中压通信接入网EPON系统带宽分配算法分析与仿真

李建岐，张家柱，雷煜卿

(1.中国电力科学研究院 北京 100192；2.华北电力大学 北京 102206)

1 引言

电力通信网是电网管理信息和生产控制数据传输的载体，是确保电网安全稳定运行的重要手段。电力通信网可分为主干网和接入网两部分，我国电力传输网已基本实现光纤化，然而其末端的中低压通信接入网仍然薄弱，成为制约配用电系统自动化的瓶颈。

伴随着光接入网技术的发展应用，EPON（ethernet passive optical network，以太网无源光网络）技术以其高带宽、低成本的优势成为接入网领域研究的重点，同时也成为配电网通信技术的首选，取得了巨大的成功。EPON技术的逐步成熟使得其在电力通信中的应用成为可能，对解决电力中压通信接入网的瓶颈问题提供了一个新的突破点。在电力接入网中已经开始应用EPON通信技术的试点。但是，配电网中存在多种配用电业务复用的状况，当网络负载较重时，时延要求较高的配电类业务将有可能受到影响。

本文阐述了配电网多种业务的通信需求，并对EPON带宽分配算法进行了研究，验证了IPACT算法在带宽利用率、时延性能方面都优于SBA算法，并进一步说明IPACT算法在1∶16和1∶32的EPON网络中的延时和丢包率性能能够很好地满足配电网通信的要求。

2 中压通信接入网业务分析

2.1 配用电业务特点

配用电网络是用电设备和输电网络连接的电网部分，通过配电网将电能输送到电力用户，实现对用户的可靠供电。同时，也是分布式能源接入电网的线路，实现电力企业和用电用户的双向能源交互。配电网的主要业务要求见表1。

2.2 EPON技术应用分析

EPON技术结合了以太网技术和无源光网络的优点，采用点到多点的物理拓扑结构，已成为下一代宽带接入网最具竞争力的方案之一，其网络结构如图1所示。

表1 配电网业务类型

EPON在下行方向采用广播的方式，而在上行方向采用时分复用的方式。上行通信系统中时分复用的方式决定了其位于用户端的设备必须占用不同的时隙空间向OLT传输缓存数据。在配电网通信系统中，由于控制信令等业务对延时性要求较高，当某用户端的业务量较大时，有可能对其他的用户造成较大的延时而不利于整个配电网有效的调度和资源的优化利用，为了避免这种情况的发生并适应不同业务对通信质量的要求，需要合理分配EPON网络的调度方案。

3 带宽分配算法的研究

3.1 SSA(static slot assignment，静态时隙分配)

[6]提出了SSA带宽分配算法，其工作原理如图2所示。

该算法在每个轮询周期内，为每个ONU分配相同的授权时隙。在ONU1和ONU2中，其带宽所需分别为1个和2个时隙，但系统却为其分配了3个时隙，而其中没有利用的带宽时隙就被浪费了。即使ONU3中有大量的业务要发送也只能等待下一个带宽时隙的到来，而不能利用ONU1和ONU2中所剩余的带宽时隙。为了解决这个问题，必须采用动态带宽分配算法。

3.2 IPACT

IPACT （interleaved polling with adaptive cycle time，适应性周期时间交替轮询）算法是由Kramer等人提出的[7]，是目前带宽分配算法中较为常用的算法。在此基础上又提出了固定服务、限制服务、固定信用服务、线性信用服务、弹性服务等算法，其核心思想与IPACT算法相同，本文以3个ONU举例阐明IPACT算法的机制，不同时刻ONU缓存量如图3所示。

如图4所示，EPON系统中存在3个ONU。在算法开始分配带宽时，OLT已经知道ONU的业务待发量及往返时间。算法具体过程如下所述。

（1）在T0时刻，OLT对ONU1发送一条授权指令。授权指令以广播的方式发送到所有的ONU，授权指令中包括发送的目的ONU及开始发送的时间、发送的窗口大小（大小为 6000 Bytes）。

（2）ONU1在接收到授权指令后，按照授权指令里面的开始时间和窗口的大小发送数据，同时向OLT报告下一个时隙所需要的窗口大小（大小为550 Bytes）。

（3）在ONU1发送数据的同时，其他的 ONU也可以发送自己的数据。由于OLT里面记录着每个ONU授权的开始和结束时间，所以各个ONU之间不会发生碰撞。

（4）在OLT接收到 ONU1的报告信息后，就开始更新自己维护的轮询表，记录ONU1下一个时隙的带宽请求，大小为550 Bytes，同时实时更新 ONU1的RTT时间值。

（5）ONU1数据发送完毕后，同时为ONU2发送授权信息，过程与ONU1过程相同，ONU2同样完成授权信息后就开始为ONU3发送授权信息。

（6）整个过程循环执行就实现了动态带宽的分配效果。

IPACT算法中仍然存在系统轮询周期随机变化、ONU没有带宽阈值等问题，因此本文提供一种基于固定周期双阈值的IPACT算法规避以上问题。先定义几个变量：ONUrequest（代表ONU的业务请求量）、WL（ONU的最低时隙）为一个最小以太网帧的大小，WH（ONU的最大传输时隙），其调度方法与IPACT算法相同，时隙分配算法为：

