RS系列串口在PTN架構(gòu)上的實現(xiàn)

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)擴展性、嚴格QoS等傳送網(wǎng)屬性[1],是組建電力通信網(wǎng)的較好技術(shù)。PTN 技術(shù)對于以太網(wǎng)業(yè)務(wù)天然支持，為保持對TDM業(yè)務(wù)的兼容性，采用MPLS-TP技術(shù)，對E1接口的業(yè)務(wù)進行仿真。但電力通信中仍存在其他低速接口，如RS 232/485/422標準的串行接口仍在很多信息系統(tǒng)中運行。為了提高傳輸系統(tǒng)的兼容性，希望能夠通過在PTN架構(gòu)基礎(chǔ)上加以改進，進行二次開發(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、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)議標簽交換)的一個子集，去掉了無連接基于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)議來構(gòu)建業(yè)務(wù)隧道，類似于MPLS BGP/VPN的實現(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)議自動建立，強調(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MPLS-TP建立LSP管道，然后利用PWE3來仿真提供低速接口。

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)機制。MPLS-TP提供有連接的LSP管道，通過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：操作(Operation)、管理(Administration)、維護(Maintenance)，簡稱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，將故障檢測水平提高到電信級別。

2 RS 串行接口

RS系列串行接口是傳統(tǒng)的低速通信接口，由美國電子工業(yè)協(xié)會(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年由美國電子工業(yè)協(xié)會(EIA)聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)器廠家及計算機終端生產(chǎn)廠家共同制定的用于串行通信的標準。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)之間串行二進制數(shù)據(jù)交換接口技術(shù)標準”.由于RS 232 接口標準出現(xiàn)較早，信號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)，一個驅(qū)動器可以驅(qū)動最多10個接收器(即接收器為1/10單位負載)，通信距離與通信速率有關(guān)系，一般距離短時可以使用高速率進行通信，速率低時可以進行較遠距離通信，一般可達數(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，而且一個驅(qū)動器的驅(qū)動能力至少可以驅(qū)動32個接收器(即接收器為1 32 單位負載)，當使用阻抗更高的接收器時可以驅(qū)動更多的接收器。全雙工RS 485的驅(qū)動/接收器對一定可以用在RS 422網(wǎng)絡(luò)。

RS系列串行接口在各類電力自動化系統(tǒng)中都有應(yīng)用，主要用于各種終端(表計、采集裝置、通信裝置等)的本地、短距信號通信。RS串行接口信號采用電平傳輸數(shù)字信號，信號可靠，成本低，適應(yīng)性廣，在當時對以脈沖模擬信號為主的通信方式是一種巨大改進，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)，有些逐漸被高速標準接口所取代，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，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，以及如何實現(xiàn)，成為眼前的一個課題。

3 技術(shù)方案

RS系列串口在PTN架構(gòu)上的實現(xiàn)選用南瑞集團的SPTN產(chǎn)品設(shè)計方案為基礎(chǔ)進行改造。該方案的產(chǎn)品設(shè)計采用模塊化設(shè)計，便于擴展。并且在PTN基本技術(shù)規(guī)格方面符合國家和國際標準，并通過型式試驗和工信部入網(wǎng)測試，是一個穩(wěn)定可靠的基礎(chǔ)方案。如圖2所示。

3.1 總體設(shè)計方案

在PTN 上實現(xiàn)RS 串口的功能，可以采用修改PWE3協(xié)議，為RS串口開發(fā)一套功能模板，將RS協(xié)議的相關(guān)參數(shù)進行預(yù)設(shè)，來增加對RS 串口的支持，稱為RSover MPLS,如圖3(a)所示。但這種方式將無法遵循國家國際標準，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。

在不改動原始協(xié)議的情況下，只能采用先使用PWE3中認可的某種協(xié)議，再硬件轉(zhuǎn)換為RS協(xié)議的方式。因為RS協(xié)議速率低，為減少帶寬浪費，所以選用幾種仿真通信協(xié)議中速率最低的E1協(xié)議來承載，稱為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。[!--empirenews.page--]

