CN105827323A - 基于无源光网络的分布式环形光交换网络结构及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对智能变电站通信网络中业务传输时延及时延抖动较大的问题，公开了一种基于无源光网络结构的分布式环形光交换网络结构设计方法，其特征在于：采用类似无源光网络的结构构建智能变电站网络，母差保护/故障录播类似于无源光纤网络PON中的光纤线路终端OLT，而环上的每个节点则类似于PON中的光网络单元ONU。节点结构只采用接收机、发射机、环形器、AWG模块和光耦合器，有效节约了硬件开销和能源耗损。此外，针对智能变电站中的各类电力业务设计了相应的调度算法，有效地降低了使得智能变电站通信网络中业务传输时延及时延抖动，提高了系统的实时性。

Description

基于无源光网络的分布式环形光交换网络结构及实现方法

技术领域

本发明涉及一种智能变电站和光交换网络技术领域，具体涉及一种基于无源光网络的分布式环形光交换网络结构及实现方法。

背景技术

随着我国电力建设事业的快速发展，智能变电站在我国快速发展。现阶段，国内智能变电站主要采用工业以太网电交换机进行过程层通信系统的网络体系设计，这种方法下电网业务的时延及时延抖动较大，系统的实时性能一般。在人们生活水平不断提高的背景下，人们对电网的稳定性、可靠性、实时性以及安全性等方面提出了更高的要求。与此同时，随着近些年环形器、光耦合器(OpticalCoupler,OC)和阵列波导光栅(AWG)等光器件的成熟，设计基于这些光器件的光交换网络来充分利用无源光网络的巨大传输速率以满足不断增长的实时通信需求成为了一个重要的研究课题。

目前智能变电站通信系统的组网方式主要包括以下几种：

(1)基于电交换机和IEC61850系列标准的组网方式

目前基于电交换机和IEC61850系列标准的智能变电站通信网络的规模一般是采用5台电交换机，每台18个百兆端口，4个千兆端口，交换机之间通过千兆端口互连，百兆的端口则直接接入智能变电站的电网业务，所有端口的使用率约为70％。也就是一台中心交换机连接其余四台交换机，每台交换机连接12台电气设备，每四台设备组成一个间隔，每个间隔组成一个小的局域网。此外，中心交换机还需要连接母差，所以设备都需要与母差进行通信。上述方案的缺点在于，电交换机无法达到很高的通信速率，而电网业务有较高的实时性要求，并且该方案下的可靠性不足，无法满足电网业务的时延抖动要求。

(2)基于无源光网络的智能变电站组网方式

本方案的核心思想是根据变电站业务需求，定制开发新型实时交换机，改善传输业务的实时性。新型实时交换机融入了分组交换技术和时分复用多址接入技术，可实现统一物理网络下各类报文传输的有效隔离；利用无源光网络可完成不同类型业务终端的灵活接入。选择无源光网络技术作为站内一次和二次设备的通信接入手段主要基于以下几方面考虑：①固有的TDM接入方式可以保证数据传递具有较稳定的时延；②具有灵活的拓扑结构能够适应站内终端接入点的分布环境要求；③无源光网络可以实现多种保护方案；④能够满足各类业务对传输带宽的需求。但这种方案中，为了利用无源光网络的优势，必须使用大量的光器件，在实际应用中带来的很高的成本要求。此外，各器件的之间连接也颇为复杂，对日后的维护工作带来了很大的困难。

发明内容

为解决上述现有技术中的不足，针对智能变电站通信网络中业务的实时性要求，本发明的目的是提供一种基于无源光网络的分布式环形光交换网络结构及实现方法，其有别于现有的基于电交换机的通信系统以及结构复杂的光交换系统。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种基于无源光网络的分布式环形光交换网络结构，其改进之处在于：所述分布式环形光交换网络结构包括通过光纤依次连接并组成环形结构的20个分布式网络节点以及挂接在分布式网络节点上的间隔，在第1个分布式网络节点和最后一个分布式网络节点之间连接有母差结构；所述间隔由四台电气设备组成；在分布式网络节点发送数据时，每个节点采用双向发送的方式，确保母差结构以及其它分布式网络节点节点均能收到数据。

