光纖-無線傳感器網關在智能電網中的應用

謝宏偉，鮑常軍，劉科學，趙 娟

（1.國網內蒙古東部電力有限公司，呼和浩特 010010；2.天津科技大學現代分析技術研究中心，天津 300457）

近幾年，無源光網絡［1］（passive optical networks，PON）已經發展成為一項成熟的高速寬帶接入技術。集成式光纖-無線（fiber wireless，FiWi）寬帶接入網絡是PON支持網絡構建中的一個特例，其結合了光網絡的高速率和可靠性，以及無線技術的靈活性和覆蓋范圍廣的優點［2］。PON支持的網絡構建在智能電網通信中發揮著關鍵作用，特別是光纖-無線傳感器網絡（fiber-wireless sensor network，Fi-WSN）為智能電網的監測提供了獨有的解決方案［3-4］。然而，將Fi-WSN廣泛部署到智能電網之前，尚有一些難題必須解決。其中一個基本的挑戰是：Fi-WSN的異構網絡架構和電網監測任務中涉及到的流量負載服務質量（quality of service，QoS）。

眾所周知，無源光網絡技術已經成為寬帶接入的一個重要組成部分。如文獻［5］研究了光載射頻通信協議，通過射頻信號在中央機房對光載波進行調制，在模擬光纖鏈路中將其傳播到遠端天線單元，然后由客戶進行無線接收。文獻［6］詳細分析了EPON系統中的局端OLT設備以及用戶端ONU設備的需求，重點介紹了OLT設備的軟硬件實現和各個模塊的具體設計，以及EPON在用電采集系統中的應用。文獻［7］在R＆F協議下，將EPON與全球微波互聯接入（WiMAX）技術集成在一起，實現了包括集成式ONU-基站網關處良好的容量匹配。文獻［8］以配電網典型PON網絡結構為基礎，從可靠性、分光級聯、功率預算和部署方式等方面提出了PON網絡規劃約束條件，采用最小生成樹算法生成PON網絡的最優連接［8］。

在以上各種PON解決方案中，EPON和GPON解決方案在當前的電信基礎設施和要求下被廣泛采用。本文選擇EPON作為光后端技術，因為EPON接入速度迅速，時間成本較優，能夠完美融合到IP網絡［9］。在智能電網環境的Fi-WSN架構下，本文提出了一個支持QoS的網關設計，旨在實現數據分級化，保證光纖到戶／樓／街（fiber-to-thehome／building／curb，FTTX）［10］用戶的服務質量，并可靠地傳遞WSN數據。Fi-WSN網絡采用突發組裝機制，以區分緊急數據包和非緊急數據包。實驗結果表明：所提網關設計能夠為高優先級數據包實現低延遲，同時保持 FTTX流量的 QoS和WSN的可靠性。

1 系統模型和要求

Fi-WSN通過一個無線和光纖混合接入網絡，將智能電網數據傳送到中央機房（CO）。該混合接入網絡的前端包括一個對智能電網進行監測的WSN，而后端則采用了FTTX技術。本文EPON部署在R＆F接入網絡的后端。該系統的基礎設施如圖1所示，其中ONU通過分布式光纖連接到分光器，而分布式光纖則被耦合到與OLT相連接的饋線光纖上［11-12］。在相應的架構中，一個 ONU可以向一個FTTX用戶，或者一組Fi-Wi用戶提供服務。

圖1 智能電網的Fi-WSN架構

此外，Fi-Wi用戶可以是一個無線接入節點。在智能電網監測中，WSN的作用是確?？煽啃?，以及在客戶處實現高效的電力傳輸、配送和利用。在智能電網中，延遲要求的范圍從數百毫秒至幾分鐘不等。其中，Fi-WSN網關要求如下：

1）消息優先級排序：這是Fi-WSN設計的主要難題，源自于前端網絡的異構性。

2）協作上行傳輸：將有線數據和無線數據傳輸到CO的多個用戶之間，共享單個饋線光纖帶寬。必須要保證FTTX流量不會被WSN流量中斷。

3）可靠的消息傳遞：在環境數據的傳輸之外，智能電網監測中的意外現象會觸發報警數據。這些數據稱為緊急數據，其需要以低延遲和低丟包率傳遞到CO，而發生在ONU處的緩沖區溢出現象可能會導致數據丟包。

2 Fi-WSN網關設計

考慮到上文所述要求，針對圖1架構，本文設計一個Fi-WSN網關。圖2以模塊化的方式給出了所提Fi-WSN網關架構，基于數據包的優先等級對到達基站的數據包進行分類，并將其排隊放入Fi-WSN網關的相應優先級隊列。Fi-WSN網關負責協調處理WSN數據包，并將其聚集在一起，以待傳輸到相應的ONU緩沖區。突發組裝機制將突發數據封裝到服務等級隊列中，該隊列在被傳輸到ONU緩沖區之前要經過最終的突發數據聚合。

