CN104994030B - 一种适用于智能配电网的epon通信系统的动态带宽分配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于智能配电网的EPON通信系统的动态带宽分配方法，包括步骤(1)基于不同需求将智能配电网各业务分为EF业务、AF业务和BE业务；步骤(2)通过层次分析法计算AF业务和BE业务的权值，并计算一个轮询周期内EF业务和加权业务的缓存量和缓存速率；步骤(3)根据电网故障情况，对各ONU业务缓存速率和业务缓存量进行修正，计算一个轮询周期内各EF业务和加权业务的带宽需求量；步骤(4)根据EPON带宽值对EF业务进行分配，然后对加权业务进行分配；步骤(5)判断各ONU获得的总带宽值是否满足规定的最小带宽值，如满足转入S6；否则将该ONU获得的带宽值设置为最小带宽值，转入S4；步骤(6)ONU根据授予的带宽值对EF业务、AF业务和BE业务进行传输。

Description

一种适用于智能配电网的EPON通信系统的动态带宽分配方法
技术领域
本发明属于电力系统技术领域，更具体地，涉及一种应用于智能配电网的EPON通信系统的动态带宽分配方法。
背景技术
以太网无源光网络(Ethernet passive optical network，EPON)作为一种新型的通信技术，由于其低成本、高带宽，以及其拓扑结构十分吻合配电网接线方式等优点已成为智能配电网通信系统接入层的重要选择之一。EPON技术在工程应用中需要解决的主要问题之一是如何通过灵活、合理的负载调度算法，对EPON的带宽资源进行合理分配，以保证各类业务，尤其是继电保护等高实时性通信业务的应用要求。
但目前关于EPON技术应用于智能配电网的研究大多只涉及网架结构等方面的设计，事实上，EPON系统典型的带宽分配方法已难以满足智能配电网业务提出的新要求。当前EPON技术两种典型的调度分配方法包括基于绝对优先级的间插轮询动态带宽分配算法和基于权值比例分配的间插轮询动态带宽分配算法。若采用基于权重比例的间插轮询动态带宽分配方法，将严重影响高实时性需求的继电保护信息的实时传输。若采用基于绝对优先级的间插轮询动态带宽分配算法，当优先级高的业务对通信量需求较大时，将存在低优先级业务“饿死”的现象。同时，当配电网在光网络单元(optical network unit，ONU终端)数据传输完成至下次传输开始之间发生故障时，大量新增数据将不会被光线路终端(opticalline terminal，OLT终端)分配带宽，也将影响继电保护等信息的实时性。因此，基于传统典型带宽分配方法的EPON技术难以满足智能配电网的发展需求。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种适用于智能配电网EPON通信系统动态带宽分配方法，其目的在于满足智能配电网继电保护等高优先级业务的实时性要求和优先级较低业务的通信量需求。
本发明提供了一种适用于智能配电网通信网络的EPON系统改进的动态带宽分配方法(improved weighted interleaved polling with adaptive cycle time，IW-IPACT)，包括下述步骤：
S1：根据智能配电网不同业务的需求将各业务分为加速转发型业务、确定转发型业务和尽力而为型业务；
其中，加速转发型(expedited forwarding，EF)业务为支持端到端延时敏感和需要带宽保证的业务，如继电保护所需故障信息等；确定转发型(assured forwarding，AF)业务为支持对延时不敏感，但是要求带宽保证的业务，如高级配电自动化等业务；尽力而为型(best effort，BE)业务为支持对端到端延时不敏感，且不需要带宽保证的业务。
