光纖-無線傳感器網(wǎng)關(guān)在智能電網(wǎng)中的應用

謝宏偉，鮑常軍，劉科學，趙 娟

（1.國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司，呼和浩特 010010；2.天津科技大學現(xiàn)代分析技術(shù)研究中心，天津 300457）

近幾年，無源光網(wǎng)絡［1］（passive optical networks，PON）已經(jīng)發(fā)展成為一項成熟的高速寬帶接入技術(shù)。集成式光纖-無線（fiber wireless，F(xiàn)iWi）寬帶接入網(wǎng)絡是PON支持網(wǎng)絡構(gòu)建中的一個特例，其結(jié)合了光網(wǎng)絡的高速率和可靠性，以及無線技術(shù)的靈活性和覆蓋范圍廣的優(yōu)點［2］。PON支持的網(wǎng)絡構(gòu)建在智能電網(wǎng)通信中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，特別是光纖-無線傳感器網(wǎng)絡（fiber-wireless sensor network，F(xiàn)i-WSN）為智能電網(wǎng)的監(jiān)測提供了獨有的解決方案［3-4］。然而，將Fi-WSN廣泛部署到智能電網(wǎng)之前，尚有一些難題必須解決。其中一個基本的挑戰(zhàn)是：Fi-WSN的異構(gòu)網(wǎng)絡架構(gòu)和電網(wǎng)監(jiān)測任務中涉及到的流量負載服務質(zhì)量（quality of service，QoS）。

眾所周知，無源光網(wǎng)絡技術(shù)已經(jīng)成為寬帶接入的一個重要組成部分。如文獻［5］研究了光載射頻通信協(xié)議，通過射頻信號在中央機房對光載波進行調(diào)制，在模擬光纖鏈路中將其傳播到遠端天線單元，然后由客戶進行無線接收。文獻［6］詳細分析了EPON系統(tǒng)中的局端OLT設備以及用戶端ONU設備的需求，重點介紹了OLT設備的軟硬件實現(xiàn)和各個模塊的具體設計，以及EPON在用電采集系統(tǒng)中的應用。文獻［7］在R＆F協(xié)議下，將EPON與全球微波互聯(lián)接入（WiMAX）技術(shù)集成在一起，實現(xiàn)了包括集成式ONU-基站網(wǎng)關(guān)處良好的容量匹配。文獻［8］以配電網(wǎng)典型PON網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，從可靠性、分光級聯(lián)、功率預算和部署方式等方面提出了PON網(wǎng)絡規(guī)劃約束條件，采用最小生成樹算法生成PON網(wǎng)絡的最優(yōu)連接［8］。

在以上各種PON解決方案中，EPON和GPON解決方案在當前的電信基礎(chǔ)設施和要求下被廣泛采用。本文選擇EPON作為光后端技術(shù)，因為EPON接入速度迅速，時間成本較優(yōu)，能夠完美融合到IP網(wǎng)絡［9］。在智能電網(wǎng)環(huán)境的Fi-WSN架構(gòu)下，本文提出了一個支持QoS的網(wǎng)關(guān)設計，旨在實現(xiàn)數(shù)據(jù)分級化，保證光纖到戶／樓／街（fiber-to-thehome／building／curb，F(xiàn)TTX）［10］用戶的服務質(zhì)量，并可靠地傳遞WSN數(shù)據(jù)。Fi-WSN網(wǎng)絡采用突發(fā)組裝機制，以區(qū)分緊急數(shù)據(jù)包和非緊急數(shù)據(jù)包。實驗結(jié)果表明：所提網(wǎng)關(guān)設計能夠為高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包實現(xiàn)低延遲，同時保持 FTTX流量的 QoS和WSN的可靠性。

1 系統(tǒng)模型和要求

Fi-WSN通過一個無線和光纖混合接入網(wǎng)絡，將智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳送到中央機房（CO）。該混合接入網(wǎng)絡的前端包括一個對智能電網(wǎng)進行監(jiān)測的WSN，而后端則采用了FTTX技術(shù)。本文EPON部署在R＆F接入網(wǎng)絡的后端。該系統(tǒng)的基礎(chǔ)設施如圖1所示，其中ONU通過分布式光纖連接到分光器，而分布式光纖則被耦合到與OLT相連接的饋線光纖上［11-12］。在相應的架構(gòu)中，一個 ONU可以向一個FTTX用戶，或者一組Fi-Wi用戶提供服務。

