光纖-無線傳感器網(wǎng)關(guān)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用

謝宏偉，鮑常軍，劉科學(xué)，趙 娟

（1.國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司，呼和浩特 010010；2.天津科技大學(xué)現(xiàn)代分析技術(shù)研究中心，天津 300457）

近幾年，無源光網(wǎng)絡(luò)［1］（passive optical networks，PON）已經(jīng)發(fā)展成為一項(xiàng)成熟的高速寬帶接入技術(shù)。集成式光纖-無線（fiber wireless，F(xiàn)iWi）寬帶接入網(wǎng)絡(luò)是PON支持網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中的一個特例，其結(jié)合了光網(wǎng)絡(luò)的高速率和可靠性，以及無線技術(shù)的靈活性和覆蓋范圍廣的優(yōu)點(diǎn)［2］。PON支持的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建在智能電網(wǎng)通信中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，特別是光纖-無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（fiber-wireless sensor network，F(xiàn)i-WSN）為智能電網(wǎng)的監(jiān)測提供了獨(dú)有的解決方案［3-4］。然而，將Fi-WSN廣泛部署到智能電網(wǎng)之前，尚有一些難題必須解決。其中一個基本的挑戰(zhàn)是：Fi-WSN的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和電網(wǎng)監(jiān)測任務(wù)中涉及到的流量負(fù)載服務(wù)質(zhì)量（quality of service，QoS）。

眾所周知，無源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)成為寬帶接入的一個重要組成部分。如文獻(xiàn)［5］研究了光載射頻通信協(xié)議，通過射頻信號在中央機(jī)房對光載波進(jìn)行調(diào)制，在模擬光纖鏈路中將其傳播到遠(yuǎn)端天線單元，然后由客戶進(jìn)行無線接收。文獻(xiàn)［6］詳細(xì)分析了EPON系統(tǒng)中的局端OLT設(shè)備以及用戶端ONU設(shè)備的需求，重點(diǎn)介紹了OLT設(shè)備的軟硬件實(shí)現(xiàn)和各個模塊的具體設(shè)計(jì)，以及EPON在用電采集系統(tǒng)中的應(yīng)用。文獻(xiàn)［7］在R＆F協(xié)議下，將EPON與全球微波互聯(lián)接入（WiMAX）技術(shù)集成在一起，實(shí)現(xiàn)了包括集成式ONU-基站網(wǎng)關(guān)處良好的容量匹配。文獻(xiàn)［8］以配電網(wǎng)典型PON網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，從可靠性、分光級聯(lián)、功率預(yù)算和部署方式等方面提出了PON網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃約束條件，采用最小生成樹算法生成PON網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)連接［8］。

在以上各種PON解決方案中，EPON和GPON解決方案在當(dāng)前的電信基礎(chǔ)設(shè)施和要求下被廣泛采用。本文選擇EPON作為光后端技術(shù)，因?yàn)镋PON接入速度迅速，時間成本較優(yōu)，能夠完美融合到IP網(wǎng)絡(luò)［9］。在智能電網(wǎng)環(huán)境的Fi-WSN架構(gòu)下，本文提出了一個支持QoS的網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)，旨在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分級化，保證光纖到戶／樓／街（fiber-to-thehome／building／curb，F(xiàn)TTX）［10］用戶的服務(wù)質(zhì)量，并可靠地傳遞WSN數(shù)據(jù)。Fi-WSN網(wǎng)絡(luò)采用突發(fā)組裝機(jī)制，以區(qū)分緊急數(shù)據(jù)包和非緊急數(shù)據(jù)包。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：所提網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)能夠?yàn)楦邇?yōu)先級數(shù)據(jù)包實(shí)現(xiàn)低延遲，同時保持 FTTX流量的 QoS和WSN的可靠性。

1 系統(tǒng)模型和要求

Fi-WSN通過一個無線和光纖混合接入網(wǎng)絡(luò)，將智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳送到中央機(jī)房（CO）。該混合接入網(wǎng)絡(luò)的前端包括一個對智能電網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)測的WSN，而后端則采用了FTTX技術(shù)。本文EPON部署在R＆F接入網(wǎng)絡(luò)的后端。該系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施如圖1所示，其中ONU通過分布式光纖連接到分光器，而分布式光纖則被耦合到與OLT相連接的饋線光纖上［11-12］。在相應(yīng)的架構(gòu)中，一個 ONU可以向一個FTTX用戶，或者一組Fi-Wi用戶提供服務(wù)。

