基于OPNET的电力通信EPON仿真建模研究

朱志成，赵海涛，李 洋

(1.南京邮电大学 通信与信息工程学院，江苏 南京 210003；2.南京南瑞集团公司 信息通信技术分公司，江苏 南京 210003)

基于OPNET的电力通信EPON仿真建模研究

朱志成1，赵海涛1，李 洋2

(1.南京邮电大学 通信与信息工程学院，江苏 南京 210003；2.南京南瑞集团公司 信息通信技术分公司，江苏 南京 210003)

成本低廉、易维护等特点使得EPON(以太无源光网络)成为智能电网配用电通信的首选，而在先期网络规划、后期网络性能等参数的综合评估等方面尚缺乏有效的理论分析方法。因此在研究EPON网络的基础上，利用OPNET分别构建了EPON的OLT、POS、ONU网元模型，并针对在电力通信中的应用，完成了电力通信业务的建模，构建了面向电力通信的EPON仿真研究平台。对常见电力通信EPON组网方式进行了实验，并对实验结果进行了分析。实验结果表明，所搭建的电力EPON仿真研究平台可对电力通信业务性能进行测试与分析，EPON系统完全符合电力通信业务的传输要求。

以太无源光网络；电力通信；OPNET；建模；仿真

0 引 言

智能电网配用电通信主要有无线通信、光纤通信和电力线载波通信3种。其中光纤通信具有可靠性高、带宽大、保密性好以及抗干扰性强等优点，近年来随着光纤成本的降低，智能电网中普遍优先采用光纤通信实现配用电业务的传输。EPON(Ethernet Passive Optical Network)技术作为一种新型的无源光网络接入技术，综合了以太网和PON技术，同时支持语音、图像和数据的接入传输，是一个多业务综合接入平台[1]。

近年来，国内外对EPON进行了广泛的研究与应用。文献[1]介绍了一种适用于EPON系统的带宽分配算法及仿真模型。文献[2]提出了间隔轮询授权IPACT算法，重点研究了不同授权窗口设置下对网络传输性能的影响。文献[3]结合海盐县供电局的配电网通信系统接入需求，提出了基于EPON技术的配电网通信系统设计方案并取得了成功应用。文献[4]提出并研制了一种基于EPON的智能配电网差动保护装置，实现了多端线路差动保护。目前已有较多的EPON仿真研究[2,5-7]，但大多重在创建单个的EPON系统，而针对电力通信EPON系统还未有完备的仿真实验平台，且实际EPON产品亦不能对网络结构、参数等性能进行方便地测试。因此，在研究学习EPON相关标准的基础上，基于OPNET网络仿真软件，对EPON进行了建模，针对其在电力通信中的应用对电力通信配用电业务建模，构建了电力通信EPON网络仿真测试平台，完成了相关网络性能参数的测试。

1 EPON基本原理与建模

由于OPNET中未包含EPON库模型，因此需要根据OPNET的建模机理从进程域开始对EPON网元模型进行代码级开发，包括OLT、ONU、POS，光纤模型采用OPNET自带的1 Gbps链路模型。OPNET网络仿真的建模原理等背景知识详见文献[8-9]。

1.1 OLT节点模型的构建

根据IEEE 802.3ah标准，EPON系统中OLT主要负责处理来自ONU的带宽请求，向ONU分配带宽，并完成上下行数据的转发。在OPNET软件节点编辑器中构建OLT节点模型如图1所示。其中Ethernet为OPNET自带以太网MAC层模块Ethernet_mac_v2用以实现PON网络与上层网络的连接，实现上行接入，OLT_MAC为OLT的光端口，根据802.3协议中点到多点控制协议(MPCP)进行建模。SWITCH实现上下行数据之间的交换与封装、解封装操作，构建上联端口与下联端口之间的桥梁。

图1 OLT节点及进程域模型

自建模块OLT_MAC进程域模型根据IEEE802.3-2012 SECTION FIVE 64. Multipoint MAC Control协议进行建模实现ONU的发现，测距，注册、带宽分配，ONU REPORT接收以及上下行封包的交换处理，具体进程模型如图1所示。

