朱志成，趙海濤，李 洋

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

成本低廉、易維護(hù)等特點(diǎn)使得EPON(以太無(wú)源光網(wǎng)絡(luò))成為智能電網(wǎng)配用電通信的首選，而在先期網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、后期網(wǎng)絡(luò)性能等參數(shù)的綜合評(píng)估等方面尚缺乏有效的理論分析方法。因此在研究EPON網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，利用OPNET分別構(gòu)建了EPON的OLT、POS、ONU網(wǎng)元模型，并針對(duì)在電力通信中的應(yīng)用，完成了電力通信業(yè)務(wù)的建模，構(gòu)建了面向電力通信的EPON仿真研究平臺(tái)。對(duì)常見(jiàn)電力通信EPON組網(wǎng)方式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所搭建的電力EPON仿真研究平臺(tái)可對(duì)電力通信業(yè)務(wù)性能進(jìn)行測(cè)試與分析，EPON系統(tǒng)完全符合電力通信業(yè)務(wù)的傳輸要求。

以太無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)；電力通信；OPNET；建模；仿真

0 引 言

智能電網(wǎng)配用電通信主要有無(wú)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)隨著光纖成本的降低，智能電網(wǎng)中普遍優(yōu)先采用光纖通信實(shí)現(xiàn)配用電業(yè)務(wù)的傳輸。EPON(Ethernet Passive Optical Network)技術(shù)作為一種新型的無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)，綜合了以太網(wǎng)和PON技術(shù)，同時(shí)支持語(yǔ)音、圖像和數(shù)據(jù)的接入傳輸，是一個(gè)多業(yè)務(wù)綜合接入平臺(tái)[1]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)EPON進(jìn)行了廣泛的研究與應(yīng)用。文獻(xiàn)[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(xiàn)[2]提出了間隔輪詢授權(quán)IPACT算法，重點(diǎn)研究了不同授權(quán)窗口設(shè)置下對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸性能的影響。文獻(xiàn)[3]結(jié)合海鹽縣供電局的配電網(wǎng)通信系統(tǒng)接入需求，提出了基于EPON技術(shù)的配電網(wǎng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案并取得了成功應(yīng)用。文獻(xiàn)[4]提出并研制了一種基于EPON的智能配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)裝置，實(shí)現(xiàn)了多端線路差動(dòng)保護(hù)。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(gè)的EPON系統(tǒng)，而針對(duì)電力通信EPON系統(tǒng)還未有完備的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，且實(shí)際EPON產(chǎn)品亦不能對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、參數(shù)等性能進(jìn)行方便地測(cè)試。因此，在研究學(xué)習(xí)EPON相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，基于OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，對(duì)EPON進(jìn)行了建模，針對(duì)其在電力通信中的應(yīng)用對(duì)電力通信配用電業(yè)務(wù)建模，構(gòu)建了電力通信EPON網(wǎng)絡(luò)仿真測(cè)試平臺(tái)，完成了相關(guān)網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)的測(cè)試。

1 EPON基本原理與建模

由于OPNET中未包含EPON庫(kù)模型，因此需要根據(jù)OPNET的建模機(jī)理從進(jìn)程域開(kāi)始對(duì)EPON網(wǎng)元模型進(jìn)行代碼級(jí)開(kāi)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(wǎng)絡(luò)仿真的建模原理等背景知識(shí)詳見(jiàn)文獻(xiàn)[8-9]。

1.1 OLT節(jié)點(diǎn)模型的構(gòu)建

根據(jù)IEEE 802.3ah標(biāo)準(zhǔn)，EPON系統(tǒng)中OLT主要負(fù)責(zé)處理來(lái)自O(shè)NU的帶寬請(qǐng)求，向ONU分配帶寬，并完成上下行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。在OPNET軟件節(jié)點(diǎn)編輯器中構(gòu)建OLT節(jié)點(diǎn)模型如圖1所示。其中Ethernet為OPNET自帶以太網(wǎng)MAC層模塊Ethernet_mac_v2用以實(shí)現(xiàn)PON網(wǎng)絡(luò)與上層網(wǎng)絡(luò)的連接，實(shí)現(xiàn)上行接入，OLT_MAC為OLT的光端口，根據(jù)802.3協(xié)議中點(diǎn)到多點(diǎn)控制協(xié)議(MPCP)進(jìn)行建模。SWITCH實(shí)現(xiàn)上下行數(shù)據(jù)之間的交換與封裝、解封裝操作，構(gòu)建上聯(lián)端口與下聯(lián)端口之間的橋梁。

