基于軟件定義網絡(SDN)的電力光纖到戶帶寬分配技術

鄧偉，周桂平，范軍麗，林立霞，周文安

(1.北京國電通網絡技術有限公司，北京市 100072；2.國網遼寧省電力有限公司，沈陽市 110006；3.北京郵電大學，北京市100876)

基于軟件定義網絡(SDN)的電力光纖到戶帶寬分配技術

鄧偉1，周桂平2，范軍麗1，林立霞3，周文安3

(1.北京國電通網絡技術有限公司，北京市 100072；2.國網遼寧省電力有限公司，沈陽市 110006；3.北京郵電大學，北京市100876)

以太無源光網絡(Ethernet passive optical network，EPON)技術是實現電力光纖到戶(power fiber to the home，PFTTH)組網的重要手段，與EPON在光纖系統中的廣泛應用不同，電力光纖到戶系統不僅需要為用戶提供語音、數據和視頻等互聯網業務服務，還需承載用戶的電力類業務。文章詳細分析了終端用戶的業務需求，并針對電力類業務和互聯網業務提出了相對應的分級策略。同時，針對傳統EPON系統帶寬分配機制不靈活等問題，提出了基于軟件定義網絡(software defined network，SDN)的EPON系統架構，并結合該架構，提出了以電力類業務為主、以互聯網類業務為輔的動態帶寬分配策略，從而滿足了用戶的業務需求，增強了系統的靈活性和可管理性。

電力光纖到戶(PFTTH)；以太無源光網絡(EPON)；軟件定義網絡(SDN)；電力業務；互聯網業務；動態帶寬分配

0 引 言

電力光纖到戶(power fiber to the home，PFTTH)是指在低壓通信接入網中采用光纖復合低壓電纜(optical fiber composite low-voltage cable，OPLC)將光纖隨低壓電力線敷設，實現表到戶，配合無源光網絡(passive optical network，PON)技術，承載用電信息采集、智能用電雙向交互、“三網融合”等業務[1]。推進電力光纖到戶工程的發展，統籌部署電網和通信網深度融合的網絡基礎設施，對完善能源互聯網信息通信系統，實現同纜傳輸、共建共享具有深遠的意義。

接入網的主要功能是實現用戶網絡與公眾網絡之間各類業務的傳送，高效的上行接入控制協議和帶寬動態分配算法，是提升接入網業務承載能力的關鍵因素[2]。電力光纖到戶接入網在應用中一方面承載電力類業務數據，實現用電信息采集以及智能用電雙向交互業務；另一方面承載用戶互聯網類業務，支撐用戶視頻、數據、語音等。用戶接入業務具有數據量大、類型多、突發性強等特點，因此靈活的電力光纖到戶帶寬分配機制、較強的信道適應能力，對實現電力光纖系統在接入網中的廣泛應用具有重要意義。

電力光纖到戶應用PON技術實現電網與通信網的統籌部署。由于以太網無源光網絡(Ethernet passive optical network，EPON)具有組網靈活、覆蓋距離長、成本低等優點，已成為電力光纖到戶的一種重要組網技術。EPON上行通信為多點到點結構，即用戶上行通信數據采用時分多址接入(time division multiple access，TDMA)技術，因此必須在上行方向分配合理的帶寬資源[3]，從而在為用戶提供多業務接入的同時，避免數據沖突。

鑒于此，本文詳細分析電力光纖到戶所承載電力類業務以及互聯網類業務的特征，并針對EPON架構現有帶寬分配策略進行分析，總結傳統EPON架構下帶寬分配機制存在的問題，最終為更好地滿足電力光纖到戶的多業務需求，提出一種基于EPON技術的新型的、靈活的系統架構，并基于電力光纖到戶應用場景設計以電力類業務為主，以互聯網類業務為輔的帶寬分配策略。

1 電力光纖到戶用戶業務需求

1.1 電力類業務需求

電力光纖到戶承載電力系統末端電力類相關業務，現階段主要包括用戶智能電表通信、用戶端用電監測業務等，未來還將涉及分布式能源控制等內容[4]，本文重點考慮用戶智能電表通信和用戶端用電監測業務。

