点或中继节点回复
确认信息，其中信息帮助请求节点选择在后续轮次 数据传输中的优选内容提供者，如图10所示。

图10 Pre -REP 结构
其中 Type 字段以 “P R ” 标记，P ro v id e r/R e la y In ­
fo 为提供者或中继节点信息，C n tm 为计数器计数， curre nt tim e 为时间。

2.2.3 数据报文DatP
D a tP 用于回复数据，其中增加了内容提供者的
信息用于在回复数据时保持信息更新，从而能用判
决准则对优选内容提供者动态更新。

其中T y p e 字 段以“D P ”标记，如图11所示。

Type
Content Name
Signature Provider Info
Data
Probider
node ID
geo-location
C n tPi
current time
图11
DatP 结构
2.2.4兴趣报文F m l-In tP
定提供者请求D a tP ，也会基于准则动态更新，如图F m l-I n t P 是在
发送P r e -I n t P 的首轮请求后的
12所示。

后续传输中所使用的兴趣报文，用于向特定的选
Type
Content Name
node ID
geo-location
Probider/Relay Info
& Decision Value
Nonce
图 12 Fml-IntP 结构
其中T y p e 字段以“F I ”标记，D ecision V a lu e 为
由判决准则得出的判决值。

一 128
—
2.3 D S P A F路由转发策略
本文在盲转发基础上部署感知转发策略，为战 术N D N设计基于判决选择的节点感知转发策略(D ecision-based Selective P rovide r A w are Forw arding S tm te g y，D S P A F)。

其不同之处在于对底层部署的 盲转发进行报文开销抑制的优化，用监听机制抑制 洪泛的弊端，更重要的是利用基于权重的判决准则 和基于地理位置的方向选择性转发机制对节点进行 感知，以减少开销，提升服务发现和重建的性能。

2.3.1初始预处理阶段
内容消费者C发出预处理兴趣报文P re-In tP，同时将周围空间水平方向上分为四个象限区域，如 图13所示。

若干节点（提供者尽或中继节点收到P re-In tP后，对来自不同请求节点的相同P re-In tP 计数，记为⑶巧或⑶沿。

@内容消费者节点Consumer 0邻居节点Pre-IntP
图13内容消费者划分四个象限广播Pre-IntP
尽或尽首先匹配以，若匹配成功，则尸在数据报 文D a tP中加上自身节点I D、地理位置、和发送时 间，并广播回复该D a tP给若在C S中无匹配，则兄 利用时延定时器建立随机退避时间7；^#，以减少报文 冲突，随后兄广播回复预处理回复确认报文Pre-R EP 给C，同时在P re-R E P中加上当前节点I D、地理位置、和发送时间。

P re-R E P用于协助节点C做出之后 轮次优选内容提供者节点的决策，如图14所示。

图14内容提供者/中继节点回复DatP/Pre-REP
C收到尽或弋回复的D a tP或P re-R E P后，收集 其中P ro v id e r/R e la y I n f o字段信息，并根据C自身地理位置和时间用式（1)计算出节点间距离D s t和传 输时延D e la y，并将节点I D、内容名字、节点间距离 D s t和传输时延D e la y存储到C P D L中。

D e la y= T c - T p/R(1)
节点C根据上述信息，通过判决准则来选择后 续轮次中的优选内容提供者。

本文认为简单根据某 一参数进行提供者选择是效率低且效果不佳的;若 干因素间未必有优先级关系，用先后判决不妥;最 后，虽然编队整体移动性使编队中各节点位置在一 定时间内相对稳定，但仍存在节点移动性引起的局 部相对位置扰动，从而造成跳数距离等因素改变，使 判决门限变化频率较高。

因此本文设计了基于权重的优选内容提供者判 决准则 W F S R P(W eig hted F actor Selected Responsive P ro v id e r):
D e c is io n V a lu e= W1•C n t + ^2 •D s t + ^3 •1/D e la y(2)其中，W i为权重值，可由网络实际情况取值，满足
X i=1Wi= 1(W = 3)。

C将各个P。

或R。

的Decision V a lu e值存储到CP-D L中，再在四个象限中分别选取Decision V a lu e值最 高的节点作为后续轮次的优选内容提供者P〇p t，未被选 中者将不再担任该内容的提供者或中继(不再处理该 内容名字请求，兴趣报文将被丢弃)。

