WiMAX与EPON融合接入网在电力通信中的应用研究

2012-09-20王惠中张奇侠

电气自动化 2012年1期

王惠中张奇侠

（兰州理工大学电气工程与信息工程学院，甘肃兰州 730050）

0 引言

随着国民经济的发展，能源问题日益突出，作为支柱的电力行业则倍受关注，电力工业是关系国计民生的基础产业，其安全、可靠和有效供应是当今社会正常运转的重要物质技术基础。

电力通信系统是保障电网安全运行和可靠供应的关键，也是未来智能电网对数据的大规模、安全可靠传输的重要前提。目前国家电网公司已经建成覆盖全国的“三纵四横”骨干光纤网络，然而电力通信专网依然面临着一些问题，诸如各区域电网主干网构架较为薄弱，还没有建成坚强骨干网架，电力通信抵御多重故障的能力较弱，35kv变电站到开闭站、用户小区之间仍然缺乏有效通信手段，远程抄表，配网自动化，营销自动等业务难以有效开展，信息孤岛普遍存在。因此一个安全、可靠、高速率传输的接入网便显得意义非凡了。

本文提出了WiMAX与EPON融合接入的方式，成本低廉、高带宽、接入灵活、易于维护。WIMAX重在突出游牧性和移动性、接入灵活等特征，而EPON呈现出超高带宽（可升级至10Gbps）、固定接入、成本低廉等方面。

1 WiMAX的优势及主要技术特点

WiMAX全称为World wide Interoperability for Microwave Access，即全球微波接入互操作性，它是IEEE802.16系列标准的代名词。其优势在于成本低，投资风险小;高带宽（理论值可达75Mbps），更高的远距离传输能力（可以在50km范围内传输）;完善的QoS机制;更优的安全性能;网络规划灵活，建网速度快。以下是WiMAX的主要技术特点。

（1）OFDM技术

OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）实际是多载波调制（MCM，Multi-Carrier Modulation）的一种。其主要思想是:把信道分成若干正交子信道，然后将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输。OFDM是公认的由3G向4G过度的关键技术之一。由于其编码技术的特点使得WiMAX的抗干扰能力得到增强。

（2）MIMO技术

采用MIMO（多输入多输出）技术，可以显著提高系统容量和频谱利用率，提高系统性能，减小多径干扰。MIMO技术可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。

（3）QoS性能

WiMax标准定义了一系列相互协作的协议规范以保证无线接口上的QoS得到保证，包括MAC层的鉴权机制、业务流建立控制协议、调度算法、无线资源管理机制、和采用自适应编码调制技术来保证误码率的物理层机制。

2EPON简介

2.1 基本原理

EPON（以太网无源光网络）是一种采用P2MP（点到多点）结构的单纤双向光接入网络，树形结构为其典型拓扑结构。EPON由于利用了低成本的以太网设备和光纤设施，使其成为解决“最后一公里”或“第一公里”问题的极富前景的解决方案。

EPON系统由局侧的OLT（光线路终端）、用户侧的ONU（光网络单元）和ODN（光分配网络）组成，为单光纤双向系统。EPON的参考结构如图1所示。

图1 EPON参考结构

2.2 EPON的主要优点

（1）因为EPON采用无源器件，所以相对成本低，维护简单，易于扩展和升级，当从1Gbit/s升级到10Gbit/s时不需要更换光纤。

（2）高速率。EPON采用复用技术，可以提供1Gbit/s的带宽。

（3）带宽分配灵活。EPON可以通过DiffServ（区分服务）和IntServ（集成服务）等来实现和保障不同用户的QoS（服务质量）。

（4）EPON与现有以太网兼容，以太网技术则是目前最为先进的局域网技术，所以与其兼容使得EPON具有很大的优势。

3WiMAX与EPON的融合网络

接入网发展的总趋势是宽带化、光与无线融合化。光纤通信能够提供足够的带宽，但是接入不灵活。无线通信能够提供灵活的接入方式但是带宽有限。光与无线融合网络结合二者之长，解决带宽与灵活性之间的矛盾，成为未来接入网的发展趋势。

作为3G标准之一的WiMAX网络在带宽分配调度等方面与EPON的有相似之处，为二者的融合奠定基础，使得融合网络具有诸多优点。首先WIMAX与EPON融合网络同时为用户提供有线接入和无线接入，方便灵活。第二相似的业务类型分类，基于优先级的带宽分配调度机制，使得二者的融合网络具有高带宽利用率，保证不同业务的QoS。第三，WiMAX和EPON融合可能带来网络操作的简单:统一的网络管理，快速切换等。最后，融合网络相比两个相互独立的网络，网络建设和维护的成本则更低。求将业务分成多种类型，并通过在IP头设置值将网络业务分为不同的行为聚集类，对不同行为聚集类采取不同的逐跳转发模式。融合网络的QoS实现架构如图2所示。

