RS系列串口在PTN架構(gòu)上的實(shí)現(xiàn) - 全文

　　分組傳送網(wǎng)PTN由于具有高性能和高性?xún)r(jià)比的優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于電力通信。傳統(tǒng)PTN 架構(gòu)沒(méi)有對(duì)RS系列串口的支持。為了滿足電力通信對(duì)RS串口的需求，采用在PTN架構(gòu)上二次開(kāi)發(fā)的方法，做了實(shí)地化業(yè)務(wù)部署實(shí)驗(yàn)，獲得了業(yè)務(wù)系統(tǒng)要求達(dá)到的效果，得到RS系列串口能夠在PTN架構(gòu)上實(shí)現(xiàn)的結(jié)論，在電力通信領(lǐng)域使用分組設(shè)備承載RS串口數(shù)據(jù)，具有創(chuàng)新意義。

　　0 引言

　　分組傳送網(wǎng)（PTN）是基于分組交換的、面向連接的多業(yè)務(wù)傳送技術(shù)，不僅能承載電信級(jí)以太網(wǎng)業(yè)務(wù)，而且還可支持承載TDM、ATM和IP業(yè)務(wù)，滿足網(wǎng)絡(luò)高可靠性、完善的OAM、網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性、嚴(yán)格QoS等傳送網(wǎng)屬性，是組建電力通信網(wǎng)的較好技術(shù)。 PTN 技術(shù)對(duì)于以太網(wǎng)業(yè)務(wù)天然支持，為保持對(duì)TDM業(yè)務(wù)的兼容性，采用MPLS-TP技術(shù)，對(duì)E1接口的業(yè)務(wù)進(jìn)行仿真。但電力通信中仍存在其他低速接口，如RS 232/485/422標(biāo)準(zhǔn)的串行接口仍在很多信息系統(tǒng)中運(yùn)行。為了提高傳輸系統(tǒng)的兼容性，希望能夠通過(guò)在PTN架構(gòu)基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，增加串行業(yè)務(wù)接口的支持。

　　1 PTN 分組傳送網(wǎng)

　　1.1 PTN技術(shù)架構(gòu)

　　PTN 設(shè)備由傳送平面模塊、控制平面模塊、管理平面模塊和DCN（Data Communication Network，數(shù)據(jù)通信網(wǎng)）處理模塊組成，其中數(shù)據(jù)平面包括QoS、交換、OAM、保護(hù)、同步（可選）等模塊，控制平面包括信令和資源管理等模塊，數(shù)據(jù)平面和控制平面采用UNI和NNI接口與其他設(shè)備相連，管理平面還可采用管理接口與其他設(shè)備相連。PTN設(shè)備系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

　　1.2 MPLS-TP

　　MPLS-TP是MPLS（多協(xié)議標(biāo)簽交換）的一個(gè)子集，去掉了無(wú)連接基于IP 的轉(zhuǎn)發(fā)，增加端到端的OAM 功能。PTN架構(gòu)使用MPLS-TP協(xié)議來(lái)構(gòu)建業(yè)務(wù)隧道，類(lèi)似于MPLS BGP/VPN的實(shí)現(xiàn)方式。MPLS-TP與IP/MPLS的區(qū)別在于PTN架構(gòu)其LSP的建立是基于靜態(tài)配置，而不是使用LDP協(xié)議自動(dòng)建立，強(qiáng)調(diào)了虛擬通道的可靠性。

　　1.3 PWE3

　　PWE3是邊緣到邊緣的偽線仿真，指在PTN中盡可能真實(shí)地模仿ATM、幀中繼、低速TDM 電路和SONET等業(yè)務(wù)的基本行為和特征的一種二層業(yè)務(wù)承載技術(shù)。

　　PWE3是PTN承載E1等低速TDM業(yè)務(wù)的關(guān)鍵。PTN首先通過(guò)MPLS-TP建立LSP管道，然后利用PWE3來(lái)仿真提供低速接口。

　　1.4 QoS

　　QoS（Quality of Service）服務(wù)質(zhì)量，是用于分組網(wǎng)絡(luò)的一種流量調(diào)節(jié)機(jī)制。MPLS-TP提供有連接的LSP管道，通過(guò)QoS為管道分配柔性帶寬，保證在各管道有數(shù)據(jù)的情況下具有承諾的帶寬使用，在管道空閑的時(shí)候又可以為其他管道讓出流量空間，極大地提高數(shù)據(jù)利用率。

　　1.5 OAM

　　網(wǎng)絡(luò)的管理工作劃分為3 大類(lèi)：操作（Operation）、管理（Administration）、維護(hù)（Maintenance），簡(jiǎn)稱(chēng)OAM.

