CN113891480A - 一种基于twdm-pon的配电网多业务安全承载*** - Google Patents

一种基于twdm-pon的配电网多业务安全承载*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于TWDM‑PON的配电网多业务安全承载***以及用于该***的带宽分配方法，该***包括站端设备OLT和终端设备ONU；所述站端设备OLT设置于配电主站，上行用于将配电终端信息传输至配电主站，下行通过ODN通信网络与终端设备ONU通信连接；所述终端设备ONU为多个，设置于配电终端设备，所述多个终端设备ONU通过ODN通信网络与所述站端设备OLT通信连接，以将各终端设备的信息上传至站端设备OLT。本发明提供的技术方案，实现了EPON产品在智能配电网中使用并满足一套设备承载多种业务传输的安全承载要求；以及将TWDM‑PON技术在配电网通信网中直接使用。

Description

一种基于TWDM-PON的配电网多业务安全承载***
技术领域
本发明涉及配电网通信技术领域，尤其涉及一种基于TWDM-PON的配电网多业务安全承载***。
背景技术
随着智能配电网快速发展，以EPON和以太网交换机为代表的光纤通信技术在智能配电网通信领域得到大量应用。由于EPON技术和以太网交换技术均是解决IP数据传输的问题，其发展也是基于运营商多业务传输的需要，在出发点上与电力业务传输的安全、可靠、实时保证方面并不一致，特别是电力业务受电力安全防护规定限制，生产控制大区与管理信息大区业务需采用物理隔离传输，这就要求在规划时将配网业务与用电信息采集业务分割开，在同一条光缆上同时采用两套光通信产品(EPON、以太网交换机)分别传输生产控制大区和管理信息大区业务，造成了投资的翻倍和设备数量的倍增，也使得运行维护成本的倍增。在配电网中一个城市数以千、万计的设备规模上，投资成本将是不可忽视的问题。
TWDM-PON采用时分和波分复用的混合模式，通过波长堆叠技术将同一个ODN网络上的多个时分PON通道复用起来，提升了***的速度、容量、可靠性以及安全性，最大限度地利用现有的PON技术及ODN网络资源，实现网络的平滑升级。其ONU传输容量可达10G，适合在大容量、高速、多业务传输中使用。但其价格昂贵且与电力配网通信使用要求不完全相符，需要针对电力配电网通信要求进行设计和修改，使之满足配电网中多业务安全承载的要求。
发明内容
基于现有技术的上述情况，本发明的目的在于提供一种基于TWDM-PON的配电网多业务安全承载***，实现了TWDM-PON技术在配电网通信网中的直接使用。
为达到上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种基于TWDM-PON的配电网多业务安全承载***，包括站端设备OLT和终端设备ONU；
所述站端设备OLT设置于配电主站，上行用于将变配电终端信息传输至配电主站，下行通过ODN通信网络与终端设备ONU通信连接；
所述终端设备ONU为多个，设置于配电终端设备，所述多个终端设备ONU通过ODN通信网络与所述站端设备OLT通信连接，以将各终端设备的信息上传至站端设备OLT。
进一步的，所述站端设备OLT在下行方向，以广播方式将数据传输至各所述终端设备ONU。
进一步的，所述站端设备OLT通过复用和解复用器，将多路光信号通过阵列波导光栅复用成一路光信号，接入所述ODN通信网络；
所述光信号通过分光进行解复用，恢复成原光信号，并分配给各所述终端设备ONU。
进一步的，各所述终端设备ONU在上行方向，采用波分复用和时分复用相结合进行数据通信。
进一步的，各所述终端设备ONU根据站端设备OLT的统一调度，将每个波长被划分成不同的时隙承载不同的业务，通过时分复用共享上行带宽。
进一步的，各所述终端设备ONU进行数据通信，采用TWDM-PON的至少四对光波，以对不同业务数据进行承载。
进一步的，所述不同业务数据包括配电自动化数据、电能质量监测数据、用电信息采集数据和分布式能源数据。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于如本发明第一个方面所述的配电网多业务安全承载***的带宽分配方法，包括步骤：
S1、各终端设备ONU使用带内开销向OLT上报带宽请求；
S2、站端设备OLT基于可用带宽资源、终端设备ONU的上下行带宽需求和用户服务等级协议，根据终端设备ONU类型提供波长分配，并为每个终端设备ONU安排上下行传输窗口的长度和起始时刻；
S3、站端设备OLT根据所述分配结果发送下行业务数据和带宽授权；
S4、各终端设备ONU从授权带宽中获得上行带宽分配的结果，并在规定的时隙窗口发送上行业务。