S2：根据各业务的优先级和单位时间内该业务的最大数据流量，通过层次分析法计算该业务权重值大小，并计算在一个轮询周期内该ONU终端停止发送信息时，EF业务缓存量大小和EF业务的业务缓存速率,以及基于AF业务和BE业务综合加权而成的加权业务缓存量大小和业务缓存速率大小；
S3：OLT终端通过比较ONU终端上传业务的缓存速率是否等于正常情况下该业务的缓存速率，若是，则电网未发生故障，则OLT终端按照该ONU终端发来的Report帧中各业务的缓存速率和缓存量大小，计算在一个轮询周期内第i个ONU终端加速转发型业务和加权业务的虚拟带宽需求量大小；若否，则电网发生故障，则将该ONU终端中各业务的缓存速率修改为故障条件下的缓存速率，并计算在一个轮询周期内第i个ONU终端加速转发型业务和加权业务的虚拟带宽需求量大小；其中，i为ONU终端的序号，其取值为16；
S4：根据计算获得的各ONU终端在下一个轮询周期内的带宽需求，结合EPON系统自身带宽值进行分配：
如果EPON系统自身带宽值大于所有ONU终端带宽需求量之和，则按照各ONU终端的带宽需求大小成比例进行分配；如果EPON系统自身带宽值小于所有ONU终端带宽需求量之和，则首先满足各ONU终端加速转发型业务的带宽需求，再将剩余带宽根据各ONU终端中加权业务的带宽需求大小按比例进行分配；如果EPON系统自身带宽值小于所有ONU终端中加速转发型业务带宽需求量之和，则将EPON系统的带宽根据各ONU终端中加速转发型业务的带宽需求大小按比例进行分配；
S5：判断各ONU终端获得加速转发型业务和加权业务的总带宽值是否小于规定的ONU终端在一个传输窗口内的最小服务时间tmin，其典型值取62.5us。如果ONU终端获得的传输时间窗口大于ONU终端必须的最小服务时间，则将计算获得的各ONU终端获得的带宽值通过GATE帧发送至ONU终端，转入S6。否则，设定该ONU终端获得的带宽值为规定的最小服务时间窗口，转入S4；
S6：ONU终端根据GATE帧中OLT终端授予的带宽值对加速转发型业务和加权业务进行分配；如果OLT终端授予该ONU终端的带宽值小于其需要的带宽值，则先满足加速转发型业务的需求，再按照确定转发型业务和尽力而为型业务的权重对剩余带宽进行分配；否则，按照各业务的带宽需求进行分配；最后，根据OLT终端授予ONU终端各类业务上传时间窗口的大小进行信息的传输。
本发明根据智能配电网不同业务的需求，提出了一种适用于智能配电网通信网络的EPON系统动态带宽分配方法。该方法通过对实时性要求高的继电保护等业务授予严格的优先级权限，而对其余优先级业务则采用权值比例的原则，即满足了高实时性需求的继电保护等业务的需求又兼顾了低优先级业务的带宽需求，可很好地满足智能配电网各类业务的通信需求。
附图说明
图1为本发明实施例中OLT终端带宽动态带宽分配方法流程图。
图2为本发明实施例中EPON系统在不同带宽分配算法下带宽利用率对比，其中(a)是在配电网故障情况下，EPON系统的带宽利用率，(b)是在配电网故障情况下，EF业务的带宽利用率，(c)是在配电网故障情况下，AF业务的带宽利用率，(d)是在配电网故障情况下，BE业务的带宽利用率。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种适用于智能配电网EPON通信系统动态带宽分配方法，满足高优先级业务的实时需求和低优先级业务的带宽需求，并方便工程应用。
本发明提供一种适用于智能配电网通信网络的EPON系统动态带宽分配方法，包括以下步骤：
步骤(1)根据智能配电网不同业务的需求将各业务分为加速转发型业务、确定转发型业务和尽力而为型业务；
步骤(2)根据各业务的优先级和单位时间内该业务的最大数据流量，通过层次分析法计算该业务权重值大小，并计算在一个轮询周期内该ONU终端停止发送信息时，EF业务缓存量大小和EF业务的业务缓存速率,以及基于AF业务和BE业务综合加权而成的加权业务缓存量大小和业务缓存速率大小；
