基于软件定义网络(SDN)的电力光纤到户带宽分配技术

邓伟，周桂平，范军丽，林立霞，周文安

(1.北京国电通网络技术有限公司，北京市 100072；2.国网辽宁省电力有限公司，沈阳市 110006；3.北京邮电大学，北京市100876)

基于软件定义网络(SDN)的电力光纤到户带宽分配技术

邓伟1，周桂平2，范军丽1，林立霞3，周文安3

(1.北京国电通网络技术有限公司，北京市 100072；2.国网辽宁省电力有限公司，沈阳市 110006；3.北京邮电大学，北京市100876)

以太无源光网络(Ethernet passive optical network，EPON)技术是实现电力光纤到户(power fiber to the home，PFTTH)组网的重要手段，与EPON在光纤系统中的广泛应用不同，电力光纤到户系统不仅需要为用户提供语音、数据和视频等互联网业务服务，还需承载用户的电力类业务。文章详细分析了终端用户的业务需求，并针对电力类业务和互联网业务提出了相对应的分级策略。同时，针对传统EPON系统带宽分配机制不灵活等问题，提出了基于软件定义网络(software defined network，SDN)的EPON系统架构，并结合该架构，提出了以电力类业务为主、以互联网类业务为辅的动态带宽分配策略，从而满足了用户的业务需求，增强了系统的灵活性和可管理性。

电力光纤到户(PFTTH)；以太无源光网络(EPON)；软件定义网络(SDN)；电力业务；互联网业务；动态带宽分配

0 引 言

电力光纤到户(power fiber to the home，PFTTH)是指在低压通信接入网中采用光纤复合低压电缆(optical fiber composite low-voltage cable，OPLC)将光纤随低压电力线敷设，实现表到户，配合无源光网络(passive optical network，PON)技术，承载用电信息采集、智能用电双向交互、“三网融合”等业务[1]。推进电力光纤到户工程的发展，统筹部署电网和通信网深度融合的网络基础设施，对完善能源互联网信息通信系统，实现同缆传输、共建共享具有深远的意义。

接入网的主要功能是实现用户网络与公众网络之间各类业务的传送，高效的上行接入控制协议和带宽动态分配算法，是提升接入网业务承载能力的关键因素[2]。电力光纤到户接入网在应用中一方面承载电力类业务数据，实现用电信息采集以及智能用电双向交互业务；另一方面承载用户互联网类业务，支撑用户视频、数据、语音等。用户接入业务具有数据量大、类型多、突发性强等特点，因此灵活的电力光纤到户带宽分配机制、较强的信道适应能力，对实现电力光纤系统在接入网中的广泛应用具有重要意义。

电力光纤到户应用PON技术实现电网与通信网的统筹部署。由于以太网无源光网络(Ethernet passive optical network，EPON)具有组网灵活、覆盖距离长、成本低等优点，已成为电力光纤到户的一种重要组网技术。EPON上行通信为多点到点结构，即用户上行通信数据采用时分多址接入(time division multiple access，TDMA)技术，因此必须在上行方向分配合理的带宽资源[3]，从而在为用户提供多业务接入的同时，避免数据冲突。

鉴于此，本文详细分析电力光纤到户所承载电力类业务以及互联网类业务的特征，并针对EPON架构现有带宽分配策略进行分析，总结传统EPON架构下带宽分配机制存在的问题，最终为更好地满足电力光纤到户的多业务需求，提出一种基于EPON技术的新型的、灵活的系统架构，并基于电力光纤到户应用场景设计以电力类业务为主，以互联网类业务为辅的带宽分配策略。

1 电力光纤到户用户业务需求

1.1 电力类业务需求

电力光纤到户承载电力系统末端电力类相关业务，现阶段主要包括用户智能电表通信、用户端用电监测业务等，未来还将涉及分布式能源控制等内容[4]，本文重点考虑用户智能电表通信和用户端用电监测业务。