圖1 智能電網(wǎng)的Fi-WSN架構(gòu)

此外，F(xiàn)i-Wi用戶可以是一個無線接入節(jié)點。在智能電網(wǎng)監(jiān)測中，WSN的作用是確?？煽啃裕约霸诳蛻籼帉崿F(xiàn)高效的電力傳輸、配送和利用。在智能電網(wǎng)中，延遲要求的范圍從數(shù)百毫秒至幾分鐘不等。其中，F(xiàn)i-WSN網(wǎng)關(guān)要求如下：

1）消息優(yōu)先級排序：這是Fi-WSN設計的主要難題，源自于前端網(wǎng)絡的異構(gòu)性。

2）協(xié)作上行傳輸：將有線數(shù)據(jù)和無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺O的多個用戶之間，共享單個饋線光纖帶寬。必須要保證FTTX流量不會被WSN流量中斷。

3）可靠的消息傳遞：在環(huán)境數(shù)據(jù)的傳輸之外，智能電網(wǎng)監(jiān)測中的意外現(xiàn)象會觸發(fā)報警數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)稱為緊急數(shù)據(jù)，其需要以低延遲和低丟包率傳遞到CO，而發(fā)生在ONU處的緩沖區(qū)溢出現(xiàn)象可能會導致數(shù)據(jù)丟包。

2 Fi-WSN網(wǎng)關(guān)設計

考慮到上文所述要求，針對圖1架構(gòu)，本文設計一個Fi-WSN網(wǎng)關(guān)。圖2以模塊化的方式給出了所提Fi-WSN網(wǎng)關(guān)架構(gòu)，基于數(shù)據(jù)包的優(yōu)先等級對到達基站的數(shù)據(jù)包進行分類，并將其排隊放入Fi-WSN網(wǎng)關(guān)的相應優(yōu)先級隊列。Fi-WSN網(wǎng)關(guān)負責協(xié)調(diào)處理WSN數(shù)據(jù)包，并將其聚集在一起，以待傳輸?shù)较鄳腛NU緩沖區(qū)。突發(fā)組裝機制將突發(fā)數(shù)據(jù)封裝到服務等級隊列中，該隊列在被傳輸?shù)絆NU緩沖區(qū)之前要經(jīng)過最終的突發(fā)數(shù)據(jù)聚合。

如圖2所示，通過基站（base station，BS）到達網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)包首先要經(jīng)過一個分類階段。該過程中，數(shù)據(jù)包將被插入不同優(yōu)先級的隊列中。其后，突發(fā)組裝機制將形成發(fā)送到ONU的突發(fā)數(shù)據(jù)。Fi-WSN網(wǎng)關(guān)的突發(fā)組裝程序流程圖如圖3所示。仿真中所使用的符號如表1所示。

如圖3所示，F(xiàn)i-WSN網(wǎng)關(guān)始終通過WSN匯聚節(jié)點接收到達的數(shù)據(jù)包。如果進入的數(shù)據(jù)包中攜帶高優(yōu)先級（緊急）標記，則網(wǎng)關(guān)嘗試將該數(shù)據(jù)包立即轉(zhuǎn)發(fā)給后端ONU；因此，該機制會檢查高優(yōu)先級緩沖區(qū)的占用情況。高優(yōu)先級緩沖區(qū)被至少一個數(shù)據(jù)包占用的情況，可能是以下條件中的一個：

1）高優(yōu)先級緩沖區(qū)已經(jīng)開始進行隊列解除；

2）低優(yōu)先級突發(fā)數(shù)據(jù)聚合正在進行中。

圖2 本文模塊化的Fi-WSN網(wǎng)關(guān)架構(gòu)

