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输变电广域光纤通信系统OTN OSU方案相对SDH方案2M通道传输时延统计优势

2020-10-26
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输变电生产网传输网络发展概述

随着通信技术和线路继电保护技术的发展,输电线路继电保护通道方式经历了从载波到微波,再到光纤通道的发展变化。由于光纤通信技术有着其它通信方式无法比拟的稳定、可靠、抗干扰强、信息量大、整定维护简便的优势,逐渐成为首选的保护通道方式。光纤保护通道方式有2种,一种为专用光纤方式,信号没有经过转换,传输过程相对直接,但是浪费纤芯资源,且传输距离较短。另一种为复用方式,利用SDH光纤通信电路的2 Mbit/s或64 Kbit/s数字通道传输保护信号,具有传输距离远、节省光纤资源等优点;后来在SDH的光通讯基础上又发展出了波分的OTN技术,在一个光线中传输不同波长的波道,扩展了光纤的物理通道数量和带宽。最初,光纤复用保护采用64 Kbit/s数字通道,保护装置按照64 Kbit/s速率编码,配置保护专业PCM终端设备,这种保护方式中间环节过多,传输时延大,通道的故障概率较大,设备费用也较高。而采用2 Mbit/s数字通道方式,传送的信息量大,不需要经过PCM转接,运行可靠,设备费用较低。目前复用保护通道主要采用2 Mbit/s数字通道。线路继电保护对通道传输时延有严格的要求,如果不能满足就可能影响到保护设备的正确判断和动作。在电力行业标准中规定用于继电保护的光纤通信通道单向时延不大于10ms,通常在实际工程中对通道时延要求更为严格。因此在工程评估和初步设计阶段,设计线路继电保护通道时,应对传输距离较长、中间站点较多的复用通道进行传输时延计算,以避免因通道时延不满足要求造成工程方案不合理。

目前中国的输变电生产网络主要架构是OTN骨干加SDH区域接入方案。SDH业务为以太业务,2M光和老网PCM继电保护业务等提供固定低时延的稳定广域网络。SDH在网络结构中的应用价值逐年减弱,但是在工业实时控制领域和部分高质量专线业务中,还是有明显的技术优势。OSU是波分OTN体系下发展出的小颗粒技术,在应用场景上与SDH基本一致,但是具有任意带宽通道化传输,延迟实时可见,兼容大带宽传输能力三大特点,成为可能代替SDH的下一代电力业务传输技术。IEEE ITU-T CSEE电力相关标准组织,都对OTN架构下的OSU方案进行了标准立项。

OTN SDH架构电力生产业务组网方案

电力光传送技术和设备发展历程,经过多年发展从PDH技术开始,当前电力生产网络已经由SDH技术和设备领域走到OTN时代。

•IEC2015的相关专题技术报告中也指出全球广泛采用SDH/SONET传输技术用于继电保护等生产控制网络关键(Mission Critical)业务的承载。

•2015年全球OTN技术作为新的承载技术也在全球范围电力行业受到关注,业界共识OTN技术是传统SDH/SONET技术延伸技术。

当前电力光传送网已经逐渐从SDH/MSTP技术逐渐开始采用OTN技术

SDH和WDM是传送网使用最多的技术。OTN融合了SDH和WDM的优点,已成为大颗粒业务传送的主流技术。OTN设备当前能够满足电力从小颗粒SDH接入到PKT、ODU大颗粒分组交换统一交换结构。

目前主流在国家电网电力OTN兼容SDH的架构统一承载三大类业务,将成为主流传输组网方案。

OTN OSU架构电力生产业务组网方案

• 电力行业OTN OSU技术需求产生背景

当前OTN设备不能直接支持继电保护,安稳业务等小颗粒E1/2M光等小颗粒业务直接上下,需要通过SDH/VC12映射进行封装,再映射到ODU1/OTN上。迫切需要一个技术标准和设备能够满足电力小颗粒业务的OTN新技术出现。

电力行业迫切需求:支持1Gbps速率以下生产业务信号高效承载,需要引入直接面向生产业务的灵活小容器光业务单元,并兼容现有的OTN架构体系;OTN OSU技术在现有的OTN架构体系的基础上,增加OSU容器单元技术,实现了兼容现有WDM, MSTP光传送网络的高效承载,将成为电力专有广域网络技术的首选。支持OSU技术的OTN网络分层架构,如下图所示。