进一步地：所述分布式网络节点包括依次连接的光纤、光耦合器、阵列波导光栅AWG模块、环形器和接收机，发射机与环形器连接。

进一步地：所述母差结构包括依次连接的光纤、环形器、阵列波导光栅AWG模块、环形器和接收机，发射机与环形器连接。

进一步地：所述环形器是引导光传播方向的器件，其包括三个端口，分别为环形器的第一端口、第二端口和第三端口；所述第一端口输入的信号从第二端口输出；第二端口输入的信号则从第三端口输出。

进一步地：所述光耦合器是分光器件，其包括三个端口，分别为光耦合器的第一端口、第二端口和第三端口；所述第一端口输入的光从第二端口与第三端口输出，第二端口和第三端口输出的光功率之和等于第一端口的输入光功率。

进一步地：所述光耦合器的第二端口与第三端口的输出功率相对于第一端口输入功率的衰减值由光耦合器的分光比决定；

所述光耦合器用于将分布式网络节点连成环形且将转换后的电网业务从光耦合器的第三端口输出。

进一步地：所述的阵列波导光栅AWG模块为2×1的阵列波导光栅AWG模块。

本发明提供一种基于无源光网络的分布式环形光交换网络结构的实现方法，其改进之处在于：所述实现方法对分布式网络节点发送和接收数据数据以及母差结构发送和接受数据分别进行处理。

进一步地：当分布式网络节点发送数据时，电网业务由发射机进入环行器的第一端口，再从环形器的第二端口输出，进入阵列波导光栅AWG模块，阵列波导光栅AWG模块收到两种不同波长的业务(不限定具体的波长值，只要两种不同的波长即可)；所述电网业务从阵列波导光栅AWG模块输出后进入光耦合器，耦合至左右两路进行双向传输，再通过链路中的光耦合器进入光纤链路；

当分布式网络节点接收数据时，电网业务由所述光纤进入所述的光耦合器，光耦合器一路继续在光纤上传输，另一路向下发往本地；所述电网业务再进入分布式网络节点本地的耦合器，再进入阵列波导光栅AWG模块，阵列波导光栅AWG模块通过判断业务类型从而决定进入某一路的环形器；所述电网业务进入所述环行器的第二端口，再从所述环形器的第三端口输出，进入所述接收机完成数据的接收。

进一步地：当母差结构发送数据时，电网业务由发射机进入环行器的第一端口，再从环形器的第二端口输出，进入阵列波导光栅AWG模块，阵列波导光栅AWG模块收到两种不同波长的业务(不限定具体的波长值，只要两种不同的波长即可)；所述电网业务从阵列波导光栅AWG模块输出后进入所述环行器的第二端口，再从所述环形器的第三端口输出；

当母差结构接收数据时，电网业务由所述光纤进入所述环行器的第一端口，再从所述环形器的第二端口输出；所述电网业务再进入进入阵列波导光栅AWG模块，阵列波导光栅AWG模块通过判断业务类型从而决定进入某一路的环形器；所述电网业务进入所述环行器的第二端口，再从所述环形器的第三端口输出，进入所述接收机完成数据的接收。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有的优异效果是：

本发明提供的一种基于无源光网络的分布式环形光交换网络结构及实现方法，有别于现有的基于电交换机的通信系统以及结构复杂的光交换系统，无须使用昂贵的光器件，即可实现电网业务的高速传输以及高实时性要求，具有低成本、高速率、高实时性、兼容性好等优点，体现在：

1)实时性高：本发明设计的分布式环形光交换网络结构与针对电网业务设计的调度算法可以有效地降低业务的时延及时延抖动，具有较高的实时性；

2)所有器件均模块化，端口与端口直接相连使得网络连线复杂度低，易于维护；

3)整个网络结构只采用接收机、发射机、环形器、AWG模块和光耦合器，有效节约了硬件开销和能源耗损。

附图说明

图1是本发明提供的分布式环形光交换网络结构示意图；

图2是本发明提供的分布式环形光交换网络节点结构示意图；

图3是本发明提供的分布式环形光交换网络母差结构示意图；

图4为周期性轮询调度算法示意图；

图5为突发性随机退避算法示意图；其中，(a)为情形1、2、3的跳闸业务与心跳业务的示意图；(b)为节点1和2的跳闸业务与跳闸业务的示意图；

图6为GOOSE跳闸业务平均传输时延特性图；其中：(a)为1km跳闸业务的示意图；(b)为2km跳闸业务的示意图；(c)为3km跳闸业务的示意图；(d)为4km跳闸业务的示意图；