圖1 智能電網(wǎng)的Fi-WSN架構(gòu)

此外，F(xiàn)i-Wi用戶可以是一個無線接入節(jié)點(diǎn)。在智能電網(wǎng)監(jiān)測中，WSN的作用是確?？煽啃?，以及在客戶處實(shí)現(xiàn)高效的電力傳輸、配送和利用。在智能電網(wǎng)中，延遲要求的范圍從數(shù)百毫秒至幾分鐘不等。其中，F(xiàn)i-WSN網(wǎng)關(guān)要求如下：

1）消息優(yōu)先級排序：這是Fi-WSN設(shè)計(jì)的主要難題，源自于前端網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性。

2）協(xié)作上行傳輸：將有線數(shù)據(jù)和無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺O的多個用戶之間，共享單個饋線光纖帶寬。必須要保證FTTX流量不會被WSN流量中斷。

3）可靠的消息傳遞：在環(huán)境數(shù)據(jù)的傳輸之外，智能電網(wǎng)監(jiān)測中的意外現(xiàn)象會觸發(fā)報警數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)稱為緊急數(shù)據(jù)，其需要以低延遲和低丟包率傳遞到CO，而發(fā)生在ONU處的緩沖區(qū)溢出現(xiàn)象可能會導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟包。

2 Fi-WSN網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

考慮到上文所述要求，針對圖1架構(gòu)，本文設(shè)計(jì)一個Fi-WSN網(wǎng)關(guān)。圖2以模塊化的方式給出了所提Fi-WSN網(wǎng)關(guān)架構(gòu)，基于數(shù)據(jù)包的優(yōu)先等級對到達(dá)基站的數(shù)據(jù)包進(jìn)行分類，并將其排隊(duì)放入Fi-WSN網(wǎng)關(guān)的相應(yīng)優(yōu)先級隊(duì)列。Fi-WSN網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)處理WSN數(shù)據(jù)包，并將其聚集在一起，以待傳輸?shù)较鄳?yīng)的ONU緩沖區(qū)。突發(fā)組裝機(jī)制將突發(fā)數(shù)據(jù)封裝到服務(wù)等級隊(duì)列中，該隊(duì)列在被傳輸?shù)絆NU緩沖區(qū)之前要經(jīng)過最終的突發(fā)數(shù)據(jù)聚合。

如圖2所示，通過基站（base station，BS）到達(dá)網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)包首先要經(jīng)過一個分類階段。該過程中，數(shù)據(jù)包將被插入不同優(yōu)先級的隊(duì)列中。其后，突發(fā)組裝機(jī)制將形成發(fā)送到ONU的突發(fā)數(shù)據(jù)。Fi-WSN網(wǎng)關(guān)的突發(fā)組裝程序流程圖如圖3所示。仿真中所使用的符號如表1所示。

如圖3所示，F(xiàn)i-WSN網(wǎng)關(guān)始終通過WSN匯聚節(jié)點(diǎn)接收到達(dá)的數(shù)據(jù)包。如果進(jìn)入的數(shù)據(jù)包中攜帶高優(yōu)先級（緊急）標(biāo)記，則網(wǎng)關(guān)嘗試將該數(shù)據(jù)包立即轉(zhuǎn)發(fā)給后端ONU；因此，該機(jī)制會檢查高優(yōu)先級緩沖區(qū)的占用情況。高優(yōu)先級緩沖區(qū)被至少一個數(shù)據(jù)包占用的情況，可能是以下條件中的一個：

1）高優(yōu)先級緩沖區(qū)已經(jīng)開始進(jìn)行隊(duì)列解除；

2）低優(yōu)先級突發(fā)數(shù)據(jù)聚合正在進(jìn)行中。

圖2 本文模塊化的Fi-WSN網(wǎng)關(guān)架構(gòu)

圖3 Fi-WSN網(wǎng)關(guān)的突發(fā)組裝程序流程

表1 仿真中使用的符號及其解釋

無論上述哪種情況，到達(dá)的數(shù)據(jù)包都必須存儲于高優(yōu)先級隊(duì)列中，如果高優(yōu)先級隊(duì)列解除正在進(jìn)行中，則該數(shù)據(jù)包將會被立即移出隊(duì)列。否則，數(shù)據(jù)包將在低優(yōu)先級突發(fā)數(shù)據(jù)聚合過程中被移出隊(duì)列。由于低優(yōu)先級數(shù)據(jù)包中并沒有攜帶延遲敏感性數(shù)據(jù)，為了不對當(dāng)前的FTTX流量造成中斷，低優(yōu)先級數(shù)據(jù)包將被放在緩沖區(qū)，直到響應(yīng)的隊(duì)列長度超過STh。

