基于能源互聯(lián)網(wǎng)的能源通信網(wǎng)低時延傳送技術(shù)

葛 裴，夏立強

（中國信息通信研究院，北京）

由于能源互聯(lián)網(wǎng)跨度大、復(fù)雜程度高，電力通信網(wǎng)承載的數(shù)據(jù)體量逐步增大，并誕生了更多分布式與實時性業(yè)務(wù)，致使電力通信網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)時延需求越來越高，迫切需要采用安全性高、端對端的低時延傳送技術(shù)，構(gòu)建強大的信息通信網(wǎng)，結(jié)合運用可行性業(yè)務(wù)傳送策略，處理與控制規(guī)模化能源信息、滿足數(shù)據(jù)信息低時延承載需求。為此，有必要將現(xiàn)有電力通信網(wǎng)優(yōu)化為能源通信網(wǎng)，根據(jù)新場景業(yè)務(wù)需求、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征科學(xué)設(shè)計能源通信網(wǎng)低時延業(yè)務(wù)傳送策略。

1 低時延能源通信網(wǎng)的業(yè)務(wù)需求及網(wǎng)絡(luò)模型

1.1 能源通信網(wǎng)的業(yè)務(wù)類型

能源通信網(wǎng)的業(yè)務(wù)分為三種類型，一是生產(chǎn)類業(yè)務(wù)，此類業(yè)務(wù)與能源互聯(lián)網(wǎng)中能源的生產(chǎn)、調(diào)度控制關(guān)聯(lián)性較高，多屬于TDM 業(yè)務(wù)，具備較高的安全性、可靠性要求，由于應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實施遠程監(jiān)控與調(diào)度，與電力通信網(wǎng)相比，能源通信網(wǎng)時延要求更高。且分布式清潔能源的消納方式是廣域協(xié)調(diào)，因而此類業(yè)務(wù)需要傳送的距離更遠[1]。二是管理類業(yè)務(wù)，指能源互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)營管理關(guān)系密切的業(yè)務(wù)，具備多個業(yè)務(wù)種類，目前已呈現(xiàn)出云化發(fā)展趨勢，時延要求更高。三是市場類業(yè)務(wù)，指能源互聯(lián)網(wǎng)中能源交易方面的信息服務(wù)業(yè)務(wù)，也屬于云業(yè)務(wù)的類別，具有實時性、交互性特征，部分業(yè)務(wù)時延敏感性較強，因而對于時延的要求更為嚴荷。能源通信網(wǎng)業(yè)務(wù)類型及特征如表1 所示。

表1 能源通信網(wǎng)業(yè)務(wù)類型及特征

1.2 低時延能源通信網(wǎng)的承載需求

能源通信網(wǎng)具有四方面承載需求：一是承載大規(guī)模業(yè)務(wù)能力，能源互聯(lián)網(wǎng)中具備大量分布式能源，能源生產(chǎn)調(diào)度及管理需求較高，要同時管控協(xié)調(diào)多個系統(tǒng)，所產(chǎn)生的控制信息及數(shù)據(jù)信息較多，且能源互聯(lián)網(wǎng)中用戶會成為能源生產(chǎn)與交易的參與者，會因溝通交流而產(chǎn)生更多業(yè)務(wù)量；二是接入多類型業(yè)務(wù)能力，能源互聯(lián)網(wǎng)智能化發(fā)展過程中，逐步擴大了大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的應(yīng)用范圍，能源市場的開放化發(fā)展，促進了傳統(tǒng)能源交易形式不斷調(diào)整，誕生了多種多樣的業(yè)務(wù)類型[2]。三是靈活調(diào)度業(yè)務(wù)能力，能源交易模式改變、用戶參與度增加的同時，電價會產(chǎn)生波動，會增大電價查詢及電力交易頻率，誕生大量隨機性、突發(fā)性業(yè)務(wù)，因而對業(yè)務(wù)調(diào)度能力要求較高。四是長距離傳輸業(yè)務(wù)能力，能源互聯(lián)網(wǎng)中的一次能源是分布式可再生能源，具有均衡分布特征，因存在廣域協(xié)調(diào)、統(tǒng)籌平衡需求，會產(chǎn)生更多較大遠距離、超遠距離傳送業(yè)務(wù)。

2 能源通信網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)模型

結(jié)合能源通信網(wǎng)的業(yè)務(wù)類型、承載需求，選用全OTN 組網(wǎng)模式構(gòu)建能源通信網(wǎng)，相較于傳統(tǒng)電力通信網(wǎng)應(yīng)用的混合組網(wǎng)模式而言，全OTN 組網(wǎng)不易造成設(shè)備堆疊，可降低資源浪費，并能簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，擴大網(wǎng)絡(luò)容量，因而可以滿足能源通信網(wǎng)的低時延需求[3]。同時，為降低能源通信網(wǎng)的傳送時延，網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建時還需引入相干光通信技術(shù)，采用100GOTN 系統(tǒng)，搭配應(yīng)用FEC 算法，并對業(yè)務(wù)映射復(fù)用路徑進行簡化。此外，因能源互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)不具有完全開放互聯(lián)的特征，需要受到一定的管控約束，應(yīng)按照電力通信網(wǎng)的層級結(jié)構(gòu)構(gòu)建能源通信網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，應(yīng)在各級網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置調(diào)度中心，用于管控網(wǎng)絡(luò)及各個業(yè)務(wù)。