图7为GOOSE跳闸业务平均传输时延抖动特性图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。

本发明结合无源光网络的优势，设计了一种类似PON结构的分布式环形光交换网络结构如图1所示。母差/录波类似于无源光纤网络PON中的光纤线路终端OLT，需要与其它所有节点交换信息，而环上的每个节点则类似于PON中的光网络单元ONU。每四台电气设备组成一个间隔挂在节点上。在发送数据时，每个节点采用双向发送的方式，确保母差以及其它节点都能收到数据。环在母差处断开，保证发送的数据不会一直存留在环上影响后续的数据。

当节点发送数据时，电网业务由发射机进入所述环行器的第一端口，再从所述环形器的第二端口输出，进入所述的AWG模块，AWG模块可能收到两种不同波长的业务；所述后电网业务从AWG模块输出后进入所述光耦合器，耦合至左右两路进行双向传输；所述后再通过链路中的光耦合器进入光纤链路。当节点接收数据时，电网业务由所述光纤进入所述的光耦合器，耦合器一路继续在光纤上传输，另一路向下发往本地；所述后电网业务再进入节点本地的耦合器，再进入AWG模块，AWG模块通过判断业务类型从而决定进入某一路的环形器；所述后电网业务进入所述环行器的第二端口，再从所述环形器的第三端口输出，进入所述的接收机完成数据的接收。图2即为分布式环形光交换网络的节点结构失意图。

当母差发送数据时，电网业务由发射机进入所述环行器的第一端口，再从所述环形器的第二端口输出，进入所述的AWG模块，AWG模块可能收到两种不同波长的业务；所述后电网业务从AWG模块输出后进入所述环行器的第二端口，再从所述环形器的第三端口输出。当母差接收数据时，电网业务由所述光纤进入所述环行器的第一端口，再从所述环形器的第二端口输出；所述后电网业务再进入AWG模块，AWG模块通过判断业务类型从而决定进入某一路的环形器；所述后电网业务进入所述环行器的第二端口，再从所述环形器的第三端口输出，进入所述的接收机完成数据的接收。图3即为分布式环形光交换网络母差结构示意图。

网络在传输业务时难免会发送冲突和碰撞，一旦发送冲突，业务就传输失败了。那么为了解决该问题，我们需要针对不同电网业务的特征设计相应的调度算法。电网中的传输业务大致分成两类。一类是周期业务，即SV和GOOSE的心跳业务，发送时间固定。另一类为突发业务，即GOOSE的跳闸业务，这类业务发送时间不确定，但业务量相对而言比较小。周期性业务的业务量较小，可靠性要求一般，对时延的抖动要求较高；而突发性业务，单个电子设备的突发流量约为2.4Mb/s，对可靠性的要求较高，并且对时延有很高的要求，因为电网中一旦发生跳闸事件，需要立即告知母差，所以要保证有较低的时延，时延不能超过10μs。所以我们针对周期业务的特征，采用轮询的方式来调度这两种业务，而对突发性业务采用随机访问和冲突避免的方式进行调度。

图4为周期性轮询调度算法示意图。如图所示，假设智能变电站通信系统内共有20个节点，心跳业务按每秒10帧来计算，帧长为300字节，环形光通信链路的速率为10Gb/s。那么每个轮询发送周期的长度为1s/10帧＝100ms，每帧的长度为0.24us。那么轮询调度的策略即是将这20个节点的数据在一个周期100ms内均匀分布并发送，两个节点之间的间隔则为5ms，这种机制能够确保业务的时延稳定并且时延抖动为0。

图5为突发性随机退避算法示意图。突发性业务会在任何一个时隙到达，它可能会和周期性业务发送冲突，也可能会和其它节点的突发性业务发送碰撞。根据系统的同步机制，节点会侦测到其它节点周期性业务的到来时刻。如图5(a)所示，在第一种情形下，节点的跳闸业务到来时，此时信道正好在传输心跳业务，为了避免冲突，将该跳闸业务在[0，8]个时隙区间内随机选取一个时隙值退避后再次发送，这个退避的时间相对于跳闸业务的时延来说是微不足道的。在第二种情形下，节点侦测到跳闸业务的到来时刻正好在心跳业务的前一时刻，所以同样为了避免两种业务发送碰撞，采用与之前相同的退避机制。在第三种情形下，节点侦测到此时信道正处于空闲状态，所以当有跳闸业务到来时可以被正常传输。

