“電力+5G”融合技術(shù)通信網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計

陳家璘, 孫志峰, 曾錚, 隋璐捷, 汪龍志, 楊春

(1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司信息通信公司,湖北,武漢 430077;2.湖北華中電力科技開發(fā)有限責(zé)任公司,湖北,武漢 430077)

0 引言

近年來在電力“四化”建設(shè)的背景下,電力系統(tǒng)中的各類技術(shù)和管理模式都需要進(jìn)行改革,當(dāng)前通信網(wǎng)缺失統(tǒng)一的建設(shè)規(guī)劃和標(biāo)準(zhǔn),導(dǎo)致跨區(qū)域服務(wù)能力存在缺陷,需要進(jìn)一步加強(qiáng)電力通信網(wǎng)的建設(shè)工作[1-2]。

近年來的電力通信網(wǎng)運(yùn)維管理研究中:文獻(xiàn)[3]方法使用路由器、交換機(jī)、網(wǎng)橋等通信設(shè)備建設(shè)了電力通信專網(wǎng),進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)主機(jī)和管理工作站的集成化部署和管理;文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)采用了基于TCP/IP的以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行通信網(wǎng)的組網(wǎng)工作,引入了運(yùn)維相關(guān)技術(shù)到管理體系中,對通信網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測和配置;文獻(xiàn)[5]系統(tǒng)采用了基于SNMP網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺進(jìn)行管理,實現(xiàn)了自動化采集電力通信網(wǎng)目標(biāo)數(shù)據(jù)和平臺共享,結(jié)合以太網(wǎng)工具完成日常運(yùn)維管理;文獻(xiàn)[6]方法通信網(wǎng)的主干網(wǎng)絡(luò)使用了多協(xié)議標(biāo)志交換協(xié)議,并提出了多維數(shù)據(jù)通信架構(gòu),應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)故障定位、流量監(jiān)控等功能。當(dāng)前有些研究中電力通信網(wǎng)各地供電企業(yè)獨立部署,集成化層面還具有一定的改進(jìn)空間,尚未完成本地管理業(yè)務(wù)和運(yùn)維數(shù)據(jù)視圖的有機(jī)統(tǒng)一。

1 “電力+5G”通信網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計

1.1 通信網(wǎng)整體設(shè)計

為解決電網(wǎng)側(cè)與用戶側(cè)之間的通信問題,本文設(shè)計了“電力+5G”通信網(wǎng),應(yīng)用第五代移動通信系統(tǒng)(5G),基于電力系統(tǒng)中不同的業(yè)務(wù)場景建立不同的組網(wǎng)方式,提出多業(yè)務(wù)接入的通信網(wǎng)架構(gòu),使得電力業(yè)務(wù)在多個區(qū)域網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行靈活切換[7]。本文利用5G通信技術(shù)中的網(wǎng)絡(luò)切片、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化、軟件定義網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)解決無線傳輸網(wǎng)絡(luò)中有效承載和業(yè)務(wù)系統(tǒng)中的問題,實現(xiàn)同時服務(wù)多個電力用戶,并保證不同安全等級的時延要求[8]。5G通信的理論峰值速率可達(dá)到10 Gbit/s,并支持EMBB、MMTC、URLLC等場景,有效滿足局域網(wǎng)內(nèi)部的實時通信要求。“電力+5G”通信網(wǎng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 “電力+5G”通信網(wǎng)架構(gòu)

在“電力+5G”通信網(wǎng)整體模型中,由控制平面、數(shù)據(jù)平面和應(yīng)用平面組成,用戶根據(jù)不同種類的業(yè)務(wù)需求借助應(yīng)用面的接口API調(diào)用控制面的各類控制服務(wù),控制面主要由控制器和操作系統(tǒng)組成,數(shù)據(jù)面包含了網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、核心交換機(jī)、數(shù)據(jù)交換組件等裝置,完成網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)處理等功能。控制面接收到系統(tǒng)內(nèi)負(fù)載和流量的變化情況后對網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行一定的控制,減少了網(wǎng)絡(luò)反應(yīng)時間,并加快了流量分發(fā)給其他系統(tǒng)的時間。在通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)支路之間相互建立數(shù)據(jù)鏈接時,控制面及時反應(yīng)數(shù)據(jù)鏈路狀態(tài),進(jìn)行相關(guān)的障礙處理[9]。通信網(wǎng)絡(luò)中光網(wǎng)絡(luò)單元向用戶提供多個業(yè)務(wù)接口,并配合光線路終端接收廣播數(shù)據(jù)流。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備網(wǎng)管采用了點對點接入和無源光纖傳輸技術(shù),在通信網(wǎng)中提供各類業(yè)務(wù)服務(wù),前置設(shè)備用于接收NR信號并將其轉(zhuǎn)換為Wi-Fi信號,以連接到公共接入單元[10]。