圖3 Fi-WSN網(wǎng)關(guān)的突發(fā)組裝程序流程

表1 仿真中使用的符號及其解釋

無論上述哪種情況，到達的數(shù)據(jù)包都必須存儲于高優(yōu)先級隊列中，如果高優(yōu)先級隊列解除正在進行中，則該數(shù)據(jù)包將會被立即移出隊列。否則，數(shù)據(jù)包將在低優(yōu)先級突發(fā)數(shù)據(jù)聚合過程中被移出隊列。由于低優(yōu)先級數(shù)據(jù)包中并沒有攜帶延遲敏感性數(shù)據(jù)，為了不對當前的FTTX流量造成中斷，低優(yōu)先級數(shù)據(jù)包將被放在緩沖區(qū)，直到響應的隊列長度超過STh。

突發(fā)組裝［13］是一個持續(xù)不斷的過程，在任何時間t，突發(fā)聚合器的決定都預示著新突發(fā)的形成，或者等待新數(shù)據(jù)包的到來。該過程表示如下：

從該流程圖可以觀察到：首先對低優(yōu)先級數(shù)據(jù)包的有效性進行檢查，然后再將其組裝到突發(fā)中。由于低優(yōu)先級數(shù)據(jù)包中攜帶了環(huán)境數(shù)據(jù)，因此與高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包相比，低優(yōu)先級數(shù)據(jù)包的緩沖時間較長。這一策略可能會造成向CO發(fā)送過期數(shù)據(jù)的風險。因此，突發(fā)組裝緩沖區(qū)必須立即丟棄過期消息，且突發(fā)聚合程序繼續(xù)處理緩沖區(qū)中的下一個數(shù)據(jù)包。由于高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包報告意外現(xiàn)象或緊急消息，在CO處的OLT接收到該數(shù)據(jù)包之前，其始終被視為有效。由此，在WSN中路由延遲較高的情況下，一個高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包中可能會攜帶過期消息，但可以通過一個上層協(xié)議來處理響應消息的有效性問題。突發(fā)組裝程序的有效性函數(shù)表示如下：

由于相應數(shù)據(jù)包的生成大于預定義的檢測周期MP，因此若時間已經(jīng)過去，則該低優(yōu)先級數(shù)據(jù)包將被標記為無效。否則，相應的低優(yōu)先級數(shù)據(jù)包將被標記為有效。

前端網(wǎng)絡的異構(gòu)性不僅由被監(jiān)控資產(chǎn)的多樣性表示，而且由WSN使用的協(xié)議棧表示。一般，根據(jù)應用來選擇不同的協(xié)議棧（例如Zigbee協(xié)議棧［14］、WiFi［15］等）。舉例來說，Zigbee的功耗較低，因此適用于功率受限型應用，而WiFi則適于實施比特率要求較高的應用。本文所述設計能夠為異構(gòu)Fi-WSN網(wǎng)絡提供一種通用網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)。

3 實驗結(jié)果與分析

本文將WSN仿真融入EPON模擬器中，在不同場景下對提出的Fi-WSN網(wǎng)關(guān)進行了性能評價。為了體現(xiàn)所提方法的優(yōu)異性，在仿真實驗中，將未集成 WSN的基準 EPON［16-17］，以及 EPON結(jié)合WiMAX技術(shù)［7］作為對照組。另外，本文還對 Fi-WSN網(wǎng)關(guān)所區(qū)分的低優(yōu)先級消息和高優(yōu)先級消息所提供的服務質(zhì)量進行性能比較。

3.1 仿真設置與說明

仿真設置如表2所示。Fi-WSN的后端為一個EPON，其分割比例為1∶16，其中每個ONU均與一個WSN相關(guān)聯(lián)。假定每個WSN的覆蓋面積為50 m×50 m，其中隨機部署了50個傳感器節(jié)點。由于傳感器節(jié)點通常會報告環(huán)境測量數(shù)據(jù)，因此每個傳感器節(jié)點生成恒定比特率（constant bit rate，CBR）流量，且本文在各種比特率下對所提方法進行測試。