同时C把P〇p的节点I D和对应内容名字加人O C P L以供检索，并把 P_的信息加人F m l-In tP的Provider I n f o字段中。

而当及1收到来自P^^D a tP fR i将先在C S中匹 配，若匹配成功，则当前节点R i已存储有该内容，故 将该D a tP丢弃，若未匹配，则进人P I T检索匹配，若 有匹配，说明有其他消费者请求过该内容名字的数 据，故根据P I T中节点I D将D a tP转发给各个请求 过该内容的消费者，再删除P I T中相应条目，将该 D a tP缓存到自身C S中，并在C P D L中加上新条目，包括节点I D、内容名字、节点间距离D s t和时延D e­la y等，用以记录 弋可达给定内容名字的提供者的 信息;若P I T中无匹配，则立即丢弃D a tP。

2.3.2后续优化获取报文阶段
C发出兴趣报文F m l-In tP，其中包括自身I D和 所有根据W F S R P准则被选出的优选内容提供者
I D，如图15所示。

尽或及1收到F m l-In tP，首先匹配C S，若匹配成 功，同时若 P;也是 F m l-In tP 中P ro v id e r/R e la y In fo字 段中所包含的优选内容提供者P〇pt之一，则P i广播 回复请求所对应的D a tP;否则再根据W F S R P准则 进行判决，根据式（1)计算尸€的D ecision V a lu e判决
一129
—
指标类
图16战术NDN 系统评估指标体系
战术环境对信息传递的及时性要求高，用服务
发现时间评估;其次，战术环境存在较多节点消亡情 况，系统抗毁能力须重点考察，当节点消亡而网络恢 复正常所需的端到端重建时间用来衡量抗毁性能; 另外，作战人员携带的通信设备具备嵌人式和小型 化特征，内存、能量资源受限，故网络协议应轻量化。

轻量化暂无统一描述，但应具备更少通信轮数、控制 一 130 —
信息数据量，用网络/信令开销衡量。

3. 3仿真结果
服务发现时间为节点发出兴趣报文到成功接收 到相应数据报文的时间。

如图17所示，服务发现时 间在10-2秒数量级，能满足战术环境实战通信要 求，同时由于W F S R P 准则中所选提供者已将较优 时延性能作为考量项，故服务发现时间性能比其他
©
内容消费者节点Consum er 隹优选内容提供者节点 •
未被选中的节点(不参与后续)------► Fml-IntP
图15内容消费者向优选内容提供者发送Fml-IntP
值W
Pt ，若W Pt 大于F m l-I n t P 中
字段对应的，
那么将认为在本次报文获取中尽是比尸_更优的选
择，故尽广播回复请求所对应的D a tP ，同时C 还设 定计数器用于记录尽比更优发生的次数〇,当 〇高于预先设定的门限值市时，C 将重新选择尽作 为优选内容提供者节点取代原优选节点，并更 新 0C P L 中 O ptim a l P rovide r ID 字段和 F m l-In tP 中
P ro v id e r/R e la y In fo & D ecision V alue 字段，在下次发
出兴趣时将采用更新后的报文进行请求。

由此形成
D S P A F 策略动态更新机制，保证了根据网络动态拓 扑变化而适应性地进行路由转发策略的动态变化。

若尸,或弋收到F m l-In tP 后未能匹配C S ，则进人
P I T
匹配，若匹配成功，&在
P I T
中内容名字对应条
目中增加弋的节点I D ，并丢弃F m l -In tP ;否则在CP -
D L
中查找同时匹配P rovide r I D 和
C ontent N a m e 字
段的条目，若未匹配，则丢弃F m l -I n tP ，若匹配成功，
说明通过弋可达F m l -I n t P 中所要求的节点尸_，再 由W F S R P 准则根据（1)式计算^的D ecision V alue 值乃心，若沿大于
F m l -I n t P
中D ecision V a lu e 字段
中及^卩^的前一转发者^对应的D 、.，那么将认 为通过当前节点弋进行内容获取能达到更优性能， 故 ^更新 F m l-In tP 中 P ro v id e r/R e la y In fo & D ecision
V a lu e 字段，再转发已更新的F m l -I n t P
至尸_;否则
R M
原 F m l-I n t P 转发至 P Q p t 。