不同节点的跳闸业务之间也有可能发生冲突，如图5(b)所示。节点1和节点2的跳闸业务同时到达信道，那么这两个业务就发生了冲突。此时我们对这两个跳闸业务同时采用随机退避的策略，在[0，8]个时隙区间内随机选取一个时隙值退避后再次发送，如果在退避后再次发生冲突，则将退避区间减倍，即在[0，4]区间内随机选取一个时隙继续向后退避，依此类推，直到退避区间达到[0，1]。

具体的，本发明为基于无源光网络的分布式环形光交换结构设计方法，可以用作智能变电站中通信系统的组网结构。如图1所示，分布式环形光交换结构包括依次连接的光纤、20个分布式光网络节点、挂接在节点上的间隔、母差\录播和光纤介质。

如图2和3所示，分布式环形光交换节点与母差的结构包括依次环形连接的环行器、传递电网业务的光纤、光耦合器、接收机、发射机和AWG模块，所述环形器包括三个端口，所述光耦合器包括三个端口，所述传递电网业务的光纤的一端与所述光耦合器的第一端口相连；所述AWG模块的一端与所述光耦合器的第二端口相连。

环行器是引导光传播方向的器件，其包括三个端口，第一端口输入的信号从第二端口输出；第二端口输入则从第三端口输出。

光耦合器是分光器件，其包括三个端口，第一端口输入的光从第二与第三端口输出，第二和第三端口输出光功率之和等于第一端口的输入光功率。第二与第三端口的输出功率相对于第一端口输入功率的衰减值由光耦合器的分光比决定。本系统中的光耦合器用于将节点连成环形且将转换后的电网业务从光耦合器的第三端口输出。本发明所用的光耦合器的分光比参数分为两种，连接在环形光网络链路中的光耦合器的分光比参数为90：10，其中直通链路占90％，而下路占10％。而连接在分布式环形光交换节点结构内部的光耦合器的分光比参数为50：50。在图2中，OC1/OC2是连接在环形网络中的光耦合器；OC3是节点内部的光耦合器。

实施例

在实际的光耦合器中，当信号通过光耦合器时，总有一些光会丢失，该损耗被称为附加损耗。附加损耗的定义为输入功率对总的输出功率的比值。因此，用分贝表示的耦合器附加损耗为：

其中，P₁为链路的直通功率，P₂为下路耦合功率。在本发明中，我们令环形链路中耦合器的光功率分配百分比为90％，令节点发送信号时分路至左右两端的光耦合器为光功率均分的3dB耦合器。由图1-3可知，在我们的分布式环形光交换结构中，当我们取节点数为n时，节点的发出的信号损耗最大的情况应该是发生在母差左右两端的节点之间相互传输时。在这种情况下，当节点发送信号时，需要先经过一个3dB耦合器，再在光链路中经过n-2个光功率分配为90％的耦合器，到达目的节点后，信号首先通过一个光功率分配为10％的耦合器后再下路经过一个3dB耦合器，接着通过AWG模块经环形器送至接收机，AWG模块的损耗按3dB计算。所以整个系统中信号最大的附加损耗为：

-3×3+(n-2)×10log0.9+10log0.1＝-(n-2)×0.46-19dB

如果我们令系统中节点的数目为20，那么此时整个系统中信号的最大附加损耗为-(20-2)×0.46-13dB＝-27.28dB。

具体实施例还包括调度算法的仿真。我们会观察在不同节点数以及不同环形链路周长的条件下，各业务的时延以及时延抖动。由于周期性业务采用了轮询算法，时延以及抖动都是固定的，所以我们只针对采用随机退避算法的突发性业务即GOOSE跳闸业务进行仿真。

图6(a)、(b)、(c)、(d)给出了在不同的环形网络链路周长下，GOOSE跳闸业务的时延关于网络内节点数量的变化情况。从图中可见，在周长5km以内的环形链路且节点数50以内的网络结构中，GOOSE跳闸业务的平均时延都能保持在10μs内。

图7给出了在不同的环形网络链路周长下，GOOSE跳闸业务的平均时延抖动关于网络内节点数量的变化。可以看出，在环形网络链路周长小于2km时，平均时延抖动可以保持在10μs以内。而在环形网络链路周长达到3km，节点的数量不超过40时，以及周长达到5km且节点数不超过20时，平均时延抖动都可以保证小于10μs。