OTN OSU技术完美承载电力核心业务继电保护业务

低速率业务、分组业务和新业务通过适配及映射到OSU Flex中,通过多级复用到高阶ODUk/OTUk/OTUCn进行传送;或者OSU容器可以直接复用到高阶ODUk/OTUk/OTUCn进行传送。与传统ODUk相比,OSU除了能够提供精细化的带宽粒度,还能不再依赖传统的OTN时隙结构,并能有效增强业务承载灵活性,使得OSU具备未来网络长期演进所需的可扩展性,匹配业务分组化演进趋势。

OTN SDH架构通道传输时延分析

OTN和SDH光纤通信系统造成传输时延的因素包括两方面,一是光信号在光纤中的传输时延,二是信号在OTN和SDH设备处理过程中产生的时延。在工程设计过程中主要采用人工延迟估算的方式进行评估。

光纤传输时延

光波信号在一定的传输介质中传播速度是有限的,主要取决于介质的折射率。介质的折射率表示介质的传光能力,某一介质的折射率n等于光在真空中的传播速度c与在该介质中的传播速度v之比,即n=c/v。由于光波信号在介质中的传输时延t等于光在介质中的传输距离l与在介质中的传输速度v之比,由此可得出光波信号在光纤中的传输时延T0的计算公式:

T0=l/v=l×n/c

式中:c为真空中的光速(3×105 km/s);l为传输距离,km;n为光纤折射率,目前广泛应用的G.652光纤折射率约为1.47。由此可计算出光信号在光纤中的传输时延约为4.9us,在工程应用中一般按5 us估算。

OTN SDH架构传输时延计算

信号在通信网络传输过程中,除了传输系统会产生时延外,网络节点设备(数字交换机和数字交叉连接设备)可能有缓冲器、时隙交换单元和其它数字处理设备,这些设备均会产生传输时延。此外,PCM设备、复用器和复用转换器也会产生不同程度的时延。在这里主要探讨输电线路继电保护信息利用SDH光纤通信系统2 Mbit/s通道传输的设备时延,即SDH光传输设备时延。目前中国电网SDH已经逐渐向MS-OTN类型OTN波分OTN设备转型,2 Mbit/s通道也将逐渐变为接入SDH通道后映射到OTN通道。

SDH设备是由不同功能模块组成的,当信号经过设备中不同功能模块时,均会有时延产生。信号经过SDH设备的总时延与固定填充处理、连接处理、定位以及映射和去映射处理等因素有关。

根据信号在OTN SDH光纤通信系统2 Mbit/s通道的传输过程,可将设备时延分为3种:支路----群路时延,群路----群路时延,群路----支路时延。以下图所示2 Mbit/s继电保护通道为例,在保护通道端的A变电站,继电保护信号由2 Mbit/s支路信号复用到STM-N再映射到OTN群路信号。所产生设备时延为支路----群路时延;在位于保护通道中间部位的B、C变电站,继电保护信号经OTN SDH设备群路端口直接通过两站,所产生设备时延为群路一群路时延;在保护通道另一端的D变电站继电保护信号从OTN到STM-N群路信号解复用到2 Mbit/s支路信号,所产生设备时延,为群路-----支路时延。

采用复用方式的继电保护通道连接示意

设备时延是OTN SDH设备一项重要性能指标,不同厂家、不同型号的设备,其时延可能有所不同。相关标准制定机构也对OTN SDH设备传输时延指标进行了规定,欧洲电信标准化协会ETSI标准规定,OTN SDH设备群路----群路时延不大于60us,支路----群路/群路----支路时延均不大于110us 。我国邮电行业标准规定OTN SDH数字交叉连接设备对VC-12的最大转接时延不大于125us。

OTN SDH光纤通信系统2 Mbit/s通道时延T为构成传输通道的SDH设备以及光缆传输时延之和,可按以下公式计算。

T=TOTN-SDH+N*TN+T0

式中:TOTN-SDH为设备支路到群路和群路到支路的复用、解复用时延;N为中间节点设备总数;TN为中间节点设备时延;T0为光纤时延。

OTN OSU架构传输时延计算

在OTN架构下OSU结构中,定义了专有的DM字节进行延迟计算,端口采用1588v2协议,实时计算源宿节点的延迟时间,配合网管可以自动显示网络实时延迟状况。(继电保护设备基于此架构可部署MESH化的保护网络,保证网络保护倒换后延迟不变,继电保护设备无感知)

OTN OSU设备功能模型

OTN OSU设备由传送平面、管理平面、控制平面组成。其中传送平面包括业务适配、交叉调度、OAM、保护、同步等模块;管理平面采用管理接口与设备相连,执行传送平面、以及整个系统的管理功能,它同时提供平面之间的协同操作。管理平面执行的功能包括:性能管理、故障管理、配置管理、安全管理等。控制平面本标准暂不涉及。

