基于OSU 的智能电网承载技术应用

王亚东

（中国电信股份有限公司盐城分公司，江苏 盐城 224001）

0 引 言

目前光传送网（Optical Transport Network，OTN）在智能电网领域中不能直接支持继电保、安稳业务等2M 级别小颗粒的业务承载，需要通过VC12/VC4 容器封装，再映射到光信道数据单元层级（Optical Channel Data Unit k-th level，ODUk）进行传送，增加封装延时。同时，在智能电网领域，终端接入数量未达百万级，目前接入层OTN 的EOS 汇聚比为1 ∶64，无法满足小颗粒业务的汇聚。现网接入OTN 通过引入灵活映射的光业务单元（Optical Service Unit，OSU），提供2 Mb/s ～10 Gb/s 颗粒度多业务的综合承载能力[1]。智能电网中生产和办公等业务通过适配和映射至OSU Flex，再经多级复用到高阶ODUk 等进行传送，各物理通道绝对物理隔离，并为不同的业务提供差异化的服务级别协议（Service Level Agreement，SLA）保障，并支持带宽的无损调整。与传统虚容器（Virtual Container，VC）封装相比，OSU 封装不再依赖传统的OTN 时隙结构，业务封装路径由5 层可变为3 层，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，匹配智能电网业务演进趋势。

1 OSU 技术原理

OSU 基于OTN 技术发展，进一步创新了小颗粒业务承载功能，在传统的OTN 帧结构上优化新增了一层OSU 颗粒，通过优化复接映射路径，OSU 直接映射到高阶ODUk，支持灵活时隙（2 Mb/s ～10 Gb/s等），支持基于支路端口号（Tributary Port Number，TPN）的动态复接和超多连接，支持带宽无损调整。

OSU 采用定长帧结构，长度为192 Bytes。其中1 ～7 Bytes 为开销区域（Over Head），8 ～192 Bytes 为净荷区域（Payload），开销区域主要分为3 部分通用开销、映射开销和CRC8 校验区。OPUk 净荷区域被划分为多个净荷块（Payload Block，PB）。PB 作为OSU 网络带宽分配的基本单元，净荷块大小等同于OSU 帧大小，基准速率对应最小比特速率，预先设定值为2.6 Mb/s 可实现灵活定义带宽。多路OSU 复接到OPUk 时，每路OSU 增加索引编号作为在服务层中的唯一通道标识，标记OSU 端口，TPN 随路携带[2]。OSU 帧结构和协议栈如图1 所示。

图1 OSU 帧结构和协议栈

业务映射分为以太网over OSU 和CRB 业务 over OSU。以太网业务解映射为媒体存取控制（Media Access Control，MAC） 帧， 将MAC 帧进行64 bits/66 bits 编码，然后转换为256 bits/257 bits。将257 bits码块的第1 个控制比特（F）集中在OSU 帧映射开销的257b_IND 字段中承载，257 bits 码块剩余的256 bits在OSU 帧的净荷区承载。承载的第一个256 bits 的起始字节位置由映射开销中指针开销（Pointer，PTR）指示。CBR 业务字节数据按照从左往右的顺序依次映射到OSU 帧净荷区，OSU 帧尾部未承载业务的净荷区固定填充0，同时在PLn 中添加映射开销信息，PL1 为0，指示当前OSU 帧携带C8_min 个CBR 业务字节；PL1为1，指示当前OSU 帧携带C8_max 个CBR 业务字节。PL2 指示前一OSU 帧携带了C8_min 或者C8_max 个CBR 业务字节，PL3 指示第前二OSU 帧携带了C8_min或者C8_max 个CBR 业务字节。

OSU复用到OPU有2种方式，如图2所示。一方面，多路OSU 业务，根据sigma-delta 算法计算预先确定PB 位置，进而映射复用到OPU 的每个传送周期的P个PB 中；另一方面，在映射复用时，多路OSU 业务先分别获取到映射机会，之后通过轮询调度依次映射复用到该P 个净荷块。

图2 OSU 到 OPU 复用方式

2 OSU 技术特点

2.1 超低时延

相较于2 Mb/s 小颗粒业务的EOS 承载方式VC12-VC4-ODU0-ODU4-OTUCn 的5 级映射，OSU技术的OSU-OTUCn 的2 级映射可以大幅降低设备的转发时延[3]。