OLT_MAC完成初始化进入IDLE状态后立即进入DISCOVERY状态，向ONU发送发现注册帧Discovery Gate并根据来自ONU的注册请求对ONU进行注册及相关逻辑端口ID-LLID的分配。注册完毕后返回IDLE状态，在IDLE状态实现对注册ONU的周期性上行窗口授权(GATE状态向ONU发送授权窗口GATE)，ONU在授权窗口末尾向OLT发送REPORT信息，OLT在IDLE状态收到REPORT后进行ONU队列排队情况提取，并用于下次对此ONU的授权窗口的确定。IDLE状态同时完成上下行封包的交换发送以及相应统计量的收集。

GATE状态完成对ONU的授权，文中所采用的带宽分配算法为限制服务IPACT(Interleaved polling algorithm)间隔轮询算法[2]：OLT的授权帧GATE发送的时间点计算公式如下：

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(1)

授权窗口的确定依照限制服务原则：

(2)

其中，V[i]为轮询表中ONU的队列排队情况，可视为“请求窗口大小”；Wmax为保证所有ONU公平性而设置的最大授权窗口，防止某个ONU独占上行带宽，造成其他ONU业务封包排队延时过长。

Wmax计算方法为：

(3)

其中，Tmax为ONU最大排队时延，一般设为2～3ms；N为系统中已注册的ONU数目。

1.2 ONU节点模型的构建

ONU是EPON网络系统的用户侧设备，用于终结从OLT传送来的业务，与OLT配合向用户提供服务。在OPNET软件节点编辑器中构建ONU节点模型如图2所示，其结构与OLT节点结构类似，由三个主要处理模块构成：

Ethernet用于建立ONU与用户设备之间的以太网连接，自建模块ONU_MAC为ONU节点的MAC层模型，其通过收发机PON_rx及PON_tx实现与分光器POS的连接，最终与OLT实现通信连接，SWITCH交换模块负责用户侧与PON侧的用户数据帧交换。

图2 ONU节点及进程域模型

自建模块ONU_MAC实现MPCP完成相应ONU的发现、测距及注册，上行授权窗口GATE接收解析，队列排队情况的REPORT，接收来自用户数据向上层网络转发，或选择接收来自OLT数据封包并转发至各个用户，其进程域模型如图2所示。

ONU_MAC在初始化完毕进入IDLE状态后立即进入EPON_START状态等待来自OLT的发现注册帧Discovery GATE，收到发现注册帧后解析其中包含的注册窗口大小，并根据此窗口大小产生一随机时延时间后进入REG_REQ状态向OLT发送注册请求register request，发送完毕返回EPON_START状态等待来自OLT注册REGISTER帧，解析其中OLT分配的逻辑链路段口LLID等注册信息，并向OLT返回注册响应register acknowledge完成注册返回IDLE状态。

ONU_MAC在IDLE接收来自OLT的上行窗口授权GATE解析其中的授权信息，在授权窗口内向OLT发送队列中的排队数据，并在授权窗口结束时向OLT汇报当前ONU队列情况-REPORT，ONU在IDLE状态同样选择接收OLT下行广播数据，并转发至相应用户。

2 电力通信业务建模

网络仿真中业务建模对仿真结果准确性影响较大，不准确的业务建模一般不能反映所设计网络结构的性能参数，甚至得到完全对立的仿真结果，因此针对电力通信EPON网络性能仿真需要针对电力通信业务进行合理建模。

电力通信业务按照配电和用电网络主要分为配电自动化业务和用电信息采集业务[10-11]，相应业务主要参数如表1所示。

针对上述配用电业务需要在OPNET中进行相应业务建模，OPNET提供了8种标准互联网业务模型(FTP、Email、Remote Login、Database、HTTP、Print、Voice、Video Conferencing)，但实际电力通信网中业务类型与此8种模型的业务特性有较多差异。例如，OPNET标准业务Video Conferencing实现端到端的视频会议，而电网中视频监控为单向业务传输，即主站对相关配电终端进行单向视频监控，可见OPNET提供的业务模型大多无法直接应用至电力通信网中，因此文中利用OPNET中自定义业务模型(Custom Application)对电网配用电通信业务进行建模。自定义应用业务能将一个应用拆分成若干个任务，每个任务又可拆分成若干个阶段，通过配置任务配置器，能较好地描述应用何时发送请求和响应、如何建立通信连接以及服务器处理花费的时间。此建模方法支持多端应用，具有较大的灵活性[12-14]。