3
系统分析
3.1仿真设计
本文用O P N E T M odeler 14.5进行系统仿真，仿
真场景为10 x 10km 2的区域，具体参数如表3所示。

表3系统仿真参数
仿真参数参数值
仿真区域（km2)10 x10
用户/节点数
5，10，15,20Pre-IntP( Byte)
28Pre-REP( Byte)36Fml-IntP( Byte)38DatP(KByte)
500Pre-IntP 及 Fml-IntP 发送间隔（s/packet)
0.5 ~1.5节点移动速度（m /s)0.3仿真时间（s)600
3.2效能评估指标体系
本文构建层次结构的战术通信网络效能评估指
标体系，如图16所示，仿真分析从中选取服务发现 时间、重建时间和网络/信令开销作为考察指标。

战术环境NDN 系统效能
准则类
基本通信
安全保密系统抗毁系统机动网络管理可靠性
能力
能力
能力
能力
能力
网络/信令开销
系统开通时间
隐蔽通信能力重建时间
分组投递率
服务发现时间
系统吞吐量
系统容量
覆盖范
围
图18端到端重建时间
信令开销为信令字节数与网路中所有传输报文
字节数的比值。

如图19所示，信令开销随消费者数 量增加而增加，对比N D N 原型的洪泛、C C V N 、概率 转发等策略，D S P A F 策略在开销占整体数据传输中 比重较低，有助于协议轻量化。

4
结束语
本文研究N D N 应用于战术环境的转发策略，设 计了基于判决选择的节点感知转发策略D S P A F ，通 过监听机制、W F S R P 判决准则和方向选择性进行节 点感知与转发，从降低开销、协议轻量化和增加传输 有效性与抗毁性方面进行改进。

仿真结果也验证其 在服务发现、重建时间等指标表现更优，适用于战术
策略有提升。

端到端重建时间为节点C P D L 中给定内容的可 达提供者信息失效或无法为目的节点提供可用转发 路径时再次主动请求该内容到接收成功的时间。

在 仿真中指定节点在某时刻消亡，计算再次成功获得 给定数据的时间，如图18所示，第7秒发起重建，可 看到获取数据时间增长，但影响波动幅度不大，表明 网络抗毁能力较好。

图19
NDN 转发策略信令开销
环境。

未来将在网络复杂度和传输安全性方面对战
术N D N 转发策略进行研究与优化。

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(下转第136页)
{o 3s )3U I y ^u -^n §!-l p u 3丨o v p u w 3U I 2a J >o -B o ^
一 131
—
②锁定时间
所谓环路的锁定时间，就是接收信号的本地扩频码 之间的相位差首次达到稳定所用的时间，用来表示。

经仿真测试出串行系统的锁定时间为40个码 元个数，即40(:h iP;并行系统的锁定时间为75个码 元个数，即75(:h ip。

联合以上仿真分析,串行系统的码跟踪环无论是 环抖动还是锁定时间，性能均比并行系统要好的多。

4结束语
本文采用了串行直扩M S K调制解调系统，主要 研究了在信号接收端,如何将接收到的直扩M S K信 号转换成直扩B P S K信号，再采用现有的适用于B P S K信号的超前-滞后延迟锁相环技术。

本文的 创新点在于串行系统的匹配滤波器的设计，采用凸 优化技术根据已知的频率响应优化出所需滤波器系 数;且将超前-滞后延迟锁相环运用于串行系统中。

与直接运用于传统的M S K系统的超前-滞后延迟锁相环相比，具有鉴相增益高、换抖动小、锁定时间 短等优点。

这种串行系统既降低了 M S K信号解扩 解调的复杂度，又解决了传统M S K系统中码跟踪技
(上接第124页）
续表
设备有效载流容量
(100A)
最大负荷时的流过
电流（100A)
联络开关断开时联络开关闭合时
65一 1.8 7(1)55 7(2)206 8(1)22 8(2)33 8(3) 1.1 1.1 8(4)520. 90. 9 8(5) 2. 2 2. 2 8(6) 1.8 1.8 8(7)99 93077 10(1)5 6.8 10(2)3067. 8 11(1)1212 11(2)1199术原有的困难，具有一定的工程意义。

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①联络开关断开时配电网的空载率
38. 58%，利用率为 61.42%。

②联络开关闭合时配电网的空载率
38. 22%，利用率为 61.78%。

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