智能电表通信业务主要是指智能电表将采集的用户用电量信息、各家电功率、用电状态等信息进行上传，并辅助实现用水、用气信息量的采集，以及电网向用户传送实时电费、远程智能家电控制等内容，该业务具有一定的周期性[5]。电网可以定时或即时取得用户分时段(如15 min、1 h等)或实时的多种计量值，从而分析居民家庭用电规律和高峰负荷，实现用户侧负荷预测[6]，进而制定合理的电力供需方案，提高配电侧电力系统调度的智能化水平。

用户端用电监测业务是指为保障电网的可靠运行，在小区配电间、楼内配电间、充电桩等安装的监视传感器所提供的数据，主要包括供用电运行状况、电能质量、故障智能监测、故障定位信息、自愈控制信息的传送[7]。

在电力光纤到户中，电力类业务通信需求见表1[7]。

电力系统的运行对可靠性和稳定性等要求极高，为此，在电力光纤到户应用中，应确保终端用户电力类业务在采集、整合、传输等流程中的准确性、实时性、可靠性以及安全性。

表1电力类业务通信需求
Table1Communicationdemandsofpowerbusiness

1.2 互联网业务需求

互联网业务主要包括话音、数据、图像、视频等多媒体综合业务。传统EPON系统根据不同种类业务的服务质量(quality of service，QoS)需求，通常将业务按照优先级由高到低定义为加速转发型(expedited forwarding，EF)业务、保证转发型(assured forwarding，AF)业务以及尽力而为型(best effort，BE)业务。其中：EF业务主要是指对实时性要求较高的业务，如语音；AF业务主要是指对带宽有较大需求，但是对时延不是特别敏感的应用，如视频信息；BE业务主要是对数据包抖动、时延和带宽等都没有特殊性要求的业务，如数据流信息。

1.3 电力光纤到户业务优先级

在电力光纤到户系统中，由于用户业务需求除互联网业务外，还包括相关电力类业务，因此应基于电力光纤到户应用场景提出合适的业务分类策略。

在电力类业务中，由表1可以看出，用户端用电监测业务对时延的要求性较高，且这些业务直接反映电网的运行状态，因此，将其置为EF业务。智能电表通信业务直接反映用户侧电网中的电压、电流、功率等信息，对配电网的负荷有较大影响，将其业务优先级设定为AF。在互联网业务中，遵循原有业务分类策略，即分为EF、AF、BE这3类业务。如何对智能电表通信业务和互联网业务这2类业务进行区分将在后续内容中详细给出。

2 EPON资源分配机制

EPON由光线路终端(optical line terminal，OLT)、光分配网络(optical distribution network，ODN)和光网络单元(optical network unit，ONU)这3个部分组成，如图1[8]所示。EPON支持用户业务双向通信，下行传输采用时分多路复用(time division multiple，TDM)协议，即同时向所有用户发送信息，每个用户只接收发给自己的信息；上行传输采用TDMA协议，即每一特定时刻只有1个用户向局端传输数据。

上行通信时，各ONU向OLT发起业务请求，OLT根据收到的请求给各ONU授权上行传输带宽。由于EPON上行传输采用共享模式，为避免各ONU上行数据发生冲突并确保各ONU带宽的公平分配，需采用合理的动态带宽分配(dynamic bandwidth allocation，DBA)策略。

图1 EPON系统基本结构Fig.1 Basic structure of EPON system

在传统EPON系统中，比较经典的DBA机制主要有自适应周期间插轮询(interleaved polling with adaptive cycle time，IPACT)算法[9]、支持QoS的DBA算法以及基于预测的DBA算法[10]。IPACT的基本思想是OLT通过轮询机制获取各ONU缓存的队列长度，然后进行集中分配，该机制的缺点在于缓存队列都是无差别的数据包。为实现EPON对多业务的支持，基于EF、AF、BE业务分类的DBA算法被提出[11]，OLT在轮询过程中，给每个ONU的每个优先级队列分配带宽，但该方法未考虑各ONU之间带宽分配的公平性。在OLT与ONU进行信息交互之间，各ONU会产生新的业务请求，为了降低业务延迟，基于用户业务预测的带宽分配策略被相继提出[12-14]，常用的预测算法有回归类模型预测算法、卡尔曼滤波器预测算法以及神经网络预测算法等，该机制提高了数据保障的实时性，但同时增加了OLT的运算开销。

