WiMAX與EPON融合接入網(wǎng)在電力通信中的應(yīng)用研究

王惠中 張奇?zhèn)b

（蘭州理工大學 電氣工程與信息工程學院，甘肅 蘭州 730050）

0 引言

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，能源問題日益突出，作為支柱的電力行業(yè)則倍受關(guān)注，電力工業(yè)是關(guān)系國計民生的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，其安全、可靠和有效供應(yīng)是當今社會正常運轉(zhuǎn)的重要物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)。

電力通信系統(tǒng)是保障電網(wǎng)安全運行和可靠供應(yīng)的關(guān)鍵，也是未來智能電網(wǎng)對數(shù)據(jù)的大規(guī)模、安全可靠傳輸?shù)闹匾疤?。目前國家電網(wǎng)公司已經(jīng)建成覆蓋全國的“三縱四橫”骨干光纖網(wǎng)絡(luò)，然而電力通信專網(wǎng)依然面臨著一些問題，諸如各區(qū)域電網(wǎng)主干網(wǎng)構(gòu)架較為薄弱，還沒有建成堅強骨干網(wǎng)架，電力通信抵御多重故障的能力較弱，35kv變電站到開閉站、用戶小區(qū)之間仍然缺乏有效通信手段，遠程抄表，配網(wǎng)自動化，營銷自動等業(yè)務(wù)難以有效開展，信息孤島普遍存在。因此一個安全、可靠、高速率傳輸?shù)慕尤刖W(wǎng)便顯得意義非凡了。

本文提出了WiMAX與EPON融合接入的方式，成本低廉、高帶寬、接入靈活、易于維護。WIMAX重在突出游牧性和移動性、接入靈活等特征，而EPON呈現(xiàn)出超高帶寬（可升級至10Gbps）、固定接入、成本低廉等方面。

1 WiMAX的優(yōu)勢及主要技術(shù)特點

WiMAX全稱為World wide Interoperability for Microwave Access，即全球微波接入互操作性，它是IEEE802.16系列標準的代名詞。其優(yōu)勢在于成本低，投資風險小;高帶寬（理論值可達75Mbps），更高的遠距離傳輸能力（可以在50km范圍內(nèi)傳輸）;完善的QoS機制;更優(yōu)的安全性能;網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃靈活，建網(wǎng)速度快。以下是WiMAX的主要技術(shù)特點。

（1）OFDM技術(shù)

OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復用）實際是多載波調(diào)制（MCM，Multi-Carrier Modulation）的一種。其主要思想是:把信道分成若干正交子信道，然后將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到每個子信道上進行傳輸。OFDM是公認的由3G向4G過度的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于其編碼技術(shù)的特點使得WiMAX的抗干擾能力得到增強。

（2）MIMO技術(shù)

采用MIMO（多輸入多輸出）技術(shù)，可以顯著提高系統(tǒng)容量和頻譜利用率，提高系統(tǒng)性能，減小多徑干擾。MIMO技術(shù)可以提高信道的容量，同時也可以提高信道的可靠性，降低誤碼率。

（3）QoS性能

WiMax標準定義了一系列相互協(xié)作的協(xié)議規(guī)范以保證無線接口上的QoS得到保證，包括MAC層的鑒權(quán)機制、業(yè)務(wù)流建立控制協(xié)議、調(diào)度算法、無線資源管理機制、和采用自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)來保證誤碼率的物理層機制。

2EPON簡介

2.1 基本原理

EPON（以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)）是一種采用P2MP（點到多點）結(jié)構(gòu)的單纖雙向光接入網(wǎng)絡(luò)，樹形結(jié)構(gòu)為其典型拓撲結(jié)構(gòu)。EPON由于利用了低成本的以太網(wǎng)設(shè)備和光纖設(shè)施，使其成為解決“最后一公里”或“第一公里”問題的極富前景的解決方案。

EPON系統(tǒng)由局側(cè)的OLT（光線路終端）、用戶側(cè)的ONU（光網(wǎng)絡(luò)單元）和ODN（光分配網(wǎng)絡(luò)）組成，為單光纖雙向系統(tǒng)。EPON的參考結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 EPON參考結(jié)構(gòu)

2.2 EPON的主要優(yōu)點

（1）因為EPON采用無源器件，所以相對成本低，維護簡單，易于擴展和升級，當從1Gbit/s升級到10Gbit/s時不需要更換光纖。

（2）高速率。EPON采用復用技術(shù)，可以提供1Gbit/s的帶寬。

（3）帶寬分配靈活。EPON可以通過DiffServ（區(qū)分服務(wù)）和IntServ（集成服務(wù)）等來實現(xiàn)和保障不同用戶的QoS（服務(wù)質(zhì)量）。

