RS系列串口在PTN架構(gòu)上的實(shí)現(xiàn)

摘 要： 分組傳送網(wǎng)PTN由于具有高性能和高性價比的優(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(gòu)上二次開發(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。

關(guān)鍵詞： 分組傳送網(wǎng)； RS； 串口； 電力通信

中圖分類號： TN915.853?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）23?0091?04

Implementation of RS series serial interface on PTN architecture

YE Zhi?yuan， WANG Guang?fa， LI Zhi?hao， CHEN Jun

（Anhui NARI Group Co.， Ltd.， Hefei 230088， China）

Abstract： Since the PTN has the advantages of high?performance and high cost?effective， it has been widely applied in the field of electric power communication. Traditional PTN architecture does not support the RS series serial port. In order to meet the needs of the RS serial port in electric power communication， the method of secondary development on PTN architecture is used in the test of business deployment on spot， and the results meet the service systems requirement. The conclusion of RS series serial port can be achieved on PTN architecture is obtained. Using packet equipment bear RS serial port is innovative in the field of electric power communication.

Keywords： PTN； RS； serial port； electric power communication

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(kuò)展性、嚴(yán)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(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，希望能夠通過在PTN架構(gòu)基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，進(jìn)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(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[2]。PTN設(shè)備系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 PTN設(shè)備系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.2 MPLS?TP

MPLS?TP是MPLS（多協(xié)議標(biāo)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(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)[3]。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(jī)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(hù)（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RS 232?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(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(fù)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(jìn)行通信，速率低時可以進(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[132]單位負(fù)載），當(dāng)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(dāng)時對以脈沖模擬信號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，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(shí)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(shí)現(xiàn)選用南瑞集團(tuán)的SPTN產(chǎn)品設(shè)計方案為基礎(chǔ)進(jìn)行改造。該方案的產(chǎn)品設(shè)計采用模塊化設(shè)計，便于擴(kuò)展。并且在PTN基本技術(shù)規(guī)格方面符合國家和國際標(biāo)準(zhǔn)，并通過型式試驗(yàn)和工信部入網(wǎng)測試[4]，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(shí)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(jìn)行預(yù)設(shè)，來增加對RS串口的支持，稱為RS over MPLS，如圖3（a）所示。但這種方式將無法遵循國家國際標(biāo)準(zhǔn)[3]，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(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。

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(jìn)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。

圖3 擴(kuò)展RS接口的兩種方案

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(dú)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RS 422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[5]，分別對應(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(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E1仿真通道中實(shí)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(biāo)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(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。

圖4 RS接口的兩種尋址方案

3.6 管理平面

設(shè)備的管理平面需增加RS配置模塊[6]，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[7]。

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(jìn)行功能擴(kuò)展，對RS通道所使用的保護(hù)檢測手段直接運(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)。

圖5 某供電公司系統(tǒng)應(yīng)用拓?fù)鋱D

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(dú)立配置了環(huán)網(wǎng)保護(hù)。

應(yīng)用場景中的主環(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(shí)際應(yīng)用中，對本設(shè)計方案進(jìn)行了一系列測試。經(jīng)實(shí)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(diǎn)LH變進(jìn)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。

圖6 改進(jìn)PTN為電量采集提供RS通道

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(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)計外，也可以使用E1接口下掛E1/RS協(xié)議轉(zhuǎn)換器來實(shí)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(diǎn)，無需單獨(dú)考慮取電，并且可以統(tǒng)一管理[8]，而成本相似，可以說進(jìn)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(shí)際需要，提出在原PTN標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)上進(jìn)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(jìn)行設(shè)計，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[9]，對PTN管理系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)充，以便對通道進(jìn)行全方位檢測[10]。另外對接入端的冗余也是改進(jìn)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。

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作者簡介：葉志遠(yuǎn) 男，1982年出生，安徽人，在讀碩士，助理工程師。研究方向?yàn)殡娏νㄐ拧?/p>

王光發(fā) 男，1967年出生，湖南人，碩士，講師。研究方向?yàn)殡娏νㄐ拧?/p>

李志浩 男，1981年出生，安徽人，碩士，工程師。研究方向?yàn)殡娏νㄐ拧?/p>

陳 軍 男，1986年出生，安徽人，學(xué)士，助理工程師。研究方向?yàn)殡娏νㄐ拧?/p>