步骤(3)根据电网故障情况，OLT终端对各ONU终端的业务缓存速率和业务缓存量大小进行修正；如果电网未发生故障，则OLT终端按照该ONU终端发来的Report帧中各业务的缓存速率和缓存量大小，计算在一个轮询周期内，第i个ONU终端加速转发型业务和加权业务的带宽需求量；如果电网发生故障，则将该ONU终端中各业务的缓存速率修改为故障条件下的缓存速率，并计算在一个轮询周期内，第i个ONU终端加速转发型业务和加权业务的带宽需求量；
步骤(4)根据计算获得的各ONU终端在下一个轮询周期内的带宽需求，结合EPON系统自身带宽值进行分配；如果EPON系统自身带宽值大于所有ONU终端带宽需求量之和，则按照各ONU终端的带宽需求大小成比例进行分配；如果EPON系统自身带宽值小于所有ONU终端带宽需求量之和，则首先满足各ONU终端加速转发型业务的带宽需求，再将剩余带宽根据各ONU终端中加权业务的带宽需求大小按比例进行分配；如果EPON系统自身带宽值小于所有ONU终端中加速转发型业务带宽需求量之和，则将EPON系统的带宽根据各ONU终端中加速转发型业务的带宽需求大小按比例进行分配；
步骤(5)判断各ONU终端获得加速转发型业务和加权业务的总带宽值是否小于规定的ONU终端在一个传输窗口内必须传输的最小带宽值。如果ONU终端获得的带宽值大于ONU终端必须传输的最小带宽值，则将计算获得的各ONU终端获得的带宽值通过GATE帧发送至ONU终端，转入S6。否则，设定该ONU终端获得的带宽值为规定的最小带宽值，转入S4；
步骤(6)ONU终端根据GATE帧中OLT终端授予的带宽值对加速转发型业务和加权业务进行分配；如果OLT终端授予该ONU终端的带宽值小于其需要的带宽值，则先满足加速转发型业务的需求，再按照确定转发型业务和尽力而为型业务的权重对剩余带宽进行分配；否则，按照各业务的带宽需求进行分配；最后，根据OLT终端授予ONU终端各类业务上传时间窗口的大小进行各类业务信息的传输。
智能配电网涵盖了众多新型业务，与传统配电网业务相比，各业务的实时性和通信量均提出了新的要求，使得传统配电网的通信系统已难以适应智能配电网的发展需求。EPON系统由于其低成本、高带宽，以及其拓扑结构十分吻合配电网接线方式等优点已成为智能配电网通信系统接入层的重要选择。但目前对于EPON系统应用于智能配电网中大多从网络结构设计和安全通信机制等角度考虑，并未从满足新业务的需求的角度出发提出EPON系统的带宽分配方法，这严重制约了智能配电网的发展步伐。基于此，本发明根据智能配电网业务的需求和EPON系统的通信方式，提出了一种适用于智能配电网通信网络的EPON系统动态带宽分配方法。该方法根据各业务的需求进行了分类处理，并授予加速转发型业务绝对优先级权限而对确定转发型业务和尽力而为型业务则按权重进行分配；在此基础上，通过修正各ONU终端的业务缓存速率，建立虚拟的缓存量队列，并按照先满足加速转发型业务的需求在按权重值满足确定转发型业务和尽力而为型业务的需求对带宽进行分配。最后，ONU终端按照OLT授予的时间窗口分别对加速转发型业务、确定转发型业务和尽力而为型业务进行传输。该方法即满足了高实时性需求的继电保护等业务的需求又兼顾了低优先级业务的带宽需求，为智能配电网的发展奠定的基础。
本发明提出一种适用于智能配电网通信系统的EPON系统动态带宽分配方法，具体实施例包括以下步骤：
步骤(1)根据智能配电网不同业务的需求将各业务分为加速转发型业务、确定转发型业务和尽力而为型业务；