3.2 硬件設(shè)計

基礎(chǔ)設(shè)備SPTN 8500采用模塊化設(shè)計，由于是分組核心，因此設(shè)計結(jié)構(gòu)相較SDH 等通信設(shè)備而言更類似于路由器，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，因此本次開發(fā)可以不對原設(shè)計進行改動，僅開發(fā)一種新的業(yè)務(wù)板卡即可。欲開發(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)類似，只是接口電路略有不同，可通過在板卡上將該接口電路獨立出來，通過更換子電路板來完成協(xié)議間的切換。其中RS 485可通過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。最終設(shè)計為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，分別對應(yīng)于p2p、mp2mp 和p2mp 三種拓撲模型。雖然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)部對每個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E1口在仿真時可手工配置一條LSP來對應(yīng)，這樣每個E1口僅能包含1個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E1仿真通道中實現(xiàn)多個RS通道，那么僅采用LSP就難以區(qū)分，必須再設(shè)計一套在E1通道中為各RS尋址的方案，如使用IP地址標識同一E1下不同的RS通道，稱之為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報頭封裝，影響轉(zhuǎn)發(fā)效率。經(jīng)過分析，認為RS接口數(shù)量不多，而且RS 485/422還可以在設(shè)備外先行進行并線匯接，進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對應(yīng)，因此控制平面無須再進行功能擴展，對RS通道所使用的保護檢測手段直接運用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網(wǎng)進行實地部署應(yīng)用，試運行承載的業(yè)務(wù)主要是電力生產(chǎn)調(diào)度數(shù)據(jù)。

4.1 應(yīng)用拓撲

搭載RS串行接口的PTN設(shè)備在某供電公司組網(wǎng)拓撲如圖5所示，共使用該型設(shè)備將8個變電站與區(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)兩個光纖環(huán)網(wǎng)。

4.2 承載業(yè)務(wù)

每臺設(shè)備采用雙電源主控板配置，充分考慮可靠性。每臺設(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)都獨立配置了環(huán)網(wǎng)保護。

應(yīng)用場景中的主環(huán)均由變電站節(jié)點組成，每節(jié)點均有調(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)過在站內(nèi)并線后，通過PTN環(huán)網(wǎng)在調(diào)控中心處集中，經(jīng)過串口服務(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)的采集過程。如圖6所示。

4.3 應(yīng)用效果

在實際應(yīng)用中，對本設(shè)計方案進行了一系列測試。

經(jīng)實際測試，主站端采集XJ變一塊電表時，平均響應(yīng)時間≤1 s.在采集P+、P-、Q+和Q-四個量的情況下，單塊電表經(jīng)過數(shù)據(jù)交換，采集完畢的平均時間<4 s.與現(xiàn)場采集的時間比較，通過PTN傳輸系統(tǒng)的時延僅有不到1 s的延遲增加。在一個RS 串口并聯(lián)采集8 塊電表的情況下，傳輸系統(tǒng)總時延<2 s.多于8塊電表終端需要采集的情況下，可增用一個RS口，同時采集不會增加時延。同樣測試項目下，對下一跳節(jié)點LH變進行測試，傳輸系統(tǒng)總時延同樣<2 s,沒有發(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，通過技術(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，成本也有所降低，已取得較好的經(jīng)濟效益。電能量系統(tǒng)采集的需求除可以使用PTN 進行改造設(shè)計外，也可以使用E1接口下掛E1/RS協(xié)議轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)。兩種方案相比，PTN改造方案減小了時延和不必要的故障點，無需單獨考慮取電，并且可以統(tǒng)一管理，而成本相似，可以說進一步提高了現(xiàn)有投資的效益成本比。

5 結(jié)語

本課題依據(jù)電力業(yè)務(wù)實際需要，提出在原PTN標準架構(gòu)上進行二次開發(fā)，增加對RS串口支持的需求，綜合了開發(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行設(shè)計，完成了產(chǎn)品試制和實際部署應(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之處。對于RS接口板的管理，可以增加終端故障檢測的功能，并建立相應(yīng)的告警集合，對PTN 管理系統(tǒng)進行擴充，以便對通道進行全方位檢測。另外對接入端的冗余也是改進的一個方向，可考慮采用兩個RS接口互為主備，為RS的DTE終端提供更加完善可靠的接入。