智能電表通信業務主要是指智能電表將采集的用戶用電量信息、各家電功率、用電狀態等信息進行上傳，并輔助實現用水、用氣信息量的采集，以及電網向用戶傳送實時電費、遠程智能家電控制等內容，該業務具有一定的周期性[5]。電網可以定時或即時取得用戶分時段(如15 min、1 h等)或實時的多種計量值，從而分析居民家庭用電規律和高峰負荷，實現用戶側負荷預測[6]，進而制定合理的電力供需方案，提高配電側電力系統調度的智能化水平。

用戶端用電監測業務是指為保障電網的可靠運行，在小區配電間、樓內配電間、充電樁等安裝的監視傳感器所提供的數據，主要包括供用電運行狀況、電能質量、故障智能監測、故障定位信息、自愈控制信息的傳送[7]。

在電力光纖到戶中，電力類業務通信需求見表1[7]。

電力系統的運行對可靠性和穩定性等要求極高，為此，在電力光纖到戶應用中，應確保終端用戶電力類業務在采集、整合、傳輸等流程中的準確性、實時性、可靠性以及安全性。

表1電力類業務通信需求
Table1Communicationdemandsofpowerbusiness

1.2 互聯網業務需求

互聯網業務主要包括話音、數據、圖像、視頻等多媒體綜合業務。傳統EPON系統根據不同種類業務的服務質量(quality of service，QoS)需求，通常將業務按照優先級由高到低定義為加速轉發型(expedited forwarding，EF)業務、保證轉發型(assured forwarding，AF)業務以及盡力而為型(best effort，BE)業務。其中：EF業務主要是指對實時性要求較高的業務，如語音；AF業務主要是指對帶寬有較大需求，但是對時延不是特別敏感的應用，如視頻信息；BE業務主要是對數據包抖動、時延和帶寬等都沒有特殊性要求的業務，如數據流信息。

1.3 電力光纖到戶業務優先級

在電力光纖到戶系統中，由于用戶業務需求除互聯網業務外，還包括相關電力類業務，因此應基于電力光纖到戶應用場景提出合適的業務分類策略。

在電力類業務中，由表1可以看出，用戶端用電監測業務對時延的要求性較高，且這些業務直接反映電網的運行狀態，因此，將其置為EF業務。智能電表通信業務直接反映用戶側電網中的電壓、電流、功率等信息，對配電網的負荷有較大影響，將其業務優先級設定為AF。在互聯網業務中，遵循原有業務分類策略，即分為EF、AF、BE這3類業務。如何對智能電表通信業務和互聯網業務這2類業務進行區分將在后續內容中詳細給出。

2 EPON資源分配機制

EPON由光線路終端(optical line terminal，OLT)、光分配網絡(optical distribution network，ODN)和光網絡單元(optical network unit，ONU)這3個部分組成，如圖1[8]所示。EPON支持用戶業務雙向通信，下行傳輸采用時分多路復用(time division multiple，TDM)協議，即同時向所有用戶發送信息，每個用戶只接收發給自己的信息；上行傳輸采用TDMA協議，即每一特定時刻只有1個用戶向局端傳輸數據。

上行通信時，各ONU向OLT發起業務請求，OLT根據收到的請求給各ONU授權上行傳輸帶寬。由于EPON上行傳輸采用共享模式，為避免各ONU上行數據發生沖突并確保各ONU帶寬的公平分配，需采用合理的動態帶寬分配(dynamic bandwidth allocation，DBA)策略。