其中，加速转发型(EF)业务为支持端到端延时敏感和需要带宽保证的业务，如继电保护所需故障信息等；确定转发型(AF)业务为支持对延时不敏感，但是要求带宽保证的业务，如高级配电自动化等业务；尽力而为型(BE)业务为支持对端到端延时不敏感，且不需要带宽保证的业务,如分布式电源站监测业务等。
步骤(2)读取第i个ONU终端在第k次轮询周期停止发送信息时的加速转发型业务、确定转发型业务和尽力而为型业务的缓存速率和各队列缓存量大小同时，根据确定转发型业务和尽力而为型业务的优先级和单位时间内该业务的最大数据流量作为指标，通过层次分析法计算两类业务的权重值，并计算加权业务的缓存速率和加权队列缓存大小并通过Report帧发送至OLT终端。其中，参数与参数的计算方法如下：
式中，WAF、WBE分别为确定转发型业务和尽力而为型业务的权重值。
步骤(3)OLT终端判断是否有OUN终端上传业务缓存速率大于正常情况下的业务缓存速率。如果各ONU终端的业务均等于正常情况下业务缓存速率，则OLT终端按照ONU终端上报的业务缓存速率和队列缓存量大小按照式(2)建立一个轮询周期内各ONU终端虚拟的带宽需求量；
其中，表示第i个ONU中加速转发型业务在第k+1次轮询周期内需要传输的带宽量；表示第i个ONU中加权业务在第k+1次轮询周期内需要传输的带宽量；表示第j个ONU终端在第k次轮询周期内所获得的传输时间窗口大小；Tk表示轮询周期且
否则，对各ONU终端的缓存速率进行更新，按照式(3)建立在一个轮询周期内各ONU终端加速转发型业务和加权业务的虚拟带宽需求量，以避免保护信息上传不及时的现象。
式中，和分别表示加速转发型业务在故障与非故障条件下的缓存速率；tk表示在第k次轮询中电网发生故障的时间；和分别表示加权业务在故障与非故障条件下的业务缓存速率。
步骤(4)根据计算获得的各ONU终端在下一个轮询周期内的虚拟带宽需求，结合EPON系统自身带宽值进行分配。如果EPON系统的实际带宽大于加速转发型业务的带宽需求时，按式(4)对ONU终端的各业务带宽值进行分配。
其中，表示第i个ONU中加速转发型业务在第k+1次轮询周期内允许上传业务缓存量大小；表示ONU终端加权业务在第k+1次轮询周期内允许上传加权业务缓存量大小；S表示EPON系统在一个轮询周期内的传输数据大小；表示第i个ONU终端在第k+1次轮询周期中的获得的传输时间大小；表示第i个ONU中加速转发型业务在第k+1次轮询周期中获取的传输时间大小；表示在第i个ONU中加权业务在第k+1次轮询周期中获取的传输时间大小；C表示总带宽。
否则，即EPON系统的实际带宽小于加速转发型业务的带宽需求。此时，按式(5)对ONU终端的各业务带宽需求进行分配。
步骤(5)判断各ONU终端获得加速转发型业务和加权业务的总带宽值是否小于规定的ONU终端在一个传输窗口内必须的最小服务时间。如果ONU终端获得的时间窗口大于ONU终端必须传输的最小服务时间，则将计算获得的各ONU终端获得的带宽值通过GATE帧发送至ONU终端，转入S6。否则，设定该ONU终端获得的带宽值为规定的最小带宽值，转入S4；
步骤(6)ONU终端根据GATE帧中OLT终端授予的带宽值对加速转发型业务和加权业务进行分配。如果OLT终端授予该ONU终端的带宽值小于其需要的带宽值，则先满足加速转发型业务的需求，再按照确定转发型业务和尽力而为型业务的权重对剩余带宽进行分配；否则，按照各业务的带宽需求进行分配；最后，根据OLT终端授予ONU终端各类业务上传时间窗口的大小进行信息的传输。
下面为说明所提出的EPON系统改进动态带宽分配方法(IW-IPACT)应用于智能配电网通信系统的有效性，建立仿真模型，模型基本参数说明如下：智能配电网接入层的EPON系统通过OPNET软件搭建，设置EPON系统中ONU个数为16个；ONU缓存队列为3列；上下链路速率为1Gbit/s；OLT终端和ONU终端最大距离为20km，即光纤固有时延Tlink最大为100us；OLT周期轮询时间Tk为2ms，ONU终端最小服务时间tmin为62.5us。