WiMAX与EPON融合的系统网络结构如图3所示，一个融合型的OLT所带ONU是具有基站功能的融合型ONU，用户通过WiMAX无线链路连接融合型ONU融合型ONU通过EPON把无线业务传输至融合型OLT，再由OLT发送到核心网。

图3WiMASX与EPON融合接入系统网络部署示意图

4 融合网络在智能电网通信系统中的应用

近年来，电力通信网络规模得到了飞速发展，建成了覆盖全国的“三纵四横”骨干光纤网络，图4为全国电力骨干网拓扑图。

这样，一个高速率、大容量、接入灵活的接入网络便显得尤为重要。WiMAX与EPON的融合网络出现在这样的背景下可谓适得其所:具有高带宽;与已有的光网络可以无缝衔接;无线网络的灵活接入。WiMAX与EPON的融合网络不失为新时期电力通信网络组网技术的一个极佳的解决方案。

图4 全国电力通信骨干传输网络拓扑图

图2 融合网络的OoS实现架构

WiMAX与EPON具有两种不同的Qos机制，为此IETF提出了DiffServ（区分服务）的概念模型，它的主要思想是根据用户需

4.1 重要厂站

随着智能电网建设的发展，大部分变电站已实现无人值守，一些重要厂站要求具有2种独立的通信方式。目前采用的大多是有源的光传输网络，EPON则是无源器件，可以减少故障率和维护成本，WiMAX则增加了游牧性和灵活性。WiMAX技术可以为厂站提供高速无线接入，满足调度、远动、继电保护信息等数据在2种独立通信方式下的稳定、可靠传输。

4.2 营销智能化

营业所到110kV或35 kV变电站之间离通常在10 km以内，假如他们之间的通信都采用光纤，则成本非常大，用WiMAX提供的无线网络有足够的带宽满足营业所的网络需求，为将来实现办公自动化，视频监控VoIP等多媒体业务建立良好的通信平台。

目前国内采用的用户电表采集方式有下面几种:①人工抄表:手工结算，误差大，效率低。②IC卡预付费表:易造成人为破坏不能及时监控。③有线抄表系统:施工周期长、工程安装及维护成本高，有建筑改造也很不方便，耗时耗力。④无线抄表系统:无需架设电缆，可迅速建起通信链路，工程周期大大缩短。WiMAX建立的无线网络则可以实现抄表智能化的全面覆盖。

4.3 应急通信及配电自动化

电力在现代社会中扮演着越来越重要的角色，人们似乎一刻也离不了，当面对自然灾害、突发事件或者临时施工的现场，则需要建立临时的通信系统。有线通信恢复速度慢，架设周期相对较长，WiMAX基站覆盖面广，建立简单迅速，建设地点灵活，可以提供高速接入，因而在应急通信方面有着得天独厚的优越性。

配电自动化（DA）是一项集计算机技术、数据传输、控制技术、现代化设备及管理于一体的综合信息管理系统，这就要求通信的速度、安全性方面比较高。在工业发达国家，配电系统自动化受到了广泛的重视，已经形成了集变电站自动化、馈线分段开关测控、电容器组调节控制、用户负荷控制和远方抄表等系统于一体的配电网管理系统（DMS）。

在我国电力行业中，大量的配电网变电站、开关站，分布范围广、终端数量大、分散、距离远，受通信能力限制，我国的配电自动化则受到很大制约。这些大量的终端，无法全部铺设光纤，采取与无线WiMAX相结合的方法，灵活多变，使电力通信有了双重保障。

4.4 电力通信展望

电信市场的自由化为电力通信提供了新机遇，电力通信网除了保障自身通信的需求，还可以对外提供数据链路。

在美国，电力系统通信已成为政府提出的信息高速公路计划的一个重要组成部分;韩国电力数据网络公司，向社会提供因特网业务、有线电视传输业务、电力系统远方自动抄表业务以及向有关部门出租OPGW带宽容量业务;随着芬兰对电信管制的开放，芬兰国家电力公司成立了TELIVO通信公司，对外出租光缆纤芯、电路，出售带宽、经营长途通信业务。

我国电力通信主干线路已经完善，引入WiMAX与EPON融合的接入网，让电力通信网在市场上更具竞争力，相信在可期待的将来电力通信网提供的网络服务会成为电力公司的一个新的业务增长点。