李建岐，張家柱，雷煜卿

(1.中國電力科學(xué)研究院 北京 100192；2.華北電力大學(xué) 北京 102206)

1 引言

電力通信網(wǎng)是電網(wǎng)管理信息和生產(chǎn)控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體，是確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要手段。電力通信網(wǎng)可分為主干網(wǎng)和接入網(wǎng)兩部分，我國電力傳輸網(wǎng)已基本實現(xiàn)光纖化，然而其末端的中低壓通信接入網(wǎng)仍然薄弱，成為制約配用電系統(tǒng)自動化的瓶頸。

伴隨著光接入網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，EPON（ethernet passive optical network，以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)以其高帶寬、低成本的優(yōu)勢成為接入網(wǎng)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)，同時也成為配電網(wǎng)通信技術(shù)的首選，取得了巨大的成功。EPON技術(shù)的逐步成熟使得其在電力通信中的應(yīng)用成為可能，對解決電力中壓通信接入網(wǎng)的瓶頸問題提供了一個新的突破點(diǎn)。在電力接入網(wǎng)中已經(jīng)開始應(yīng)用EPON通信技術(shù)的試點(diǎn)。但是，配電網(wǎng)中存在多種配用電業(yè)務(wù)復(fù)用的狀況，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重時，時延要求較高的配電類業(yè)務(wù)將有可能受到影響。

本文闡述了配電網(wǎng)多種業(yè)務(wù)的通信需求，并對EPON帶寬分配算法進(jìn)行了研究，驗證了IPACT算法在帶寬利用率、時延性能方面都優(yōu)于SBA算法，并進(jìn)一步說明IPACT算法在1∶16和1∶32的EPON網(wǎng)絡(luò)中的延時和丟包率性能能夠很好地滿足配電網(wǎng)通信的要求。

2 中壓通信接入網(wǎng)業(yè)務(wù)分析

2.1 配用電業(yè)務(wù)特點(diǎn)

配用電網(wǎng)絡(luò)是用電設(shè)備和輸電網(wǎng)絡(luò)連接的電網(wǎng)部分，通過配電網(wǎng)將電能輸送到電力用戶，實現(xiàn)對用戶的可靠供電。同時，也是分布式能源接入電網(wǎng)的線路，實現(xiàn)電力企業(yè)和用電用戶的雙向能源交互。配電網(wǎng)的主要業(yè)務(wù)要求見表1。

2.2 EPON技術(shù)應(yīng)用分析

EPON技術(shù)結(jié)合了以太網(wǎng)技術(shù)和無源光網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，采用點(diǎn)到多點(diǎn)的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，已成為下一代寬帶接入網(wǎng)最具競爭力的方案之一，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表1 配電網(wǎng)業(yè)務(wù)類型

EPON在下行方向采用廣播的方式，而在上行方向采用時分復(fù)用的方式。上行通信系統(tǒng)中時分復(fù)用的方式?jīng)Q定了其位于用戶端的設(shè)備必須占用不同的時隙空間向OLT傳輸緩存數(shù)據(jù)。在配電網(wǎng)通信系統(tǒng)中，由于控制信令等業(yè)務(wù)對延時性要求較高，當(dāng)某用戶端的業(yè)務(wù)量較大時，有可能對其他的用戶造成較大的延時而不利于整個配電網(wǎng)有效的調(diào)度和資源的優(yōu)化利用，為了避免這種情況的發(fā)生并適應(yīng)不同業(yè)務(wù)對通信質(zhì)量的要求，需要合理分配EPON網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度方案。

3 帶寬分配算法的研究

3.1 SSA(static slot assignment，靜態(tài)時隙分配)

[6]提出了SSA帶寬分配算法，其工作原理如圖2所示。

該算法在每個輪詢周期內(nèi)，為每個ONU分配相同的授權(quán)時隙。在ONU1和ONU2中，其帶寬所需分別為1個和2個時隙，但系統(tǒng)卻為其分配了3個時隙，而其中沒有利用的帶寬時隙就被浪費(fèi)了。即使ONU3中有大量的業(yè)務(wù)要發(fā)送也只能等待下一個帶寬時隙的到來，而不能利用ONU1和ONU2中所剩余的帶寬時隙。為了解決這個問題，必須采用動態(tài)帶寬分配算法。

3.2 IPACT

IPACT （interleaved polling with adaptive cycle time，適應(yīng)性周期時間交替輪詢）算法是由Kramer等人提出的[7]，是目前帶寬分配算法中較為常用的算法。在此基礎(chǔ)上又提出了固定服務(wù)、限制服務(wù)、固定信用服務(wù)、線性信用服務(wù)、彈性服務(wù)等算法，其核心思想與IPACT算法相同，本文以3個ONU舉例闡明IPACT算法的機(jī)制，不同時刻ONU緩存量如圖3所示。