圖1 OLT節(jié)點(diǎn)及進(jìn)程域模型

自建模塊OLT_MAC進(jìn)程域模型根據(jù)IEEE802.3-2012 SECTION FIVE 64. Multipoint MAC Control協(xié)議進(jìn)行建模實(shí)現(xiàn)ONU的發(fā)現(xiàn)，測(cè)距，注冊(cè)、帶寬分配，ONU REPORT接收以及上下行封包的交換處理，具體進(jìn)程模型如圖1所示。

OLT_MAC完成初始化進(jìn)入IDLE狀態(tài)后立即進(jìn)入DISCOVERY狀態(tài)，向ONU發(fā)送發(fā)現(xiàn)注冊(cè)幀Discovery Gate并根據(jù)來(lái)自O(shè)NU的注冊(cè)請(qǐng)求對(duì)ONU進(jìn)行注冊(cè)及相關(guān)邏輯端口ID-LLID的分配。注冊(cè)完畢后返回IDLE狀態(tài)，在IDLE狀態(tài)實(shí)現(xiàn)對(duì)注冊(cè)O(shè)NU的周期性上行窗口授權(quán)(GATE狀態(tài)向ONU發(fā)送授權(quán)窗口GATE)，ONU在授權(quán)窗口末尾向OLT發(fā)送REPORT信息，OLT在IDLE狀態(tài)收到REPORT后進(jìn)行ONU隊(duì)列排隊(duì)情況提取，并用于下次對(duì)此ONU的授權(quán)窗口的確定。IDLE狀態(tài)同時(shí)完成上下行封包的交換發(fā)送以及相應(yīng)統(tǒng)計(jì)量的收集。

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

OA學(xué)術(shù)資源是指在公共網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域內(nèi)可被免費(fèi)獲取的具有一定質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與格式條款限制的學(xué)術(shù)資源。用戶可以不受財(cái)力、法律和技術(shù)限制，在保證完整性與正確性的前提下進(jìn)行閱讀、下載、拷貝、傳遞、打印、檢索和超級(jí)鏈接，并為之建立索引、用作軟件輸入數(shù)據(jù)或其他任何合法用途[1]。

(1)

授權(quán)窗口的確定依照限制服務(wù)原則：

(2)

其中，V[i]為輪詢表中ONU的隊(duì)列排隊(duì)情況，可視為“請(qǐng)求窗口大小”；Wmax為保證所有ONU公平性而設(shè)置的最大授權(quán)窗口，防止某個(gè)ONU獨(dú)占上行帶寬，造成其他ONU業(yè)務(wù)封包排隊(duì)延時(shí)過(guò)長(zhǎng)。

Wmax計(jì)算方法為：

(3)

其中，Tmax為ONU最大排隊(duì)時(shí)延，一般設(shè)為2～3ms；N為系統(tǒng)中已注冊(cè)的ONU數(shù)目。

1.2 ONU節(jié)點(diǎn)模型的構(gòu)建

ONU是EPON網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的用戶側(cè)設(shè)備，用于終結(jié)從OLT傳送來(lái)的業(yè)務(wù)，與OLT配合向用戶提供服務(wù)。在OPNET軟件節(jié)點(diǎn)編輯器中構(gòu)建ONU節(jié)點(diǎn)模型如圖2所示，其結(jié)構(gòu)與OLT節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)類似，由三個(gè)主要處理模塊構(gòu)成：

Ethernet用于建立ONU與用戶設(shè)備之間的以太網(wǎng)連接，自建模塊ONU_MAC為ONU節(jié)點(diǎn)的MAC層模型，其通過(guò)收發(fā)機(jī)PON_rx及PON_tx實(shí)現(xiàn)與分光器POS的連接，最終與OLT實(shí)現(xiàn)通信連接，SWITCH交換模塊負(fù)責(zé)用戶側(cè)與PON側(cè)的用戶數(shù)據(jù)幀交換。

圖2 ONU節(jié)點(diǎn)及進(jìn)程域模型

自建模塊ONU_MAC實(shí)現(xiàn)MPCP完成相應(yīng)ONU的發(fā)現(xiàn)、測(cè)距及注冊(cè)，上行授權(quán)窗口GATE接收解析，隊(duì)列排隊(duì)情況的REPORT，接收來(lái)自用戶數(shù)據(jù)向上層網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)，或選擇接收來(lái)自O(shè)LT數(shù)據(jù)封包并轉(zhuǎn)發(fā)至各個(gè)用戶，其進(jìn)程域模型如圖2所示。

ONU_MAC在初始化完畢進(jìn)入IDLE狀態(tài)后立即進(jìn)入EPON_START狀態(tài)等待來(lái)自O(shè)LT的發(fā)現(xiàn)注冊(cè)幀Discovery GATE，收到發(fā)現(xiàn)注冊(cè)幀后解析其中包含的注冊(cè)窗口大小，并根據(jù)此窗口大小產(chǎn)生一隨機(jī)時(shí)延時(shí)間后進(jìn)入REG_REQ狀態(tài)向OLT發(fā)送注冊(cè)請(qǐng)求register request，發(fā)送完畢返回EPON_START狀態(tài)等待來(lái)自O(shè)LT注冊(cè)REGISTER幀，解析其中OLT分配的邏輯鏈路段口LLID等注冊(cè)信息，并向OLT返回注冊(cè)響應(yīng)register acknowledge完成注冊(cè)返回IDLE狀態(tài)。

