“电力+5G”融合技术通信网架构设计

陈家璘, 孙志峰, 曾铮, 隋璐捷, 汪龙志, 杨春

(1.国网湖北省电力有限公司信息通信公司,湖北,武汉 430077;2.湖北华中电力科技开发有限责任公司,湖北,武汉 430077)

0 引言

近年来在电力“四化”建设的背景下,电力系统中的各类技术和管理模式都需要进行改革,当前通信网缺失统一的建设规划和标准,导致跨区域服务能力存在缺陷,需要进一步加强电力通信网的建设工作[1-2]。

近年来的电力通信网运维管理研究中:文献[3]方法使用路由器、交换机、网桥等通信设备建设了电力通信专网,进行了网络管理服务主机和管理工作站的集成化部署和管理;文献[4]系统采用了基于TCP/IP的以太网技术进行通信网的组网工作,引入了运维相关技术到管理体系中,对通信网络中的设备和网络服务进行远程监测和配置;文献[5]系统采用了基于SNMP网络管理协议对网络服务平台进行管理,实现了自动化采集电力通信网目标数据和平台共享,结合以太网工具完成日常运维管理;文献[6]方法通信网的主干网络使用了多协议标志交换协议,并提出了多维数据通信架构,应用网络故障定位、流量监控等功能。当前有些研究中电力通信网各地供电企业独立部署,集成化层面还具有一定的改进空间,尚未完成本地管理业务和运维数据视图的有机统一。

1 “电力+5G”通信网架构设计

1.1 通信网整体设计

为解决电网侧与用户侧之间的通信问题,本文设计了“电力+5G”通信网,应用第五代移动通信系统(5G),基于电力系统中不同的业务场景建立不同的组网方式,提出多业务接入的通信网架构,使得电力业务在多个区域网络之间进行灵活切换[7]。本文利用5G通信技术中的网络切片、网络功能虚拟化、软件定义网络等技术解决无线传输网络中有效承载和业务系统中的问题,实现同时服务多个电力用户,并保证不同安全等级的时延要求[8]。5G通信的理论峰值速率可达到10 Gbit/s,并支持EMBB、MMTC、URLLC等场景,有效满足局域网内部的实时通信要求。“电力+5G”通信网架构如图1所示。

图1 “电力+5G”通信网架构

在“电力+5G”通信网整体模型中,由控制平面、数据平面和应用平面组成,用户根据不同种类的业务需求借助应用面的接口API调用控制面的各类控制服务,控制面主要由控制器和操作系统组成,数据面包含了网络交换机、核心交换机、数据交换组件等装置,完成网络中数据处理等功能。控制面接收到系统内负载和流量的变化情况后对网络流量进行一定的控制,减少了网络反应时间,并加快了流量分发给其他系统的时间。在通信网络内支路之间相互建立数据链接时,控制面及时反应数据链路状态,进行相关的障碍处理[9]。通信网络中光网络单元向用户提供多个业务接口,并配合光线路终端接收广播数据流。网络设备网管采用了点对点接入和无源光纤传输技术,在通信网中提供各类业务服务,前置设备用于接收NR信号并将其转换为Wi-Fi信号,以连接到公共接入单元[10]。

1.2 基于FPGA的数字交换机设计

本文基于FPGA技术可编程语言对数据交换机进行设计,增加母线数量和扩展交换容量,加快输入输出母线的速率。数字交换机发送端将内部的并行数据转换为串行数据进行发送,数字交换芯片具有32条输入母线和32条输出母线,每个母线的输入输出数据速率为8 M/s以上,通信容量实现4096×4096通道数据存储器的每个存储单元为8 bit的并行码。数字交换机各模块结构如图2所示。

图2 数字交换机各模块结构

在图2中,时钟生成模块为整个数字交换机提供具体的时钟,保证整个系统处于正常的工作状态,其将帧同步信号的上升沿和下降沿信号作为控制信号使用。使用TESTBENCH产生的16.38 MHz时钟驱动整个电路,帧同步信号的周期为125 μs,输入时钟周期为61 μs,需要对输出信号和帧同步信号进行边沿采集,得到上升沿信号和下降沿信号。在数据发送模块,将地址信号和数据信号保存在持续存储器中,完成地址数据的交换。数据发送模块结构如图3所示。

图3 数据发送模块结构

在图3中,接续存储器的RAM深度为4096,位宽包含功能选择,RAM的宽度为16,接续存储器由2个4096×16 bit容量的RAM组成。其中,一个存储器用于交换机的交换模式和消息模式,另一个由微控制器控制进行读操作。