事實上，高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包的生成為事件驅(qū)動型。與環(huán)境測量數(shù)據(jù)的生成相比，某個時間所導致的報警消息預計將以較低的頻率出現(xiàn)。因此，一個WSN節(jié)點生成的數(shù)據(jù)包被標記為高優(yōu)先級消息的概率相對較低，而高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包和低優(yōu)先級數(shù)據(jù)包之間的比例（H∶L）根據(jù)場景不同而變化。

表2 仿真設置

提出的網(wǎng)關(guān)架構(gòu)對于WSN中的路由方案是透明的。將ONU的緩沖區(qū)容量的10%預留給WSN流量，但FTTX數(shù)據(jù)包可以利用緩沖區(qū)中任何未使用的空間。通過仿真實驗對FiWSN網(wǎng)關(guān)設計的性能進行評價時，平均端到端（E2E）延遲、最大延遲、數(shù)據(jù)包延遲變化和數(shù)據(jù)包丟失概率是關(guān)鍵的性能度量。值得一提，最大延遲指的是在整個仿真過程中一個給定類型的數(shù)據(jù)包所經(jīng)歷的最高延遲的數(shù)值。對于FTTX數(shù)據(jù)包，其E2E延遲為在ONU處的排隊延遲，以及OLT產(chǎn)生的輪詢延遲和準入延遲之和；而WSN數(shù)據(jù)包所經(jīng)歷的E2E延遲則是WSN中的路由延遲、匯聚節(jié)點處的緩沖延遲、ONU處的排隊延遲以及OLT產(chǎn)生的輪詢延遲和準入延遲的總和。圖4～6中每個點代表十輪仿真實驗得出的均值，其中置信區(qū)間為95%。

3.2 H∶L＝1∶9的場景

在該場景中，本文假定只有10%的WSN數(shù)據(jù)包攜帶高優(yōu)先級消息。圖4給出了在不同的FTTX負載等級和WSN中到達間隔時間下，每個數(shù)據(jù)包的E2E延遲，其中HP表示高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包，LP表示低優(yōu)先級數(shù)據(jù)包。為證明所提Fi-WSN網(wǎng)關(guān)設計能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳遞和協(xié)作式上行鏈路調(diào)度，將其與未集成WSN的傳統(tǒng)EPON（基準），以及EPON結(jié)合WiMAX技術(shù)［7］進行比較。

圖4 平均E2E延遲與目標負載關(guān)系

圖4 （a）給出了當WSN中數(shù)據(jù)包到達間隔時間為1 s時得到的仿真結(jié)果，由圖可知，WSN的集成并沒有增加數(shù)據(jù)包的E2E延遲。此外，由于Fi-WSN網(wǎng)關(guān)中的分級化機制，與低優(yōu)先級數(shù)據(jù)包相比，高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包的傳遞延遲要低得多，優(yōu)于EPON-WiMAX。這主要得益于所提Fi-WSN網(wǎng)關(guān)設計通過面向服務級別的突發(fā)機制，將非緊急數(shù)據(jù)與緊急數(shù)據(jù)的傳遞區(qū)分開，而EPON-WiMAX主要使用動態(tài)帶寬分配方案解決端到端延遲問題，將緊急和非緊急數(shù)據(jù)共同對待，缺乏對突發(fā)事件的處理機制。

圖4（b）中，WSN數(shù)據(jù)包的到達間隔時間被降低到0.5 s，由于WSN信息到達的更加頻繁，使得每個高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包與FTTX數(shù)據(jù)包的E2E延遲較為接近。因為高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包不需要經(jīng)過緩沖閾值的突發(fā)組裝程序，所以更頻繁的WSN信息對高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包造成的延遲較少。另外，本文設計的高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包的生成為事件驅(qū)動型。某個時間所導致的報警消息將以較低的頻率出現(xiàn)。

基于圖4可以得出兩個結(jié)論：

1）Fi-WSN網(wǎng)關(guān)處的突發(fā)組裝程序?qū)⑹垢邇?yōu)先級數(shù)據(jù)包的延遲低于低優(yōu)先級數(shù)據(jù)包；