　　PTN 與傳統(tǒng)IP 網(wǎng)絡(luò)的最大區(qū)別在于OAM 的要求上。

　　PTN 技術(shù)架構(gòu)提供了豐富的OAM 手段，將故障檢測(cè)水平提高到電信級(jí)別。

　　2 RS 串行接口

　　RS系列串行接口是傳統(tǒng)的低速通信接口，由美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）制定，主要在用的有三種，分別是RS232-C、RS 485和RS 422.

　　RS 232 接口是1970年由美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)器廠家及計(jì)算機(jī)終端生產(chǎn)廠家共同制定的用于串行通信的標(biāo)準(zhǔn)。它的全名是“數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）和數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE）之間串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)交換接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”。由于RS 232 接口標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)較早，信號(hào)電平值較高易損壞接口電路的芯片、傳輸速率較低、抗噪聲干擾性弱、傳輸距離有限等不足之處，因此后來(lái)又發(fā)展出RS 485、RS 422等接口。

　　RS 422接口在RS 232后推出，RS 422定義為全雙工的，一般采用4~5根通信線（區(qū)別在是否有地線），一個(gè)驅(qū)動(dòng)器可以驅(qū)動(dòng)最多10個(gè)接收器（即接收器為1/10單位負(fù)載），通信距離與通信速率有關(guān)系，一般距離短時(shí)可以使用高速率進(jìn)行通信，速率低時(shí)可以進(jìn)行較遠(yuǎn)距離通信，一般可達(dá)數(shù)百上千米。

　　RS 485接口在RS 422后推出，絕大部分繼承了RS 422，主要的差別是RS 485 可以是半雙工的，而且一個(gè)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)能力至少可以驅(qū)動(dòng)32個(gè)接收器（即接收器為1 32 單位負(fù)載），當(dāng)使用阻抗更高的接收器時(shí)可以驅(qū)動(dòng)更多的接收器。全雙工RS 485的驅(qū)動(dòng)/接收器對(duì)一定可以用在RS 422網(wǎng)絡(luò)。

　　RS系列串行接口在各類(lèi)電力自動(dòng)化系統(tǒng)中都有應(yīng)用，主要用于各種終端（表計(jì)、采集裝置、通信裝置等）的本地、短距信號(hào)通信。RS串行接口信號(hào)采用電平傳輸數(shù)字信號(hào)，信號(hào)可靠，成本低，適應(yīng)性廣，在當(dāng)時(shí)對(duì)以脈沖模擬信號(hào)為主的通信方式是一種巨大改進(jìn)，得到了廣泛應(yīng)用。隨著信息量不斷增大，RS串行接口容量低、傳輸距離短的弊端顯現(xiàn)，有些逐漸被高速標(biāo)準(zhǔn)接口所取代，但現(xiàn)有信息系統(tǒng)中仍存在RS接口。隨著通信系統(tǒng)的升級(jí)，很多通信設(shè)備已不再直接提供低速RS接口，需要轉(zhuǎn)換設(shè)備來(lái)轉(zhuǎn)接，大大增加了成本和管理難度。因此，在新技術(shù)的基礎(chǔ)上是否能夠兼容RS串行接口，成本如何，以及如何實(shí)現(xiàn)，成為眼前的一個(gè)課題。

　　3 技術(shù)方案

　　RS系列串口在PTN架構(gòu)上的實(shí)現(xiàn)選用南瑞集團(tuán)的SPTN產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案為基礎(chǔ)進(jìn)行改造。該方案的產(chǎn)品設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，便于擴(kuò)展。并且在PTN基本技術(shù)規(guī)格方面符合國(guó)家和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，并通過(guò)型式試驗(yàn)和工信部入網(wǎng)測(cè)試，是一個(gè)穩(wěn)定可靠的基礎(chǔ)方案。如圖2所示。

　　3.1 總體設(shè)計(jì)方案

　　在PTN 上實(shí)現(xiàn)RS 串口的功能，可以采用修改PWE3協(xié)議，為RS串口開(kāi)發(fā)一套功能模板，將RS協(xié)議的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行預(yù)設(shè)，來(lái)增加對(duì)RS 串口的支持，稱(chēng)為RSover MPLS，如圖3（a）所示。但這種方式將無(wú)法遵循國(guó)家國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，不具有通用性，改變了原產(chǎn)品的功能結(jié)構(gòu)，因此不宜采用。

