基于OSU 的智能電網(wǎng)承載技術(shù)應用

王亞東

（中國電信股份有限公司鹽城分公司，江蘇 鹽城 224001）

0 引 言

目前光傳送網(wǎng)（Optical Transport Network，OTN）在智能電網(wǎng)領(lǐng)域中不能直接支持繼電保、安穩(wěn)業(yè)務等2M 級別小顆粒的業(yè)務承載，需要通過VC12/VC4 容器封裝，再映射到光信道數(shù)據(jù)單元層級（Optical Channel Data Unit k-th level，ODUk）進行傳送，增加封裝延時。同時，在智能電網(wǎng)領(lǐng)域，終端接入數(shù)量未達百萬級，目前接入層OTN 的EOS 匯聚比為1 ∶64，無法滿足小顆粒業(yè)務的匯聚。現(xiàn)網(wǎng)接入OTN 通過引入靈活映射的光業(yè)務單元（Optical Service Unit，OSU），提供2 Mb/s ～10 Gb/s 顆粒度多業(yè)務的綜合承載能力[1]。智能電網(wǎng)中生產(chǎn)和辦公等業(yè)務通過適配和映射至OSU Flex，再經(jīng)多級復用到高階ODUk 等進行傳送，各物理通道絕對物理隔離，并為不同的業(yè)務提供差異化的服務級別協(xié)議（Service Level Agreement，SLA）保障，并支持帶寬的無損調(diào)整。與傳統(tǒng)虛容器（Virtual Container，VC）封裝相比，OSU 封裝不再依賴傳統(tǒng)的OTN 時隙結(jié)構(gòu)，業(yè)務封裝路徑由5 層可變?yōu)? 層，并能有效增強業(yè)務承載靈活性，使得OSU 具備未來網(wǎng)絡(luò)長期演進所需的可擴展性，匹配智能電網(wǎng)業(yè)務演進趨勢。

1 OSU 技術(shù)原理

OSU 基于OTN 技術(shù)發(fā)展，進一步創(chuàng)新了小顆粒業(yè)務承載功能，在傳統(tǒng)的OTN 幀結(jié)構(gòu)上優(yōu)化新增了一層OSU 顆粒，通過優(yōu)化復接映射路徑，OSU 直接映射到高階ODUk，支持靈活時隙（2 Mb/s ～10 Gb/s等），支持基于支路端口號（Tributary Port Number，TPN）的動態(tài)復接和超多連接，支持帶寬無損調(diào)整。

OSU 采用定長幀結(jié)構(gòu)，長度為192 Bytes。其中1 ～7 Bytes 為開銷區(qū)域（Over Head），8 ～192 Bytes 為凈荷區(qū)域（Payload），開銷區(qū)域主要分為3 部分通用開銷、映射開銷和CRC8 校驗區(qū)。OPUk 凈荷區(qū)域被劃分為多個凈荷塊（Payload Block，PB）。PB 作為OSU 網(wǎng)絡(luò)帶寬分配的基本單元，凈荷塊大小等同于OSU 幀大小，基準速率對應最小比特速率，預先設(shè)定值為2.6 Mb/s 可實現(xiàn)靈活定義帶寬。多路OSU 復接到OPUk 時，每路OSU 增加索引編號作為在服務層中的唯一通道標識，標記OSU 端口，TPN 隨路攜帶[2]。OSU 幀結(jié)構(gòu)和協(xié)議棧如圖1 所示。