如圖2所示，通過基站（base station，BS）到達網關的數據包首先要經過一個分類階段。該過程中，數據包將被插入不同優先級的隊列中。其后，突發組裝機制將形成發送到ONU的突發數據。Fi-WSN網關的突發組裝程序流程圖如圖3所示。仿真中所使用的符號如表1所示。

如圖3所示，Fi-WSN網關始終通過WSN匯聚節點接收到達的數據包。如果進入的數據包中攜帶高優先級（緊急）標記，則網關嘗試將該數據包立即轉發給后端ONU；因此，該機制會檢查高優先級緩沖區的占用情況。高優先級緩沖區被至少一個數據包占用的情況，可能是以下條件中的一個：

1）高優先級緩沖區已經開始進行隊列解除；

2）低優先級突發數據聚合正在進行中。

圖2 本文模塊化的Fi-WSN網關架構

圖3 Fi-WSN網關的突發組裝程序流程

表1 仿真中使用的符號及其解釋

無論上述哪種情況，到達的數據包都必須存儲于高優先級隊列中，如果高優先級隊列解除正在進行中，則該數據包將會被立即移出隊列。否則，數據包將在低優先級突發數據聚合過程中被移出隊列。由于低優先級數據包中并沒有攜帶延遲敏感性數據，為了不對當前的FTTX流量造成中斷，低優先級數據包將被放在緩沖區，直到響應的隊列長度超過STh。

突發組裝［13］是一個持續不斷的過程，在任何時間t，突發聚合器的決定都預示著新突發的形成，或者等待新數據包的到來。該過程表示如下：

從該流程圖可以觀察到：首先對低優先級數據包的有效性進行檢查，然后再將其組裝到突發中。由于低優先級數據包中攜帶了環境數據，因此與高優先級數據包相比，低優先級數據包的緩沖時間較長。這一策略可能會造成向CO發送過期數據的風險。因此，突發組裝緩沖區必須立即丟棄過期消息，且突發聚合程序繼續處理緩沖區中的下一個數據包。由于高優先級數據包報告意外現象或緊急消息，在CO處的OLT接收到該數據包之前，其始終被視為有效。由此，在WSN中路由延遲較高的情況下，一個高優先級數據包中可能會攜帶過期消息，但可以通過一個上層協議來處理響應消息的有效性問題。突發組裝程序的有效性函數表示如下：

由于相應數據包的生成大于預定義的檢測周期MP，因此若時間已經過去，則該低優先級數據包將被標記為無效。否則，相應的低優先級數據包將被標記為有效。

前端網絡的異構性不僅由被監控資產的多樣性表示，而且由WSN使用的協議棧表示。一般，根據應用來選擇不同的協議棧（例如Zigbee協議棧［14］、WiFi［15］等）。舉例來說，Zigbee的功耗較低，因此適用于功率受限型應用，而WiFi則適于實施比特率要求較高的應用。本文所述設計能夠為異構Fi-WSN網絡提供一種通用網關實現。

3 實驗結果與分析

本文將WSN仿真融入EPON模擬器中，在不同場景下對提出的Fi-WSN網關進行了性能評價。為了體現所提方法的優異性，在仿真實驗中，將未集成 WSN的基準 EPON［16-17］，以及 EPON結合WiMAX技術［7］作為對照組。另外，本文還對 Fi-WSN網關所區分的低優先級消息和高優先級消息所提供的服務質量進行性能比較。

3.1 仿真設置與說明

仿真設置如表2所示。Fi-WSN的后端為一個EPON，其分割比例為1∶16，其中每個ONU均與一個WSN相關聯。假定每個WSN的覆蓋面積為50 m×50 m，其中隨機部署了50個傳感器節點。由于傳感器節點通常會報告環境測量數據，因此每個傳感器節點生成恒定比特率（constant bit rate，CBR）流量，且本文在各種比特率下對所提方法進行測試。

事實上，高優先級數據包的生成為事件驅動型。與環境測量數據的生成相比，某個時間所導致的報警消息預計將以較低的頻率出現。因此，一個WSN節點生成的數據包被標記為高優先級消息的概率相對較低，而高優先級數據包和低優先級數據包之間的比例（H∶L）根據場景不同而變化。

表2 仿真設置

提出的網關架構對于WSN中的路由方案是透明的。將ONU的緩沖區容量的10%預留給WSN流量，但FTTX數據包可以利用緩沖區中任何未使用的空間。通過仿真實驗對FiWSN網關設計的性能進行評價時，平均端到端（E2E）延遲、最大延遲、數據包延遲變化和數據包丟失概率是關鍵的性能度量。值得一提，最大延遲指的是在整個仿真過程中一個給定類型的數據包所經歷的最高延遲的數值。對于FTTX數據包，其E2E延遲為在ONU處的排隊延遲，以及OLT產生的輪詢延遲和準入延遲之和；而WSN數據包所經歷的E2E延遲則是WSN中的路由延遲、匯聚節點處的緩沖延遲、ONU處的排隊延遲以及OLT產生的輪詢延遲和準入延遲的總和。圖4～6中每個點代表十輪仿真實驗得出的均值，其中置信區間為95%。