配电终端的业务和参数设置如下：对于网络化保护所涉及的加速转发型业务，其单点流量按最严酷的采样值差动保护需求设置，假设模拟量每周波采样为32点，由于ONU终端最小服务时间为62.5us，为保证保护信息的实时性，取每帧传送1点采样值；确定转发型业务主要反映高级配电自动化的应用需求，目前工业上应用的配电终端一般为每周波64点采样，受到传输应用协议数据单元(application protocol data unit，APDU)最大长度的限制，取每帧传送2点采样值；尽力而为型业务主要考虑分布式能源站(DistributedEnergy Resource，DER)等与系统交互的业务要求，DER并入电网时可归为三遥节点，目前工业上应用的DER并网单元一般为每周波48点采样；其中，APDU最大长度为255字节[28]。假设每个ONU接入的加速转发型业务、确定转发型业务和BF业务的数量分别为12、8和4，则ONU业务数据流经漏桶管制后的参数为：aEF＝39.16×106×t+24480(bit)；aAF＝26.11×106×t+16320(bit)；aBE，1＝19.584×106×t+8160(bit)。
从图2中可知，配电网故障时，基于IW-IPACT调度算法的EPON系统总带宽利用率高于基于绝对优先级分配的IPACT调度算法的总带宽利用率。其中，IW-IPACT调度算法中加速转发型业务、尽力而为型业务的带宽利用率高于基于IPACT调度算法的加速转发型业务和尽力而为型业务；特别是在故障发生后，含保护信息的加速转发型业务在配电网故障时的带宽利用率有了快速提高，这对电网故障时，需要实时、快速传递保护信息的继电保护十分重要。从图2(c)可知，基于IW-IPACT调度算法的确定转发型业务带宽利用率低于IPACT调度算法，这虽然在一定程度上减小了确定转发型业务的网络性能，但仍可以满足对延时不敏感的确定转发型业务需求。从图2(d)中可知，基于IPACT调度算法的尽力而为型业务出现了“饿死”现象，而基于IW-IPACT调度算法的尽力而为型业务拥有一定带宽利用率，可以对低优先级业务的网络需求提供保证。综上可知，本专利提出的EPON系统改进的动态带宽分配方法即满足了智能配电网高实时性需求的继电保护等业务又兼顾了低优先级业务的带宽需求，为智能配电网通信网络的发展提供了重要的技术支撑。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种应用于智能配电网的EPON通信系统的动态带宽分配方法，其特征在于，包括下述步骤：
S1：根据智能配电网不同业务的需求将各业务分为加速转发型业务、确定转发型业务和尽力而为型业务；
S2：根据确定转发型业务和尽力而为型业务的优先级和单位时间内该业务的最大数据流量，通过层次分析法计算该业务权重值大小；并在一个轮询周期内该ONU终端停止发送信息时，计算加速转发型业务缓存量大小和业务缓存速率，以及基于确定转发型业务和尽力而为型业务综合加权而成的加权业务缓存量大小和业务缓存速率大小；
通过层次分析法计算两类业务的权重值，并计算加权业务的缓存速率Vi zk和加权队列缓存大小并通过Report帧发送至OLT终端；其中，参数与Vi zk参数的计算方法如下：WAF、WBE分别为确定转发型业务和尽力而为型业务的权重值；
S3：判断ONU终端上传业务的缓存速率是否等于正常情况下该业务的缓存速率，若是，则电网未发生故障，OLT终端按照ONU终端发来的Report帧中各业务的缓存速率和缓存量大小，计算在一个轮询周期内第i个ONU终端加速转发型业务和加权业务的虚拟带宽需求量大小；若否，则电网发生故障，则将该ONU终端中各业务的缓存速率修改为故障条件下的缓存速率，并计算在一个轮询周期内第i个ONU终端加速转发型业务和加权业务的虚拟带宽需求量大小；其中，i为ONU终端的序号；
