CN105262624A - 一种基于软件定义网络的异构配电通信网络架构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于软件定义网络的异构配电通信网络架构，属于电网通信技术领域。该架构借鉴软件定义网络中控制信息与数据分离的思想，为配电通信网络加入控制器，通过控制器有效简化终端接入和切换过程，终端接入网络后IP保持不变，降低异构配电通信网络切换时在IP层的切换时间，从而降低网络时延。控制器实现路由转发和无线网络之间的无缝切换，改善整个网络负载均衡状况,降低网络拥塞。该网络架构为有效解决配电通信网络覆盖盲区、多种业务与异构网络融合、异构网络无缝切换的问题提供了一个可行的解决方案。

Description

一种基于软件定义网络的异构配电通信网络架构

技术领域

本发明属于电网通信技术领域，涉及一种应用于配电通信系统中的网络架构，特别涉及一种基于软件定义网络的异构配电通信网络架构。

背景技术

随着智能配电网的发展，配电业务数据量增多，配电侧监测信息量巨大，配电业务分散，通信环境复杂多变。无线通信方式是解决配电侧“最后一公里”的最佳选择。配电业务种类繁多，根据不同业务数据的通信需求，采用不同的无线通信方式灵活组网，构建高效、可靠、经济的配电通信网络，对保障配电业务的正常运行至关重要。

目前我国配电通信网的建设落后，各个地方建设良莠不齐，没有统一的建设规范，大多采用租用公网的形式，配电设施处于地下室或被树林覆盖等，存在盲区，同时公网无法满足电网安全性要求。而传统的IP网络架构不能很好的适应配电业务的需求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于软件定义网络的异构配电通信网络架构，从而解决配电侧监控盲点，提高配电通信网络可靠性和通信实时性，减少电网故障，降低建设成本，为配电通信网络的建设提供指导。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于软件定义网络的异构配电通信网络架构，该网络架构由SDN控制器、核心网路由器、双模终端，以及LTE基站，WiMax基站，WLANAP节点，短距离无线AP节点构成；该网络架构包括三层网络体系结构：应用层，配电业务传输层，配电业务采集层；并通过终端接入控制机制，支持终端即插即用，增强网络的可扩展性；采用切换机制保障配电业务及时上传至数据中心，提高配电业务传输的可靠性。

进一步，所述SDN控制器包括IP资源管理模块，路由控制模块，网络状态监控模块；路由控制模块负责路由的选择；网络状态监控模块负责保障整个网络负载均衡优化，与路由控制模块协同控制路由转发；IP资源管理模块负责为新节点入网时分配IP，IP与节点Mac地址绑定。

进一步，所述核心网路由器，运行扩展的OpenFlow协议，用于实现将业务数据信息上传到数据中心，网络状态信息上传到SDN控制器。

进一步，所述双模终端根据基站覆盖范围以及业务特性，针对性地开发相应的双模终端及协议栈；终端具有采集业务数据信息和网络状态信息的功能。

进一步，所述AP节点具有动态调整发射功率的功能；当终端监测到信号强度低于预设阈值时，向AP节点发送增强信号请求，并开始计时；AP节点收到来自终端的反馈信息，采用自动控制反馈调节机制，加大发射功率；若终端节点计时超过预设时间，终端节点处的信号强度仍然低于预设阈值，则采用切换策略，切换到另一种通信网络。

进一步，所述接入控制机制，由SDN控制器的IP资源管理模块统一为终端分配IP，终端接入网络后IP保持不变，接入过程具体包括：

1)节点同时开启双模，向两种模式网络发送入网请求，请求帧包含终端的Mac地址；

2)两种网络AP接入点均向双模终端回复确认帧；同时记录终端节点Mac地址，以便网络切换时验证终端身份；

3)双模终端根据两种网络AP接入点回复确认帧的时延，优先选择低时延网络作为优先接入网，另一网络作为备选切换网络；

4)双模终端向优先接入网络再次发送接入网络请求；

5)AP接入点再次收到接入网络请求后，向SDN控制器发送接入请求，SDN控制器为双模终端分配IP地址，与MAC地址绑定，作为该双模终端的唯一标识符，同时将该双模终端的mac地址和IPv6地址记录到路由控制设备中，完成终端的接入，终端接入流程如图2所示。

进一步，所述切换机制具体包括：

1)双模终端同时收到两种网络信号，检测优先网络的信号强度，双模终端实时采集AP节点在t时刻信号强度；结合前一时刻(t-1)的信号强度，采用模糊预测算法预测下一时刻AP节点信号强度，若优先网络的预测信号强度低于预设的最低信号强度，双模终端向AP节点发送增强信号请求；

2)AP节点接收到双模终端的反馈信息后，增强发射功率，解决因网络抖动引起的信号衰减问题，若在预设时间内信号强度仍然不达标，双模终端向SDN控制器发送切换请求信号；