圖1 EPON系統基本結構Fig.1 Basic structure of EPON system

在傳統EPON系統中，比較經典的DBA機制主要有自適應周期間插輪詢(interleaved polling with adaptive cycle time，IPACT)算法[9]、支持QoS的DBA算法以及基于預測的DBA算法[10]。IPACT的基本思想是OLT通過輪詢機制獲取各ONU緩存的隊列長度，然后進行集中分配，該機制的缺點在于緩存隊列都是無差別的數據包。為實現EPON對多業務的支持，基于EF、AF、BE業務分類的DBA算法被提出[11]，OLT在輪詢過程中，給每個ONU的每個優先級隊列分配帶寬，但該方法未考慮各ONU之間帶寬分配的公平性。在OLT與ONU進行信息交互之間，各ONU會產生新的業務請求，為了降低業務延遲，基于用戶業務預測的帶寬分配策略被相繼提出[12-14]，常用的預測算法有回歸類模型預測算法、卡爾曼濾波器預測算法以及神經網絡預測算法等，該機制提高了數據保障的實時性，但同時增加了OLT的運算開銷。

根據上述分析可以看出，傳統EPON資源分配機制存在2個問題：(1)傳統EPON資源分配機制以采用單一的DBA算法為主，即OLT針對共享信道上所有的業務使用單一的DBA算法進行帶寬分配，隨著用戶業務類型的逐步增加，該機制無法靈活地滿足用戶新接入業務的服務質量需求；(2)OLT與各ONU之間的DBA機制不可編程，維護成本較高。

由于在電力光纖到戶應用中，面臨的業務不僅涵蓋互聯網類業務，還包括電力類業務，且用戶電力類業務需求還在逐步擴展，如分布式能源控制業務等。因此，研究設計靈活的帶寬分配策略以適應電力類業務和互聯網業務發展的需求，并具備一定的可擴展性，是本文的重點。

3 基于SDN的電力光纖到戶系統架構

軟件定義網絡(software defined networking，SDN)等新技術的出現使得PON系統的軟件可編程成為可能[8]。近年來，基于SDN的EPON系統得到了研究，文獻[15-17]提出了基于SDN的可感知應用的EPON系統架構。文獻[15]設想在各ONU連接的終端設備上內置可獲取實時視頻流信息的應用，并基于該設想，獲取視頻應用的反饋信息，從而優化視頻流的資源分配策略。文獻[17]重點研究不同OLT之間的資源分配策略，強調該系統管理的靈活性。文獻[18]將EPON的MAC層進行軟件定義，將DBA模塊可編程化，提出了ONU之間高業務優先分配的策略，提高了系統帶寬分配的效率，但文章只基于原有互聯網業務進行了研究。

SDN的核心理念是將路由控制和數據轉發分離，將傳統緊耦合的網絡架構解耦成應用、控制、轉發3層分離的結構，并通過相關協議實現網絡的集中管控和網絡應用的可編程[15]。OpenFlow是SDN的一種具體實現方式，其將原來全部通過交換機/路由器控制的數據包轉發過程轉化為由OpenFlow交換機和控制服務器分別獨立完成的過程，本文采用OpenFlow V1.3.0版本。

3.1 基于SDN的EPON系統結構

在EPON系統中，根據IEEE 802.3—2012標準規定，由OLT的MAC Control Client層對所有ONU的帶寬請求進行決策。為了解決上述分析中提到的傳統EPON帶寬分配機制單一以及對擴展業務支撐靈活性差等問題，本文結合SDN及OpenFlow技術，提出了基于SDN的EPON-OLT結構，如圖2所示。

圖2 基于SDN的EPON-OLT結構Fig.2 Structure of SDN-based EPON-OLT

基于SDN的EPON-OLT架構主要對OLT的MAC Control Client子層進行擴展，內置OpenFlow代理和DBA模塊，但并不改變原有OLT與ONU之間通過報告幀(REPORT)和授權幀(GATE)來實現通信的機制。一方面，OpenFlow控制器(以下簡稱“控制器”)通過OpenFlow代理對OLT內的DBA模塊予以管理，控制器可內置并靈活更新多個DBA算法；另一方面，當MAC Control Client收到多點MAC控制子層(multipoint MAC control protocol，MPCP)的MA_CONTROL.request (REPORT)信息時，將所接收的MPCP子層的數據流輸入DBA模塊內的DBA流表進行流處理，流表內容定義如圖3所示。流表內容由控制器預先配置，并通過與數據流進行匹配確定該數據流所需執行的DBA算法以及ONU帶寬分配策略執行的先后順序，而后產生MA_CONTROL.indication(GATE)信息傳輸到MPCP子層，由MPCP子層執行后續處理過程。

