“电力 5G”融合技术通信网架构设计.pdf

Microcomputer Applications Vol.39,No.10,2023文章编号：10 0 7-7 57 X(2023)10-0212-04技术交流“电力十5G”融合技术通信网架构设计微型电脑应用2 0 2 3年第39 卷第10 期陈家1，孙志峰1，曾铮1，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430 0 7 7；2.湖北华中电力科技开发有限责任公司，湖北，武汉430 0 7 7）摘要：电力通信网的可靠性影响着电网的稳定运行，为了保证电力业务的可靠传输，融合第五代移动通信技术建设“电力十5G”通信网，基于电力数据通信特征分析通信网架构，使用5G通信技术加强通信网的承载能力。在数据交换网络中完成串行数据与并行数据的转换，通信容量为40 9 6 40 9 6 通道，构建可靠路由最优化模型，对电力通信网络可靠路由的时延、路由跳数和可靠性进行约束。搭建测试环境进行实验，通过实验表明，该研究的通信网络在业务数量达到最大时，网络可靠度为0.036，网络节点占用率整体高于2 0%以上。关键词：第五代移动通信；通信网架构；数字交换机；通信容量；可靠路由中图分类号：TP37文献标志码：ADesign of Communication Network Architecturefor“Power+5G”Fusion TechnologyCHEN Jialin,SUN Zhifeng,ZENG Zheng,SUI Lujie,WANG Longzhi,YANG Chun?(1.Information and Communication Company of State Grid Hubei Electric Power Co.,Ltd.,Wuhan 430077,China;2.Hubei Huazhong Electric Power Technology Development Co.,Ltd.,Wuhan 430o77,China)Abstract:The reliability of the power communication network affects the stable operation of the power grid.In order to ensurethe reliable transmission of power services,this study integrates the fifth-generation mobile communication technology to builda power+5G communication network,analyzes the communication network architecture based on the characteristics ofpower data communication,and uses 5G communication technology to strengthen the carrying capacity of the communicationnetwork.The conversion of serial data and parallel data is completed in the data exchange network,and the communication ca-pacity is 4096X4096 channels:A reliable routing optimization model is constructed to constrain the delay,routing hops and re-liability of the reliable routing of the power communication network.A test environment is built to conduct experiments.Through the experiments,the communication network proposed has a network reliability of o.036 when the number of servicesreaches the maximum,and the overall network node occupancy rate is higher than 20%.Key words:5th generation mobile communication;communication network architecture;digital switch;communication capaci-ty;reliable routing文献4系统采用了基于TCP/IP的以太网技术进行通信网0引言的组网工作，引人了运维相关技术到管理体系中，对通信网近年来在电力“四化”建设的背景下，电力系统中的各类络中的设备和网络服务进行远程监测和配置；文献5系统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采用了基于SNMP网络管理协议对网络服务平台进行管设规划和标准，导致跨区域服务能力存在缺陷，需要进一步理，实现了自动化采集电力通信网目标数据和平台共享，结加强电力通信网的建设工作1-2。合以太网工具完成日常运维管理；文献6 方法通信网的主近年来的电力通信网运维管理研究中：文献3方法使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用路由器、交换机、网桥等通信设备建设了电力通信专网，进架构，应用网络故障定位、流量监控等功能。当前有些研究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；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作者简介：陈家（198 5一），男，硕士，高级工程师，研究方向为电力通信、5G通信技术、信息系统、网络安全、数据通信网；孙志峰（198 0 一），男，博士，高级工程师，研究方向为电力通信、电力通信光缆、电力传输网技术；曾（198 5一），女，本科，高级工程师，研究方向为电力通信、电力交换技术、无线通信；隋璐捷（1994一），女，硕士，工程师，研究方向为电力通信、5G通信技术、电力交换技术；汪龙志（1995一），男，硕士，工程师，研究方向为电力信息、网络安全、数据通信网；杨春（198 4一），男，本科，工程师，研究方向为电力通信、无线通信、5G通信技术。.212Microcomputer Applications Vol.39,No.10,2023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“电力十5G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、M M T C、U RLLC 等场景，有效满足局域网内部的实时通信要求。“电力十5G”通信网架构如图1所示。数字交换机网路交换机光网络交换机光线路终端集中控制系统数据交换组件1L5G网络公共接入设备接入站点网络设备网管分光器V1115G基站5G基站图1“电力+5G通信网架构在“电力十5G”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97。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，以技术交流连接到公共接人单元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，每个母线的输人输出数据速率为8 M/s以上，通信容量实现40 9 6 40 9 6 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。