圖1 OSU 幀結(jié)構(gòu)和協(xié)議棧

業(yè)務映射分為以太網(wǎng)over OSU 和CRB 業(yè)務 over OSU。以太網(wǎng)業(yè)務解映射為媒體存取控制（Media Access Control，MAC） 幀， 將MAC 幀進行64 bits/66 bits 編碼，然后轉(zhuǎn)換為256 bits/257 bits。將257 bits碼塊的第1 個控制比特（F）集中在OSU 幀映射開銷的257b_IND 字段中承載，257 bits 碼塊剩余的256 bits在OSU 幀的凈荷區(qū)承載。承載的第一個256 bits 的起始字節(jié)位置由映射開銷中指針開銷（Pointer，PTR）指示。CBR 業(yè)務字節(jié)數(shù)據(jù)按照從左往右的順序依次映射到OSU 幀凈荷區(qū)，OSU 幀尾部未承載業(yè)務的凈荷區(qū)固定填充0，同時在PLn 中添加映射開銷信息，PL1 為0，指示當前OSU 幀攜帶C8_min 個CBR 業(yè)務字節(jié)；PL1為1，指示當前OSU 幀攜帶C8_max 個CBR 業(yè)務字節(jié)。PL2 指示前一OSU 幀攜帶了C8_min 或者C8_max 個CBR 業(yè)務字節(jié)，PL3 指示第前二OSU 幀攜帶了C8_min或者C8_max 個CBR 業(yè)務字節(jié)。

OSU復用到OPU有2種方式，如圖2所示。一方面，多路OSU 業(yè)務，根據(jù)sigma-delta 算法計算預先確定PB 位置，進而映射復用到OPU 的每個傳送周期的P個PB 中；另一方面，在映射復用時，多路OSU 業(yè)務先分別獲取到映射機會，之后通過輪詢調(diào)度依次映射復用到該P 個凈荷塊。

圖2 OSU 到 OPU 復用方式

2 OSU 技術(shù)特點

2.1 超低時延

相較于2 Mb/s 小顆粒業(yè)務的EOS 承載方式VC12-VC4-ODU0-ODU4-OTUCn 的5 級映射，OSU技術(shù)的OSU-OTUCn 的2 級映射可以大幅降低設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)時延[3]。

2.2 無損帶寬調(diào)整

傳統(tǒng)OTN/VC 技術(shù)的帶寬調(diào)整協(xié)議復雜，帶寬調(diào)整時間長，業(yè)務會中斷，從而影響用戶感知。基于OSU 技術(shù)的帶寬調(diào)整，最小顆粒度為10 Mb/s，理論調(diào)整的最小顆粒度為2.6 Mb/s，業(yè)務可以自由綁定，協(xié)議簡單，帶寬調(diào)整可達秒級，且用戶無感知，資源利用率高。

2.3 低階交叉容量大

OSU 技術(shù)采用信元（cell）交換的原理實現(xiàn)。其交叉容量不受承載管道方式和業(yè)務連接數(shù)的限制，單設(shè)備可支持最大3.2萬條基于OSU的單項業(yè)務連接數(shù)，破解低階交叉的調(diào)度瓶頸，容量可成倍提升[4]。

3 智能電網(wǎng)的需求

電力生產(chǎn)邊緣承載網(wǎng)涉及電力發(fā)電、輸電、變電以及配電等多個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)傳輸和電網(wǎng)控制業(yè)務，支撐著智能電網(wǎng)的生產(chǎn)和運營，其中核心業(yè)務為繼電保護等電網(wǎng)控制類業(yè)務，業(yè)務要求延遲在毫秒級，雙向時延一致和時延恒定，業(yè)務接口帶寬集中在2 ～10 Mb/s，業(yè)務通道之間嚴格的物理隔離，業(yè)務接口類型以E1、FE/GE、PCM 為主。在未來2 ～10 Mb/s 帶寬的需求增速減緩，但保有量仍然較大，新增業(yè)務將普遍提速至50 ～100 Mb/s，目前，大部分低速率的專線采用的物理接口和帶寬如表1 所示。