进一步的，终端设备ONUi的最小保证带宽为：
Figure BDA0003363576270000031
其中：N表示终端设备ONU的总个数；i表示第i个终端设备ONU；K表示波长对数量；RN代表网络的传输速率；Tcycle表示最大授权周期；Tg表示传输窗口之间的保护时隙；Wi表示权值，且
Figure BDA0003363576270000032
进一步的，终端设备ONUi的授权带宽为：
Figure BDA0003363576270000033
其中，
Figure BDA0003363576270000034
为第i个终端设备ONUi的请求带宽。
综上所述，本发明提供了一种基于TWDM-PON的配电网多业务安全承载***以及用于该***的带宽分配方法，该***包括站端设备OLT和终端设备ONU；所述站端设备OLT设置于配电主站，上行用于将配电终端信息传输至配电主站，下行通过ODN通信网络与终端设备ONU通信连接；所述终端设备ONU为多个，设置于配电终端设备，所述多个终端设备ONU通过ODN通信网络与所述站端设备OLT通信连接，以将各终端设备的信息上传至站端设备OLT。本发明提供的技术方案，实现了EPON产品在智能配电网中使用并满足一套设备承载多种业务传输的安全承载要求；以及将TWDM-PON技术在配电网通信网中直接使用。
附图说明
图1是本发明实施例基于TWDM-PON的配电网多业务安全承载***的整体架构示意图；
图2是本发明实施例基于TWDM-PON的配电网多业务安全承载***中站端设备OLT和终端设备OUN通信的网络架构示意图；
图3是光汇聚接入网波长的分配示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
以下对本发明中涉及的技术术语进行说明。
无光源网络(Passive Optical Network，以下简称“PON”)：无光源网络PON是一种点对多点的光纤传输和接入技术，下行采用广播方式、上行采用时分多址方式，可以灵活地组成树形、星型、总线型等拓扑结构，在光分支点只需要安装一个简单的光分支器即可，因此具有节省光缆资源、带宽资源共享、节省机房投资、建网速度快、综合建网成本低等优点，在电力配电网有大量的应用。
以太网无源光网络(Ethernet Passive Optical Network，以下简称“EPON”)：以太网无源光网络EPON是是基于以太网的PON技术，它采用点到多点结构、无源光纤传输，在以太网之上提供多种业务。EPON技术由IEEE802.3 EFM工作组进行标准化。在该标准中将以太网和PON技术结合，在物理层采用PON技术，在数据链路层使用以太网协议，利用PON的拓扑结构实现以太网接入。
基于时分和波分复用无光源网络技术(Time and Wavelength DivisionMultiplexed-Passive Optical Network，以下简称“TWDM–PON”)：基于时分和波分复用的PON技术，在每根光纤提供四根或更多波长，每根波长可提供2.5Gbps或10Gbps对称或非对称速率的传输能力。TWDM技术既可以实现更高带宽(总带宽最高40Gbps，每用户最高可实现10Gbps)，也可以提供最理想化的灵活性，用于每用户带宽的调整、光纤的管理、业务的融合和资源的共享等，是通信行业下一代光纤接入NG-PON2的主要技术选择。
无色光网络单元(Optical Network Unit，以下简称“无色ONU”)：不同于固定波长ONU，在TWDM-PON无色ONU因无需管理ONU中的波长，使ONU变得简单，且***中各个ONU可以一模一样,安装和维护十分方便，可降低运维成本。无色ONU的发射波长是非特定的，它由外部因素例如远端节点的阵列波导光栅(AWG)的滤波属性或者ONU的注入光、种子光的波长所决定，无色ONU分为：基于频谱分割技术的无色ONU；外注入锁定和带有种子波长的无色ONU；自注入锁定法布里-珀罗激光器(FP-LD)和自种子光反射式半导体光放大器(RSOA)的无色ONU。
电力业务分区：以安全分区、网络专用、横向隔离、纵向认证为原则，把电力二次***划分为生产控制大区和管理信息大区。生产控制大区分为控制区(安全区Ⅰ)和非控制区(安全区Ⅱ)。信息管理大区分为生产管理区(安全区Ⅲ)和管理信息区(安全区Ⅳ)。不同安全区确定不同安全防护要求，其中安全区Ⅰ安全等级最高，安全区Ⅱ次之，其余依次类推。
电力TWDM-PON：在电力智能配电网中采用TWDM-PON设备传输配电自动化业务和用电信息采集信息等不同分区的业务，利用TWDM-PON不同波长的物理隔离方法解决配电网多业务在安全隔离下的可靠传输，具有高安全性、高可靠性、较高的实时性等特点。