根据上述分析可以看出，传统EPON资源分配机制存在2个问题：(1)传统EPON资源分配机制以采用单一的DBA算法为主，即OLT针对共享信道上所有的业务使用单一的DBA算法进行带宽分配，随着用户业务类型的逐步增加，该机制无法灵活地满足用户新接入业务的服务质量需求；(2)OLT与各ONU之间的DBA机制不可编程，维护成本较高。

由于在电力光纤到户应用中，面临的业务不仅涵盖互联网类业务，还包括电力类业务，且用户电力类业务需求还在逐步扩展，如分布式能源控制业务等。因此，研究设计灵活的带宽分配策略以适应电力类业务和互联网业务发展的需求，并具备一定的可扩展性，是本文的重点。

3 基于SDN的电力光纤到户系统架构

软件定义网络(software defined networking，SDN)等新技术的出现使得PON系统的软件可编程成为可能[8]。近年来，基于SDN的EPON系统得到了研究，文献[15-17]提出了基于SDN的可感知应用的EPON系统架构。文献[15]设想在各ONU连接的终端设备上内置可获取实时视频流信息的应用，并基于该设想，获取视频应用的反馈信息，从而优化视频流的资源分配策略。文献[17]重点研究不同OLT之间的资源分配策略，强调该系统管理的灵活性。文献[18]将EPON的MAC层进行软件定义，将DBA模块可编程化，提出了ONU之间高业务优先分配的策略，提高了系统带宽分配的效率，但文章只基于原有互联网业务进行了研究。

SDN的核心理念是将路由控制和数据转发分离，将传统紧耦合的网络架构解耦成应用、控制、转发3层分离的结构，并通过相关协议实现网络的集中管控和网络应用的可编程[15]。OpenFlow是SDN的一种具体实现方式，其将原来全部通过交换机/路由器控制的数据包转发过程转化为由OpenFlow交换机和控制服务器分别独立完成的过程，本文采用OpenFlow V1.3.0版本。

3.1 基于SDN的EPON系统结构

在EPON系统中，根据IEEE 802.3—2012标准规定，由OLT的MAC Control Client层对所有ONU的带宽请求进行决策。为了解决上述分析中提到的传统EPON带宽分配机制单一以及对扩展业务支撑灵活性差等问题，本文结合SDN及OpenFlow技术，提出了基于SDN的EPON-OLT结构，如图2所示。

图2 基于SDN的EPON-OLT结构Fig.2 Structure of SDN-based EPON-OLT

基于SDN的EPON-OLT架构主要对OLT的MAC Control Client子层进行扩展，内置OpenFlow代理和DBA模块，但并不改变原有OLT与ONU之间通过报告帧(REPORT)和授权帧(GATE)来实现通信的机制。一方面，OpenFlow控制器(以下简称“控制器”)通过OpenFlow代理对OLT内的DBA模块予以管理，控制器可内置并灵活更新多个DBA算法；另一方面，当MAC Control Client收到多点MAC控制子层(multipoint MAC control protocol，MPCP)的MA_CONTROL.request (REPORT)信息时，将所接收的MPCP子层的数据流输入DBA模块内的DBA流表进行流处理，流表内容定义如图3所示。流表内容由控制器预先配置，并通过与数据流进行匹配确定该数据流所需执行的DBA算法以及ONU带宽分配策略执行的先后顺序，而后产生MA_CONTROL.indication(GATE)信息传输到MPCP子层，由MPCP子层执行后续处理过程。