ONU_MAC在IDLE接收來(lái)自O(shè)LT的上行窗口授權(quán)GATE解析其中的授權(quán)信息，在授權(quán)窗口內(nèi)向OLT發(fā)送隊(duì)列中的排隊(duì)數(shù)據(jù)，并在授權(quán)窗口結(jié)束時(shí)向OLT匯報(bào)當(dāng)前ONU隊(duì)列情況-REPORT，ONU在IDLE狀態(tài)同樣選擇接收OLT下行廣播數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)用戶。

2 電力通信業(yè)務(wù)建模

網(wǎng)絡(luò)仿真中業(yè)務(wù)建模對(duì)仿真結(jié)果準(zhǔn)確性影響較大，不準(zhǔn)確的業(yè)務(wù)建模一般不能反映所設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的性能參數(shù)，甚至得到完全對(duì)立的仿真結(jié)果，因此針對(duì)電力通信EPON網(wǎng)絡(luò)性能仿真需要針對(duì)電力通信業(yè)務(wù)進(jìn)行合理建模。

電力通信業(yè)務(wù)按照配電和用電網(wǎng)絡(luò)主要分為配電自動(dòng)化業(yè)務(wù)和用電信息采集業(yè)務(wù)[10-11]，相應(yīng)業(yè)務(wù)主要參數(shù)如表1所示。

針對(duì)上述配用電業(yè)務(wù)需要在OPNET中進(jìn)行相應(yīng)業(yè)務(wù)建模，OPNET提供了8種標(biāo)準(zhǔn)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)模型(FTP、Email、Remote Login、Database、HTTP、Print、Voice、Video Conferencing)，但實(shí)際電力通信網(wǎng)中業(yè)務(wù)類型與此8種模型的業(yè)務(wù)特性有較多差異。例如，OPNET標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)Video Conferencing實(shí)現(xiàn)端到端的視頻會(huì)議，而電網(wǎng)中視頻監(jiān)控為單向業(yè)務(wù)傳輸，即主站對(duì)相關(guān)配電終端進(jìn)行單向視頻監(jiān)控，可見(jiàn)OPNET提供的業(yè)務(wù)模型大多無(wú)法直接應(yīng)用至電力通信網(wǎng)中，因此文中利用OPNET中自定義業(yè)務(wù)模型(Custom Application)對(duì)電網(wǎng)配用電通信業(yè)務(wù)進(jìn)行建模。自定義應(yīng)用業(yè)務(wù)能將一個(gè)應(yīng)用拆分成若干個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)又可拆分成若干個(gè)階段，通過(guò)配置任務(wù)配置器，能較好地描述應(yīng)用何時(shí)發(fā)送請(qǐng)求和響應(yīng)、如何建立通信連接以及服務(wù)器處理花費(fèi)的時(shí)間。此建模方法支持多端應(yīng)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(wù)類型及參數(shù)

3 電力通信EPON仿真分析

EPON因其易擴(kuò)展性在電力通信中主要用于接入網(wǎng)建設(shè)，電力通信EPON接入網(wǎng)常見(jiàn)的組網(wǎng)方式有星型、F型、一字型等。在OPNET仿真網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景編輯器中可按上述組網(wǎng)方式，根據(jù)配用電A類場(chǎng)景規(guī)模結(jié)構(gòu)[10]，利用自建的EPON網(wǎng)元模型搭建電力通信EPON仿真平臺(tái)，如圖3所示。

圖3 電力通信EPON仿真分析平臺(tái)

圖中，server為配用電業(yè)務(wù)服務(wù)器，與OLT位于局端，各個(gè)ONU位于配用電子站，各個(gè)wkstn為配用電終端或用電信息采集集中器，POS為無(wú)源分光器模型，實(shí)現(xiàn)光纖信道的共享。其中單節(jié)光纖平均長(zhǎng)度在1 km左右，光纖最大長(zhǎng)度未超過(guò)20 km，符合EPON系統(tǒng)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。

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

業(yè)務(wù)封包平均EPON網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延如圖4所示。

由圖4可見(jiàn)，業(yè)務(wù)封包在EPON網(wǎng)絡(luò)中平均傳輸時(shí)延在0.1～0.5 ms之間，符合前述IPACT算法設(shè)計(jì)的最大傳輸時(shí)延為2 ms的要求，因而所搭建的仿真平臺(tái)能夠滿足業(yè)務(wù)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