下面对结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。根据本发明的一个实施例，提供了一种基于TWDM-PON的配电网多业务安全承载***，该***的整体架构示意图如图1所示，包括站端设备OLT和终端设备ONU；
站端设备OLT设置于配电主站，上行用于将变配电终端信息传输至配电主站，下行通过ODN通信网络与终端设备ONU通信连接；
终端设备ONU为多个，设置于配电终端设备，所述多个终端设备ONU通过ODN通信网络与所述站端设备OLT通信连接，以将各终端设备的信息上传至站端设备OLT。根据配电网业务特点，终端设备ONU可以分为三种：
生产控制大区用终端设备ONU(配置有双PON端口、4个FE端口和2个RS-485/232端口)；
管理信息大区用终端设备ONU(配置有单PON端口、4个FE端口和2个RS-485/232端口)；
光纤到户终端设备ONU(配置有单PON端口、4个FE端口、2个POS和1个CATV)。三种类型终端设备ONU分别采用不同的上下行波长。
本发明实施例该***采用基于交换与存储资源相结合的技术架构，其中站端设备OLT和终端设备OUN分别对不同业务使用独立的通信接口、分离的交换单元和存储单元，实现业务数据在电域信号处理过程中的等效物理隔离；在站端设备OLT和终端设备OUN之间的通信上采用波分复用的方案进行隔离，达到在光纤传输信道中等效物理隔离的效果；两者结合可实现不同安全大区业务在整个TWDM-PON的接入通信中的高度隔离即物理隔离。
图2中示出了本发明实施例基于TWDM-PON的配电网多业务安全承载***中站端设备OLT和终端设备OUN通信的网络架构示意图，采用以下的通信方式：
站端设备OLT在下行方向，以广播方式将数据传输至各所述终端设备ONU；站端设备OLT通过复用和解复用器，将多路光信号通过阵列波导光栅复用成一路光信号，接入所述ODN通信网络；光信号通过分光进行解复用，恢复成原光信号，并分配给各所述终端设备ONU。各终端设备ONU在上行方向，采用波分复用和时分复用相结合进行数据通信。各终端设备ONU根据站端设备OLT的统一调度，将每个波长被划分成不同的时隙承载不同的业务，通过时分复用共享上行带宽。各终端设备ONU进行数据通信，采用TWDM-PON的至少四对光波，以对不同业务数据进行承载。不同业务数据包括配电自动化数据、电能质量监测数据、用电信息采集数据和分布式能源数据。例如可以使用TWDM-PON的最基本的4对光波，分别承载上下行业务和终端设备ONU控制信息，TWDM-PON的所有波长落在C波段内，波长间隔符合ITU-T标准规定的50GHz栅格，上下行波长间有6nm的保护间隔，下行和上行波长分属蓝色和红色波段。所述TWDM-PON的最基本的4对光波为λu1,…,λu4,λd1,…,λd4。所述C波段范围为1530nm-1565nm。采用集中式的带宽分配，由站端设备OLT统一分配波长和时隙资源，并控制终端设备ONU执行分配结果。图3中示出了光汇聚接入网波长的分配示意图。在需要承载更多的业务数据时，也可以采用更多的光波对，在此不做具体限定。
本发明实施例提供的***中，将配网自动化、用电信息采集、光纤到户业务的电力多业务资源整合传输，利用对多个光波长的分配，实现***内多业务的有效安全隔离并可靠传输。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种用于如本发明第一个实施例所述的配电网多业务安全承载***的带宽分配方法，包括如下步骤：
S1、各终端设备ONU使用带内开销向OLT上报带宽请求；
S2、站端设备OLT基于可用带宽资源、终端设备ONU的上下行带宽需求和用户服务等级协议，根据终端设备ONU类型提供波长分配，并为每个终端设备ONU安排上下行传输窗口的长度和起始时刻；
S3、站端设备OLT根据所述分配结果发送下行业务数据和带宽授权；
S4、各终端设备ONU从授权带宽中获得上行带宽分配的结果，并在规定的时隙窗口发送上行业务。
终端设备ONUi的最小保证带宽为：
Figure BDA0003363576270000071
其中：N表示终端设备ONU的总个数；i表示第i个终端设备ONU；K表示波长对数量；RN代表网络的传输速率；Tcycle表示最大授权周期；Tg表示传输窗口之间的保护时隙；Wi表示权值，且
Figure BDA0003363576270000072
终端设备ONUi的授权带宽为：
Figure BDA0003363576270000073
其中，
Figure BDA0003363576270000081
为第i个终端设备ONUi的请求带宽