3)双模终端向备选网络发送切换请求；

4)SDN控制器收到双模终端请求后，判断网络负载情况，若备选网络满载，则拒绝双模终端接入，避免进一步造成网络拥塞；若备选网络存在剩余带宽，则向备选网络AP节点发送允许接入信号，备选网络允许双模终端接入，完成切换功能，切换流程如图3所示。

本发明的有益效果在于：本异构网络架构由所有节点的IP地址由IP资源管理模块统一分配管理，异构网络切换过程中保持双模终端IP地址不变，节省IP切换过程中重新分配IP花费的时延，提高网络的实时性。SDN控制器的网络状态监测模块实时监测网络状态，采用负载均衡算法，与路由控制模块协同合作决策路由，降低网络局部拥塞，提升网络效率。针对不同业务研发双模终端，承载不同的业务数据，制定一套通信协议栈，实现配电业务与异构网络的融合。短距离无线双模终端极好地解决了网络覆盖盲区，降低建设成本。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明所述异构配电通信网络架构示意图；

图2为本发明所涉及到的接入流程图；

图3为本发明所涉及到的切换流程图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为本发明所述异构配电通信网络架构示意图，该网络架构借鉴“软件定义网络”(SoftwareDefinedNetwork，SDN)中的控制信息与数据分离的核心思想，在网络中加入SDN控制器，通过SDN控制器监测网络状态和控制路由转发。该网络架构由SDN控制器、核心网路由器、双模终端，以及LTE基站，WiMax基站，WLANAP(AccessPoint)节点，短距离无线(433MHz，470MHz，780MHz)AP节点构成。包括三层网络体系结构：应用层，配电业务传输层，配电业务采集层。该网络架构支持多种业务与异构网络融合，如配电自动化，配电设备状态信息监控、配电设备保护信息监测、变电站视频监控。定义一套灵活的终端接入控制机制，支持终端即插即用，增强网络的可扩展性。采用切换机制保障配电业务及时上传至数据中心，提高配电业务传输的可靠性。

如图1所示，其中，A为LTE网络，B为WiMax网络，C为433MHz短距离无线网络，D为WiFi短距离无线网络，E为LTE+433MHz双模终端，F为WiMax+433MHz双模终端，G为WiMax+WiFi双模终端。以双模终端E为例，说明接入433MHz无线网络以及切换到LTE网络的控制流程：

设在C区域存在配电设备状态信息监控业务。该业务数据量较小，可靠性、安全性要求较高，由于处于AB基站的边缘，因此建立一个短距离无线433MHzAP节点覆盖区域C，实现异构网络全覆盖。根据基站类型和业务特性，选择具有433MHz和LTE的双模终端节点E负责该区域业务传输。图2为本发明所涉及到的接入流程图，图3为本发明所涉及到的切换流程图。

1、双模终端E入网过程。

(1)双模终端E同时监测到433MHzAP节点和LTE基站信号，同时发送入网请求探测帧；

(2)433MHzAP节点和LTE基站接收到入网请求探测帧后，上行向SDN控制器发送双模终端E的MAC地址信息，下行向双模终端E发送确认帧；

(3)SDN控制器的路由控制模块在用户表中为双模终端E建立一条记录，记录下E能连接的网络；

(4)双模终端根据回复确认帧的时延，选择最先收到确认信号的网络作为优先接入网,另一网络作为备选网络；

(5)假设双模终端先接收到433MHzAP节点信号，则向433MHzAP节点发送包含MAC地址的确认申请接入帧；

(6)433MHzAP节点将双模终端E的MAC地址封装，向SDN控制器发送接入请求；

(7)SDN控制器的IP资源管理模块为双模终端分配IP地址，同时将该双模终端的mac地址和IP地址记录到路由控制模块中。

(8)SDN控制器向AP节点发送允许该双模终端接入信号，双模终端一但接入网络，IP地址保持不变。

2、双模终端E切换过程。

(1)双模终端E同时收到LTE和433MHz无线两种网络信号(假设433MHzAP节点为优先接入网，并已接入)，检测433MHz无线网络信号强度；

(2)双模终端E实时采集两种网络信号，采用模糊预测算法预测下一时刻信号强度，若预测到433MHzAP发射的无线信号强度低于预警值，双模终端E则向433MHzAP节点发送增强信号请求；

(3)433MHzAP节点接收到该增强信号请求后，采用临时加大发射功率的策略，解决因网络抖动引起的信号减弱问题，若双模终端E在预设时间t内检测到433MHzAP节点的信号强度仍然低于预警值，而LTE基站信号强度达标时，则向SDN控制器发送请求切换信号；

(4)SDN控制器收到请求后，向LTE基站发送允许该终端节点接入的信号；

(5)LTE基站允许双模终端接入；

(6)切换完成。

所述SDN控制器包括IP资源管理模块，路由控制模块，网络状态监控模块；路由控制模块负责路由的选择；网络状态监控模块负责保障整个网络负载均衡优化，与路由控制模块协同控制路由转发；IP资源管理模块负责为新节点入网时分配IP，IP与节点Mac地址绑定。

