朱志成，趙海濤，李 洋

(1.南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003；2.南京南瑞集團公司 信息通信技術分公司，江蘇 南京 210003)

基于OPNET的電力通信EPON仿真建模研究

朱志成1，趙海濤1，李 洋2

(1.南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003；2.南京南瑞集團公司 信息通信技術分公司，江蘇 南京 210003)

成本低廉、易維護等特點使得EPON(以太無源光網絡)成為智能電網配用電通信的首選，而在先期網絡規(guī)劃、后期網絡性能等參數的綜合評估等方面尚缺乏有效的理論分析方法。因此在研究EPON網絡的基礎上，利用OPNET分別構建了EPON的OLT、POS、ONU網元模型，并針對在電力通信中的應用，完成了電力通信業(yè)務的建模，構建了面向電力通信的EPON仿真研究平臺。對常見電力通信EPON組網方式進行了實驗，并對實驗結果進行了分析。實驗結果表明，所搭建的電力EPON仿真研究平臺可對電力通信業(yè)務性能進行測試與分析，EPON系統(tǒng)完全符合電力通信業(yè)務的傳輸要求。

以太無源光網絡；電力通信；OPNET；建模；仿真

0 引 言

智能電網配用電通信主要有無線通信、光纖通信和電力線載波通信3種。其中光纖通信具有可靠性高、帶寬大、保密性好以及抗干擾性強等優(yōu)點，近年來隨著光纖成本的降低，智能電網中普遍優(yōu)先采用光纖通信實現配用電業(yè)務的傳輸。EPON(Ethernet Passive Optical Network)技術作為一種新型的無源光網絡接入技術，綜合了以太網和PON技術，同時支持語音、圖像和數據的接入傳輸，是一個多業(yè)務綜合接入平臺[1]。

近年來，國內外對EPON進行了廣泛的研究與應用。文獻[1]介紹了一種適用于EPON系統(tǒng)的帶寬分配算法及仿真模型。文獻[2]提出了間隔輪詢授權IPACT算法，重點研究了不同授權窗口設置下對網絡傳輸性能的影響。文獻[3]結合海鹽縣供電局的配電網通信系統(tǒng)接入需求，提出了基于EPON技術的配電網通信系統(tǒng)設計方案并取得了成功應用。文獻[4]提出并研制了一種基于EPON的智能配電網差動保護裝置，實現了多端線路差動保護。目前已有較多的EPON仿真研究[2,5-7]，但大多重在創(chuàng)建單個的EPON系統(tǒng)，而針對電力通信EPON系統(tǒng)還未有完備的仿真實驗平臺，且實際EPON產品亦不能對網絡結構、參數等性能進行方便地測試。因此，在研究學習EPON相關標準的基礎上，基于OPNET網絡仿真軟件，對EPON進行了建模，針對其在電力通信中的應用對電力通信配用電業(yè)務建模，構建了電力通信EPON網絡仿真測試平臺，完成了相關網絡性能參數的測試。

1 EPON基本原理與建模

由于OPNET中未包含EPON庫模型，因此需要根據OPNET的建模機理從進程域開始對EPON網元模型進行代碼級開發(fā)，包括OLT、ONU、POS，光纖模型采用OPNET自帶的1 Gbps鏈路模型。OPNET網絡仿真的建模原理等背景知識詳見文獻[8-9]。

1.1 OLT節(jié)點模型的構建

根據IEEE 802.3ah標準，EPON系統(tǒng)中OLT主要負責處理來自ONU的帶寬請求，向ONU分配帶寬，并完成上下行數據的轉發(fā)。在OPNET軟件節(jié)點編輯器中構建OLT節(jié)點模型如圖1所示。其中Ethernet為OPNET自帶以太網MAC層模塊Ethernet_mac_v2用以實現PON網絡與上層網絡的連接，實現上行接入，OLT_MAC為OLT的光端口，根據802.3協議中點到多點控制協議(MPCP)進行建模。SWITCH實現上下行數據之間的交換與封裝、解封裝操作，構建上聯端口與下聯端口之間的橋梁。

圖1 OLT節(jié)點及進程域模型

自建模塊OLT_MAC進程域模型根據IEEE802.3-2012 SECTION FIVE 64. Multipoint MAC Control協議進行建模實現ONU的發(fā)現，測距，注冊、帶寬分配，ONU REPORT接收以及上下行封包的交換處理，具體進程模型如圖1所示。

OLT_MAC完成初始化進入IDLE狀態(tài)后立即進入DISCOVERY狀態(tài)，向ONU發(fā)送發(fā)現注冊幀Discovery Gate并根據來自ONU的注冊請求對ONU進行注冊及相關邏輯端口ID-LLID的分配。注冊完畢后返回IDLE狀態(tài)，在IDLE狀態(tài)實現對注冊ONU的周期性上行窗口授權(GATE狀態(tài)向ONU發(fā)送授權窗口GATE)，ONU在授權窗口末尾向OLT發(fā)送REPORT信息，OLT在IDLE狀態(tài)收到REPORT后進行ONU隊列排隊情況提取，并用于下次對此ONU的授權窗口的確定。IDLE狀態(tài)同時完成上下行封包的交換發(fā)送以及相應統(tǒng)計量的收集。

