光纤-无线传感器网关在智能电网中的应用

谢宏伟，鲍常军，刘科学，赵 娟

（1.国网内蒙古东部电力有限公司，呼和浩特 010010；2.天津科技大学现代分析技术研究中心，天津 300457）

近几年，无源光网络［1］（passive optical networks，PON）已经发展成为一项成熟的高速宽带接入技术。集成式光纤-无线（fiber wireless，FiWi）宽带接入网络是PON支持网络构建中的一个特例，其结合了光网络的高速率和可靠性，以及无线技术的灵活性和覆盖范围广的优点［2］。PON支持的网络构建在智能电网通信中发挥着关键作用，特别是光纤-无线传感器网络（fiber-wireless sensor network，Fi-WSN）为智能电网的监测提供了独有的解决方案［3-4］。然而，将Fi-WSN广泛部署到智能电网之前，尚有一些难题必须解决。其中一个基本的挑战是：Fi-WSN的异构网络架构和电网监测任务中涉及到的流量负载服务质量（quality of service，QoS）。

众所周知，无源光网络技术已经成为宽带接入的一个重要组成部分。如文献［5］研究了光载射频通信协议，通过射频信号在中央机房对光载波进行调制，在模拟光纤链路中将其传播到远端天线单元，然后由客户进行无线接收。文献［6］详细分析了EPON系统中的局端OLT设备以及用户端ONU设备的需求，重点介绍了OLT设备的软硬件实现和各个模块的具体设计，以及EPON在用电采集系统中的应用。文献［7］在R＆F协议下，将EPON与全球微波互联接入（WiMAX）技术集成在一起，实现了包括集成式ONU-基站网关处良好的容量匹配。文献［8］以配电网典型PON网络结构为基础，从可靠性、分光级联、功率预算和部署方式等方面提出了PON网络规划约束条件，采用最小生成树算法生成PON网络的最优连接［8］。

在以上各种PON解决方案中，EPON和GPON解决方案在当前的电信基础设施和要求下被广泛采用。本文选择EPON作为光后端技术，因为EPON接入速度迅速，时间成本较优，能够完美融合到IP网络［9］。在智能电网环境的Fi-WSN架构下，本文提出了一个支持QoS的网关设计，旨在实现数据分级化，保证光纤到户／楼／街（fiber-to-thehome／building／curb，FTTX）［10］用户的服务质量，并可靠地传递WSN数据。Fi-WSN网络采用突发组装机制，以区分紧急数据包和非紧急数据包。实验结果表明：所提网关设计能够为高优先级数据包实现低延迟，同时保持 FTTX流量的 QoS和WSN的可靠性。

1 系统模型和要求

Fi-WSN通过一个无线和光纤混合接入网络，将智能电网数据传送到中央机房（CO）。该混合接入网络的前端包括一个对智能电网进行监测的WSN，而后端则采用了FTTX技术。本文EPON部署在R＆F接入网络的后端。该系统的基础设施如图1所示，其中ONU通过分布式光纤连接到分光器，而分布式光纤则被耦合到与OLT相连接的馈线光纤上［11-12］。在相应的架构中，一个 ONU可以向一个FTTX用户，或者一组Fi-Wi用户提供服务。

图1 智能电网的Fi-WSN架构

此外，Fi-Wi用户可以是一个无线接入节点。在智能电网监测中，WSN的作用是确保可靠性，以及在客户处实现高效的电力传输、配送和利用。在智能电网中，延迟要求的范围从数百毫秒至几分钟不等。其中，Fi-WSN网关要求如下：

1）消息优先级排序：这是Fi-WSN设计的主要难题，源自于前端网络的异构性。

2）协作上行传输：将有线数据和无线数据传输到CO的多个用户之间，共享单个馈线光纤带宽。必须要保证FTTX流量不会被WSN流量中断。

3）可靠的消息传递：在环境数据的传输之外，智能电网监测中的意外现象会触发报警数据。这些数据称为紧急数据，其需要以低延迟和低丢包率传递到CO，而发生在ONU处的缓冲区溢出现象可能会导致数据丢包。

2 Fi-WSN网关设计

考虑到上文所述要求，针对图1架构，本文设计一个Fi-WSN网关。图2以模块化的方式给出了所提Fi-WSN网关架构，基于数据包的优先等级对到达基站的数据包进行分类，并将其排队放入Fi-WSN网关的相应优先级队列。Fi-WSN网关负责协调处理WSN数据包，并将其聚集在一起，以待传输到相应的ONU缓冲区。突发组装机制将突发数据封装到服务等级队列中，该队列在被传输到ONU缓冲区之前要经过最终的突发数据聚合。