2.2 无损带宽调整

传统OTN/VC 技术的带宽调整协议复杂，带宽调整时间长，业务会中断，从而影响用户感知。基于OSU 技术的带宽调整，最小颗粒度为10 Mb/s，理论调整的最小颗粒度为2.6 Mb/s，业务可以自由绑定，协议简单，带宽调整可达秒级，且用户无感知，资源利用率高。

2.3 低阶交叉容量大

OSU 技术采用信元（cell）交换的原理实现。其交叉容量不受承载管道方式和业务连接数的限制，单设备可支持最大3.2万条基于OSU的单项业务连接数，破解低阶交叉的调度瓶颈，容量可成倍提升[4]。

3 智能电网的需求

电力生产边缘承载网涉及电力发电、输电、变电以及配电等多个环节的数据传输和电网控制业务，支撑着智能电网的生产和运营，其中核心业务为继电保护等电网控制类业务，业务要求延迟在毫秒级，双向时延一致和时延恒定，业务接口带宽集中在2 ～10 Mb/s，业务通道之间严格的物理隔离，业务接口类型以E1、FE/GE、PCM 为主。在未来2 ～10 Mb/s 带宽的需求增速减缓，但保有量仍然较大，新增业务将普遍提速至50 ～100 Mb/s，目前，大部分低速率的专线采用的物理接口和带宽如表1 所示。

表1 智能电网业务需求

4 智能电网边缘承载解决方案

智能电网电力生产的接入网络边缘侧的OTN 设备在新建的情况下，引入新的支持OSU 功能的OTN设备组建新的接入环网。同时，可以在现有的OTN设备支持情况下，扩容支持OSU 特性新的板卡实现网络平滑的升级。低速率电力生产、办公业务通过适配及映射到OSU Flex 容器中，再经过多级复用到高阶ODUk，或直接复用到高阶ODUk 进行传送。与传统OTN 网络相比，接入层的OSU 容器不仅能够提供精细化的2M 级别的带宽颗粒，还不再依赖传统的OTN 时隙结构。增强业务接入的灵活性，具备未来网络的可扩展特性。

汇聚层根据业务流向和业务上下需求，可按需部署支持OSU 的低阶交叉板卡和支持OSU 的板卡进行业务调度和上下，在汇聚层无需对OSU 进行处理的情况下，业务可通过ODU 穿通，对汇聚层网络改动最小。核心骨干层需要具备OSU的交叉和业务上下，在现有骨干层的基础上需按需部署或升级支持OSU交叉和OSU 板卡。承载解决方案如图3 所示。

图3 承载解决方案

OSU 组网案例如图4 所示。给出了通过OSU 技术组建的骨干到骨干、骨干到变电站的互联架构。通过对现网核心、汇聚层OTN 设备平滑升级引入OSU能力，配置新的OSU线路板卡和100G波道，包括主控、交叉板卡的软件升级等，采用Underlay 模式打通变电站接入的端到端和办公网络的刚性通道。在核心/汇聚骨干层面组建N×100G 环网或者无线网格网络，骨干节点之间、集控中心至各基地和电站之间的生产调度通道以及总部至各基地的办公通道通过OTU4 互联和业务调度。在接入层，OSU 进一步下沉，部署环网或者点对点网络，根据业务需要灵活配置带宽，能够基于OSU 封装提供2 ～100 Mb/s 颗粒的通道，满足继保、RTU、视频监控、视频会议以及办公等业务的灵活接入。业务全程采用OSU-ODUj-ODUk 的两级复用结构，ODUj 根据物理链路速率的不同选择ODU0、ODU2 或者ODUflex，配置OSU“1+1”分段保护[5]。

图4 OSU 组网案例

5 结 论

文章从传统OTN 接入技术的弊端出发，介绍了基于OSU 技术的业务承载网的特点和优势，并与传统OTN 技术进行对比。通过梳理智能电网领域的业务承载需求和解决目前业务承载的痛点出发，设计了基于OSU 技术的统一承载方案，并分析了方案的网络架构、数据复用和封装、业务交叉调度等，总结了该技术网络演进兼容性较高、结构简单、业务延迟低等关键特性，完美契合智能电网领域的业务接入需求。目前，OSU 技术标准逐渐趋于成熟，已从实验创新迈向商用部署，能够解决电力承载网采用多平面方式解决多业务的接入问题，是智能电网边缘接入未来10年的演进方向。