GATE狀態(tài)完成對ONU的授權，文中所采用的帶寬分配算法為限制服務IPACT(Interleaved polling algorithm)間隔輪詢算法[2]：OLT的授權幀GATE發(fā)送的時間點計算公式如下：

OA學術資源是指在公共網絡領域內可被免費獲取的具有一定質量標準與格式條款限制的學術資源。用戶可以不受財力、法律和技術限制，在保證完整性與正確性的前提下進行閱讀、下載、拷貝、傳遞、打印、檢索和超級鏈接，并為之建立索引、用作軟件輸入數據或其他任何合法用途[1]。

(1)

授權窗口的確定依照限制服務原則：

(2)

其中，V[i]為輪詢表中ONU的隊列排隊情況，可視為“請求窗口大小”；Wmax為保證所有ONU公平性而設置的最大授權窗口，防止某個ONU獨占上行帶寬，造成其他ONU業(yè)務封包排隊延時過長。

Wmax計算方法為：

(3)

其中，Tmax為ONU最大排隊時延，一般設為2～3ms；N為系統(tǒng)中已注冊的ONU數目。

1.2 ONU節(jié)點模型的構建

ONU是EPON網絡系統(tǒng)的用戶側設備，用于終結從OLT傳送來的業(yè)務，與OLT配合向用戶提供服務。在OPNET軟件節(jié)點編輯器中構建ONU節(jié)點模型如圖2所示，其結構與OLT節(jié)點結構類似，由三個主要處理模塊構成：

Ethernet用于建立ONU與用戶設備之間的以太網連接，自建模塊ONU_MAC為ONU節(jié)點的MAC層模型，其通過收發(fā)機PON_rx及PON_tx實現與分光器POS的連接，最終與OLT實現通信連接，SWITCH交換模塊負責用戶側與PON側的用戶數據幀交換。

圖2 ONU節(jié)點及進程域模型

自建模塊ONU_MAC實現MPCP完成相應ONU的發(fā)現、測距及注冊，上行授權窗口GATE接收解析，隊列排隊情況的REPORT，接收來自用戶數據向上層網絡轉發(fā)，或選擇接收來自OLT數據封包并轉發(fā)至各個用戶，其進程域模型如圖2所示。

ONU_MAC在初始化完畢進入IDLE狀態(tài)后立即進入EPON_START狀態(tài)等待來自OLT的發(fā)現注冊幀Discovery GATE，收到發(fā)現注冊幀后解析其中包含的注冊窗口大小，并根據此窗口大小產生一隨機時延時間后進入REG_REQ狀態(tài)向OLT發(fā)送注冊請求register request，發(fā)送完畢返回EPON_START狀態(tài)等待來自OLT注冊REGISTER幀，解析其中OLT分配的邏輯鏈路段口LLID等注冊信息，并向OLT返回注冊響應register acknowledge完成注冊返回IDLE狀態(tài)。

ONU_MAC在IDLE接收來自OLT的上行窗口授權GATE解析其中的授權信息，在授權窗口內向OLT發(fā)送隊列中的排隊數據，并在授權窗口結束時向OLT匯報當前ONU隊列情況-REPORT，ONU在IDLE狀態(tài)同樣選擇接收OLT下行廣播數據，并轉發(fā)至相應用戶。

2 電力通信業(yè)務建模

網絡仿真中業(yè)務建模對仿真結果準確性影響較大，不準確的業(yè)務建模一般不能反映所設計網絡結構的性能參數，甚至得到完全對立的仿真結果，因此針對電力通信EPON網絡性能仿真需要針對電力通信業(yè)務進行合理建模。

電力通信業(yè)務按照配電和用電網絡主要分為配電自動化業(yè)務和用電信息采集業(yè)務[10-11]，相應業(yè)務主要參數如表1所示。

針對上述配用電業(yè)務需要在OPNET中進行相應業(yè)務建模，OPNET提供了8種標準互聯網業(yè)務模型(FTP、Email、Remote Login、Database、HTTP、Print、Voice、Video Conferencing)，但實際電力通信網中業(yè)務類型與此8種模型的業(yè)務特性有較多差異。例如，OPNET標準業(yè)務Video Conferencing實現端到端的視頻會議，而電網中視頻監(jiān)控為單向業(yè)務傳輸，即主站對相關配電終端進行單向視頻監(jiān)控，可見OPNET提供的業(yè)務模型大多無法直接應用至電力通信網中，因此文中利用OPNET中自定義業(yè)務模型(Custom Application)對電網配用電通信業(yè)務進行建模。自定義應用業(yè)務能將一個應用拆分成若干個任務，每個任務又可拆分成若干個階段，通過配置任務配置器，能較好地描述應用何時發(fā)送請求和響應、如何建立通信連接以及服務器處理花費的時間。此建模方法支持多端應用，具有較大的靈活性[12-14]。