1.3 通信专网可靠路由优化方案

本文提出可靠路由优化方法用来解决通信专网可靠路由问题,综合考虑到通信网络特点,为各类业务场景提供实时可靠和安全的通信路由。以可靠路由最优化模型以电力通信网络模型为网络架构,可靠路由的时延、路由跳数和可靠性为约束条件,设定优化目标为网络节点的最小占用率标准差。在通信网络,通信终端提供业务通信路由通道,有线通信线路由交换机路由器等设备组成,光纤线路由光传输网络节点、中继节点和光纤链路组成。可靠路由最优化模型优化方法如图4所示。

图4 可靠路由最优化模型优化方法

有线通信设备路径时延、光电接口时延和光传输时延共同影响通信网络的路由传输时延,可表示为

(1)

式中,T0表示光传输时延,v0表示光纤链路中数据的传输速度,Bi表示通信网络光纤链路的长度,Tf表示光网络节点设备的处理时延,Nh表示路由跳数,Td表示路由总时延,Te表示有限路径时延,Tr表示光电接口时延,Tmax表示可靠路由传输时延的最大值。可靠路由最优化模型需要定义路由跳数约束,避免过多的路由跳数降低可靠性,路由跳数约束为

(2)

(3)

(4)

(5)

2 应用测试

在测试环境中部署各类服务器主机,操作系统使用CentOS,安装在信息机房内部,通信主干网络的接入通过统一下发的接入服务功能包,在内容代理服务器中进行安装。测试环境如图5所示。

图5 测试环境

在测试环境中,测试客户端使用内部办公PC主机,操作系统使用Windows 10 Professional 64 位版本。系统测试环境配置情况如表1所示。

表1 系统测试环境配置

在数据库中通过设置电力通信数据表进行实验数据的存储和维护,基于电力通信网络得到拓扑结构数据库,数据库中存有通信网络的网络参数、接入点的相关参数、区域数据、IP地址等数据。实验数据表如表2所示。

表2 实验数据表

在进行电力通信网的网络可靠度比较实验时,为该网络配置相同的100条系统业务,在实验过程中增加系统保护业务的数量,并计算网络的可靠度。实验时间设定为30 min,业务数范围设定为0～100条,使用文献[3]和文献[4]中的电力通信网作为比较方法,得到网络可靠度如图6所示。

由图6可知,随着网络中系统业务数量的不断增加,网络可靠度也在不断增长。文献[3]方法的网络可靠度增长较快,在业务数量增加到60时,网络可靠度增长到0.06以上,网络中系统业务量超过60以后,网络可靠度增长速率加快,业务数达到100时,网络可靠度高达0.182。文献[4]方法的网络可靠度最大为0.105,在业务数量低于50的情况下,网络可靠度小于0.04。由此可见,文献[3]和文献[4]方法均会导致节点间业务承载数量出现不平衡。

本文方法在系统业务数较多的情况下更有优势,网络可靠度明显低于文献[3]和文献[4]方法,业务数量在45以下时网络可靠度不足0.02,系统业务数量增加到70时网络可靠度为0.028,业务数量达到最大时网络可靠度为0.036。这是由于本文通信网络架构能够有效减小网络性能波动,综合考虑到了网络中各节点业务的占用情况。

将本文方法与文献[4]方法进行网络节点占用率比较实验,网络节点编号范围是1～20,实验过程中增加系统业务数量,计算得到网络节点占用率如图7所示。

图7 网络节点占用率

由图7可知,在通信网络中业务数量较多的情况下,文献[4]方法的网络节点占用率出现波动,节点占用率的最大值为52.4%,在17号节点处出现占用率最小值为2.5%,在增加系统业务数时没有考虑到当前网络节点通道的占用情况,导致节点占用率出现较大的波动。

本文方法的平均节点占用率要高于文献[4]方法,在增加新的业务时兼顾了当前网路的节点占用情况,所有节点占用率整体高于20%以上,节点占用率最大值为36.7%,网络节点占用率波动范围较小,大大提高了网络整体的资源利用率。

3 总结

本文设计了“电力+5G”通信网,使用第五代移动通信技术,应用数字交换机、数据处理组件、光传输网络终端、光网络交换机、控制器等网络设备,增强了通信网络的通信服务能力。基于FPGA设计出数字交换机,增加了交换机中输入输出母线数量,构建了可靠路由最优化模型,在电力通信网络模型的基础上能够进行可靠路由优化,对路由跳数和通信可靠性进行约束。在以后研究中还需对通信网络进行优化和调整,增强模块间的兼容性和网络的抗干扰能力。