圖3 基于SDN的PFTTH流表項結構Fig.3 Structure of schedule table in SDN-based PFTTH

控制器通過部署流表來實現對OLT數據平面的流量控制，本文重點關注匹配域和指令集的相關內容。圖3描述了基于SDN的EPON系統流表項結構，匹配域包括解析REPORT幀所獲取的ONU邏輯鏈路標識(logical link identifier，LLID)、ONU請求業務的類型以及ONU請求的帶寬大小，以此來判斷ONU帶寬分配的優先級以及所應執行的DBA算法和分配的帶寬大小。

3.2 基于SDN的電力光纖到戶系統資源分配機制

在電力光纖到戶應用中，根據面向的用戶業務不同，應部署電力類ONU和三網融合類ONU分別為用戶提供相應的服務。基于SDN的EPON系統在電力光纖到戶中的應用架構如圖4所示。

與傳統EPON系統不同，在電力光纖到戶應用中，OLT需針對電力類ONU所請求的電力類業務帶寬以及三網融合類ONU所請求的互聯網業務帶寬進行綜合分配。那么本文所研究的帶寬分配機制應重點解決3個問題：(1)OLT如何區分數據來源于電力類ONU還是三網融合類ONU；(2)電力類相關數據量較小，如何保障在用戶數據量大的條件下，確保

圖4 基于 SDN 的電力光纖到戶系統應用架構Fig.4 Structure of SDN-based PFTTH

電力類數據可以到達OLT；(3)如何保障這2類業務的服務質量要求。基于上述研究目標，本文提出了基于LLID識別ONU類型的方法，并設計了電力類業務優先分配的帶寬分配策略。

3.2.1ONU類型識別

在電力光纖到戶系統中，ONU類型的標識可利用注冊請求幀(REGISTER_REQ)的保留位在注冊過程予以實現，而后由OLT分配相應的LLID。LLID為2個字節的數據，而一般1個PON口最多接入128個ONU設備，因此可將00 00—00 FF分配給電力類ONU，01 FF—FF FF分配給三網融合類ONU，以此通過LLID識別ONU設備類型。

此外，由于OLT通過讀取ONU的REPORT幀內容，識別各ONU并獲得各ONU的帶寬需求，而后執行DBA，因此針對電力類ONU和三網融合類ONU可設計不同的REPORT幀結構，如圖5—6所示。

圖5 電力類 ONU REPORT 幀結構Fig.5 REPORT frame structure of power ONUs

圖6 三網融合類 ONU REPORT 幀結構Fig.6 REPORT frame structure of Internet ONUs

3.2.2電力類業務優先分配實現機制

電力光纖到戶帶寬分配流程如下詳述。

(1)在輪詢周期T內，MPCP子層接收到來自各ONU的REPORT幀，獲取各ONU的LLID和帶寬請求信息，并將上述數據發送到動態帶寬分配流表項中。

(2)每一個ONU的數據處理總是從優先級最高的流表1開始，將獲取的數據各個字段與各流表項中的匹配域進行對照。本例中，流表1處理電力類ONU EF、AF業務的請求，若所處理的ONU有EF請求，則將該ONU分配帶寬優先級置為1級，同時計數器計量加1；若該ONU存在AF業務請求，則將業務分配優先級置為2級。流表2處理三網融合類ONU