如图2所示，通过基站（base station，BS）到达网关的数据包首先要经过一个分类阶段。该过程中，数据包将被插入不同优先级的队列中。其后，突发组装机制将形成发送到ONU的突发数据。Fi-WSN网关的突发组装程序流程图如图3所示。仿真中所使用的符号如表1所示。

如图3所示，Fi-WSN网关始终通过WSN汇聚节点接收到达的数据包。如果进入的数据包中携带高优先级（紧急）标记，则网关尝试将该数据包立即转发给后端ONU；因此，该机制会检查高优先级缓冲区的占用情况。高优先级缓冲区被至少一个数据包占用的情况，可能是以下条件中的一个：

1）高优先级缓冲区已经开始进行队列解除；

2）低优先级突发数据聚合正在进行中。

图2 本文模块化的Fi-WSN网关架构

图3 Fi-WSN网关的突发组装程序流程

表1 仿真中使用的符号及其解释

无论上述哪种情况，到达的数据包都必须存储于高优先级队列中，如果高优先级队列解除正在进行中，则该数据包将会被立即移出队列。否则，数据包将在低优先级突发数据聚合过程中被移出队列。由于低优先级数据包中并没有携带延迟敏感性数据，为了不对当前的FTTX流量造成中断，低优先级数据包将被放在缓冲区，直到响应的队列长度超过STh。

突发组装［13］是一个持续不断的过程，在任何时间t，突发聚合器的决定都预示着新突发的形成，或者等待新数据包的到来。该过程表示如下：

从该流程图可以观察到：首先对低优先级数据包的有效性进行检查，然后再将其组装到突发中。由于低优先级数据包中携带了环境数据，因此与高优先级数据包相比，低优先级数据包的缓冲时间较长。这一策略可能会造成向CO发送过期数据的风险。因此，突发组装缓冲区必须立即丢弃过期消息，且突发聚合程序继续处理缓冲区中的下一个数据包。由于高优先级数据包报告意外现象或紧急消息，在CO处的OLT接收到该数据包之前，其始终被视为有效。由此，在WSN中路由延迟较高的情况下，一个高优先级数据包中可能会携带过期消息，但可以通过一个上层协议来处理响应消息的有效性问题。突发组装程序的有效性函数表示如下：

由于相应数据包的生成大于预定义的检测周期MP，因此若时间已经过去，则该低优先级数据包将被标记为无效。否则，相应的低优先级数据包将被标记为有效。

前端网络的异构性不仅由被监控资产的多样性表示，而且由WSN使用的协议栈表示。一般，根据应用来选择不同的协议栈（例如Zigbee协议栈［14］、WiFi［15］等）。举例来说，Zigbee的功耗较低，因此适用于功率受限型应用，而WiFi则适于实施比特率要求较高的应用。本文所述设计能够为异构Fi-WSN网络提供一种通用网关实现。

3 实验结果与分析

本文将WSN仿真融入EPON模拟器中，在不同场景下对提出的Fi-WSN网关进行了性能评价。为了体现所提方法的优异性，在仿真实验中，将未集成 WSN的基准 EPON［16-17］，以及 EPON结合WiMAX技术［7］作为对照组。另外，本文还对 Fi-WSN网关所区分的低优先级消息和高优先级消息所提供的服务质量进行性能比较。

3.1 仿真设置与说明

仿真设置如表2所示。Fi-WSN的后端为一个EPON，其分割比例为1∶16，其中每个ONU均与一个WSN相关联。假定每个WSN的覆盖面积为50 m×50 m，其中随机部署了50个传感器节点。由于传感器节点通常会报告环境测量数据，因此每个传感器节点生成恒定比特率（constant bit rate，CBR）流量，且本文在各种比特率下对所提方法进行测试。

事实上，高优先级数据包的生成为事件驱动型。与环境测量数据的生成相比，某个时间所导致的报警消息预计将以较低的频率出现。因此，一个WSN节点生成的数据包被标记为高优先级消息的概率相对较低，而高优先级数据包和低优先级数据包之间的比例（H∶L）根据场景不同而变化。

表2 仿真设置

提出的网关架构对于WSN中的路由方案是透明的。将ONU的缓冲区容量的10%预留给WSN流量，但FTTX数据包可以利用缓冲区中任何未使用的空间。通过仿真实验对FiWSN网关设计的性能进行评价时，平均端到端（E2E）延迟、最大延迟、数据包延迟变化和数据包丢失概率是关键的性能度量。值得一提，最大延迟指的是在整个仿真过程中一个给定类型的数据包所经历的最高延迟的数值。对于FTTX数据包，其E2E延迟为在ONU处的排队延迟，以及OLT产生的轮询延迟和准入延迟之和；而WSN数据包所经历的E2E延迟则是WSN中的路由延迟、汇聚节点处的缓冲延迟、ONU处的排队延迟以及OLT产生的轮询延迟和准入延迟的总和。图4～6中每个点代表十轮仿真实验得出的均值，其中置信区间为95%。