突發(fā)組裝［13］是一個持續(xù)不斷的過程，在任何時間t，突發(fā)聚合器的決定都預(yù)示著新突發(fā)的形成，或者等待新數(shù)據(jù)包的到來。該過程表示如下：

從該流程圖可以觀察到：首先對低優(yōu)先級數(shù)據(jù)包的有效性進(jìn)行檢查，然后再將其組裝到突發(fā)中。由于低優(yōu)先級數(shù)據(jù)包中攜帶了環(huán)境數(shù)據(jù)，因此與高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包相比，低優(yōu)先級數(shù)據(jù)包的緩沖時間較長。這一策略可能會造成向CO發(fā)送過期數(shù)據(jù)的風(fēng)險。因此，突發(fā)組裝緩沖區(qū)必須立即丟棄過期消息，且突發(fā)聚合程序繼續(xù)處理緩沖區(qū)中的下一個數(shù)據(jù)包。由于高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包報告意外現(xiàn)象或緊急消息，在CO處的OLT接收到該數(shù)據(jù)包之前，其始終被視為有效。由此，在WSN中路由延遲較高的情況下，一個高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包中可能會攜帶過期消息，但可以通過一個上層協(xié)議來處理響應(yīng)消息的有效性問題。突發(fā)組裝程序的有效性函數(shù)表示如下：

由于相應(yīng)數(shù)據(jù)包的生成大于預(yù)定義的檢測周期MP，因此若時間已經(jīng)過去，則該低優(yōu)先級數(shù)據(jù)包將被標(biāo)記為無效。否則，相應(yīng)的低優(yōu)先級數(shù)據(jù)包將被標(biāo)記為有效。

前端網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性不僅由被監(jiān)控資產(chǎn)的多樣性表示，而且由WSN使用的協(xié)議棧表示。一般，根據(jù)應(yīng)用來選擇不同的協(xié)議棧（例如Zigbee協(xié)議棧［14］、WiFi［15］等）。舉例來說，Zigbee的功耗較低，因此適用于功率受限型應(yīng)用，而WiFi則適于實(shí)施比特率要求較高的應(yīng)用。本文所述設(shè)計(jì)能夠?yàn)楫悩?gòu)Fi-WSN網(wǎng)絡(luò)提供一種通用網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文將WSN仿真融入EPON模擬器中，在不同場景下對提出的Fi-WSN網(wǎng)關(guān)進(jìn)行了性能評價。為了體現(xiàn)所提方法的優(yōu)異性，在仿真實(shí)驗(yàn)中，將未集成 WSN的基準(zhǔn) EPON［16-17］，以及 EPON結(jié)合WiMAX技術(shù)［7］作為對照組。另外，本文還對 Fi-WSN網(wǎng)關(guān)所區(qū)分的低優(yōu)先級消息和高優(yōu)先級消息所提供的服務(wù)質(zhì)量進(jìn)行性能比較。

3.1 仿真設(shè)置與說明

仿真設(shè)置如表2所示。Fi-WSN的后端為一個EPON，其分割比例為1∶16，其中每個ONU均與一個WSN相關(guān)聯(lián)。假定每個WSN的覆蓋面積為50 m×50 m，其中隨機(jī)部署了50個傳感器節(jié)點(diǎn)。由于傳感器節(jié)點(diǎn)通常會報告環(huán)境測量數(shù)據(jù)，因此每個傳感器節(jié)點(diǎn)生成恒定比特率（constant bit rate，CBR）流量，且本文在各種比特率下對所提方法進(jìn)行測試。

事實(shí)上，高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包的生成為事件驅(qū)動型。與環(huán)境測量數(shù)據(jù)的生成相比，某個時間所導(dǎo)致的報警消息預(yù)計(jì)將以較低的頻率出現(xiàn)。因此，一個WSN節(jié)點(diǎn)生成的數(shù)據(jù)包被標(biāo)記為高優(yōu)先級消息的概率相對較低，而高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包和低優(yōu)先級數(shù)據(jù)包之間的比例（H∶L）根據(jù)場景不同而變化。

