分組傳送網PTN由于具有高性能和高性價比的優(yōu)點，已廣泛應用于電力通信。傳統(tǒng)PTN 架構沒有對RS系列串口的支持。為了滿足電力通信對RS串口的需求，采用在PTN架構上二次開發(fā)的方法，做了實地化業(yè)務部署實驗，獲得了業(yè)務系統(tǒng)要求達到的效果，得到RS系列串口能夠在PTN架構上實現的結論，在電力通信領域使用分組設備承載RS串口數據，具有創(chuàng)新意義。

　　0 引言

　　分組傳送網（PTN）是基于分組交換的、面向連接的多業(yè)務傳送技術，不僅能承載電信級以太網業(yè)務，而且還可支持承載TDM、ATM和IP業(yè)務，滿足網絡高可靠性、完善的OAM、網絡擴展性、嚴格QoS等傳送網屬性，是組建電力通信網的較好技術。 PTN 技術對于以太網業(yè)務天然支持，為保持對TDM業(yè)務的兼容性，采用MPLS-TP技術，對E1接口的業(yè)務進行仿真。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架構基礎上加以改進，進行二次開發(fā)，增加串行業(yè)務接口的支持。

　　1 PTN 分組傳送網

　　1.1 PTN技術架構

　　PTN 設備由傳送平面模塊、控制平面模塊、管理平面模塊和DCN（Data Communication Network，數據通信網）處理模塊組成，其中數據平面包括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，數據平面和控制平面采用UNI和NNI接口與其他設備相連，管理平面還可采用管理接口與其他設備相連。PTN設備系統(tǒng)架構如圖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 的轉發(fā)，增加端到端的OAM 功能。PTN架構使用MPLS-TP協(xié)議來構建業(yè)務隧道，類似于MPLS BGP/VPN的實現方式。MPLS-TP與IP/MPLS的區(qū)別在于PTN架構其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)務的基本行為和特征的一種二層業(yè)務承載技術。

　　PWE3是PTN承載E1等低速TDM業(yè)務的關鍵。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）服務質量，是用于分組網絡的一種流量調節(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，保證在各管道有數據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，極大地提高數據利用率。

　　1.5 OAM

　　網絡的管理工作劃分為3 大類：操作（Operation）、管理（Administration）、維護（Maintenance），簡稱OAM.

　　PTN 與傳統(tǒng)IP 網絡的最大區(qū)別在于OAM 的要求上。

　　PTN 技術架構提供了豐富的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)、調制解調器廠家及計算機終端生產廠家共同制定的用于串行通信的標準。它的全名是“數據終端設備（DTE）和數據通信設備（DCE）之間串行二進制數據交換接口技術標準”。由于RS 232 接口標準出現較早，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），一個驅動器可以驅動最多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，而且一個驅動器的驅動能力至少可以驅動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動更多的接收器。全雙工RS 485的驅動/接收器對一定可以用在RS 422網絡。

　　RS系列串行接口在各類電力自動化系統(tǒng)中都有應用，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字信號，信號可靠，成本低，適應性廣，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，有些逐漸被高速標準接口所取代，但現有信息系統(tǒng)中仍存在RS接口。隨著通信系統(tǒng)的升級，很多通信設備已不再直接提供低速RS接口，需要轉換設備來轉接，大大增加了成本和管理難度。因此，在新技術的基礎上是否能夠兼容RS串行接口，成本如何，以及如何實現，成為眼前的一個課題。

　　3 技術方案

　　RS系列串口在PTN架構上的實現選用南瑞集團的SPTN產品設計方案為基礎進行改造。該方案的產品設計采用模塊化設計，便于擴展。并且在PTN基本技術規(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測試，是一個穩(wěn)定可靠的基礎方案。如圖2所示。

　　3.1 總體設計方案

　　在PTN 上實現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)議的相關參數進行預設，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，改變了原產品的功能結構，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 設備外加掛E1-RS 協(xié)議轉換器，但其管理和控制均由PTN 統(tǒng)一管理。

　　3.2 硬件設計

　　基礎設備SPTN 8500采用模塊化設計，由于是分組核心，因此設計結構相較SDH 等通信設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)務板三部分，因此本次開發(fā)可以不對原設計進行改動，僅開發(fā)一種新的業(yè)務板卡即可。欲開發(fā)的RS串行接口業(yè)務板可以E1接口業(yè)務板為基礎，增加轉換電路，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)一設計。最終設計為RS 232和RS 422兩種子電路板，插接在RS接口板上。RS 422子電路板上設置并接跳線，可切換為RS 485協(xié)議。

　　3.4 業(yè)務模型

　　PTN之上承載的業(yè)務分為E-Line、E-LAN和E-Tree三種業(yè)務模型，分別對應于 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，這里關注在PTN內部對每個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，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仿真通道中實現多個RS通道，那么僅采用LSP就難以區(qū)分，必須再設計一套在 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 結構層次更加復雜，加大了配置和管理的難度，并且由于增加一層IP報頭封裝，影響轉發(fā)效率。經過分析，認為RS接口數量不多，而且RS 485/422還可以在設備外先行進行并線匯接，進一步減少接口需求數量，因此宜采用LSP尋址方案。

　　3.6 管理平面

　　設備的管理平面需增加RS 配置模塊，可依據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，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 部署應用

　　搭載RS串行接口的PTN設備已在某電力通信專網進行實地部署應用，試運行承載的業(yè)務主要是電力生產調度數據。

　　4.1 應用拓撲

　　搭載RS串行接口的PTN設備在某供電公司組網拓撲如圖5所示，共使用該型設備將8個變電站與區(qū)域調控中心相連。根據光纜路由，分別組成東環(huán)和西環(huán)兩個光纖環(huán)網。

　　4.2 承載業(yè)務

　　每臺設備采用雙電源主控板配置，充分考慮可靠性。每臺設備上不僅配置常規(guī)的FE網板和E1板，還配置搭載RS接口的串口板。為保障網絡可靠性，東西雙環(huán)都獨立配置了環(huán)網保護。

　　應用場景中的主環(huán)均由變電站節(jié)點組成，每節(jié)點均有調度數據網、SCADA、視頻監(jiān)控、工作票系統(tǒng)和電能量采集等業(yè)務。其中電能量采集業(yè)務的電能表數據采集采用RS 485方式，經過在站內并線后，通過PTN環(huán)網在調控中心處集中，經過串口服務器的數據合并，一同送至主站系統(tǒng)的前置采集服務器，完成電能量數據的采集過程。如圖6所示。

　　4.3 應用效果

　　在實際應用中，對本設計方案進行了一系列測試。

　　經實際測試，主站端采集XJ變一塊電表時，平均響應時間≤1 s.在采集P+、P-、Q+和Q-四個量的情況下，單塊電表經過數據交換，采集完畢的平均時間<4 s.與現場采集的時間比較，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)現較大變化。

　　供電公司在建設縣域光纖骨干通信網時，通過技術選型比較，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 進行改造設計外，也可以使用E1接口下掛E1/RS協(xié)議轉換器來實現。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有投資的效益成本比。

　　5 結語

　　本課題依據電力業(yè)務實際需要，提出在原PTN標準架構上進行二次開發(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計，完成了產品試制和實際部署應用，獲得了預期效果，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。