　　在不改動(dòng)原始協(xié)議的情況下，只能采用先使用PWE3中認(rèn)可的某種協(xié)議，再硬件轉(zhuǎn)換為RS協(xié)議的方式。因?yàn)镽S協(xié)議速率低，為減少帶寬浪費(fèi)，所以選用幾種仿真通信協(xié)議中速率最低的E1協(xié)議來(lái)承載，稱(chēng)為RS over E1方案，如圖3（b）所示。此方案原理同在PTN 設(shè)備外加掛E1-RS 協(xié)議轉(zhuǎn)換器，但其管理和控制均由PTN 統(tǒng)一管理。

　　3.2 硬件設(shè)計(jì)

　　基礎(chǔ)設(shè)備SPTN 8500采用模塊化設(shè)計(jì)，由于是分組核心，因此設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相較SDH 等通信設(shè)備而言更類(lèi)似于路由器，包含子架（提供背板總線），電源主控一體板和各種接口的業(yè)務(wù)板三部分，因此本次開(kāi)發(fā)可以不對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行改動(dòng)，僅開(kāi)發(fā)一種新的業(yè)務(wù)板卡即可。欲開(kāi)發(fā)的RS串行接口業(yè)務(wù)板可以E1接口業(yè)務(wù)板為基礎(chǔ)，增加轉(zhuǎn)換電路，并將對(duì)外E1接口改為RS接口，采用RJ 45型物理接口規(guī)格。

　　3.3 協(xié)議切換

　　RS 232/485/422協(xié)議本質(zhì)類(lèi)似，只是接口電路略有不同，可通過(guò)在板卡上將該接口電路獨(dú)立出來(lái)，通過(guò)更換子電路板來(lái)完成協(xié)議間的切換。其中RS 485可通過(guò)RS422接口電路并線完成，而RS 232的電平與RS 485/422不同，不便于統(tǒng)一設(shè)計(jì)。最終設(shè)計(jì)為RS 232和RS 422兩種子電路板，插接在RS接口板上。RS 422子電路板上設(shè)置并接跳線，可切換為RS 485協(xié)議。

　　3.4 業(yè)務(wù)模型

　　PTN之上承載的業(yè)務(wù)分為E-Line、E-LAN和E-Tree三種業(yè)務(wù)模型，分別對(duì)應(yīng)于 p2p、mp2mp 和p2mp 三種拓?fù)淠Ｐ汀ｋm然RS 484/422是p2mp模型，但RS 232僅可工作在p2p模式。且由于RS業(yè)務(wù)是承載于E1通道之上，因此必須采用E-Line模型。

　　3.5 尋址方式

　　對(duì)于RS通信而言，其有自己的地址查找方式，這里關(guān)注在PTN內(nèi)部對(duì)每個(gè)RS通道的尋址方式。有兩種方案。一是LSP法，如圖4（a）所示，每個(gè)E1口在仿真時(shí)可手工配置一條LSP來(lái)對(duì)應(yīng)，這樣每個(gè)E1口僅能包含1個(gè)RS串口。E1的速率是2.048 Mb/s，而RS在異步模式下最高也僅能達(dá)到115 Kb/s，帶寬利用率僅為5.6%，如果希望提高帶寬的利用率，即在一個(gè)E1仿真通道中實(shí)現(xiàn)多個(gè)RS通道，那么僅采用LSP就難以區(qū)分，必須再設(shè)計(jì)一套在 E1通道中為各RS尋址的方案，如使用IP地址標(biāo)識(shí)同一E1下不同的RS通道，稱(chēng)之為IP法，如圖4（b）所示。IP法可以提高帶寬的利用率，但使PTN 結(jié)構(gòu)層次更加復(fù)雜，加大了配置和管理的難度，并且由于增加一層IP報(bào)頭封裝，影響轉(zhuǎn)發(fā)效率。經(jīng)過(guò)分析，認(rèn)為RS接口數(shù)量不多，而且RS 485/422還可以在設(shè)備外先行進(jìn)行并線匯接，進(jìn)一步減少接口需求數(shù)量，因此宜采用LSP尋址方案。

　　3.6 管理平面

　　設(shè)備的管理平面需增加RS 配置模塊，可依據(jù)E1配置模塊加以修改。另需在管理軟件中為RS 串口建模，建立相應(yīng)的標(biāo)志、配置模板和告警模板。

　　3.7 控制平面

　　由于采用LSP 尋址方案，RS 通道與E1 通道為1∶1對(duì)應(yīng)，因此控制平面無(wú)須再進(jìn)行功能擴(kuò)展，對(duì)RS通道所使用的保護(hù)檢測(cè)手段直接運(yùn)用E1方案即可。