由上述实施例的具体实施效果可以明显看出，我们设计的基于无源光网络的光交换结构可以有效地降低智能变电站电网业务的时延和时延抖动，很大程度上保证了智能变电站通信系统的实时性，在电力通信高速光传输系统中具有广阔的应用前景。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于无源光网络的分布式环形光交换网络结构，其特征在于：所述分布式环形光交换网络结构包括通过光纤依次连接并组成环形结构的20个分布式网络节点以及挂接在分布式网络节点上的间隔，在第1个分布式网络节点和最后一个分布式网络节点之间连接有母差结构；所述间隔由四台电气设备组成；在分布式网络节点发送数据时，每个节点采用双向发送的方式，确保母差结构以及其它分布式网络节点节点均能收到数据。

2.如权利要求1所述的基于无源光网络的分布式环形光交换网络结构，其特征在于：所述分布式网络节点包括依次连接的光纤、光耦合器、阵列波导光栅AWG模块、环形器、发射机和接收机，所述发射机与环形器连接。

3.如权利要求1所述的基于无源光网络的分布式环形光交换网络结构，其特征在于：所述母差结构包括依次连接的光纤、环形器、阵列波导光栅AWG模块、环形器、发射机和接收机，所述发射机与环形器连接。

4.如权利要求2或3所述的基于无源光网络的分布式环形光交换网络结构，其特征在于：所述环形器是引导光传播方向的器件，其包括三个端口，分别为环形器的第一端口、第二端口和第三端口；所述第一端口输入的信号从第二端口输出；第二端口输入的信号则从第三端口输出。

5.如权利要求2或3所述的基于无源光网络的分布式环形光交换网络结构，其特征在于：所述光耦合器是分光器件，其包括三个端口，分别为光耦合器的第一端口、第二端口和第三端口；所述第一端口输入的光从第二端口与第三端口输出，第二端口和第三端口输出的光功率之和等于第一端口的输入光功率。

6.如权利要求5所述的基于无源光网络的分布式环形光交换网络结构，其特征在于：所述光耦合器的第二端口与第三端口的输出功率相对于第一端口输入功率的衰减值由光耦合器的分光比决定；

所述光耦合器用于将分布式网络节点连成环形且将转换后的电网业务从光耦合器的第三端口输出。

7.如权利要求2或3所述的基于无源光网络的分布式环形光交换网络结构，其特征在于：所述的阵列波导光栅AWG模块为2×1的阵列波导光栅AWG模块。

8.一种如权利要求1-7中任一项所述的基于无源光网络的分布式环形光交换网络结构的实现方法，其特征在于：所述实现方法对分布式网络节点发送和接收数据数据以及母差结构发送和接受数据分别进行处理。

9.如权利要求8所述的实现方法，其特征在于：当分布式网络节点发送数据时，电网业务由发射机进入环行器的第一端口，再从环形器的第二端口输出，进入阵列波导光栅AWG模块，阵列波导光栅AWG模块收到两种不同波长的业务；所述电网业务从阵列波导光栅AWG模块输出后进入光耦合器，耦合至左右两路进行双向传输，再通过链路中的光耦合器进入光纤链路；

当分布式网络节点接收数据时，电网业务由所述光纤进入所述的光耦合器，光耦合器一路继续在光纤上传输，另一路向下发往本地；所述电网业务再进入分布式网络节点本地的耦合器，再进入阵列波导光栅AWG模块，阵列波导光栅AWG模块通过判断业务类型从而决定进入某一路的环形器；所述电网业务进入所述环行器的第二端口，再从所述环形器的第三端口输出，进入所述接收机完成数据的接收。

10.如权利要求8所述的实现方法，其特征在于：当母差结构发送数据时，电网业务由发射机进入环行器的第一端口，再从环形器的第二端口输出，进入阵列波导光栅AWG模块，阵列波导光栅AWG模块收到两种不同波长的业务；所述电网业务从阵列波导光栅AWG模块输出后进入所述环行器的第二端口，再从所述环形器的第三端口输出；

当母差结构接收数据时，电网业务由所述光纤进入所述环行器的第一端口，再从所述环形器的第二端口输出；所述电网业务再进入进入阵列波导光栅AWG模块，阵列波导光栅AWG模块通过判断业务类型从而决定进入某一路的环形器；所述电网业务进入所述环行器的第二端口，再从所述环形器的第三端口输出，进入所述接收机完成数据的接收。