• OTN OSU接入设备

OTN OSU电层设备一般部署在客户首末节点,基于具体需求选择支持E1、FE、GE、10GE LAN、STM-1、STM-4等客户业务的固定数量接入和OTN承载;支持OSU交叉,可选支持ODUk交叉。该设备的管理应简单,可实现即插即用,其管理信息应通过GCC通道传递到部署在局端的OTN设备。OTN OSU接入设备的功能模型如下图所示,两个主光通道通常情况下为一主一备应用。

OTN OSU接入设备基于OSU交叉的实现方式, OTN OSU设备在骨干节点需要与光层设备的协同架构。 下图为OTN设备光层电层集中交叉式逻辑功能模型。

OTN OSU光层电层集中交叉式逻辑功能模型

• OSU帧结构

OSU帧结构如下图所示,长度为192字节。其中第1到7字节为开销区域,第8到192字节为净荷区域。开销区域主要分为三部分:通用开销、映射开销和CRC8校验区。

本标准中的所有的OSU帧结构和开销的发送顺序均为从左到右,每个字节的最高位比特最先发送。最高位比特(比特1)都是在左边。

OSU帧结构

• OSU通用开销

通用开销包括版本号(VER)、支路端口号(TPN)、连续性校验(CV)、帧类型(FT)、串联连接监视(TCM1/TCM2)、通道监控(PM)和保留开销(RES),如下图所示。

通用开销

• OSU时延测量字节(DM)

PM层DM长度为1比特,用于提供PM层高精度时延测量。DM格式需要配合PM层M32/256标识的32复帧使用,具体格式参考TCM层DM格式定义。PM层DM测量方法参考TCM层DM方法描述。

• OSU时戳(TS)

TS开销长度为8比特,位于第5字节的第4到8比特和第6字节的第1到3比特,用于携带业务时戳。TS采用4复帧方式,TS1、TS2、TS3和TS4构成32比特时戳,其中TS4的比特8为最低位,TS1的比特1为最高位。该TS开销携带的具体信息为记录OSU帧的4复帧帧头的发送时刻,单位为纳秒,其中OSU帧4复帧和PM层M32/256复帧指示的32复帧对齐,如表6-9所示。

32比特时戳格式

• OSU时延测量(DM)

TCM1层DM长度为1比特,用于提供TCM1层高精度时延测量。DM格式需要配合TCM1层M32/256标识的32复帧使用,具体格式如下表所示。

DM格式定义

在绝对时延测量模式下(DM[2]=1),TCM源端发送方向通过DM[3:32]携带IEEE1588实际时戳的低30位,向TCM宿端发送IEEE1588绝对时间,中间站点透传DM时延测量信息,TCM宿端接收方向接收并解析TCM源端的时延测量信息,并通过DM[3:32]得到TCM源端测量发起时间,并根据TCM宿端本地IEEE1588时间,计算TCM源端到TCM宿端的单向绝对时延测量值,如下图所示。

单向绝对时延测量

在双向时延测量模式下(DM[2]=0),TCM源端发送方向启动时延测量,随机产生4比特序列号并下插到DM[3:6]字段,驻留时间DM[7:32]字段下插0,并向下游发送DM信息,同时启动TCM源端计时器。中间站点接收到DM信息后向TCM宿端透传。TCM宿端接收方向缓存接收的序列号并记录接收时间,输出给TCM宿端发送方向;TCM宿端发送方向获取TCM宿端发送时间,减去TCM宿端接收方向记录的接收时间,得到驻留时间并下插到DM[7:32]字段,同时将缓存的序列号下插到DM[3:6]字段,将DM信息发送给TCM源端方向。

中间站点接收到DM信息后向TCM源端透传。

TCM源端接收方向,解析DM信息中的序列号和驻留时间,终止序列号对应的源端发送方向的计时器,将计时器时间减去驻留时间,即得到双向时延测量值,如下图所示。

双向时延测量

OTN OSU方案和SDH方案时延测量方案比较

OTN OSU方案时延采用专有的DM字节进行传输,在网管可以实现网络的实时延迟可视,优于SDH手动评估方法。OSU在传输协议物理层定义了传输时钟的是戳字节,避免了IP化1588v2在打戳时需要增加物理层预处理的过程,形成天然时间传递协议,精度上优于SDH的延迟估算方式。同时保证了各个厂商时钟传递协议的一致性和可对接性。对比SDH和IP网络,更适合时间敏感网络的业务的广域互联。

附录参考:OSU 和SDH方案时延性能对比数据

OTN OSU极简映射:复用层级5变2,10us确定时延,相对传统OTN和SDH降低80%。

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