表1 電力通信配用電系統(tǒng)業(yè)務類型及參數

3 電力通信EPON仿真分析

EPON因其易擴展性在電力通信中主要用于接入網建設，電力通信EPON接入網常見的組網方式有星型、F型、一字型等。在OPNET仿真網絡場景編輯器中可按上述組網方式，根據配用電A類場景規(guī)模結構[10]，利用自建的EPON網元模型搭建電力通信EPON仿真平臺，如圖3所示。

圖3 電力通信EPON仿真分析平臺

圖中，server為配用電業(yè)務服務器，與OLT位于局端，各個ONU位于配用電子站，各個wkstn為配用電終端或用電信息采集集中器，POS為無源分光器模型，實現光纖信道的共享。其中單節(jié)光纖平均長度在1 km左右，光纖最大長度未超過20 km，符合EPON系統(tǒng)應用標準。

在搭建的仿真平臺中利用圖中TASK、APPLICATION、PROFILE配置模塊對配用電終端加載第2節(jié)建立的電力通信業(yè)務，設置仿真時間為1 min。

業(yè)務封包平均EPON網絡傳輸時延如圖4所示。

由圖4可見，業(yè)務封包在EPON網絡中平均傳輸時延在0.1～0.5 ms之間，符合前述IPACT算法設計的最大傳輸時延為2 ms的要求，因而所搭建的仿真平臺能夠滿足業(yè)務傳輸的需求。

配電“三遙”業(yè)務響應延遲時間對比如圖5所示。圖中點劃線為遙測業(yè)務，其響應時延約為0.9 ms；點線為遙信業(yè)務，其響應時延約為1.8 ms；實線為遙控業(yè)務，其響應時延約為3.5 ms。根據《配電自動化建設與改造標準化設計技術規(guī)定》(Q/GDW 625-2011)中對光纖通信方式下“三遙”業(yè)務實時性要求：遙測小于2 s、遙信小于2 s、遙控小于10 s，EPON系統(tǒng)傳輸配電自動化“三遙”業(yè)務符合對應實時性要求。

圖5 配電通信三遙業(yè)務響應時延對比

電力通信EPON網絡OLT業(yè)務吞吐量如圖6所示。

由圖可見，此仿真場景下OLT業(yè)務吞吐量在1 Mbps左右，與所搭建的A類場景理論業(yè)務流量[9]相同。仿真實現了業(yè)務的可靠傳輸，并且與EPON系統(tǒng)光纖線速率1 Gbps相比，EPON系統(tǒng)的傳輸能力仍有很大空余，能夠充分滿足系統(tǒng)擴容方面的要求。

圖6 EPON網絡OLT業(yè)務吞吐量

4 結束語

基于OPNET網絡仿真軟件構建了一電力通信EPON仿真平臺，具體介紹了EPON建模流程。針對EPON在電力通信中的應用對電力通信配用電業(yè)務進行了業(yè)務建模，仿真分析了電力通信EPON系統(tǒng)典型場景的相關性能，對實際網絡規(guī)劃建設評估有一定參考價值。在該平臺模型下可進一步修改OLT端的帶寬分配算法，研究不同帶寬分配算法對電力通信EPON系統(tǒng)性能的影響。

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Research on Modeling and Simulation of EPON in Electric Power Communication Based on OPNET

ZHU Zhi-cheng1,ZHAO Hai-tao1,LI Yang2

(1.Institute of Telecommunications & Information Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China;2.Branch of Information and Telecommunications of NARI Group Corporation,Nanjing 210003,China)

The low cost and easy maintenance of Ethernet Passive Optical Network also called EPON,makes it be the first choice in electrical communications of the smart grid.While there are lack of effective theoretical analysis from the perspective of parameters evaluation in early network planning and late network performance.For the application of electric power communication,consequently,the traffic of electric power communication is raised on the basis of EPON network and further simulation platform is constructed by using the OPNET network simulation software.Some common network structures on this platform are simulated and analysis of the results is made correspondingly.The result shows that the built EPON simulation and research platform can test and analyze the performance of electric communication traffic,and EPON can absolutely meet the requirements of the electric communication traffic.

EPON;electric power communication;OPNET;modeling;simulation

2016-02-26

2016-06-16

時間：2016-11-22

國家自然科學基金資助項目(61302100,61201162)；教育部博士點基金(20133223120002)

朱志成(1992-)，男，碩士研究生，研究方向為寬帶接入技術仿真與建模；趙海濤，副教授，研究方向為下一代網絡技術、車聯網、網絡編碼等。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20161122.1228.036.html

TN915.85

A

1673-629X(2016)12-0164-05

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.12.036