图3 基于SDN的PFTTH流表项结构Fig.3 Structure of schedule table in SDN-based PFTTH

控制器通过部署流表来实现对OLT数据平面的流量控制，本文重点关注匹配域和指令集的相关内容。图3描述了基于SDN的EPON系统流表项结构，匹配域包括解析REPORT帧所获取的ONU逻辑链路标识(logical link identifier，LLID)、ONU请求业务的类型以及ONU请求的带宽大小，以此来判断ONU带宽分配的优先级以及所应执行的DBA算法和分配的带宽大小。

3.2 基于SDN的电力光纤到户系统资源分配机制

在电力光纤到户应用中，根据面向的用户业务不同，应部署电力类ONU和三网融合类ONU分别为用户提供相应的服务。基于SDN的EPON系统在电力光纤到户中的应用架构如图4所示。

与传统EPON系统不同，在电力光纤到户应用中，OLT需针对电力类ONU所请求的电力类业务带宽以及三网融合类ONU所请求的互联网业务带宽进行综合分配。那么本文所研究的带宽分配机制应重点解决3个问题：(1)OLT如何区分数据来源于电力类ONU还是三网融合类ONU；(2)电力类相关数据量较小，如何保障在用户数据量大的条件下，确保

图4 基于 SDN 的电力光纤到户系统应用架构Fig.4 Structure of SDN-based PFTTH

电力类数据可以到达OLT；(3)如何保障这2类业务的服务质量要求。基于上述研究目标，本文提出了基于LLID识别ONU类型的方法，并设计了电力类业务优先分配的带宽分配策略。

3.2.1ONU类型识别

在电力光纤到户系统中，ONU类型的标识可利用注册请求帧(REGISTER_REQ)的保留位在注册过程予以实现，而后由OLT分配相应的LLID。LLID为2个字节的数据，而一般1个PON口最多接入128个ONU设备，因此可将00 00—00 FF分配给电力类ONU，01 FF—FF FF分配给三网融合类ONU，以此通过LLID识别ONU设备类型。

此外，由于OLT通过读取ONU的REPORT帧内容，识别各ONU并获得各ONU的带宽需求，而后执行DBA，因此针对电力类ONU和三网融合类ONU可设计不同的REPORT帧结构，如图5—6所示。

图5 电力类 ONU REPORT 帧结构Fig.5 REPORT frame structure of power ONUs

图6 三网融合类 ONU REPORT 帧结构Fig.6 REPORT frame structure of Internet ONUs

3.2.2电力类业务优先分配实现机制

电力光纤到户带宽分配流程如下详述。

(1)在轮询周期T内，MPCP子层接收到来自各ONU的REPORT帧，获取各ONU的LLID和带宽请求信息，并将上述数据发送到动态带宽分配流表项中。

(2)每一个ONU的数据处理总是从优先级最高的流表1开始，将获取的数据各个字段与各流表项中的匹配域进行对照。本例中，流表1处理电力类ONU EF、AF业务的请求，若所处理的ONU有EF请求，则将该ONU分配带宽优先级置为1级，同时计数器计量加1；若该ONU存在AF业务请求，则将业务分配优先级置为2级。流表2处理三网融合类ONU

业务请求，若满足则将该ONU分配带宽优先级置为3级。同时，每一个优先级队列采用先进先出的原则来处理各ONU带宽请求。

(3)带宽分配策略的执行。

1)电力类业务带宽分配策略。为保障电力类业务的优先传输，同时考虑到电力类业务上传信息量较小，将带宽分配优先级1执行带宽“IPACT-Limited”DBA分配策略。即当电力类ONU业务请求小于DBA算法中设置的上限时，直接分配给该ONU所请求的带宽大小，若ONU业务请求超过该上限时，直接分配上限带宽大小。本周期无法上传的信息等待下一次周期再上传，即Bi=min{Ri,request，WMAX}。其中：Bi为本次为ONUi所分配的带宽大小；Ri,request为ONUi所请求的带宽大小；WMAX为可分配给ONUi的最大带宽。