3 基于能源互聯(lián)網(wǎng)的能源通信網(wǎng)低時延傳送優(yōu)化

由于網(wǎng)絡(luò)鏈路長度與業(yè)務(wù)路由的鏈路時延呈正比，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的平均度與業(yè)務(wù)節(jié)點時延在總時延中的占比呈反比，相同網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍條件下，要得到較小的端對端時延，應(yīng)降低網(wǎng)絡(luò)的平均鏈路長度、增大平均節(jié)點度數(shù)。應(yīng)使網(wǎng)絡(luò)總時延中鏈路時延占比高于90%，節(jié)點時延占比低于10%。為此，本文提出了三種優(yōu)化策略。一是多中心協(xié)同調(diào)度策略，即采用移動邊緣計算技術(shù)，構(gòu)建多中心協(xié)同調(diào)度策略，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)規(guī)模及業(yè)務(wù)需求，設(shè)置多個相互平行的區(qū)域，在各區(qū)域中分別設(shè)置一個調(diào)度中心，由各調(diào)度中心協(xié)同配合完成本級網(wǎng)絡(luò)及業(yè)務(wù)的控制工作[4]。二是傳送時延優(yōu)化策略，按照寬帶需求最小速率OTUk 封裝映射業(yè)務(wù)，以提高OTN 線路側(cè)資源利用率，在業(yè)務(wù)節(jié)點較大，影響到業(yè)務(wù)運行時，可增大業(yè)務(wù)傳輸速度以縮短節(jié)點時延。三是業(yè)務(wù)匯聚優(yōu)化策略（見圖1），在匯聚同源、同宿、同類型業(yè)務(wù)基礎(chǔ)上，增加同源中心匯聚、同宿中心匯聚、同類型業(yè)務(wù)匯聚三種形式，并將匯聚時延納入考量，以業(yè)務(wù)傳送時延低于時延門限作為匯聚條件，匯聚后業(yè)務(wù)組端口速度應(yīng)略高于業(yè)務(wù)組中單一業(yè)務(wù)傳輸速度。

圖1 能源通信網(wǎng)業(yè)務(wù)優(yōu)化匯聚策略流程

4 基于能源互聯(lián)網(wǎng)的能源通信網(wǎng)低時延傳送策略的仿真分析

4.1 仿真平臺模塊及功能

能源通信網(wǎng)時延仿真平臺共設(shè)置六大模塊，這些模塊通過相互調(diào)用，實現(xiàn)能源通信網(wǎng)中業(yè)務(wù)傳送過程的模擬分析。仿真平臺采用Python3.6.2 軟件開發(fā)，運用Networkx、Pandas 兩個開源庫來實現(xiàn)，開源庫關(guān)鍵函數(shù)見表2。仿真平臺中的拓撲生成模塊以用戶輸入的節(jié)點列表、鏈路列表為依據(jù)，完成能源通信網(wǎng)仿真拓撲生成過程。業(yè)務(wù)生成模塊根據(jù)用戶輸入的基本業(yè)務(wù)表、仿真時長、到達率、服務(wù)率等參數(shù)生成仿真業(yè)務(wù)表。路由計算模塊中設(shè)置Dijkstra 算法及分域路由算法，用于獲取業(yè)務(wù)路由路徑。時延計算模塊基于端對端時延計算算法對仿真業(yè)務(wù)端對端總時延、節(jié)點時延、鏈路時延進行計算，并結(jié)合各時延及門限判定業(yè)務(wù)時延達標(biāo)率[5]。資源分配模塊結(jié)合業(yè)務(wù)順序分配各個業(yè)務(wù)的波長資源。結(jié)果輸出模塊可分析仿真業(yè)務(wù)并生成結(jié)果分析表，并在指定路徑下存儲。