本发明该实施例所涉及的带宽分配方法中，在所设计的电力TWDM-PON方案中采用了集中式的带宽分配，由站端设备OLT统一分配波长和时隙资源，并控制终端设备ONU执行分配结果。因对终端设备ONU采用固定分配波长的方式，采用动态带宽分配(DWBA)算法也会极大的简化，当站端设备OLT收到所有终端设备ONU的REPORT消息后，开始运行资源分配机制，终端设备ONU带宽分配采用固定的分配周期，终端设备ONU的带宽请求不能超过预算的最大带宽门限。
综上所述，本发明涉及一种基于TWDM-PON的配电网多业务安全承载***以及用于该***的带宽分配方法，该***包括站端设备OLT和终端设备ONU；所述站端设备OLT设置于配电主站，上行用于将配电终端信息传输至配电主站，下行通过ODN通信网络与终端设备ONU通信连接；所述终端设备ONU为多个，设置于配电终端设备，所述多个终端设备ONU通过ODN通信网络与所述站端设备OLT通信连接，以将各终端设备的信息上传至站端设备OLT。本发明提供的技术方案，实现了EPON产品在智能配电网中使用并满足一套设备承载多种业务传输的安全承载要求；以及将TWDM-PON技术在配电网通信网中直接使用。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种基于TWDM-PON的配电网多业务安全承载***，其特征在于，包括站端设备OLT和终端设备ONU；
所述站端设备OLT设置于配电主站，上行用于将变配电终端信息传输至配电主站，下行通过ODN通信网络与终端设备ONU通信连接；
所述终端设备ONU为多个，设置于配电终端设备，所述多个终端设备ONU通过ODN通信网络与所述站端设备OLT通信连接，以将各终端设备的信息上传至站端设备OLT。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述站端设备OLT在下行方向，以广播方式将数据传输至各所述终端设备ONU。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述站端设备OLT通过复用和解复用器，将多路光信号通过阵列波导光栅复用成一路光信号，接入所述ODN通信网络；
所述光信号通过分光进行解复用，恢复成原光信号，并分配给各所述终端设备ONU。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，各所述终端设备ONU在上行方向，采用波分复用和时分复用相结合进行数据通信。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，各所述终端设备ONU根据站端设备OLT的统一调度，将每个波长被划分成不同的时隙承载不同的业务，通过时分复用共享上行带宽。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，各所述终端设备ONU进行数据通信，采用TWDM-PON的至少四对光波，以对不同业务数据进行承载。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述不同业务数据包括配电自动化数据、电能质量监测数据、用电信息采集数据和分布式能源数据。
8.一种用于如权利要求1-7中任意一项所述的配电网多业务安全承载***的带宽分配方法，其特征在于，包括步骤：
S1、各终端设备ONU使用带内开销向OLT上报带宽请求；
S2、站端设备OLT基于可用带宽资源、终端设备ONU的上下行带宽需求和用户服务等级协议，根据终端设备ONU类型提供波长分配，并为每个终端设备ONU安排上下行传输窗口的长度和起始时刻；
S3、站端设备OLT根据所述分配结果发送下行业务数据和带宽授权；
S4、各终端设备ONU从授权带宽中获得上行带宽分配的结果，并在规定的时隙窗口发送上行业务。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，终端设备ONUi的最小保证带宽为：
Figure FDA0003363576260000021
其中：N表示终端设备ONU的总个数；i表示第i个终端设备ONU；K表示波长对数量；RN代表网络的传输速率；Tcycle表示最大授权周期；Tg表示传输窗口之间的保护时隙；Wi表示权值，且
Figure FDA0003363576260000022
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，终端设备ONUi的授权带宽为：
Figure FDA0003363576260000023
其中，
Figure FDA0003363576260000024
为第i个终端设备ONUi的请求带宽。
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