2)互联网业务带宽分配策略。为实现互联网业务的带宽分配，同时保障互联网业务具有很好的吞吐量。对互联网业务采用基于多余带宽分配的算法进行带宽分配，其基本思想为在每个轮询周期设置最小保证带宽，当ONU的请求带宽小于最小保证带宽时，视为轻载，直接分配带宽；当ONU的请求带宽大于最小保证带宽时，视为重载，等待所有的ONU请求都收到后再分配带宽，且将所有轻载剩余的带宽平均分配给每个重载ONU，以此实现带宽的有效利用。电力光纤到户带宽分配流程如图7所示。

图7 电力光纤到户资源分配流程Fig.7 Bandwidth allocation process in PFTTH

本文提出的基于SDN的带宽分配策略同经典EPON下带宽分配策略相比具有以下特点：(1)可以明确地区分电力光纤到户应用中电力类业务和互联网类业务信息，并通过执行不同的DBA算法保障不同业务的服务质量要求；(2)可以依托SDN架构灵活地改变DBA机制，并对后续业务具备良好的可扩展性。但是，文章提出的策略以确保电力类业务的绝对优先级为出发点，该机制在处理互联网类某些优先级较高的业务时会带来一定的时延。由此，在今后的研究中，可进一步完善混合业务的分级策略。

4 结 论

(1)在电力光纤到户应用中，以电力类业务为主，以互联网类业务为辅的带宽分配策略可以优先保障用户电力类业务需求，从而满足电力系统运行对可靠性和稳定性的要求。

(2)基于SDN的电力光纤到户系统架构可以灵活地满足电力光纤到户的多业务需求，并可以有效支撑用户后期业务的发展。

[1] 刘建明, 王继业, 范鹏展, 等. 电力光纤到户在智能电网中的应用[J]. 电力系统通信, 2011,32(227):1-5.

LIU Jianming, WANG Jiye, FAN Pengzhan, et al. The application of PFTTH in the smart grid[J]. Telecommunications for Electric Power System, 2011, 32(227): 1-5.

[2] 唐彦儒. 下一代接入网的关键技术[J]. 科技创新导报, 2009(2): 37-39.

[3] 安慧蓉. 基于EPON的电力光纤到户技术研究及应用[D].北京: 华北电力大学, 2011.

AN Huirong. Research and application of power fiber to the home based on EPON[D]. Beijing: North China Electric Power University, 2011.

[4] 崔力民, 李刚, 王天军, 等. 智能电网信息通信系统风险评估的模糊测度方法[J]. 电力建设, 2017, 38(5): 52-61.

CUI Limin, LI Gang, WANG Tianjun, et al.Fuzzy measurement of information communication system risk estimation in smart grid[J]. Electric Power Construction, 2017, 38(5): 52-61.

[5] 张汉敬,刘明峰. 智能电网中互动式居民智能用电系统设计[J]. 中国电力教育, 2009:313-315.

[6] 曲朝阳, 王蕾, 曲楠. 智能电网知识处理模型与可视化方法[M]. 北京: 科学出版社, 2016:36-41.

[7] 黄胜. 智能配电网通信业务需求分析及技术方案[J]. 电力系统通信, 2010, 31(6):10-12,17.

HUANG Sheng. Analysis on the demand for communication services in smart distribution network and communication technical scheme[J]. Telecommunications for Electric Power System, 2010, 31(6): 10-12, 17.

[8] 熊余. 下一代无源光网络[M]. 北京: 科学出版社, 2016:28-30.

[9] KRAMER G, MUKHERJEE B, PESAVENTO G. Interleaved polling with adaptive cycle time (IPACT): a dynamic bandwidth distribution scheme in an optical access network[J]. Photonic Network Communications, 2002, 4(1): 89-107.

[10] HWANG I S, SHYU Z D, KE L Y, et al. A novel early DBA mechanism with prediction-based fair excessive bandwidth allocation scheme in EPON[J]. Computer Communications, 2008, 31(9): 1814-1823.

