“電力+5G”融合技術通信網架構設計

陳家璘, 孫志峰, 曾錚, 隋璐捷, 汪龍志, 楊春

(1.國網湖北省電力有限公司信息通信公司,湖北,武漢 430077;2.湖北華中電力科技開發有限責任公司,湖北,武漢 430077)

0 引言

近年來在電力“四化”建設的背景下,電力系統中的各類技術和管理模式都需要進行改革,當前通信網缺失統一的建設規劃和標準,導致跨區域服務能力存在缺陷,需要進一步加強電力通信網的建設工作[1-2]。

近年來的電力通信網運維管理研究中:文獻[3]方法使用路由器、交換機、網橋等通信設備建設了電力通信專網,進行了網絡管理服務主機和管理工作站的集成化部署和管理;文獻[4]系統采用了基于TCP/IP的以太網技術進行通信網的組網工作,引入了運維相關技術到管理體系中,對通信網絡中的設備和網絡服務進行遠程監測和配置;文獻[5]系統采用了基于SNMP網絡管理協議對網絡服務平臺進行管理,實現了自動化采集電力通信網目標數據和平臺共享,結合以太網工具完成日常運維管理;文獻[6]方法通信網的主干網絡使用了多協議標志交換協議,并提出了多維數據通信架構,應用網絡故障定位、流量監控等功能。當前有些研究中電力通信網各地供電企業獨立部署,集成化層面還具有一定的改進空間,尚未完成本地管理業務和運維數據視圖的有機統一。

1 “電力+5G”通信網架構設計

1.1 通信網整體設計

為解決電網側與用戶側之間的通信問題,本文設計了“電力+5G”通信網,應用第五代移動通信系統(5G),基于電力系統中不同的業務場景建立不同的組網方式,提出多業務接入的通信網架構,使得電力業務在多個區域網絡之間進行靈活切換[7]。本文利用5G通信技術中的網絡切片、網絡功能虛擬化、軟件定義網絡等技術解決無線傳輸網絡中有效承載和業務系統中的問題,實現同時服務多個電力用戶,并保證不同安全等級的時延要求[8]。5G通信的理論峰值速率可達到10 Gbit/s,并支持EMBB、MMTC、URLLC等場景,有效滿足局域網內部的實時通信要求。“電力+5G”通信網架構如圖1所示。

圖1 “電力+5G”通信網架構

在“電力+5G”通信網整體模型中,由控制平面、數據平面和應用平面組成,用戶根據不同種類的業務需求借助應用面的接口API調用控制面的各類控制服務,控制面主要由控制器和操作系統組成,數據面包含了網絡交換機、核心交換機、數據交換組件等裝置,完成網絡中數據處理等功能。控制面接收到系統內負載和流量的變化情況后對網絡流量進行一定的控制,減少了網絡反應時間,并加快了流量分發給其他系統的時間。在通信網絡內支路之間相互建立數據鏈接時,控制面及時反應數據鏈路狀態,進行相關的障礙處理[9]。通信網絡中光網絡單元向用戶提供多個業務接口,并配合光線路終端接收廣播數據流。網絡設備網管采用了點對點接入和無源光纖傳輸技術,在通信網中提供各類業務服務,前置設備用于接收NR信號并將其轉換為Wi-Fi信號,以連接到公共接入單元[10]。

1.2 基于FPGA的數字交換機設計

本文基于FPGA技術可編程語言對數據交換機進行設計,增加母線數量和擴展交換容量,加快輸入輸出母線的速率。數字交換機發送端將內部的并行數據轉換為串行數據進行發送,數字交換芯片具有32條輸入母線和32條輸出母線,每個母線的輸入輸出數據速率為8 M/s以上,通信容量實現4096×4096通道數據存儲器的每個存儲單元為8 bit的并行碼。數字交換機各模塊結構如圖2所示。

圖2 數字交換機各模塊結構

在圖2中,時鐘生成模塊為整個數字交換機提供具體的時鐘,保證整個系統處于正常的工作狀態,其將幀同步信號的上升沿和下降沿信號作為控制信號使用。使用TESTBENCH產生的16.38 MHz時鐘驅動整個電路,幀同步信號的周期為125 μs,輸入時鐘周期為61 μs,需要對輸出信號和幀同步信號進行邊沿采集,得到上升沿信號和下降沿信號。在數據發送模塊,將地址信號和數據信號保存在持續存儲器中,完成地址數據的交換。數據發送模塊結構如圖3所示。

圖3 數據發送模塊結構

在圖3中,接續存儲器的RAM深度為4096,位寬包含功能選擇,RAM的寬度為16,接續存儲器由2個4096×16 bit容量的RAM組成。其中,一個存儲器用于交換機的交換模式和消息模式,另一個由微控制器控制進行讀操作。