　　4 部署應(yīng)用

　　搭載RS串行接口的PTN設(shè)備已在某電力通信專(zhuān)網(wǎng)進(jìn)行實(shí)地部署應(yīng)用，試運(yùn)行承載的業(yè)務(wù)主要是電力生產(chǎn)調(diào)度數(shù)據(jù)。

　　4.1 應(yīng)用拓?fù)?/p>

　　搭載RS串行接口的PTN設(shè)備在某供電公司組網(wǎng)拓?fù)淙鐖D5所示，共使用該型設(shè)備將8個(gè)變電站與區(qū)域調(diào)控中心相連。根據(jù)光纜路由，分別組成東環(huán)和西環(huán)兩個(gè)光纖環(huán)網(wǎng)。

　　4.2 承載業(yè)務(wù)

　　每臺(tái)設(shè)備采用雙電源主控板配置，充分考慮可靠性。每臺(tái)設(shè)備上不僅配置常規(guī)的FE網(wǎng)板和E1板，還配置搭載RS接口的串口板。為保障網(wǎng)絡(luò)可靠性，東西雙環(huán)都獨(dú)立配置了環(huán)網(wǎng)保護(hù)。

　　應(yīng)用場(chǎng)景中的主環(huán)均由變電站節(jié)點(diǎn)組成，每節(jié)點(diǎn)均有調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)、SCADA、視頻監(jiān)控、工作票系統(tǒng)和電能量采集等業(yè)務(wù)。其中電能量采集業(yè)務(wù)的電能表數(shù)據(jù)采集采用RS 485方式，經(jīng)過(guò)在站內(nèi)并線后，通過(guò)PTN環(huán)網(wǎng)在調(diào)控中心處集中，經(jīng)過(guò)串口服務(wù)器的數(shù)據(jù)合并，一同送至主站系統(tǒng)的前置采集服務(wù)器，完成電能量數(shù)據(jù)的采集過(guò)程。如圖6所示。

　　4.3 應(yīng)用效果

　　在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)本設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了一系列測(cè)試。

　　經(jīng)實(shí)際測(cè)試，主站端采集XJ變一塊電表時(shí)，平均響應(yīng)時(shí)間≤1 s.在采集P+、P-、Q+和Q-四個(gè)量的情況下，單塊電表經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)交換，采集完畢的平均時(shí)間<4 s.與現(xiàn)場(chǎng)采集的時(shí)間比較，通過(guò)PTN傳輸系統(tǒng)的時(shí)延僅有不到1 s的延遲增加。在一個(gè)RS 串口并聯(lián)采集8 塊電表的情況下，傳輸系統(tǒng)總時(shí)延<2 s.多于8塊電表終端需要采集的情況下，可增用一個(gè)RS口，同時(shí)采集不會(huì)增加時(shí)延。同樣測(cè)試項(xiàng)目下，對(duì)下一跳節(jié)點(diǎn)LH變進(jìn)行測(cè)試，傳輸系統(tǒng)總時(shí)延同樣<2 s，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)較大變化。

　　供電公司在建設(shè)縣域光纖骨干通信網(wǎng)時(shí)，通過(guò)技術(shù)選型比較，放棄了傳統(tǒng)的SDH/MSTP 體系，選用PTN 分組核心體系，在獲得更好性能的同時(shí)，成本也有所降低，已取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。電能量系統(tǒng)采集的需求除可以使用PTN 進(jìn)行改造設(shè)計(jì)外，也可以使用E1接口下掛E1/RS協(xié)議轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)。兩種方案相比，PTN改造方案減小了時(shí)延和不必要的故障點(diǎn)，無(wú)需單獨(dú)考慮取電，并且可以統(tǒng)一管理，而成本相似，可以說(shuō)進(jìn)一步提高了現(xiàn)有投資的效益成本比。

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　本課題依據(jù)電力業(yè)務(wù)實(shí)際需要，提出在原PTN標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，增加對(duì)RS串口支持的需求，綜合了開(kāi)發(fā)量、改造難度、成本和性能等方面的考慮，確定了較合適的方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成了產(chǎn)品試制和實(shí)際部署應(yīng)用，獲得了預(yù)期效果，取得了較好的效益。

　　本課題的完成，為滿足電力通信需求提供了新的方案，但其方案仍有可改進(jìn)之處。對(duì)于RS接口板的管理，可以增加終端故障檢測(cè)的功能，并建立相應(yīng)的告警集合，對(duì)PTN 管理系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)充，以便對(duì)通道進(jìn)行全方位檢測(cè)。另外對(duì)接入端的冗余也是改進(jìn)的一個(gè)方向，可考慮采用兩個(gè)RS接口互為主備，為RS的DTE終端提供更加完善可靠的接入。