[11] ASSI C M, YE Y, DIXIT S, et al. Dynamic bandwidth allocation for quality-of-service over Ethernet PONs[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2003, 21(9): 1467-1477.

[12] YIN S, ANSARI N. Nonlinear predictor-based dynamic resource allocation over point-to-multipoint (p2mp) networks: a control theoretical approach[J]. Journal of Optical Communications and Networking, 2010, 2(12): 1052-1062.

[13] RADZI N A M, DIN N M, AL-MANSOORI M H, et al. Intelligent dynamic bandwidth allocation algorithm in upstream EPONs[J]. Journal of Optical Communications and Networking, 2010, 2(3): 148-158.

[14] DE S, SINGH V, GUPTA H M, et al. A new predictive dynamic priority scheduling in Ethernet passive optical networks (EPONs)[J]. Optical Switching and Networking, 2010, 7(4): 215-223.

[15] CHITIMALLA D, THOTA S, SAVAS S S, et al. Application-aware software-defined EPON upstream resource allocation[C]// 2015 Optical Fiber Communications Conference and Exhibition (OFC). IEEE, 2015: 1-3.

[16] CHITIMALLA D, THOTA S, SAVAS S S, et al. Application-aware software-defined EPON access network[J]. Photonic Network Communications, 2015, 30(3): 324-336.

[17] YANG H, ZHAO Y, ZHANG J, et al. Experimental demonstration of remote unified control for open flow-based software defined access optical networks[C]//39th European Conference and Exhibition on Optical Communication (ECOC 2013). IET, 2013: 1-3.

[18] LI C, GUO W, WANG W, et al. Programmable bandwidth management in software-defined EPON architecture[J]. Optics Communications, 2016, 370: 43-48.

2017-06-12

邓伟(1976)，男，硕士，工程师，主要研究方向为电力信息通信、光缆网络、传输网络、数据网络；

周桂平(1981)，男，博士，高级工程师，主要研究方向为电力系统及其自动化；

范军丽(1986)，女，硕士，工程师，主要研究方向为智能用电、信息通信技术；

林立霞(1989)，女，博士研究生，通信作者，主要研究方向为下一代宽带网络通信；

周文安(1971)，女，博士，副教授，主要研究方向为下一代宽带网络和无线互联网、服务科学与服务工程。

(编辑 景贺峰)

DynamicBandwidthAllocationforPowerFibertotheHomeBasedonSDN

DENG Wei1，ZHOU Guiping2，FAN Junli1，LIN Lixia3，ZHOU Wenan3

(1.Beijing Guodiantong Network Technology Co., Ltd., Beijing 100072, China;2.State Grid Liaoning Electric Power Supply Co., Ltd., Shenyang 110006, China;3.Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China)

The Ethernet passive optical network (EPON) technology is an important networking means to realize the power fiber to the home (PFTTH).The EPON technology has been widely used in the power fiber to the home, which provides services for user’s traditional Internet services including voice, video and data traffic. Unlike the traditional application of EPON in fiber to the home, the PFTTH system needs to carry power service and Internet service. This paper describes the service requirements of the user in the PFTTH system and proposes the corresponding classification strategy for power service and Internet service. At the same time, according to the inherent flexibility issues of bandwidth allocation in traditional EPON system, we put forward a new software defined network (SDN) based PFTTH system architecture. Combined with this architecture, we realize the dynamic bandwidth allocation strategy, which takes the power service primarily and the Internet service secondary. In this way, we can meet the user’s business needs and improve the system’s flexibility and management.

power fiber to the home (PFTTH); Ethernet passive optical network (EPON); software defined network (SDN); power service; Internet service; dynamic bandwidth allocation

国家重点研发计划项目(2016YFB0901200)

Project supported by the National Key Research and Development Program of China(2016YFB0901200)

TM46

A

1000-7229(2017)11-0081-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2017.11.011