微处理器接口模块读数据存4096x8bit储器模块8M数据存串储器控并制模块1一时钟控制主机应用程序服务器实时通信服务器电力管理主站&数据交换组件。口前端设备光网络单元光网络单元1公共接入单元元公共接入单元公共接入单元电力监控终端电力监控终端装电力监控终端微型电脑应用2 0 2 3年第39 卷第10 期寄存器读写模块4096x8bit4096x8bit4096x8bit分频读写PLL控制模块模块产生边沿图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，其将顿同步信号的上升沿和下降沿信号作为控制信号使用。使用TEST-BENCH产生的16.38 MHz时钟驱动整个电路，顿同步信号的周期为12 5us，输入时钟周期为6 1s，需要对输出信号和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。数据存储器缓存器写接续存储4096x8 bi控制4096x8bitE输出8M并串控制模块图3数据发送模块结构在图3中，接续存储器的RAM深度为40 9 6，位宽包含功能选择，RAM的宽度为16，接续存储器由2 个40 96 X16 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.213接续存储器控制模块缓存区写控制模块8M并串接续存储器输出控制缓存器模块器控制持续存储器4096x16bi409616bi44096x8bit4096x8bit读写接续存储器控制模块Microcomputer Applications Vol.39,No.10,2023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。路器路由器路由器时延控制机制路由跳数控制机制可靠性控制机制确定源节点和目的节点设定路由最短路径计算传输总时延计算网络可靠度选择网络可靠度最小的路径图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BTo+T/Nh(Ta=T+T,+To Tmax式中，T。表示光传输时延，Uo表示光纤链路中数据的传输速度，B，表示通信网络光纤链路的长度，T，表示光网络节点设备的处理时延，N，表示路由跳数，Ta表示路由总时延，T。表示有限路径时延，T，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Ni Lmin式中，L。表示光纤物理路径的可靠度，L表示主路径可靠度，L表示备份路径可靠度，La表示传输总可靠度，L。表示有线路径可靠度，L，表示光电接口可靠度，Lmi表示可靠度下限。模型的优化目标为降低网络节点的占有率，防止过多业务接入的情况下出现局部节点或通信链路过载的情况，使用节点占有率表示节点资源的消耗情况，可表示为R,=2Zoafa/ZWJE式中，R，表示光网络传输节点的节点占用率，1表示当前业务数量，N表示业务总数量，o%表示业务通过节点传输情况，fa表示业务占用链路容量，表示光网络传输节点集合，W；技术交流表示光纤线路的链路容量11。采用节点占用率的标准差反应网络节点的波动情况，衡量整个通信网络的节点可靠性能，标准差可表示为minon路由器1中继节点光传输网络节点！门路由器光传输网络光传输网络节点节点路由请求(1)(3)N(4)214.微型电脑应用2 0 2 3年第39 卷第10 期Z(R;-R)2(5)式中,R表示平均节点占用率，P表示网络节点总数，p表示网络系数，表示网络可靠度，为可靠路由优化模型的优化目标。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。测试客户端路由器信息机房网络内容代理Web服务器服务器电力通信网图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Windows10Professional64位版本。系统测试环境配置情况如表1所示。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。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10 0 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 10 0 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6 0 时，网络可靠度增长到0.0 6 以上，网络中系统业务量超过6 0 以后，网络可靠度增长速率加快，业务数达到10 0 时，网络可靠度高达0.18 2。文献4方法的测试客户端办公业务网络交换机防火墙数据库服务器通信服务器测试客户端Microcomputer Applications Vol.39,No.10,2023类型测试客户端服务器主机操作系统数据库性能监测工具空间数据工具图上插件序号字段1TXH2QYH3PTI4OIH5TIN6ERB0.20F一本文方法-文献3方法0.16F-文献4方法影区0.120.080.04F0网络可靠度最大为0.10 5，在业务数量低于50 的情况下，网络可靠度小于0.0 4。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0.0 2，系统业务数量增加到7 0 时网络可靠度为0.0 2 8，业务数量达到最大时网络可靠度为0.0 36。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12 0，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。70一本文方法60F-文献4方法50F40F3020100技术交流表1系统测试环境配置由图7 可知，在通信网络中业务数量较多的情况下，文参数献4方法的网络节点占用率出现波动，节点占用率的最大处理器Intel酷睿i712700K值为52.4%，在17 号节点处出现占用率最小值为2.5%，在内存 32 GB DDR4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硬盘 M.2 1 TB况，导致节点占用率出现较大的波动。处理器Intel至强40 0本文方法的平均节点占用率要高于文献4方法，在增主频2.7 GHz加新的业务时兼顾了当前网路的节点占用情况，所有节点占内存 32 GB DDR4用率整体高于2 0%以上，节点占用率最大值为36.7%，网络CentOS 17.0.11节点占用率波动范围较小，大大提高了网络整体的资源利SQLServer2014用率。Siege集成版本PostgreSQL 7.0版OpenLayers 套件表2 实验数据表说明通信网内部编号归属区域名称业务平台IP地址端口号接人状态节点属性2040业务数图6 网络可靠度481216节点序号图7 区网络节点占用率微型电脑应用2 0 2 3年第39 卷第10 期3总结本文设计了“电力十5G”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、光网数据类型络交换机、控制器等网络设备，增强了通信网络的通信服务INT能力。基于FPGA设计出数字交换机，增加了交换机中输人INTINTVARCHARVARCHARINT6080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。参考文献1程路明，楼平，诸骏豪，等.基于APRIORI-贝叶斯优化XGBoost的电力通信网根告警预测JI.电力建设，2022,43(1):113-121.2 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