表2 開源庫關(guān)鍵函數(shù)及功能

4.2 仿真與結(jié)果分析

4.2.1 多中心協(xié)同調(diào)度策略仿真結(jié)果

利用仿真平臺仿真?zhèn)鹘y(tǒng)集中式調(diào)度策略與多中心協(xié)同調(diào)度策略，采用CERNET 作為仿真拓撲，以省際網(wǎng)絡(luò)中各調(diào)度策略下的業(yè)務(wù)傳送過程作為仿真對象。與集中式調(diào)度策略相比，多中心協(xié)同調(diào)度策略的業(yè)務(wù)平均端對端時延降低了33%左右（見圖2）。從業(yè)務(wù)通過率方面來看，多中心協(xié)同調(diào)度策略的通過率介于95.8%與97.7%之間，而集中調(diào)度策略未超出94.0%～96.4%范圍。而二者的阻塞率相比，協(xié)同調(diào)度策略明顯更低，在到達率相同條件下，協(xié)同調(diào)度的成功率始終高于集中調(diào)度。由此可見，在端對端傳送時延性能方面，多中心協(xié)調(diào)策略更加優(yōu)越，與能源通信網(wǎng)業(yè)務(wù)的低時延需求相符。

圖2 集中調(diào)度與多中心協(xié)同調(diào)度策略業(yè)務(wù)平均時延對比

4.2.2 業(yè)務(wù)傳送時延優(yōu)化策略仿真結(jié)果

為了解業(yè)務(wù)傳送時延優(yōu)化策略的時延降低效果，將之與默認傳送策略進行對比，得到兩種傳送策略的業(yè)務(wù)平均時延仿真結(jié)果（見圖3），發(fā)現(xiàn)各業(yè)務(wù)到達率情況下，業(yè)務(wù)傳送時延優(yōu)化策略的平均時延均比默認傳送策略更低，但二者差異并不大。這是由于在多中心協(xié)同調(diào)度策略的基礎(chǔ)上，業(yè)務(wù)傳送時延優(yōu)化策略僅用于二次優(yōu)化部分達不到要求的業(yè)務(wù)，因而這兩種策略的時延差異并不顯著。但二者的業(yè)務(wù)通過率有所區(qū)別，默認傳送策略介于96.85%與97.80%之間，而優(yōu)化傳送策略為97.25%～98.00%，相同到達率下，比默認傳送策略通過率高0.2%與0.5%不等。但二者的阻塞率、成功率差異并不顯著。整體來看，業(yè)務(wù)傳送時延優(yōu)化策略較默認傳送策略的時延要求滿足可能性更高。

圖3 默認傳送與優(yōu)化傳送策略的業(yè)務(wù)平均時延對比

4.2.3 業(yè)務(wù)優(yōu)化匯聚策略仿真結(jié)果

在上述兩種策略的基礎(chǔ)上，仿真分析業(yè)務(wù)優(yōu)化匯聚策略，并與無匯聚傳送、傳統(tǒng)匯聚傳送進行對比，選用的是靜態(tài)業(yè)務(wù)類型，在不同業(yè)務(wù)帶寬條件下進行仿真。對比仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)匯聚策略、優(yōu)化匯聚策略的波長占用明顯低于無匯聚策略，且優(yōu)化匯聚數(shù)值更低，如6THz 業(yè)務(wù)總帶寬下，優(yōu)化匯聚波長總數(shù)為4 000，而傳統(tǒng)匯聚及無匯聚的波長總數(shù)分別為5 000與21 000。三種策略中，不同業(yè)務(wù)總帶寬下，優(yōu)化匯聚策略的業(yè)務(wù)平均端對端時延最低（見圖4）。在2THz業(yè)務(wù)總帶寬時，三種策略的業(yè)務(wù)平均端對端時延均為最低值，其中無匯聚為4 400 us，傳統(tǒng)匯聚策略為4 380 us，而優(yōu)化匯聚策略僅為4 330 us。而優(yōu)化匯聚策略的業(yè)務(wù)通過率最高，為97.6%，另兩種策略均為97.5%。由此可見，業(yè)務(wù)優(yōu)化匯聚策略可以進一步降低能源通信網(wǎng)的時延。

圖4 三種匯聚策略的業(yè)務(wù)平均端到端時延對比

結(jié)束語

為滿足能源通信網(wǎng)安全性、低時延傳送業(yè)務(wù)的需求，本文以O(shè)TN 技術(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)建低時延能源通信網(wǎng)，提出了以低時延拓撲分域算法為核心的多中心協(xié)同調(diào)度策略，并在此基礎(chǔ)上給出了業(yè)務(wù)傳送優(yōu)化、業(yè)務(wù)匯聚優(yōu)化另外兩種輔助優(yōu)化時延的策略，通過仿真分析發(fā)現(xiàn)，這三種策略對于降低能源通信網(wǎng)的業(yè)務(wù)傳送時延具有顯著作用，可在能源互聯(lián)網(wǎng)承載大規(guī)模業(yè)務(wù)、接入多類型業(yè)務(wù)、靈活調(diào)度業(yè)務(wù)、長距離傳輸業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上，降低業(yè)務(wù)傳送時延，并能降低業(yè)務(wù)阻塞率，提高業(yè)務(wù)通過率與成功率，從而保障能源通信網(wǎng)中業(yè)務(wù)的低時延傳送。