（4）EPON與現(xiàn)有以太網(wǎng)兼容，以太網(wǎng)技術(shù)則是目前最為先進的局域網(wǎng)技術(shù)，所以與其兼容使得EPON具有很大的優(yōu)勢。

3WiMAX與EPON的融合網(wǎng)絡(luò)

接入網(wǎng)發(fā)展的總趨勢是寬帶化、光與無線融合化。光纖通信能夠提供足夠的帶寬，但是接入不靈活。無線通信能夠提供靈活的接入方式但是帶寬有限。光與無線融合網(wǎng)絡(luò)結(jié)合二者之長，解決帶寬與靈活性之間的矛盾，成為未來接入網(wǎng)的發(fā)展趨勢。

作為3G標準之一的WiMAX網(wǎng)絡(luò)在帶寬分配調(diào)度等方面與EPON的有相似之處，為二者的融合奠定基礎(chǔ)，使得融合網(wǎng)絡(luò)具有諸多優(yōu)點。首先WIMAX與EPON融合網(wǎng)絡(luò)同時為用戶提供有線接入和無線接入，方便靈活。第二相似的業(yè)務(wù)類型分類，基于優(yōu)先級的帶寬分配調(diào)度機制，使得二者的融合網(wǎng)絡(luò)具有高帶寬利用率，保證不同業(yè)務(wù)的QoS。第三，WiMAX和EPON融合可能帶來網(wǎng)絡(luò)操作的簡單:統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)管理，快速切換等。最后，融合網(wǎng)絡(luò)相比兩個相互獨立的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和維護的成本則更低。求將業(yè)務(wù)分成多種類型，并通過在IP頭設(shè)置值將網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)分為不同的行為聚集類，對不同行為聚集類采取不同的逐跳轉(zhuǎn)發(fā)模式。融合網(wǎng)絡(luò)的QoS實現(xiàn)架構(gòu)如圖2所示。

WiMAX與EPON融合的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示，一個融合型的OLT所帶ONU是具有基站功能的融合型ONU，用戶通過WiMAX無線鏈路連接融合型ONU融合型ONU通過EPON把無線業(yè)務(wù)傳輸至融合型OLT，再由OLT發(fā)送到核心網(wǎng)。

圖3WiMASX與EPON融合接入系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)部署示意圖

4 融合網(wǎng)絡(luò)在智能電網(wǎng)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

近年來，電力通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)模得到了飛速發(fā)展，建成了覆蓋全國的“三縱四橫”骨干光纖網(wǎng)絡(luò)，圖4為全國電力骨干網(wǎng)拓撲圖。

這 樣，一個高速率、大容量、接入靈活的接入網(wǎng)絡(luò)便顯得尤為重要。WiMAX與EPON的融合網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)在這樣的背景下可謂適得其所:具有高帶寬;與已有的光網(wǎng)絡(luò)可以無縫銜接;無線網(wǎng)絡(luò)的靈活接入。WiMAX與EPON的融合網(wǎng)絡(luò)不失為新時期電力通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)的一個極佳的解決方案。

圖4 全國電力通信骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

圖2 融合網(wǎng)絡(luò)的OoS實現(xiàn)架構(gòu)

WiMAX與EPON具有兩種不同的Qos機制，為此IETF提出了DiffServ（區(qū)分服務(wù)）的概念模型，它的主要思想是根據(jù)用戶需

4.1 重要廠站

隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展，大部分變電站已實現(xiàn)無人值守，一些重要廠站要求具有2種獨立的通信方式。目前采用的大多是有源的光傳輸網(wǎng)絡(luò)，EPON則是無源器件，可以減少故障率和維護成本，WiMAX則增加了游牧性和靈活性。WiMAX技術(shù)可以為廠站提供高速無線接入，滿足調(diào)度、遠動、繼電保護信息等數(shù)據(jù)在2種獨立通信方式下的穩(wěn)定、可靠傳輸。

4.2 營銷智能化

營業(yè)所到110kV或35 kV變電站之間離通常在10 km以內(nèi)，假如他們之間的通信都采用光纖，則成本非常大，用WiMAX提供的無線網(wǎng)絡(luò)有足夠的帶寬滿足營業(yè)所的網(wǎng)絡(luò)需求，為將來實現(xiàn)辦公自動化，視頻監(jiān)控VoIP等多媒體業(yè)務(wù)建立良好的通信平臺。