配電“三遙”業(yè)務(wù)響應(yīng)延遲時(shí)間對(duì)比如圖5所示。圖中點(diǎn)劃線為遙測(cè)業(yè)務(wù)，其響應(yīng)時(shí)延約為0.9 ms；點(diǎn)線為遙信業(yè)務(wù)，其響應(yīng)時(shí)延約為1.8 ms；實(shí)線為遙控業(yè)務(wù)，其響應(yīng)時(shí)延約為3.5 ms。根據(jù)《配電自動(dòng)化建設(shè)與改造標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》(Q/GDW 625-2011)中對(duì)光纖通信方式下“三遙”業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)性要求：遙測(cè)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(dòng)化“三遙”業(yè)務(wù)符合對(duì)應(yīng)實(shí)時(shí)性要求。

圖5 配電通信三遙業(yè)務(wù)響應(yīng)時(shí)延對(duì)比

電力通信EPON網(wǎng)絡(luò)OLT業(yè)務(wù)吞吐量如圖6所示。

由圖可見(jiàn)，此仿真場(chǎng)景下OLT業(yè)務(wù)吞吐量在1 Mbps左右，與所搭建的A類場(chǎng)景理論業(yè)務(wù)流量[9]相同。仿真實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)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(kuò)容方面的要求。

圖6 EPON網(wǎng)絡(luò)OLT業(yè)務(wù)吞吐量

4 結(jié)束語(yǔ)

基于OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件構(gòu)建了一電力通信EPON仿真平臺(tái)，具體介紹了EPON建模流程。針對(duì)EPON在電力通信中的應(yīng)用對(duì)電力通信配用電業(yè)務(wù)進(jìn)行了業(yè)務(wù)建模，仿真分析了電力通信EPON系統(tǒng)典型場(chǎng)景的相關(guān)性能，對(duì)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)評(píng)估有一定參考價(jià)值。在該平臺(tái)模型下可進(jìn)一步修改OLT端的帶寬分配算法，研究不同帶寬分配算法對(duì)電力通信EPON系統(tǒng)性能的影響。

[1] 沈 麗,汪 敏.基于OpnetModeler的EPON建模和帶寬分配算法仿真研究[J].光通信技術(shù),2007,31(2):21-24.

[2] Kramer G,Mukherjee B,Pesavento G.Ethernet PON (ePO-N):design and analysis of an optical access network[J].Photonic Network Communication,2001,3(3):307-319.

[3] 徐光年,馬新祥,潘克菲,等.基于EPON技術(shù)的配電網(wǎng)通

信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)通信,2008,29(5):59-62.

[4] 徐光福,張春合,嚴(yán) 偉,等.基于EPON通信的智能配電網(wǎng)饋線差動(dòng)保護(hù)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2014,38(2):91-96.

[5] Mohammed A F Y,Newaz S H S,Choi J K.Modeling and simulation of EPON with sleep mode enabled using OPNET[C]//International conference on information and communication technology convergence.Busan:[s.n.],2014:16-21.

[6] Jang Seong-Ho,Kim Jin-Man,Jang Jong-Wook.Performance evaluation of new DBA algorithm supporting fairness for EPON[C]//TENCON 2004.[s.l.]:IEEE,2004:29-32.

[7] Prahmkaew S.Performance evaluation of Adaptive Rate Control (ARC) over Ethernet Based PONs (EPONs)[C]//International conference on convergence and hybrid information technology.Daejeon:[s.n.],2008:486-493.

[8] 高 嵩.OPNET Modeler仿真建模大解密[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010.

[9] 陳 敏.OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

[10] 電能信息采集與管理系統(tǒng)第1部分：總則[S].北京：中國(guó)電力出版社，2009.

[11] 電能信息采集與管理系統(tǒng)第4-1部分：通信協(xié)議-主站與電能信息采集終端通信[S]．北京：中國(guó)電力出版社，2010.

[12] 楊光敏,蔡光卉,常 俊,等.基于OPNET的智能配網(wǎng)AMR業(yè)務(wù)建模研究及仿真[J].電力系統(tǒng)通信,2012,33(10):82-87.

[13] 陳 偉,李 強(qiáng).基于OPNET的數(shù)字變電站通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性仿真分析[J].電力科學(xué)與工程,2011,27(10):31-36.

[14] 王金鳳.基于OPNET的智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)研究[D].沈陽(yáng):沈陽(yáng)理工大學(xué),2015.

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(shí)間：2016-11-22

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61302100,61201162)；教育部博士點(diǎn)基金(20133223120002)

朱志成(1992-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)閷拵Ы尤爰夹g(shù)仿真與建模；趙海濤，副教授，研究方向?yàn)橄乱淮W(wǎng)絡(luò)技術(shù)、車聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)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