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RS系列串口在PTN架构上的实现
接线图
2023年12月31日 18:34 219
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0 引言
分组传送网（PTN）是基于分组交换的、面向连接的多业务传送技术，不仅能承载电信级以太网业务，而且还可支持承载TDM、ATM和IP业务，满足网络高可靠性、完善的OAM、网络扩展性、严格QoS等传送网属性，是组建电力通信网的较好技术。 PTN 技术对于以太网业务天然支持，为保持对TDM业务的兼容性，采用MPLS-TP技术，对E1接口的业务进行仿真。但电力通信中仍存在其他低速接口，如RS 232/485/422标准的串行接口仍在很多信息系统中运行。为了提高传输系统的兼容性，希望能够通过在PTN架构基础上加以改进，进行二次开发，增加串行业务接口的支持。
1 PTN 分组传送网
1.1 PTN技术架构
PTN 设备由传送平面模块、控制平面模块、管理平面模块和DCN（Data Communication Network，数据通信网）处理模块组成，其中数据平面包括QoS、交换、OAM、保护、同步（可选）等模块，控制平面包括信令和资源管理等模块，数据平面和控制平面采用UNI和NNI接口与其他设备相连，管理平面还可采用管理接口与其他设备相连。PTN设备系统架构如图1所示。
1.2 MPLS-TP
MPLS-TP是MPLS（多协议标签交换）的一个子集，去掉了无连接基于IP 的转发，增加端到端的OAM 功能。PTN架构使用MPLS-TP协议来构建业务隧道，类似于MPLS BGP/VPN的实现方式。MPLS-TP与IP/MPLS的区别在于PTN架构其LSP的建立是基于静态配置，而不是使用LDP协议自动建立，强调了虚拟通道的可靠性。
1.3 PWE3
PWE3是边缘到边缘的伪线仿真，指在PTN中尽可能真实地模仿ATM、帧中继、低速TDM 电路和SONET等业务的基本行为和特征的一种二层业务承载技术。
PWE3是PTN承载E1等低速TDM业务的关键。PTN首先通过MPLS-TP建立LSP管道，然后利用PWE3来仿真提供低速接口。
1.4 QoS
QoS（Quality of Service）服务质量，是用于分组网络的一种流量调节机制。MPLS-TP提供有连接的LSP管道，通过QoS为管道分配柔性带宽，保证在各管道有数据的情况下具有承诺的带宽使用，在管道空闲的时候又可以为其他管道让出流量空间，极大地提高数据利用率。
1.5 OAM
网络的管理工作划分为3 大类：操作（Operation）、管理（Administration）、维护（Maintenance），简称OAM.
PTN 与传统IP 网络的最大区别在于OAM 的要求上。
PTN 技术架构提供了丰富的OAM 手段，将故障检测水平提高到电信级别。
2 RS 串行接口
RS系列串行接口是传统的低速通信接口，由美国电子工业协会（EIA）制定，主要在用的有三种，分别是RS232-C、RS 485和RS 422.
RS 232 接口是1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通信的标准。它的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通信设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准”。由于RS 232 接口标准出现较早，信号电平值较高易损坏接口电路的芯片、传输速率较低、抗噪声干扰性弱、传输距离有限等不足之处，因此后来又发展出RS 485、RS 422等接口。
RS 422接口在RS 232后推出，RS 422定义为全双工的，一般采用4~5根通信线（区别在是否有地线），一个驱动器可以驱动最多10个接收器（即接收器为1/10单位负载），通信距离与通信速率有关系，一般距离短时可以使用高速率进行通信，速率低时可以进行较远距离通信，一般可达数百上千米。
RS 485接口在RS 422后推出，绝大部分继承了RS 422，主要的差别是RS 485 可以是半双工的，而且一个驱动器的驱动能力至少可以驱动32个接收器（即接收器为1 32 单位负载），当使用阻抗更高的接收器时可以驱动更多的接收器。全双工RS 485的驱动/接收器对一定可以用在RS 422网络。
RS系列串行接口在各类电力自动化系统中都有应用，主要用于各种终端（表计、采集装置、通信装置等）的本地、短距信号通信。RS串行接口信号采用电平传输数字信号，信号可靠，成本低，适应性广，在当时对以脉冲模拟信号为主的通信方式是一种巨大改进，得到了广泛应用。随着信息量不断增大，RS串行接口容量低、传输距离短的弊端显现，有些逐渐被高速标准接口所取代，但现有信息系统中仍存在RS接口。随着通信系统的升级，很多通信设备已不再直接提供低速RS接口，需要转换设备来转接，大大增加了成本和管理难度。因此，在新技术的基础上是否能够兼容RS串行接口，成本如何，以及如何实现，成为眼前的一个课题。
3 技术方案
RS系列串口在PTN架构上的实现选用南瑞集团的SPTN产品设计方案为基础进行改造。该方案的产品设计采用模块化设计，便于扩展。并且在PTN基本技术规格方面符合国家和国际标准，并通过型式试验和工信部入网测试，是一个稳定可靠的基础方案。如图2所示。
3.1 总体设计方案
在PTN 上实现RS 串口的功能，可以采用修改PWE3协议，为RS串口开发一套功能模板，将RS协议的相关参数进行预设，来增加对RS 串口的支持，称为RSover MPLS，如图3（a）所示。但这种方式将无法遵循国家国际标准，不具有通用性，改变了原产品的功能结构，因此不宜采用。