1.2 基于FPGA的數(shù)字交換機(jī)設(shè)計

本文基于FPGA技術(shù)可編程語言對數(shù)據(jù)交換機(jī)進(jìn)行設(shè)計,增加母線數(shù)量和擴(kuò)展交換容量,加快輸入輸出母線的速率。數(shù)字交換機(jī)發(fā)送端將內(nèi)部的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送,數(shù)字交換芯片具有32條輸入母線和32條輸出母線,每個母線的輸入輸出數(shù)據(jù)速率為8 M/s以上,通信容量實現(xiàn)4096×4096通道數(shù)據(jù)存儲器的每個存儲單元為8 bit的并行碼。數(shù)字交換機(jī)各模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)字交換機(jī)各模塊結(jié)構(gòu)

在圖2中,時鐘生成模塊為整個數(shù)字交換機(jī)提供具體的時鐘,保證整個系統(tǒng)處于正常的工作狀態(tài),其將幀同步信號的上升沿和下降沿信號作為控制信號使用。使用TESTBENCH產(chǎn)生的16.38 MHz時鐘驅(qū)動整個電路,幀同步信號的周期為125 μs,輸入時鐘周期為61 μs,需要對輸出信號和幀同步信號進(jìn)行邊沿采集,得到上升沿信號和下降沿信號。在數(shù)據(jù)發(fā)送模塊,將地址信號和數(shù)據(jù)信號保存在持續(xù)存儲器中,完成地址數(shù)據(jù)的交換。數(shù)據(jù)發(fā)送模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)發(fā)送模塊結(jié)構(gòu)

在圖3中,接續(xù)存儲器的RAM深度為4096,位寬包含功能選擇,RAM的寬度為16,接續(xù)存儲器由2個4096×16 bit容量的RAM組成。其中,一個存儲器用于交換機(jī)的交換模式和消息模式,另一個由微控制器控制進(jìn)行讀操作。

1.3 通信專網(wǎng)可靠路由優(yōu)化方案

本文提出可靠路由優(yōu)化方法用來解決通信專網(wǎng)可靠路由問題,綜合考慮到通信網(wǎng)絡(luò)特點,為各類業(yè)務(wù)場景提供實時可靠和安全的通信路由。以可靠路由最優(yōu)化模型以電力通信網(wǎng)絡(luò)模型為網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),可靠路由的時延、路由跳數(shù)和可靠性為約束條件,設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的最小占用率標(biāo)準(zhǔn)差。在通信網(wǎng)絡(luò),通信終端提供業(yè)務(wù)通信路由通道,有線通信線路由交換機(jī)路由器等設(shè)備組成,光纖線路由光傳輸網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、中繼節(jié)點和光纖鏈路組成。可靠路由最優(yōu)化模型優(yōu)化方法如圖4所示。

圖4 可靠路由最優(yōu)化模型優(yōu)化方法

有線通信設(shè)備路徑時延、光電接口時延和光傳輸時延共同影響通信網(wǎng)絡(luò)的路由傳輸時延,可表示為

(1)

式中,T0表示光傳輸時延,v0表示光纖鏈路中數(shù)據(jù)的傳輸速度,Bi表示通信網(wǎng)絡(luò)光纖鏈路的長度,Tf表示光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備的處理時延,Nh表示路由跳數(shù),Td表示路由總時延,Te表示有限路徑時延,Tr表示光電接口時延,Tmax表示可靠路由傳輸時延的最大值。可靠路由最優(yōu)化模型需要定義路由跳數(shù)約束,避免過多的路由跳數(shù)降低可靠性,路由跳數(shù)約束為

(2)

(3)

(4)

(5)

2 應(yīng)用測試

在測試環(huán)境中部署各類服務(wù)器主機(jī),操作系統(tǒng)使用CentOS,安裝在信息機(jī)房內(nèi)部,通信主干網(wǎng)絡(luò)的接入通過統(tǒng)一下發(fā)的接入服務(wù)功能包,在內(nèi)容代理服務(wù)器中進(jìn)行安裝。測試環(huán)境如圖5所示。

圖5 測試環(huán)境

在測試環(huán)境中,測試客戶端使用內(nèi)部辦公PC主機(jī),操作系統(tǒng)使用Windows 10 Professional 64 位版本。系統(tǒng)測試環(huán)境配置情況如表1所示。