如圖4所示，EPON系統(tǒng)中存在3個ONU。在算法開始分配帶寬時，OLT已經(jīng)知道ONU的業(yè)務(wù)待發(fā)量及往返時間。算法具體過程如下所述。

（1）在T0時刻，OLT對ONU1發(fā)送一條授權(quán)指令。授權(quán)指令以廣播的方式發(fā)送到所有的ONU，授權(quán)指令中包括發(fā)送的目的ONU及開始發(fā)送的時間、發(fā)送的窗口大小（大小為 6000 Bytes）。

（2）ONU1在接收到授權(quán)指令后，按照授權(quán)指令里面的開始時間和窗口的大小發(fā)送數(shù)據(jù)，同時向OLT報告下一個時隙所需要的窗口大?。ù笮?50 Bytes）。

（3）在ONU1發(fā)送數(shù)據(jù)的同時，其他的 ONU也可以發(fā)送自己的數(shù)據(jù)。由于OLT里面記錄著每個ONU授權(quán)的開始和結(jié)束時間，所以各個ONU之間不會發(fā)生碰撞。

（4）在OLT接收到 ONU1的報告信息后，就開始更新自己維護(hù)的輪詢表，記錄ONU1下一個時隙的帶寬請求，大小為550 Bytes，同時實時更新 ONU1的RTT時間值。

（5）ONU1數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，同時為ONU2發(fā)送授權(quán)信息，過程與ONU1過程相同，ONU2同樣完成授權(quán)信息后就開始為ONU3發(fā)送授權(quán)信息。

（6）整個過程循環(huán)執(zhí)行就實現(xiàn)了動態(tài)帶寬的分配效果。

IPACT算法中仍然存在系統(tǒng)輪詢周期隨機(jī)變化、ONU沒有帶寬閾值等問題，因此本文提供一種基于固定周期雙閾值的IPACT算法規(guī)避以上問題。先定義幾個變量：ONUrequest（代表ONU的業(yè)務(wù)請求量）、WL（ONU的最低時隙）為一個最小以太網(wǎng)幀的大小，WH（ONU的最大傳輸時隙），其調(diào)度方法與IPACT算法相同，時隙分配算法為：

采用WL、Wh后，可以保證ONU在一個周期內(nèi)公平的占有授權(quán)時隙，而減少系統(tǒng)延時時間。

4 仿真參數(shù)及結(jié)果分析

4.1 仿真參數(shù)

為了驗證上文提供的算法性能（本文稱參考文獻(xiàn)[7]中方案為IPACT-1,固定周期雙閾值的IPACT算法為IPACT-2），采用如下仿真模型進(jìn)行仿真。

仿真模型采用1個OLT和16個ONU組成的樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)定其上下行的鏈路速率為1 Gbit/s，即系統(tǒng)傳輸1 bit信息量所需要的時間為1 ns。用戶到ONU之間的線速率為100 Mbit/s。為了便于系統(tǒng)進(jìn)行仿真。設(shè)定每個ONU到OLT的最大距離為20 km，則相應(yīng)的RTT為200 us?？偨Y(jié)仿真實驗的參數(shù)見表2。

表2 實驗仿真參數(shù)

4.2 仿真結(jié)果

本節(jié)利用上節(jié)所設(shè)置的參數(shù)對SSA、IPACT-1、IPACT-2算法進(jìn)行仿真，重點(diǎn)分析了算法的延時性能及帶寬利用率，其結(jié)果如圖5和圖6所示。

從圖5可以看出：IPACT-2算法的延時小于SSA和IPACT-1算法。在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較輕時，IPACT-1和IPACT-2算法的延時時間基本可以忽略，而SSA算法的延時性能高于IPACT，因為SSA算法采用固定時隙的方法，無論有無業(yè)務(wù)都需要一定的等待時間。在IPACT分配方案中，隨著ONU負(fù)載的增加，每個ONU的發(fā)送時隙開始增大，造成其他ONU等待時間的增加，增加系統(tǒng)的整體延時。

從圖6可以看出：IPACT-2算法的帶寬利用率高于SSA和IPACT-1算法，因俄日IPACT-2算法采用基于固定輪詢周期雙閾值的方案。當(dāng)某ONU中無業(yè)務(wù)需求時，分配最小閾值以保證ONU的可用性，當(dāng)業(yè)務(wù)需求超過最大授權(quán)窗口時為其分配最大窗口，小于最大窗口時按需分配。而在IPACT-1中采用按需分配的方法，造成系統(tǒng)利用率低于IPACT-2、靜態(tài)帶寬分配算法，當(dāng)某些ONU負(fù)載較輕時，仍然分配到相同的窗口，導(dǎo)致利用率相對較低。

