中壓通信接入網EPON系統帶寬分配算法分析與仿真

李建岐，張家柱，雷煜卿

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

1 引言

電力通信網是電網管理信息和生產控制數據傳輸的載體，是確保電網安全穩定運行的重要手段。電力通信網可分為主干網和接入網兩部分，我國電力傳輸網已基本實現光纖化，然而其末端的中低壓通信接入網仍然薄弱，成為制約配用電系統自動化的瓶頸。

伴隨著光接入網技術的發展應用，EPON（ethernet passive optical network，以太網無源光網絡）技術以其高帶寬、低成本的優勢成為接入網領域研究的重點，同時也成為配電網通信技術的首選，取得了巨大的成功。EPON技術的逐步成熟使得其在電力通信中的應用成為可能，對解決電力中壓通信接入網的瓶頸問題提供了一個新的突破點。在電力接入網中已經開始應用EPON通信技術的試點。但是，配電網中存在多種配用電業務復用的狀況，當網絡負載較重時，時延要求較高的配電類業務將有可能受到影響。

本文闡述了配電網多種業務的通信需求，并對EPON帶寬分配算法進行了研究，驗證了IPACT算法在帶寬利用率、時延性能方面都優于SBA算法，并進一步說明IPACT算法在1∶16和1∶32的EPON網絡中的延時和丟包率性能能夠很好地滿足配電網通信的要求。

2 中壓通信接入網業務分析

2.1 配用電業務特點

配用電網絡是用電設備和輸電網絡連接的電網部分，通過配電網將電能輸送到電力用戶，實現對用戶的可靠供電。同時，也是分布式能源接入電網的線路，實現電力企業和用電用戶的雙向能源交互。配電網的主要業務要求見表1。

2.2 EPON技術應用分析

EPON技術結合了以太網技術和無源光網絡的優點，采用點到多點的物理拓撲結構，已成為下一代寬帶接入網最具競爭力的方案之一，其網絡結構如圖1所示。

表1 配電網業務類型

EPON在下行方向采用廣播的方式，而在上行方向采用時分復用的方式。上行通信系統中時分復用的方式決定了其位于用戶端的設備必須占用不同的時隙空間向OLT傳輸緩存數據。在配電網通信系統中，由于控制信令等業務對延時性要求較高，當某用戶端的業務量較大時，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有效的調度和資源的優化利用，為了避免這種情況的發生并適應不同業務對通信質量的要求，需要合理分配EPON網絡的調度方案。

3 帶寬分配算法的研究

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

[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，為每個ONU分配相同的授權時隙。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了。即使ONU3中有大量的業務要發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，必須采用動態帶寬分配算法。

3.2 IPACT

IPACT （interleaved polling with adaptive cycle time，適應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。在此基礎上又提出了固定服務、限制服務、固定信用服務、線性信用服務、彈性服務等算法，其核心思想與IPACT算法相同，本文以3個ONU舉例闡明IPACT算法的機制，不同時刻ONU緩存量如圖3所示。

如圖4所示，EPON系統中存在3個ONU。在算法開始分配帶寬時，OLT已經知道ONU的業務待發量及往返時間。算法具體過程如下所述。

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

（2）ONU1在接收到授權指令后，按照授權指令里面的開始時間和窗口的大小發送數據，同時向OLT報告下一個時隙所需要的窗口大小（大小為550 Bytes）。

（3）在ONU1發送數據的同時，其他的 ONU也可以發送自己的數據。由于OLT里面記錄著每個ONU授權的開始和結束時間，所以各個ONU之間不會發生碰撞。

（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數據發送完畢后，同時為ONU2發送授權信息，過程與ONU1過程相同，ONU2同樣完成授權信息后就開始為ONU3發送授權信息。

（6）整個過程循環執行就實現了動態帶寬的分配效果。

IPACT算法中仍然存在系統輪詢周期隨機變化、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算法規避以上問題。先定義幾個變量：ONUrequest（代表ONU的業務請求量）、WL（ONU的最低時隙）為一個最小以太網幀的大小，WH（ONU的最大傳輸時隙），其調度方法與IPACT算法相同，時隙分配算法為：