所述核心网路由器，运行扩展的OpenFlow协议，用于实现将业务数据信息上传到数据中心，网络状态信息上传到SDN控制器。

所述双模终端根据基站覆盖范围以及业务特性，针对性地开发相应的双模终端及协议栈；终端具有采集业务数据信息和网络状态信息的功能，不同配电业务与双模终端对照表如表1所示：

所述AP节点具有动态调整发射功率的功能；当终端监测到信号强度低于预设阈值时，向AP节点发送增强信号请求，并开始计时；AP节点收到来自终端的反馈信息，采用自动控制反馈调节机制，加大发射功率；若终端节点计时超过预设时间，终端节点处的信号强度仍然低于预设阈值，则采用切换策略，切换到另一种通信网络。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (7)

1.一种基于软件定义网络的异构配电通信网络架构，其特征在于：该网络架构由SDN控制器、核心网路由器、双模终端，以及LTE基站，WiMax基站，WLANAP节点，短距离无线AP节点构成；该网络架构包括三层网络体系结构：应用层，配电业务传输层，配电业务采集层；并通过终端接入控制机制，支持终端即插即用，增强网络的可扩展性；采用切换机制保障配电业务及时上传至数据中心，提高配电业务传输的可靠性。

2.根据权利要求1所述的一种基于软件定义网络的异构配电通信网络架构，其特征在于：所述SDN控制器包括IP资源管理模块，路由控制模块，网络状态监控模块；路由控制模块负责路由的选择；网络状态监控模块负责保障整个网络负载均衡优化，与路由控制模块协同控制路由转发；IP资源管理模块负责为新节点入网时分配IP，IP与节点Mac地址绑定。

3.根据权利要求1所述的一种基于软件定义网络的异构配电通信网络架构，其特征在于：所述核心网路由器，运行扩展的OpenFlow协议，用于实现将业务数据信息上传到数据中心，网络状态信息上传到SDN控制器。

4.根据权利要求1所述的一种基于软件定义网络的异构配电通信网络架构，其特征在于：所述双模终端根据基站覆盖范围以及业务特性，针对性地开发相应的双模终端及协议栈；终端具有采集业务数据信息和网络状态信息的功能。

5.根据权利要求1所述的一种基于软件定义网络的异构配电通信网络架构，其特征在于：所述AP节点具有动态调整发射功率的功能；当终端监测到信号强度低于预设阈值时，向AP节点发送增强信号请求，并开始计时；AP节点收到来自终端的反馈信息，采用自动控制反馈调节机制，加大发射功率；若终端节点计时超过预设时间，终端节点处的信号强度仍然低于预设阈值，则采用切换策略，切换到另一种通信网络。

6.根据权利要求1所述的一种基于软件定义网络的异构配电通信网络架构，其特征在于：所述接入控制机制，由SDN控制器的IP资源管理模块统一为终端分配IP，终端接入网络后IP保持不变，接入过程具体包括：

1)节点同时开启双模，向两种模式网络发送入网请求，请求帧包含终端的Mac地址；

2)两种网络AP接入点均向双模终端回复确认帧；同时记录终端节点Mac地址，以便网络切换时验证终端身份；

3)双模终端根据两种网络AP接入点回复确认帧的时延，优先选择低时延网络作为优先接入网，另一网络作为备选切换网络；

4)双模终端向优先接入网络再次发送接入网络请求；

5)AP接入点再次收到接入网络请求后，向SDN控制器发送接入请求，SDN控制器为双模终端分配IP地址，与MAC地址绑定，作为该双模终端的唯一标识符，同时将该双模终端的mac地址和IPv6地址记录到路由控制设备中，完成终端的接入。

7.根据权利要求1所述的一种基于软件定义网络的异构配电通信网络架构，其特征在于：所述切换机制具体包括：

1)双模终端同时收到两种网络信号，检测优先网络的信号强度，双模终端实时采集AP节点在t时刻信号强度；结合前一时刻(t-1)的信号强度，采用模糊预测算法预测下一时刻AP节点信号强度，若优先网络的预测信号强度低于预设的最低信号强度，双模终端向AP节点发送增强信号请求；

2)AP节点接收到双模终端的反馈信息后，增强发射功率，解决因网络抖动引起的信号衰减问题，若在预设时间内信号强度仍然不达标，双模终端向SDN控制器发送切换请求信号；

3)双模终端向备选网络发送切换请求；

4)SDN控制器收到双模终端请求后，判断网络负载情况，若备选网络满载，则拒绝双模终端接入，避免进一步造成网络拥塞；若备选网络存在剩余带宽，则向备选网络AP节点发送允许接入信号，备选网络允许双模终端接入，完成切换功能。