表2 仿真設(shè)置

提出的網(wǎng)關(guān)架構(gòu)對于WSN中的路由方案是透明的。將ONU的緩沖區(qū)容量的10%預(yù)留給WSN流量，但FTTX數(shù)據(jù)包可以利用緩沖區(qū)中任何未使用的空間。通過仿真實(shí)驗(yàn)對FiWSN網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)的性能進(jìn)行評價時，平均端到端（E2E）延遲、最大延遲、數(shù)據(jù)包延遲變化和數(shù)據(jù)包丟失概率是關(guān)鍵的性能度量。值得一提，最大延遲指的是在整個仿真過程中一個給定類型的數(shù)據(jù)包所經(jīng)歷的最高延遲的數(shù)值。對于FTTX數(shù)據(jù)包，其E2E延遲為在ONU處的排隊(duì)延遲，以及OLT產(chǎn)生的輪詢延遲和準(zhǔn)入延遲之和；而WSN數(shù)據(jù)包所經(jīng)歷的E2E延遲則是WSN中的路由延遲、匯聚節(jié)點(diǎn)處的緩沖延遲、ONU處的排隊(duì)延遲以及OLT產(chǎn)生的輪詢延遲和準(zhǔn)入延遲的總和。圖4～6中每個點(diǎn)代表十輪仿真實(shí)驗(yàn)得出的均值，其中置信區(qū)間為95%。

3.2 H∶L＝1∶9的場景

在該場景中，本文假定只有10%的WSN數(shù)據(jù)包攜帶高優(yōu)先級消息。圖4給出了在不同的FTTX負(fù)載等級和WSN中到達(dá)間隔時間下，每個數(shù)據(jù)包的E2E延遲，其中HP表示高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包，LP表示低優(yōu)先級數(shù)據(jù)包。為證明所提Fi-WSN網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳遞和協(xié)作式上行鏈路調(diào)度，將其與未集成WSN的傳統(tǒng)EPON（基準(zhǔn)），以及EPON結(jié)合WiMAX技術(shù)［7］進(jìn)行比較。

圖4 平均E2E延遲與目標(biāo)負(fù)載關(guān)系

圖4 （a）給出了當(dāng)WSN中數(shù)據(jù)包到達(dá)間隔時間為1 s時得到的仿真結(jié)果，由圖可知，WSN的集成并沒有增加數(shù)據(jù)包的E2E延遲。此外，由于Fi-WSN網(wǎng)關(guān)中的分級化機(jī)制，與低優(yōu)先級數(shù)據(jù)包相比，高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包的傳遞延遲要低得多，優(yōu)于EPON-WiMAX。這主要得益于所提Fi-WSN網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)通過面向服務(wù)級別的突發(fā)機(jī)制，將非緊急數(shù)據(jù)與緊急數(shù)據(jù)的傳遞區(qū)分開，而EPON-WiMAX主要使用動態(tài)帶寬分配方案解決端到端延遲問題，將緊急和非緊急數(shù)據(jù)共同對待，缺乏對突發(fā)事件的處理機(jī)制。

圖4（b）中，WSN數(shù)據(jù)包的到達(dá)間隔時間被降低到0.5 s，由于WSN信息到達(dá)的更加頻繁，使得每個高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包與FTTX數(shù)據(jù)包的E2E延遲較為接近。因?yàn)楦邇?yōu)先級數(shù)據(jù)包不需要經(jīng)過緩沖閾值的突發(fā)組裝程序，所以更頻繁的WSN信息對高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包造成的延遲較少。另外，本文設(shè)計(jì)的高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包的生成為事件驅(qū)動型。某個時間所導(dǎo)致的報警消息將以較低的頻率出現(xiàn)。

基于圖4可以得出兩個結(jié)論：

1）Fi-WSN網(wǎng)關(guān)處的突發(fā)組裝程序?qū)⑹垢邇?yōu)先級數(shù)據(jù)包的延遲低于低優(yōu)先級數(shù)據(jù)包；

2）較長的WSN數(shù)據(jù)包到達(dá)時間間隔，將使得低優(yōu)先級和高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包的延遲均顯著降低。