因此以上仿真結(jié)果顯示，IPACT-2算法同SSA和IPACT-1算法相比，在時延和帶寬利用率上具有明顯優(yōu)勢。

4.3 配網(wǎng)應(yīng)用場景分析

為了驗證IPACT-2算法在配電網(wǎng)中的應(yīng)用性能，針對以下兩種場景進(jìn)行分析。

（1）場景 1

EPON系統(tǒng)的分光比為 1∶16，其覆蓋范圍為0～20 km。在這種場景下，根據(jù)其覆蓋范圍分為0～10 km和0～20 km，其仿真參數(shù)采用前面設(shè)置的參數(shù)，仿真結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7分析了在場景1的兩種情況下IPACT-2算法的丟包率，在ONU負(fù)載低于50 Mbit/s時其丟包率很小，隨著ONU負(fù)載的增加丟包率開始增加。當(dāng)ONU的負(fù)載大于60時，丟包率超過15%，大于承受能力。因為ONU負(fù)載增大EPON鏈路趨于飽和，各個ONU的傳輸時間增大，導(dǎo)致ONU的等待時間增長，緩存不足時，其后續(xù)到來的數(shù)據(jù)包會全部丟棄。

圖8顯示兩種情況下的延時時間基本相同。

(2)場景 2

EPON系統(tǒng)的分光比為1∶32，其覆蓋范圍為0～10 km，在這種場景下根據(jù)其覆蓋范圍分為0～5 km和0～10 km，其仿真參數(shù)仍然采用前面設(shè)置的參數(shù)，仿真結(jié)果如圖9和圖10所示。

圖9分析了在場景2的兩種情況下IPACT-2算法的丟包率，在ONU負(fù)載低于22.5 Mbit/s時其丟包率很小，隨著ONU負(fù)載的增加丟包率開始增加。當(dāng)ONU的負(fù)載大于27.5時，丟包率開始急劇增加，這是因為ONU的業(yè)務(wù)量增大開始接近EPON鏈路的飽和容量，當(dāng)ONU緩存量不足時，其后續(xù)到來的數(shù)據(jù)包都被丟棄。

圖10顯示兩種情況下其時延基本相同，當(dāng)ONU負(fù)載趨于35 Mbit/s時，延時接近一個常數(shù)，因為 EPON鏈路趨于飽和，各個ONU的授權(quán)時隙相對穩(wěn)定，其時延相對平衡。

從上述兩種場景可以看出，IPACT-2算法能夠很好地滿足配電網(wǎng)的業(yè)務(wù)需求。在ONU處于輕負(fù)載時，延時時間均可以忽略不計，能夠滿足配電網(wǎng)業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)延時及丟包率性能的要求，穩(wěn)定的傳輸系統(tǒng)業(yè)務(wù)。當(dāng)ONU負(fù)載增加時，到中等至重負(fù)載時，其性能略有下降。當(dāng)重負(fù)載時，性能開始下降，需要通過網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容等方式解決問題。

5 結(jié)束語

配電網(wǎng)的高效、穩(wěn)定運(yùn)行對提升電網(wǎng)供電可靠性等參數(shù)起著重要作用，將EPON系統(tǒng)運(yùn)用到配電網(wǎng)中，能夠滿足配用電業(yè)務(wù)的通信需求。本文在分析了配電網(wǎng)業(yè)務(wù)要求的基礎(chǔ)上，評價了EPON系統(tǒng)的兩類帶寬分配方案：靜態(tài)帶寬分配和動態(tài)帶寬分配。通過仿真試驗得出結(jié)論，靜態(tài)帶寬分配技術(shù)延時性能不能很好地滿足配電網(wǎng)的需求；基于固定周期雙閾值的IPACT算法顯著降低了系統(tǒng)在中等負(fù)載情況的時延，在網(wǎng)絡(luò)具有較高負(fù)載時，保證高時延要求業(yè)務(wù)的正常運(yùn)行；并能提高系統(tǒng)的帶寬利用率，滿足配電網(wǎng)通信系統(tǒng)的要求及配用電業(yè)務(wù)的需求，使網(wǎng)絡(luò)的性能得到改善。

參考文獻(xiàn)

1 DL/T 5131-2001.農(nóng)村電網(wǎng)建設(shè)與改造技術(shù)導(dǎo)則

2 尹廣興，陳雪，王琦.一種帶閾值的EPON動態(tài)帶寬分配算法，光通信研究，2007(6)：20～22

3 Kramer G,Mukherjee B,Pesavento G.Ethernet passive optical network (EPON):building a next-generation optical access network.IEEE Commun Mag,2002,40(2):66～73

4 Grobe K,Elbers J P.PON in adolescence:from TDMA to WDM-PON.IEEE Commun Mag,2008,46(1):26～34

5 Lin R.Next generation PON in emerging networks.In:IEEE OFC/NFOEC 2008,San Diego,USA,IEEE,2008

6 Kramer G,Mukherjee B,Pesavento G.Ethernet PON(EPON):design and analysis of an optical access network.Photonic Network Communications,2001,3(3)

7 Kramer G,Mukherjee B,Pesavento G.Interleaved polling with adaptive cycle time (IPACT):a dynamic bandwidth distribution scheme in an optical access network.Photonic Network Communications，2002,4(1):89～107