如果各ONU终端的业务均等于正常情况下业务缓存速率，则OLT终端按照ONU终端上报的业务缓存速率和队列缓存量大小按照公式建立一个轮询周期内各ONU终端虚拟的带宽需求量；其中，表示第i个ONU中加速转发型业务在第k+1次轮询周期内需要传输的带宽量；表示第i个ONU中加权业务在第k+1次轮询周期内需要传输的带宽量；表示第j个ONU终端在第k次轮询周期内所获得的传输时间窗口大小；Tk表示轮询周期且否则，对各ONU终端的缓存速率进行更新，按照公式建立在一个轮询周期内各ONU终端加速转发型业务和加权业务的虚拟带宽需求量，以避免保护信息上传不及时的现象；式中，和分别表示加速转发型业务在故障与非故障条件下的缓存速率；tk表示在第k次轮询中电网发生故障的时间；和分别表示加权业务在故障与非故障条件下的业务缓存速率；
S4：根据各ONU终端在下一个轮询周期内的带宽需求，结合EPON系统自身带宽值进行分配：
如果EPON系统的实际带宽大于加速转发型业务的带宽需求时，按公式对ONU终端的各业务带宽值进行分配；否则，按公式对ONU终端的各业务带宽需求进行分配；其中，表示第i个ONU中加速转发型业务在第k+1次轮询周期内允许上传业务缓存量大小；表示ONU终端加权业务在第k+1次轮询周期内允许上传加权业务缓存量大小；S表示EPON系统在一个轮询周期内的传输数据大小；表示第i个ONU终端在第k+1次轮询周期中的获得的传输时间大小；表示第i个ONU中加速转发型业务在第k+1次轮询周期中获取的传输时间大小；表示在第i个ONU中加权业务在第k+1次轮询周期中获取的传输时间大小；C表示总带宽；
S5：判断各ONU终端获得加速转发型业务和加权业务被授予的传输时间值之和是否小于规定的ONU终端在一个传输窗口内的最小服务时间tmin，如果ONU终端获得的传输时间窗口大于ONU终端必须的最小服务时间，则将计算获得的各ONU终端获得的带宽值通过GATE帧发送至ONU终端，转入S6；否则，设定该ONU终端获得的带宽值为规定的最小服务时间窗口，转入S4；
S6：ONU终端根据GATE帧中OLT终端授予的带宽值对加速转发型业务和加权业务进行分配；如果OLT终端授予该ONU终端的带宽值小于其需要的带宽值，则先满足加速转发型业务的需求，再按照确定转发型业务和尽力而为型业务的权重对剩余带宽进行分配；否则，按照各业务的带宽需求进行分配。
2.如权利要求1所述的动态带宽分配方法，其特征在于，所述加速转发型业务为支持端到端延时敏感和需要带宽保证的业务；所述确定转发型业务为支持对延时不敏感，但是要求带宽保证的业务；所述尽力而为型业务为支持对端到端延时不敏感，且不需要带宽保证的业务。
3.如权利要求1所述的动态带宽分配方法，其特征在于，步骤S4具体为：
如果EPON系统自身带宽值大于所有ONU终端带宽需求量之和，则按照各ONU终端的带宽需求大小成比例进行分配；如果EPON系统自身带宽值小于所有ONU终端带宽需求量之和，则首先满足各ONU终端加速转发型业务的带宽需求，再将剩余带宽根据各ONU终端中加权业务的带宽需求大小按比例进行分配；如果EPON系统自身带宽值小于所有ONU终端中加速转发型业务带宽需求量之和，则将EPON系统的带宽根据各ONU终端中加速转发型业务的带宽需求大小按比例进行分配。
4.如权利要求1所述的动态带宽分配方法，其特征在于，步骤S5中最小服务时间tmin为62.5us。
5.如权利要求1所述的动态带宽分配方法，其特征在于，步骤S6之后还包括：根据OLT终端授予ONU终端各类业务上传时间窗口的大小进行信息的传输。
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