業務請求，若滿足則將該ONU分配帶寬優先級置為3級。同時，每一個優先級隊列采用先進先出的原則來處理各ONU帶寬請求。

(3)帶寬分配策略的執行。

1)電力類業務帶寬分配策略。為保障電力類業務的優先傳輸，同時考慮到電力類業務上傳信息量較小，將帶寬分配優先級1執行帶寬“IPACT-Limited”DBA分配策略。即當電力類ONU業務請求小于DBA算法中設置的上限時，直接分配給該ONU所請求的帶寬大小，若ONU業務請求超過該上限時，直接分配上限帶寬大小。本周期無法上傳的信息等待下一次周期再上傳，即Bi=min{Ri,request，WMAX}。其中：Bi為本次為ONUi所分配的帶寬大小；Ri,request為ONUi所請求的帶寬大小；WMAX為可分配給ONUi的最大帶寬。

2)互聯網業務帶寬分配策略。為實現互聯網業務的帶寬分配，同時保障互聯網業務具有很好的吞吐量。對互聯網業務采用基于多余帶寬分配的算法進行帶寬分配，其基本思想為在每個輪詢周期設置最小保證帶寬，當ONU的請求帶寬小于最小保證帶寬時，視為輕載，直接分配帶寬；當ONU的請求帶寬大于最小保證帶寬時，視為重載，等待所有的ONU請求都收到后再分配帶寬，且將所有輕載剩余的帶寬平均分配給每個重載ONU，以此實現帶寬的有效利用。電力光纖到戶帶寬分配流程如圖7所示。

圖7 電力光纖到戶資源分配流程Fig.7 Bandwidth allocation process in PFTTH

本文提出的基于SDN的帶寬分配策略同經典EPON下帶寬分配策略相比具有以下特點：(1)可以明確地區分電力光纖到戶應用中電力類業務和互聯網類業務信息，并通過執行不同的DBA算法保障不同業務的服務質量要求；(2)可以依托SDN架構靈活地改變DBA機制，并對后續業務具備良好的可擴展性。但是，文章提出的策略以確保電力類業務的絕對優先級為出發點，該機制在處理互聯網類某些優先級較高的業務時會帶來一定的時延。由此，在今后的研究中，可進一步完善混合業務的分級策略。

4 結 論

(1)在電力光纖到戶應用中，以電力類業務為主，以互聯網類業務為輔的帶寬分配策略可以優先保障用戶電力類業務需求，從而滿足電力系統運行對可靠性和穩定性的要求。

(2)基于SDN的電力光纖到戶系統架構可以靈活地滿足電力光纖到戶的多業務需求，并可以有效支撐用戶后期業務的發展。

[1] 劉建明, 王繼業, 范鵬展, 等. 電力光纖到戶在智能電網中的應用[J]. 電力系統通信, 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] 唐彥儒. 下一代接入網的關鍵技術[J]. 科技創新導報, 2009(2): 37-39.

[3] 安慧蓉. 基于EPON的電力光纖到戶技術研究及應用[D].北京: 華北電力大學, 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, 李剛, 王天軍, 等. 智能電網信息通信系統風險評估的模糊測度方法[J]. 電力建設, 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] 張漢敬,劉明峰. 智能電網中互動式居民智能用電系統設計[J]. 中國電力教育, 2009:313-315.

[6] 曲朝陽, 王蕾, 曲楠. 智能電網知識處理模型與可視化方法[M]. 北京: 科學出版社, 2016:36-41.

[7] 黃勝. 智能配電網通信業務需求分析及技術方案[J]. 電力系統通信, 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. 下一代無源光網絡[M]. 北京: 科學出版社, 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

鄧偉(1976)，男，碩士，工程師，主要研究方向為電力信息通信、光纜網絡、傳輸網絡、數據網絡；

周桂平(1981)，男，博士，高級工程師，主要研究方向為電力系統及其自動化；

范軍麗(1986)，女，碩士，工程師，主要研究方向為智能用電、信息通信技術；

林立霞(1989)，女，博士研究生，通信作者，主要研究方向為下一代寬帶網絡通信；

周文安(1971)，女，博士，副教授，主要研究方向為下一代寬帶網絡和無線互聯網、服務科學與服務工程。

(編輯 景賀峰)

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

國家重點研發計劃項目(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