圖5給出了當(dāng)WSN數(shù)據(jù)包到達(dá)間隔時間為0.5 s時，在2個不同的STh（緩沖區(qū)規(guī)模分別為640個數(shù)據(jù)包和720個數(shù)據(jù)包）數(shù)值下，每個數(shù)據(jù)包的最大延遲。從圖5（a）中可以觀察到：從中等負(fù)載等級至高負(fù)載等級，高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包與FTTX數(shù)據(jù)包的變化趨勢相同，而在圖5（b）中，用于突發(fā)機(jī)制的STh數(shù)值增加到720個數(shù)據(jù)包，增加了高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包所經(jīng)歷的最大延遲。該結(jié)果符合預(yù)期，因?yàn)楦叩腟Th數(shù)值將導(dǎo)致低優(yōu)先級數(shù)據(jù)包的突發(fā)更大，而這又將使得高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包在匯聚節(jié)點(diǎn)處和ONU處的緩沖時間增加。因此，在Fi-WSN網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)中應(yīng)該選擇較小的STh數(shù)值，以向高優(yōu)先級WSN數(shù)據(jù)包提供更好的服務(wù)質(zhì)量。

3.3 較大高優(yōu)先級突發(fā)的場景

該場景中，本文增強(qiáng)了在Fi-WSN網(wǎng)關(guān)處高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包的突發(fā)組裝機(jī)制。高優(yōu)先級消息的STh數(shù)值設(shè)置為70個數(shù)據(jù)包，低優(yōu)先級消息的STh數(shù)值設(shè)置為640個數(shù)據(jù)包。

圖6給出了當(dāng)?shù)蛢?yōu)先級消息STh為640個數(shù)據(jù)包時，WSN數(shù)據(jù)包到達(dá)間隔時間分別為0.5 s和1 s時的E2E延遲。如圖6所示，在高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包中引入突發(fā)組裝過程會增加這些數(shù)據(jù)包的E2E延遲，因?yàn)楦邇?yōu)先級數(shù)據(jù)包必須在Fi-WSN網(wǎng)關(guān)處的高優(yōu)先級隊(duì)列中等待。此外，當(dāng)WSN數(shù)據(jù)包到達(dá)間隔時間增加到1 s時，高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包的E2E延遲顯著增加，該延遲甚至超過了當(dāng)WSN消息之間無差異時的WSN數(shù)據(jù)包的E2E延遲。這是因?yàn)楦邇?yōu)先級數(shù)據(jù)包在緩沖區(qū)中的時間更長，WSN消息到達(dá)的頻率較低。

由此可知，僅在WSN數(shù)據(jù)包的到達(dá)頻率較高的情況下，在Fi-WSN網(wǎng)關(guān)處對高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包實(shí)施突發(fā)組裝機(jī)制才會在延遲方面帶來的收益是有限的。這里說明一下該場景的數(shù)據(jù)包丟失概率，由于數(shù)據(jù)包丟失概率隨不同的流量密度而變化，高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包突發(fā)不會增加匯聚節(jié)點(diǎn)處的WSN流量密度，因此光后端處的數(shù)據(jù)包丟失概率不受影響。

圖5 最大延遲與目標(biāo)負(fù)載的比較

圖6 較高優(yōu)先級突發(fā)下，平均E2E延遲與目標(biāo)負(fù)載的關(guān)系

4 結(jié)束語

光纖-無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Fi-WSN）架構(gòu)保留了無源光網(wǎng)絡(luò)的高速率和低延遲的優(yōu)點(diǎn)，同時具有WSN的高級監(jiān)測能力、較大靈活性、較低成本和覆蓋面積廣的特性。本文著重解決Fi-WSN的WSN流量和FTTX流量的服務(wù)質(zhì)量供給問題。所提QoS感知的Fi-WSN網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)通過面向服務(wù)級別的突發(fā)機(jī)制，將非緊急數(shù)據(jù)與緊急數(shù)據(jù)的傳遞區(qū)分開。該方法能夠?qū)⒏邇?yōu)先級智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)的延遲限制在特定范圍內(nèi)，同時向FTTX用戶提供較好的QoS水平。在WSN報告消息的頻率較為頻繁的情況下，能夠增強(qiáng)緊急消息的服務(wù)質(zhì)量。

未來，本文將嘗試提升關(guān)鍵智能電網(wǎng)應(yīng)用的WSN性能，并進(jìn)一步研究閾值的最優(yōu)選擇問題。