采用WL、Wh后，可以保證ONU在一個周期內公平的占有授權時隙，而減少系統延時時間。

4 仿真參數及結果分析

4.1 仿真參數

為了驗證上文提供的算法性能（本文稱參考文獻[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行仿真。

仿真模型采用1個OLT和16個ONU組成的樹形拓撲結構，設定其上下行的鏈路速率為1 Gbit/s，即系統傳輸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。為了便于系統進行仿真。設定每個ONU到OLT的最大距離為20 km，則相應的RTT為200 us。總結仿真實驗的參數見表2。

表2 實驗仿真參數

4.2 仿真結果

本節利用上節所設置的參數對SSA、IPACT-1、IPACT-2算法進行仿真，重點分析了算法的延時性能及帶寬利用率，其結果如圖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。在網絡負載較輕時，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，無論有無業務都需要一定的等待時間。在IPACT分配方案中，隨著ONU負載的增加，每個ONU的發送時隙開始增大，造成其他ONU等待時間的增加，增加系統的整體延時。

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。當某ONU中無業務需求時，分配最小閾值以保證ONU的可用性，當業務需求超過最大授權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，造成系統利用率低于IPACT-2、靜態帶寬分配算法，當某些ONU負載較輕時，仍然分配到相同的窗口，導致利用率相對較低。

因此以上仿真結果顯示，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勢。

4.3 配網應用場景分析

為了驗證IPACT-2算法在配電網中的應用性能，針對以下兩種場景進行分析。

（1）場景 1

EPON系統的分光比為 1∶16，其覆蓋范圍為0～20 km。在這種場景下，根據其覆蓋范圍分為0～10 km和0～20 km，其仿真參數采用前面設置的參數，仿真結果如圖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負載低于50 Mbit/s時其丟包率很小，隨著ONU負載的增加丟包率開始增加。當ONU的負載大于60時，丟包率超過15%，大于承受能力。因為ONU負載增大EPON鏈路趨于飽和，各個ONU的傳輸時間增大，導致ONU的等待時間增長，緩存不足時，其后續到來的數據包會全部丟棄。

圖8顯示兩種情況下的延時時間基本相同。

(2)場景 2

EPON系統的分光比為1∶32，其覆蓋范圍為0～10 km，在這種場景下根據其覆蓋范圍分為0～5 km和0～10 km，其仿真參數仍然采用前面設置的參數，仿真結果如圖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負載低于22.5 Mbit/s時其丟包率很小，隨著ONU負載的增加丟包率開始增加。當ONU的負載大于27.5時，丟包率開始急劇增加，這是因為ONU的業務量增大開始接近EPON鏈路的飽和容量，當ONU緩存量不足時，其后續到來的數據包都被丟棄。

圖10顯示兩種情況下其時延基本相同，當ONU負載趨于35 Mbit/s時，延時接近一個常數，因為 EPON鏈路趨于飽和，各個ONU的授權時隙相對穩定，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的業務需求。在ONU處于輕負載時，延時時間均可以忽略不計，能夠滿足配電網業務對網絡延時及丟包率性能的要求，穩定的傳輸系統業務。當ONU負載增加時，到中等至重負載時，其性能略有下降。當重負載時，性能開始下降，需要通過網絡擴容等方式解決問題。

5 結束語

配電網的高效、穩定運行對提升電網供電可靠性等參數起著重要作用，將EPON系統運用到配電網中，能夠滿足配用電業務的通信需求。本文在分析了配電網業務要求的基礎上，評價了EPON系統的兩類帶寬分配方案：靜態帶寬分配和動態帶寬分配。通過仿真試驗得出結論，靜態帶寬分配技術延時性能不能很好地滿足配電網的需求；基于固定周期雙閾值的IPACT算法顯著降低了系統在中等負載情況的時延，在網絡具有較高負載時，保證高時延要求業務的正常運行；并能提高系統的帶寬利用率，滿足配電網通信系統的要求及配用電業務的需求，使網絡的性能得到改善。

參考文獻

1 DL/T 5131-2001.農村電網建設與改造技術導則

2 尹廣興，陳雪，王琦.一種帶閾值的EPON動態帶寬分配算法，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