1.3 通信專網可靠路由優化方案

本文提出可靠路由優化方法用來解決通信專網可靠路由問題,綜合考慮到通信網絡特點,為各類業務場景提供實時可靠和安全的通信路由。以可靠路由最優化模型以電力通信網絡模型為網絡架構,可靠路由的時延、路由跳數和可靠性為約束條件,設定優化目標為網絡節點的最小占用率標準差。在通信網絡,通信終端提供業務通信路由通道,有線通信線路由交換機路由器等設備組成,光纖線路由光傳輸網絡節點、中繼節點和光纖鏈路組成。可靠路由最優化模型優化方法如圖4所示。

圖4 可靠路由最優化模型優化方法

有線通信設備路徑時延、光電接口時延和光傳輸時延共同影響通信網絡的路由傳輸時延,可表示為

(1)

式中,T0表示光傳輸時延,v0表示光纖鏈路中數據的傳輸速度,Bi表示通信網絡光纖鏈路的長度,Tf表示光網絡節點設備的處理時延,Nh表示路由跳數,Td表示路由總時延,Te表示有限路徑時延,Tr表示光電接口時延,Tmax表示可靠路由傳輸時延的最大值。可靠路由最優化模型需要定義路由跳數約束,避免過多的路由跳數降低可靠性,路由跳數約束為

(2)

(3)

(4)

(5)

2 應用測試

在測試環境中部署各類服務器主機,操作系統使用CentOS,安裝在信息機房內部,通信主干網絡的接入通過統一下發的接入服務功能包,在內容代理服務器中進行安裝。測試環境如圖5所示。

圖5 測試環境

在測試環境中,測試客戶端使用內部辦公PC主機,操作系統使用Windows 10 Professional 64 位版本。系統測試環境配置情況如表1所示。

表1 系統測試環境配置

在數據庫中通過設置電力通信數據表進行實驗數據的存儲和維護,基于電力通信網絡得到拓撲結構數據庫,數據庫中存有通信網絡的網絡參數、接入點的相關參數、區域數據、IP地址等數據。實驗數據表如表2所示。

表2 實驗數據表

在進行電力通信網的網絡可靠度比較實驗時,為該網絡配置相同的100條系統業務,在實驗過程中增加系統保護業務的數量,并計算網絡的可靠度。實驗時間設定為30 min,業務數范圍設定為0～100條,使用文獻[3]和文獻[4]中的電力通信網作為比較方法,得到網絡可靠度如圖6所示。

由圖6可知,隨著網絡中系統業務數量的不斷增加,網絡可靠度也在不斷增長。文獻[3]方法的網絡可靠度增長較快,在業務數量增加到60時,網絡可靠度增長到0.06以上,網絡中系統業務量超過60以后,網絡可靠度增長速率加快,業務數達到100時,網絡可靠度高達0.182。文獻[4]方法的網絡可靠度最大為0.105,在業務數量低于50的情況下,網絡可靠度小于0.04。由此可見,文獻[3]和文獻[4]方法均會導致節點間業務承載數量出現不平衡。

本文方法在系統業務數較多的情況下更有優勢,網絡可靠度明顯低于文獻[3]和文獻[4]方法,業務數量在45以下時網絡可靠度不足0.02,系統業務數量增加到70時網絡可靠度為0.028,業務數量達到最大時網絡可靠度為0.036。這是由于本文通信網絡架構能夠有效減小網絡性能波動,綜合考慮到了網絡中各節點業務的占用情況。

將本文方法與文獻[4]方法進行網絡節點占用率比較實驗,網絡節點編號范圍是1～20,實驗過程中增加系統業務數量,計算得到網絡節點占用率如圖7所示。

圖7 網絡節點占用率

由圖7可知,在通信網絡中業務數量較多的情況下,文獻[4]方法的網絡節點占用率出現波動,節點占用率的最大值為52.4%,在17號節點處出現占用率最小值為2.5%,在增加系統業務數時沒有考慮到當前網絡節點通道的占用情況,導致節點占用率出現較大的波動。

本文方法的平均節點占用率要高于文獻[4]方法,在增加新的業務時兼顧了當前網路的節點占用情況,所有節點占用率整體高于20%以上,節點占用率最大值為36.7%,網絡節點占用率波動范圍較小,大大提高了網絡整體的資源利用率。

3 總結

本文設計了“電力+5G”通信網,使用第五代移動通信技術,應用數字交換機、數據處理組件、光傳輸網絡終端、光網絡交換機、控制器等網絡設備,增強了通信網絡的通信服務能力。基于FPGA設計出數字交換機,增加了交換機中輸入輸出母線數量,構建了可靠路由最優化模型,在電力通信網絡模型的基礎上能夠進行可靠路由優化,對路由跳數和通信可靠性進行約束。在以后研究中還需對通信網絡進行優化和調整,增強模塊間的兼容性和網絡的抗干擾能力。