表1 系統(tǒng)測試環(huán)境配置

在數(shù)據(jù)庫中通過設(shè)置電力通信數(shù)據(jù)表進(jìn)行實驗數(shù)據(jù)的存儲和維護(hù),基于電力通信網(wǎng)絡(luò)得到拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫,數(shù)據(jù)庫中存有通信網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、接入點的相關(guān)參數(shù)、區(qū)域數(shù)據(jù)、IP地址等數(shù)據(jù)。實驗數(shù)據(jù)表如表2所示。

表2 實驗數(shù)據(jù)表

在進(jìn)行電力通信網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)可靠度比較實驗時,為該網(wǎng)絡(luò)配置相同的100條系統(tǒng)業(yè)務(wù),在實驗過程中增加系統(tǒng)保護(hù)業(yè)務(wù)的數(shù)量,并計算網(wǎng)絡(luò)的可靠度。實驗時間設(shè)定為30 min,業(yè)務(wù)數(shù)范圍設(shè)定為0～100條,使用文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]中的電力通信網(wǎng)作為比較方法,得到網(wǎng)絡(luò)可靠度如圖6所示。

由圖6可知,隨著網(wǎng)絡(luò)中系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)量的不斷增加,網(wǎng)絡(luò)可靠度也在不斷增長。文獻(xiàn)[3]方法的網(wǎng)絡(luò)可靠度增長較快,在業(yè)務(wù)數(shù)量增加到60時,網(wǎng)絡(luò)可靠度增長到0.06以上,網(wǎng)絡(luò)中系統(tǒng)業(yè)務(wù)量超過60以后,網(wǎng)絡(luò)可靠度增長速率加快,業(yè)務(wù)數(shù)達(dá)到100時,網(wǎng)絡(luò)可靠度高達(dá)0.182。文獻(xiàn)[4]方法的網(wǎng)絡(luò)可靠度最大為0.105,在業(yè)務(wù)數(shù)量低于50的情況下,網(wǎng)絡(luò)可靠度小于0.04。由此可見,文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]方法均會導(dǎo)致節(jié)點間業(yè)務(wù)承載數(shù)量出現(xiàn)不平衡。

本文方法在系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)較多的情況下更有優(yōu)勢,網(wǎng)絡(luò)可靠度明顯低于文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]方法,業(yè)務(wù)數(shù)量在45以下時網(wǎng)絡(luò)可靠度不足0.02,系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)量增加到70時網(wǎng)絡(luò)可靠度為0.028,業(yè)務(wù)數(shù)量達(dá)到最大時網(wǎng)絡(luò)可靠度為0.036。這是由于本文通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能夠有效減小網(wǎng)絡(luò)性能波動,綜合考慮到了網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點業(yè)務(wù)的占用情況。

將本文方法與文獻(xiàn)[4]方法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)節(jié)點占用率比較實驗,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點編號范圍是1～20,實驗過程中增加系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)量,計算得到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點占用率如圖7所示。

圖7 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點占用率

由圖7可知,在通信網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)數(shù)量較多的情況下,文獻(xiàn)[4]方法的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點占用率出現(xiàn)波動,節(jié)點占用率的最大值為52.4%,在17號節(jié)點處出現(xiàn)占用率最小值為2.5%,在增加系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)時沒有考慮到當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通道的占用情況,導(dǎo)致節(jié)點占用率出現(xiàn)較大的波動。

本文方法的平均節(jié)點占用率要高于文獻(xiàn)[4]方法,在增加新的業(yè)務(wù)時兼顧了當(dāng)前網(wǎng)路的節(jié)點占用情況,所有節(jié)點占用率整體高于20%以上,節(jié)點占用率最大值為36.7%,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點占用率波動范圍較小,大大提高了網(wǎng)絡(luò)整體的資源利用率。

3 總結(jié)

本文設(shè)計了“電力+5G”通信網(wǎng),使用第五代移動通信技術(shù),應(yīng)用數(shù)字交換機(jī)、數(shù)據(jù)處理組件、光傳輸網(wǎng)絡(luò)終端、光網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、控制器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,增強(qiáng)了通信網(wǎng)絡(luò)的通信服務(wù)能力。基于FPGA設(shè)計出數(shù)字交換機(jī),增加了交換機(jī)中輸入輸出母線數(shù)量,構(gòu)建了可靠路由最優(yōu)化模型,在電力通信網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)上能夠進(jìn)行可靠路由優(yōu)化,對路由跳數(shù)和通信可靠性進(jìn)行約束。在以后研究中還需對通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整,增強(qiáng)模塊間的兼容性和網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力。