表1 电力通信配用电系统业务类型及参数

3 电力通信EPON仿真分析

EPON因其易扩展性在电力通信中主要用于接入网建设，电力通信EPON接入网常见的组网方式有星型、F型、一字型等。在OPNET仿真网络场景编辑器中可按上述组网方式，根据配用电A类场景规模结构[10]，利用自建的EPON网元模型搭建电力通信EPON仿真平台，如图3所示。

图3 电力通信EPON仿真分析平台

图中，server为配用电业务服务器，与OLT位于局端，各个ONU位于配用电子站，各个wkstn为配用电终端或用电信息采集集中器，POS为无源分光器模型，实现光纤信道的共享。其中单节光纤平均长度在1 km左右，光纤最大长度未超过20 km，符合EPON系统应用标准。

在搭建的仿真平台中利用图中TASK、APPLICATION、PROFILE配置模块对配用电终端加载第2节建立的电力通信业务，设置仿真时间为1 min。

业务封包平均EPON网络传输时延如图4所示。

由图4可见，业务封包在EPON网络中平均传输时延在0.1～0.5 ms之间，符合前述IPACT算法设计的最大传输时延为2 ms的要求，因而所搭建的仿真平台能够满足业务传输的需求。

配电“三遥”业务响应延迟时间对比如图5所示。图中点划线为遥测业务，其响应时延约为0.9 ms；点线为遥信业务，其响应时延约为1.8 ms；实线为遥控业务，其响应时延约为3.5 ms。根据《配电自动化建设与改造标准化设计技术规定》(Q/GDW 625-2011)中对光纤通信方式下“三遥”业务实时性要求：遥测小于2 s、遥信小于2 s、遥控小于10 s，EPON系统传输配电自动化“三遥”业务符合对应实时性要求。

图5 配电通信三遥业务响应时延对比

电力通信EPON网络OLT业务吞吐量如图6所示。

由图可见，此仿真场景下OLT业务吞吐量在1 Mbps左右，与所搭建的A类场景理论业务流量[9]相同。仿真实现了业务的可靠传输，并且与EPON系统光纤线速率1 Gbps相比，EPON系统的传输能力仍有很大空余，能够充分满足系统扩容方面的要求。

图6 EPON网络OLT业务吞吐量

4 结束语

基于OPNET网络仿真软件构建了一电力通信EPON仿真平台，具体介绍了EPON建模流程。针对EPON在电力通信中的应用对电力通信配用电业务进行了业务建模，仿真分析了电力通信EPON系统典型场景的相关性能，对实际网络规划建设评估有一定参考价值。在该平台模型下可进一步修改OLT端的带宽分配算法，研究不同带宽分配算法对电力通信EPON系统性能的影响。

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Research on Modeling and Simulation of EPON in Electric Power Communication Based on OPNET

ZHU Zhi-cheng1,ZHAO Hai-tao1,LI Yang2

(1.Institute of Telecommunications & Information Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China;2.Branch of Information and Telecommunications of NARI Group Corporation,Nanjing 210003,China)

The low cost and easy maintenance of Ethernet Passive Optical Network also called EPON,makes it be the first choice in electrical communications of the smart grid.While there are lack of effective theoretical analysis from the perspective of parameters evaluation in early network planning and late network performance.For the application of electric power communication,consequently,the traffic of electric power communication is raised on the basis of EPON network and further simulation platform is constructed by using the OPNET network simulation software.Some common network structures on this platform are simulated and analysis of the results is made correspondingly.The result shows that the built EPON simulation and research platform can test and analyze the performance of electric communication traffic,and EPON can absolutely meet the requirements of the electric communication traffic.

EPON;electric power communication;OPNET;modeling;simulation

2016-02-26

2016-06-16

时间：2016-11-22

国家自然科学基金资助项目(61302100,61201162)；教育部博士点基金(20133223120002)

朱志成(1992-)，男，硕士研究生，研究方向为宽带接入技术仿真与建模；赵海涛，副教授，研究方向为下一代网络技术、车联网、网络编码等。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20161122.1228.036.html

TN915.85

A

1673-629X(2016)12-0164-05

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.12.036