目前國內(nèi)采用的用戶電表采集方式有下面幾種:①人工抄表:手工結(jié)算，誤差大，效率低。②IC卡預(yù)付費表:易造成人為破壞不能及時監(jiān)控。③有線抄表系統(tǒng):施工周期長、工程安裝及維護成本高，有建筑改造也很不方便，耗時耗力。④無線抄表系統(tǒng):無需架設(shè)電纜，可迅速建起通信鏈路，工程周期大大縮短。WiMAX建立的無線網(wǎng)絡(luò)則可以實現(xiàn)抄表智能化的全面覆蓋。

4.3 應(yīng)急通信及配電自動化

電力在現(xiàn)代社會中扮演著越來越重要的角色，人們似乎一刻也離不了，當面對自然災(zāi)害、突發(fā)事件或者臨時施工的現(xiàn)場，則需要建立臨時的通信系統(tǒng)。有線通信恢復速度慢，架設(shè)周期相對較長，WiMAX基站覆蓋面廣，建立簡單迅速，建設(shè)地點靈活，可以提供高速接入，因而在應(yīng)急通信方面有著得天獨厚的優(yōu)越性。

配電自動化（DA）是一項集計算機技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸、控制技術(shù)、現(xiàn)代化設(shè)備及管理于一體的綜合信息管理系統(tǒng)，這就要求通信的速度、安全性方面比較高。在工業(yè)發(fā)達國家，配電系統(tǒng)自動化受到了廣泛的重視，已經(jīng)形成了集變電站自動化、饋線分段開關(guān)測控、電容器組調(diào)節(jié)控制、用戶負荷控制和遠方抄表等系統(tǒng)于一體的配電網(wǎng)管理系統(tǒng)（DMS）。

在我國電力行業(yè)中，大量的配電網(wǎng)變電站、開關(guān)站，分布范圍廣、終端數(shù)量大、分散、距離遠，受通信能力限制，我國的配電自動化則受到很大制約。這些大量的終端，無法全部鋪設(shè)光纖，采取與無線WiMAX相結(jié)合的方法，靈活多變，使電力通信有了雙重保障。

4.4 電力通信展望

電信市場的自由化為電力通信提供了新機遇，電力通信網(wǎng)除了保障自身通信的需求，還可以對外提供數(shù)據(jù)鏈路。

在美國，電力系統(tǒng)通信已成為政府提出的信息高速公路計劃的一個重要組成部分;韓國電力數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)公司，向社會提供因特網(wǎng)業(yè)務(wù)、有線電視傳輸業(yè)務(wù)、電力系統(tǒng)遠方自動抄表業(yè)務(wù)以及向有關(guān)部門出租OPGW帶寬容量業(yè)務(wù);隨著芬蘭對電信管制的開放，芬蘭國家電力公司成立了TELIVO通信公司，對外出租光纜纖芯、電路，出售帶寬、經(jīng)營長途通信業(yè)務(wù)。

我國電力通信主干線路已經(jīng)完善，引入WiMAX與EPON融合的接入網(wǎng)，讓電力通信網(wǎng)在市場上更具競爭力，相信在可期待的將來電力通信網(wǎng)提供的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)會成為電力公司的一個新的業(yè)務(wù)增長點。

5 結(jié)束語

隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的不斷深入和發(fā)展，對通信的要求也越來越高，本文所采用的融合網(wǎng)絡(luò)可以很好的滿足電力系統(tǒng)通信的要求。當然，融合網(wǎng)絡(luò)的引入，使得電力通信網(wǎng)更加龐大復雜，這就需要加強網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和統(tǒng)一管理，這也是WiMAX與EPON融合網(wǎng)絡(luò)的重點和難點。

［1］唐雄燕，寬帶無線接入技術(shù)及應(yīng)用（第二版）［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

［2］陳雪.無源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［M］.北京:北京郵電大學出版社，2005.

［3］齊淑清，王一榮，張輝。WiMAX技術(shù)建設(shè)智能化電網(wǎng)紅應(yīng)用探討［J］.中國電力，2009，42（12）:27 －30.

［4］丁道齊，中國電力通信要創(chuàng)新機制，向新一代公共電信運營公司方向轉(zhuǎn)變［J］.中國電力，2001，34（3）:1－7.