表1 智能電網(wǎng)業(yè)務需求

4 智能電網(wǎng)邊緣承載解決方案

智能電網(wǎng)電力生產(chǎn)的接入網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)的OTN 設(shè)備在新建的情況下，引入新的支持OSU 功能的OTN設(shè)備組建新的接入環(huán)網(wǎng)。同時，可以在現(xiàn)有的OTN設(shè)備支持情況下，擴容支持OSU 特性新的板卡實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)平滑的升級。低速率電力生產(chǎn)、辦公業(yè)務通過適配及映射到OSU Flex 容器中，再經(jīng)過多級復用到高階ODUk，或直接復用到高階ODUk 進行傳送。與傳統(tǒng)OTN 網(wǎng)絡(luò)相比，接入層的OSU 容器不僅能夠提供精細化的2M 級別的帶寬顆粒，還不再依賴傳統(tǒng)的OTN 時隙結(jié)構(gòu)。增強業(yè)務接入的靈活性，具備未來網(wǎng)絡(luò)的可擴展特性。

匯聚層根據(jù)業(yè)務流向和業(yè)務上下需求，可按需部署支持OSU 的低階交叉板卡和支持OSU 的板卡進行業(yè)務調(diào)度和上下，在匯聚層無需對OSU 進行處理的情況下，業(yè)務可通過ODU 穿通，對匯聚層網(wǎng)絡(luò)改動最小。核心骨干層需要具備OSU的交叉和業(yè)務上下，在現(xiàn)有骨干層的基礎(chǔ)上需按需部署或升級支持OSU交叉和OSU 板卡。承載解決方案如圖3 所示。

圖3 承載解決方案

OSU 組網(wǎng)案例如圖4 所示。給出了通過OSU 技術(shù)組建的骨干到骨干、骨干到變電站的互聯(lián)架構(gòu)。通過對現(xiàn)網(wǎng)核心、匯聚層OTN 設(shè)備平滑升級引入OSU能力，配置新的OSU線路板卡和100G波道，包括主控、交叉板卡的軟件升級等，采用Underlay 模式打通變電站接入的端到端和辦公網(wǎng)絡(luò)的剛性通道。在核心/匯聚骨干層面組建N×100G 環(huán)網(wǎng)或者無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)，骨干節(jié)點之間、集控中心至各基地和電站之間的生產(chǎn)調(diào)度通道以及總部至各基地的辦公通道通過OTU4 互聯(lián)和業(yè)務調(diào)度。在接入層，OSU 進一步下沉，部署環(huán)網(wǎng)或者點對點網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)業(yè)務需要靈活配置帶寬，能夠基于OSU 封裝提供2 ～100 Mb/s 顆粒的通道，滿足繼保、RTU、視頻監(jiān)控、視頻會議以及辦公等業(yè)務的靈活接入。業(yè)務全程采用OSU-ODUj-ODUk 的兩級復用結(jié)構(gòu)，ODUj 根據(jù)物理鏈路速率的不同選擇ODU0、ODU2 或者ODUflex，配置OSU“1+1”分段保護[5]。

圖4 OSU 組網(wǎng)案例

5 結(jié) 論

文章從傳統(tǒng)OTN 接入技術(shù)的弊端出發(fā)，介紹了基于OSU 技術(shù)的業(yè)務承載網(wǎng)的特點和優(yōu)勢，并與傳統(tǒng)OTN 技術(shù)進行對比。通過梳理智能電網(wǎng)領(lǐng)域的業(yè)務承載需求和解決目前業(yè)務承載的痛點出發(fā)，設(shè)計了基于OSU 技術(shù)的統(tǒng)一承載方案，并分析了方案的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、數(shù)據(jù)復用和封裝、業(yè)務交叉調(diào)度等，總結(jié)了該技術(shù)網(wǎng)絡(luò)演進兼容性較高、結(jié)構(gòu)簡單、業(yè)務延遲低等關(guān)鍵特性，完美契合智能電網(wǎng)領(lǐng)域的業(yè)務接入需求。目前，OSU 技術(shù)標準逐漸趨于成熟，已從實驗創(chuàng)新邁向商用部署，能夠解決電力承載網(wǎng)采用多平面方式解決多業(yè)務的接入問題，是智能電網(wǎng)邊緣接入未來10年的演進方向。