2）較長的WSN數(shù)據(jù)包到達時間間隔，將使得低優(yōu)先級和高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包的延遲均顯著降低。

圖5給出了當WSN數(shù)據(jù)包到達間隔時間為0.5 s時，在2個不同的STh（緩沖區(qū)規(guī)模分別為640個數(shù)據(jù)包和720個數(shù)據(jù)包）數(shù)值下，每個數(shù)據(jù)包的最大延遲。從圖5（a）中可以觀察到：從中等負載等級至高負載等級，高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包與FTTX數(shù)據(jù)包的變化趨勢相同，而在圖5（b）中，用于突發(fā)機制的STh數(shù)值增加到720個數(shù)據(jù)包，增加了高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包所經(jīng)歷的最大延遲。該結(jié)果符合預期，因為更高的STh數(shù)值將導致低優(yōu)先級數(shù)據(jù)包的突發(fā)更大，而這又將使得高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包在匯聚節(jié)點處和ONU處的緩沖時間增加。因此，在Fi-WSN網(wǎng)關(guān)設計中應該選擇較小的STh數(shù)值，以向高優(yōu)先級WSN數(shù)據(jù)包提供更好的服務質(zhì)量。

3.3 較大高優(yōu)先級突發(fā)的場景

該場景中，本文增強了在Fi-WSN網(wǎng)關(guān)處高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包的突發(fā)組裝機制。高優(yōu)先級消息的STh數(shù)值設置為70個數(shù)據(jù)包，低優(yōu)先級消息的STh數(shù)值設置為640個數(shù)據(jù)包。

圖6給出了當?shù)蛢?yōu)先級消息STh為640個數(shù)據(jù)包時，WSN數(shù)據(jù)包到達間隔時間分別為0.5 s和1 s時的E2E延遲。如圖6所示，在高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包中引入突發(fā)組裝過程會增加這些數(shù)據(jù)包的E2E延遲，因為高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包必須在Fi-WSN網(wǎng)關(guān)處的高優(yōu)先級隊列中等待。此外，當WSN數(shù)據(jù)包到達間隔時間增加到1 s時，高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包的E2E延遲顯著增加，該延遲甚至超過了當WSN消息之間無差異時的WSN數(shù)據(jù)包的E2E延遲。這是因為高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包在緩沖區(qū)中的時間更長，WSN消息到達的頻率較低。

由此可知，僅在WSN數(shù)據(jù)包的到達頻率較高的情況下，在Fi-WSN網(wǎng)關(guān)處對高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包實施突發(fā)組裝機制才會在延遲方面帶來的收益是有限的。這里說明一下該場景的數(shù)據(jù)包丟失概率，由于數(shù)據(jù)包丟失概率隨不同的流量密度而變化，高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包突發(fā)不會增加匯聚節(jié)點處的WSN流量密度，因此光后端處的數(shù)據(jù)包丟失概率不受影響。

圖5 最大延遲與目標負載的比較

圖6 較高優(yōu)先級突發(fā)下，平均E2E延遲與目標負載的關(guān)系

4 結(jié)束語

光纖-無線傳感器網(wǎng)絡（Fi-WSN）架構(gòu)保留了無源光網(wǎng)絡的高速率和低延遲的優(yōu)點，同時具有WSN的高級監(jiān)測能力、較大靈活性、較低成本和覆蓋面積廣的特性。本文著重解決Fi-WSN的WSN流量和FTTX流量的服務質(zhì)量供給問題。所提QoS感知的Fi-WSN網(wǎng)關(guān)設計通過面向服務級別的突發(fā)機制，將非緊急數(shù)據(jù)與緊急數(shù)據(jù)的傳遞區(qū)分開。該方法能夠?qū)⒏邇?yōu)先級智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)的延遲限制在特定范圍內(nèi)，同時向FTTX用戶提供較好的QoS水平。在WSN報告消息的頻率較為頻繁的情況下，能夠增強緊急消息的服務質(zhì)量。

未來，本文將嘗試提升關(guān)鍵智能電網(wǎng)應用的WSN性能，并進一步研究閾值的最優(yōu)選擇問題。