在不改动原始协议的情况下，只能采用先使用PWE3中认可的某种协议，再硬件转换为RS协议的方式。因为RS协议速率低，为减少带宽浪费，所以选用几种仿真通信协议中速率最低的E1协议来承载，称为RS over E1方案，如图3（b）所示。此方案原理同在PTN 设备外加挂E1-RS 协议转换器，但其管理和控制均由PTN 统一管理。
3.2 硬件设计
基础设备SPTN 8500采用模块化设计，由于是分组核心，因此设计结构相较SDH 等通信设备而言更类似于路由器，包含子架（提供背板总线），电源主控一体板和各种接口的业务板三部分，因此本次开发可以不对原设计进行改动，仅开发一种新的业务板卡即可。欲开发的RS串行接口业务板可以E1接口业务板为基础，增加转换电路，并将对外E1接口改为RS接口，采用RJ 45型物理接口规格。
3.3 协议切换
RS 232/485/422协议本质类似，只是接口电路略有不同，可通过在板卡上将该接口电路独立出来，通过更换子电路板来完成协议间的切换。其中RS 485可通过RS422接口电路并线完成，而RS 232的电平与RS 485/422不同，不便于统一设计。最终设计为RS 232和RS 422两种子电路板，插接在RS接口板上。RS 422子电路板上设置并接跳线，可切换为RS 485协议。
3.4 业务模型
PTN之上承载的业务分为E-Line、E-LAN和E-Tree三种业务模型，分别对应于 p2p、mp2mp 和p2mp 三种拓扑模型。虽然RS 484/422是p2mp模型，但RS 232仅可工作在p2p模式。且由于RS业务是承载于E1通道之上，因此必须采用E-Line模型。
3.5 寻址方式
对于RS通信而言，其有自己的地址查找方式，这里关注在PTN内部对每个RS通道的寻址方式。有两种方案。一是LSP法，如图4（a）所示，每个E1口在仿真时可手工配置一条LSP来对应，这样每个E1口仅能包含1个RS串口。E1的速率是2.048 Mb/s，而RS在异步模式下最高也仅能达到115 Kb/s，带宽利用率仅为5.6%，如果希望提高带宽的利用率，即在一个E1仿真通道中实现多个RS通道，那么仅采用LSP就难以区分，必须再设计一套在 E1通道中为各RS寻址的方案，如使用IP地址标识同一E1下不同的RS通道，称之为IP法，如图4（b）所示。IP法可以提高带宽的利用率，但使PTN 结构层次更加复杂，加大了配置和管理的难度，并且由于增加一层IP报头封装，影响转发效率。经过分析，认为RS接口数量不多，而且RS 485/422还可以在设备外先行进行并线汇接，进一步减少接口需求数量，因此宜采用LSP寻址方案。
3.6 管理平面
设备的管理平面需增加RS 配置模块，可依据E1配置模块加以修改。另需在管理软件中为RS 串口建模，建立相应的标志、配置模板和告警模板。
3.7 控制平面
由于采用LSP 寻址方案，RS 通道与E1 通道为1∶1对应，因此控制平面无须再进行功能扩展，对RS通道所使用的保护检测手段直接运用E1方案即可。
4 部署应用
搭载RS串行接口的PTN设备已在某电力通信专网进行实地部署应用，试运行承载的业务主要是电力生产调度数据。
4.1 应用拓扑
搭载RS串行接口的PTN设备在某供电公司组网拓扑如图5所示，共使用该型设备将8个变电站与区域调控中心相连。根据光缆路由，分别组成东环和西环两个光纤环网。
4.2 承载业务
每台设备采用双电源主控板配置，充分考虑可靠性。每台设备上不仅配置常规的FE网板和E1板，还配置搭载RS接口的串口板。为保障网络可靠性，东西双环都独立配置了环网保护。
应用场景中的主环均由变电站节点组成，每节点均有调度数据网、SCADA、视频监控、工作票系统和电能量采集等业务。其中电能量采集业务的电能表数据采集采用RS 485方式，经过在站内并线后，通过PTN环网在调控中心处集中，经过串口服务器的数据合并，一同送至主站系统的前置采集服务器，完成电能量数据的采集过程。如图6所示。
4.3 应用效果
在实际应用中，对本设计方案进行了一系列测试。
经实际测试，主站端采集XJ变一块电表时，平均响应时间≤1 s.在采集P+、P-、Q+和Q-四个量的情况下，单块电表经过数据交换，采集完毕的平均时间<4 s.与现场采集的时间比较，通过PTN传输系统的时延仅有不到1 s的延迟增加。在一个RS 串口并联采集8 块电表的情况下，传输系统总时延<2 s.多于8块电表终端需要采集的情况下，可增用一个RS口，同时采集不会增加时延。同样测试项目下，对下一跳节点LH变进行测试，传输系统总时延同样<2 s，没有发现较大变化。
供电公司在建设县域光纤骨干通信网时，通过技术选型比较，放弃了传统的SDH/MSTP 体系，选用PTN 分组核心体系，在获得更好性能的同时，成本也有所降低，已取得较好的经济效益。电能量系统采集的需求除可以使用PTN 进行改造设计外，也可以使用E1接口下挂E1/RS协议转换器来实现。两种方案相比，PTN改造方案减小了时延和不必要的故障点，无需单独考虑取电，并且可以统一管理，而成本相似，可以说进一步提高了现有投资的效益成本比。
5 结语
本课题依据电力业务实际需要，提出在原PTN标准架构上进行二次开发，增加对RS串口支持的需求，综合了开发量、改造难度、成本和性能等方面的考虑，确定了较合适的方案进行设计，完成了产品试制和实际部署应用，获得了预期效果，取得了较好的效益。
本课题的完成，为满足电力通信需求提供了新的方案，但其方案仍有可改进之处。对于RS接口板的管理，可以增加终端故障检测的功能，并建立相应的告警集合，对PTN 管理系统进行扩充，以便对通道进行全方位检测。另外对接入端的冗余也是改进的一个方向，可考虑采用两个RS接口互为主备，为RS的DTE终端提供更加完善可靠的接入。
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