采用WL、Wh后，可以保证ONU在一个周期内公平的占有授权时隙，而减少系统延时时间。

4 仿真参数及结果分析

4.1 仿真参数

为了验证上文提供的算法性能（本文称参考文献[7]中方案为IPACT-1,固定周期双阈值的IPACT算法为IPACT-2），采用如下仿真模型进行仿真。

仿真模型采用1个OLT和16个ONU组成的树形拓扑结构，设定其上下行的链路速率为1 Gbit/s，即系统传输1 bit信息量所需要的时间为1 ns。用户到ONU之间的线速率为100 Mbit/s。为了便于系统进行仿真。设定每个ONU到OLT的最大距离为20 km，则相应的RTT为200 us。总结仿真实验的参数见表2。

表2 实验仿真参数

4.2 仿真结果

本节利用上节所设置的参数对SSA、IPACT-1、IPACT-2算法进行仿真，重点分析了算法的延时性能及带宽利用率，其结果如图5和图6所示。

从图5可以看出：IPACT-2算法的延时小于SSA和IPACT-1算法。在网络负载较轻时，IPACT-1和IPACT-2算法的延时时间基本可以忽略，而SSA算法的延时性能高于IPACT，因为SSA算法采用固定时隙的方法，无论有无业务都需要一定的等待时间。在IPACT分配方案中，随着ONU负载的增加，每个ONU的发送时隙开始增大，造成其他ONU等待时间的增加，增加系统的整体延时。

从图6可以看出：IPACT-2算法的带宽利用率高于SSA和IPACT-1算法，因俄日IPACT-2算法采用基于固定轮询周期双阈值的方案。当某ONU中无业务需求时，分配最小阈值以保证ONU的可用性，当业务需求超过最大授权窗口时为其分配最大窗口，小于最大窗口时按需分配。而在IPACT-1中采用按需分配的方法，造成系统利用率低于IPACT-2、静态带宽分配算法，当某些ONU负载较轻时，仍然分配到相同的窗口，导致利用率相对较低。

因此以上仿真结果显示，IPACT-2算法同SSA和IPACT-1算法相比，在时延和带宽利用率上具有明显优势。

4.3 配网应用场景分析

为了验证IPACT-2算法在配电网中的应用性能，针对以下两种场景进行分析。

（1）场景 1

EPON系统的分光比为 1∶16，其覆盖范围为0～20 km。在这种场景下，根据其覆盖范围分为0～10 km和0～20 km，其仿真参数采用前面设置的参数，仿真结果如图7和图8所示。

图7分析了在场景1的两种情况下IPACT-2算法的丢包率，在ONU负载低于50 Mbit/s时其丢包率很小，随着ONU负载的增加丢包率开始增加。当ONU的负载大于60时，丢包率超过15%，大于承受能力。因为ONU负载增大EPON链路趋于饱和，各个ONU的传输时间增大，导致ONU的等待时间增长，缓存不足时，其后续到来的数据包会全部丢弃。

图8显示两种情况下的延时时间基本相同。

(2)场景 2

EPON系统的分光比为1∶32，其覆盖范围为0～10 km，在这种场景下根据其覆盖范围分为0～5 km和0～10 km，其仿真参数仍然采用前面设置的参数，仿真结果如图9和图10所示。

图9分析了在场景2的两种情况下IPACT-2算法的丢包率，在ONU负载低于22.5 Mbit/s时其丢包率很小，随着ONU负载的增加丢包率开始增加。当ONU的负载大于27.5时，丢包率开始急剧增加，这是因为ONU的业务量增大开始接近EPON链路的饱和容量，当ONU缓存量不足时，其后续到来的数据包都被丢弃。

图10显示两种情况下其时延基本相同，当ONU负载趋于35 Mbit/s时，延时接近一个常数，因为 EPON链路趋于饱和，各个ONU的授权时隙相对稳定，其时延相对平衡。

从上述两种场景可以看出，IPACT-2算法能够很好地满足配电网的业务需求。在ONU处于轻负载时，延时时间均可以忽略不计，能够满足配电网业务对网络延时及丢包率性能的要求，稳定的传输系统业务。当ONU负载增加时，到中等至重负载时，其性能略有下降。当重负载时，性能开始下降，需要通过网络扩容等方式解决问题。

5 结束语

配电网的高效、稳定运行对提升电网供电可靠性等参数起着重要作用，将EPON系统运用到配电网中，能够满足配用电业务的通信需求。本文在分析了配电网业务要求的基础上，评价了EPON系统的两类带宽分配方案：静态带宽分配和动态带宽分配。通过仿真试验得出结论，静态带宽分配技术延时性能不能很好地满足配电网的需求；基于固定周期双阈值的IPACT算法显著降低了系统在中等负载情况的时延，在网络具有较高负载时，保证高时延要求业务的正常运行；并能提高系统的带宽利用率，满足配电网通信系统的要求及配用电业务的需求，使网络的性能得到改善。

参考文献

1 DL/T 5131-2001.农村电网建设与改造技术导则

2 尹广兴，陈雪，王琦.一种带阈值的EPON动态带宽分配算法，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