3.2 H∶L＝1∶9的场景

在该场景中，本文假定只有10%的WSN数据包携带高优先级消息。图4给出了在不同的FTTX负载等级和WSN中到达间隔时间下，每个数据包的E2E延迟，其中HP表示高优先级数据包，LP表示低优先级数据包。为证明所提Fi-WSN网关设计能够实现可靠的数据传递和协作式上行链路调度，将其与未集成WSN的传统EPON（基准），以及EPON结合WiMAX技术［7］进行比较。

图4 平均E2E延迟与目标负载关系

图4 （a）给出了当WSN中数据包到达间隔时间为1 s时得到的仿真结果，由图可知，WSN的集成并没有增加数据包的E2E延迟。此外，由于Fi-WSN网关中的分级化机制，与低优先级数据包相比，高优先级数据包的传递延迟要低得多，优于EPON-WiMAX。这主要得益于所提Fi-WSN网关设计通过面向服务级别的突发机制，将非紧急数据与紧急数据的传递区分开，而EPON-WiMAX主要使用动态带宽分配方案解决端到端延迟问题，将紧急和非紧急数据共同对待，缺乏对突发事件的处理机制。

图4（b）中，WSN数据包的到达间隔时间被降低到0.5 s，由于WSN信息到达的更加频繁，使得每个高优先级数据包与FTTX数据包的E2E延迟较为接近。因为高优先级数据包不需要经过缓冲阈值的突发组装程序，所以更频繁的WSN信息对高优先级数据包造成的延迟较少。另外，本文设计的高优先级数据包的生成为事件驱动型。某个时间所导致的报警消息将以较低的频率出现。

基于图4可以得出两个结论：

1）Fi-WSN网关处的突发组装程序将使高优先级数据包的延迟低于低优先级数据包；

2）较长的WSN数据包到达时间间隔，将使得低优先级和高优先级数据包的延迟均显著降低。

图5给出了当WSN数据包到达间隔时间为0.5 s时，在2个不同的STh（缓冲区规模分别为640个数据包和720个数据包）数值下，每个数据包的最大延迟。从图5（a）中可以观察到：从中等负载等级至高负载等级，高优先级数据包与FTTX数据包的变化趋势相同，而在图5（b）中，用于突发机制的STh数值增加到720个数据包，增加了高优先级数据包所经历的最大延迟。该结果符合预期，因为更高的STh数值将导致低优先级数据包的突发更大，而这又将使得高优先级数据包在汇聚节点处和ONU处的缓冲时间增加。因此，在Fi-WSN网关设计中应该选择较小的STh数值，以向高优先级WSN数据包提供更好的服务质量。

3.3 较大高优先级突发的场景

该场景中，本文增强了在Fi-WSN网关处高优先级数据包的突发组装机制。高优先级消息的STh数值设置为70个数据包，低优先级消息的STh数值设置为640个数据包。

图6给出了当低优先级消息STh为640个数据包时，WSN数据包到达间隔时间分别为0.5 s和1 s时的E2E延迟。如图6所示，在高优先级数据包中引入突发组装过程会增加这些数据包的E2E延迟，因为高优先级数据包必须在Fi-WSN网关处的高优先级队列中等待。此外，当WSN数据包到达间隔时间增加到1 s时，高优先级数据包的E2E延迟显著增加，该延迟甚至超过了当WSN消息之间无差异时的WSN数据包的E2E延迟。这是因为高优先级数据包在缓冲区中的时间更长，WSN消息到达的频率较低。

由此可知，仅在WSN数据包的到达频率较高的情况下，在Fi-WSN网关处对高优先级数据包实施突发组装机制才会在延迟方面带来的收益是有限的。这里说明一下该场景的数据包丢失概率，由于数据包丢失概率随不同的流量密度而变化，高优先级数据包突发不会增加汇聚节点处的WSN流量密度，因此光后端处的数据包丢失概率不受影响。

图5 最大延迟与目标负载的比较

图6 较高优先级突发下，平均E2E延迟与目标负载的关系

4 结束语

光纤-无线传感器网络（Fi-WSN）架构保留了无源光网络的高速率和低延迟的优点，同时具有WSN的高级监测能力、较大灵活性、较低成本和覆盖面积广的特性。本文着重解决Fi-WSN的WSN流量和FTTX流量的服务质量供给问题。所提QoS感知的Fi-WSN网关设计通过面向服务级别的突发机制，将非紧急数据与紧急数据的传递区分开。该方法能够将高优先级智能电网数据的延迟限制在特定范围内，同时向FTTX用户提供较好的QoS水平。在WSN报告消息的频率较为频繁的情况下，能够增强紧急消息的服务质量。

未来，本文将尝试提升关键智能电网应用的WSN性能，并进一步研究阈值的最优选择问题。