3.2 H∶L＝1∶9的場景

在該場景中，本文假定只有10%的WSN數據包攜帶高優先級消息。圖4給出了在不同的FTTX負載等級和WSN中到達間隔時間下，每個數據包的E2E延遲，其中HP表示高優先級數據包，LP表示低優先級數據包。為證明所提Fi-WSN網關設計能夠實現可靠的數據傳遞和協作式上行鏈路調度，將其與未集成WSN的傳統EPON（基準），以及EPON結合WiMAX技術［7］進行比較。

圖4 平均E2E延遲與目標負載關系

圖4 （a）給出了當WSN中數據包到達間隔時間為1 s時得到的仿真結果，由圖可知，WSN的集成并沒有增加數據包的E2E延遲。此外，由于Fi-WSN網關中的分級化機制，與低優先級數據包相比，高優先級數據包的傳遞延遲要低得多，優于EPON-WiMAX。這主要得益于所提Fi-WSN網關設計通過面向服務級別的突發機制，將非緊急數據與緊急數據的傳遞區分開，而EPON-WiMAX主要使用動態帶寬分配方案解決端到端延遲問題，將緊急和非緊急數據共同對待，缺乏對突發事件的處理機制。

圖4（b）中，WSN數據包的到達間隔時間被降低到0.5 s，由于WSN信息到達的更加頻繁，使得每個高優先級數據包與FTTX數據包的E2E延遲較為接近。因為高優先級數據包不需要經過緩沖閾值的突發組裝程序，所以更頻繁的WSN信息對高優先級數據包造成的延遲較少。另外，本文設計的高優先級數據包的生成為事件驅動型。某個時間所導致的報警消息將以較低的頻率出現。

基于圖4可以得出兩個結論：

1）Fi-WSN網關處的突發組裝程序將使高優先級數據包的延遲低于低優先級數據包；

2）較長的WSN數據包到達時間間隔，將使得低優先級和高優先級數據包的延遲均顯著降低。

圖5給出了當WSN數據包到達間隔時間為0.5 s時，在2個不同的STh（緩沖區規模分別為640個數據包和720個數據包）數值下，每個數據包的最大延遲。從圖5（a）中可以觀察到：從中等負載等級至高負載等級，高優先級數據包與FTTX數據包的變化趨勢相同，而在圖5（b）中，用于突發機制的STh數值增加到720個數據包，增加了高優先級數據包所經歷的最大延遲。該結果符合預期，因為更高的STh數值將導致低優先級數據包的突發更大，而這又將使得高優先級數據包在匯聚節點處和ONU處的緩沖時間增加。因此，在Fi-WSN網關設計中應該選擇較小的STh數值，以向高優先級WSN數據包提供更好的服務質量。

3.3 較大高優先級突發的場景

該場景中，本文增強了在Fi-WSN網關處高優先級數據包的突發組裝機制。高優先級消息的STh數值設置為70個數據包，低優先級消息的STh數值設置為640個數據包。

圖6給出了當低優先級消息STh為640個數據包時，WSN數據包到達間隔時間分別為0.5 s和1 s時的E2E延遲。如圖6所示，在高優先級數據包中引入突發組裝過程會增加這些數據包的E2E延遲，因為高優先級數據包必須在Fi-WSN網關處的高優先級隊列中等待。此外，當WSN數據包到達間隔時間增加到1 s時，高優先級數據包的E2E延遲顯著增加，該延遲甚至超過了當WSN消息之間無差異時的WSN數據包的E2E延遲。這是因為高優先級數據包在緩沖區中的時間更長，WSN消息到達的頻率較低。

由此可知，僅在WSN數據包的到達頻率較高的情況下，在Fi-WSN網關處對高優先級數據包實施突發組裝機制才會在延遲方面帶來的收益是有限的。這里說明一下該場景的數據包丟失概率，由于數據包丟失概率隨不同的流量密度而變化，高優先級數據包突發不會增加匯聚節點處的WSN流量密度，因此光后端處的數據包丟失概率不受影響。

圖5 最大延遲與目標負載的比較

圖6 較高優先級突發下，平均E2E延遲與目標負載的關系

4 結束語

光纖-無線傳感器網絡（Fi-WSN）架構保留了無源光網絡的高速率和低延遲的優點，同時具有WSN的高級監測能力、較大靈活性、較低成本和覆蓋面積廣的特性。本文著重解決Fi-WSN的WSN流量和FTTX流量的服務質量供給問題。所提QoS感知的Fi-WSN網關設計通過面向服務級別的突發機制，將非緊急數據與緊急數據的傳遞區分開。該方法能夠將高優先級智能電網數據的延遲限制在特定范圍內，同時向FTTX用戶提供較好的QoS水平。在WSN報告消息的頻率較為頻繁的情況下，能夠增強緊急消息的服務質量。

未來，本文將嘗試提升關鍵智能電網應用的WSN性能，并進一步研究閾值的最優選擇問題。