基于網絡切片的電力調度通信IP over E1方法研究

周曉東，許奇功，陳功伯

(國網福建省電力有限公司信息通信分公司，福建 福州 350001)

0 引言

隨著電力通信專網建設的不斷深入，電力調度通信網正從調度脈沖編碼調制(pulse code modulation,PCM)數據傳輸向互聯網協議(internet protocol,IP)數據網絡過渡[1-2]。當前，電網公司原有PCM設備在電網通信中仍然有較為廣泛的應用[3]，同時，電力調度新業務發展需要IP軟交換模式支持[4-5]。因此，在PCM退役過程中，亟需解決電力調度PCM設備與電力調度軟交換數據轉換問題，滿足調度放號設備的正常運行。

國內外學者對PCM設備與電力調度軟交換數據轉換問題作了大量研究。文獻[6]提出了1種基于網絡節點的IP與E1協議轉換方法，通過在網絡節點上部署軟交換設備，在網絡協議層進行IP與E1協議轉換。文獻[7]提出了1種基于硬件電路的IP與E1協議轉換方式，實現PCM設備與電力調度軟交換數據的轉換。文獻[8]提出了1種基于互聯網協議的語音通信(voice over internet,protocol,VoIP)技術的電力PCM與軟交換轉換方法，在PCM設備端布署VoIP設備，將PCM的E1協議轉換成IP協議后傳輸。文獻[9]提出了1種基于帶記憶功能的E1與IP協議轉換方法，通過記憶數據映射，實現PCM設備與電力調度軟交換設備的協議轉換。由此可見，PCM設備與電力調度軟交換數據轉換的方法多樣，且取得了一定的成績。但上述研究中，所有的電力調度業務均采用同1種轉換元件，存在數據轉換成本高、速率低的問題。

為解決電力調度傳輸網絡中存在的E1與IP分組業務轉換難度大、轉換速率低的問題，本文提出了1種基于網絡切片的IP over E1方法。該方法設計了1種網絡切片通信鏈路，對多類型的電力通信業務進行虛擬功能劃分，并在不同的網絡切片中進行傳輸，從而有效地解決了現有方式在同1種轉換元件傳輸成本高、轉換效率低的問題。該方法首先將要傳輸的PCM設備的E1數據打包成IP數據；然后對電力調度的語音電話、計量通信、調度自動化、雷電定位等信息進行網絡切片，并封裝成獨立的E1數據幀進行數據傳輸；最后，在接收端通過E1數據幀拆解完成IP數據包的重組發送。

1 電力調度通信IP over E1方法框架

基于網絡切片的電力調度通信IP over E1方法主要包括IP over E1數據發送側、傳輸側和接收側3部分內容。電力調度通信IP over E1方法框架如圖1所示。

圖1 電力調度通信IP over E1方法框架圖

在IP over E1數據發送側環節，將電力調度的語音電話、計量通信、調度自動化、雷電定位等數據打包成 IP 數據，并將各類電力調度業務數據IP包進行網絡切片后封裝成E1數據幀，以便在E1通信鏈路上傳輸。在數據傳輸側環節，將 E1 數據幀通過 E1 數據鏈路傳輸到對端設備，并在對端設備上重新生成工作時鐘。在數據接收側環節，E1 數據幀拆解完成 IP 數據包的重組發送。

2 電力調度通信IP over E1模型

2.1 IP over E1數據發送

2.1.1 IP包處理

IP包處理的目的是將電力調度語音電話、計量通信、調度自動化、雷電定位等數據打包成IP數據，以便通過電力軟交換傳輸。首先，IP包處理模塊將電力調度業務數據處理成IP包。其次，IP包處理模塊根據IP包的媒體存取控制(media access control,MAC)位址和IP地址進行路由過濾[10-11]。在此基礎上，IP包處理模塊判斷IP數據包是否滿足路由規則。若滿足，則在原有IP包上增加IP包頭信息、唯一序列號和校驗信息。最后，IP包處理模塊將此信息發送到E1數據封裝模塊。電力調度業務IP包中的內容P為：

(1)

式中：na為電力調度業務數據個數；l為電力調度業務數據；ba為IP包頭信息；Da為唯一序列號信息；ja為校驗信息。

2.1.2 E1數據幀封裝

E1數據幀封裝的目的是將電力調度業務IP信息轉換為E1時隙傳輸信息。E1數據幀分為32個時隙[12]。其中，TS0時隙用于傳輸同步信息，其余31個時隙可用于數據的傳輸。為保障IP數據能在E1通道上的可靠、有效傳輸，IP over E1數據發送端將傳輸數據按電力調度業務進行切分后，進行E1數據幀的數據傳輸。

網絡切片是1種按照電力調度通信需求組網的方式[13]，可以在同1個E1數據幀上分割出多個虛擬電力調度業務的端到端網絡。電力調度業務網絡的每個切片上都進行了邏輯隔離，以便進行可靠、安全傳輸。網絡切片的內容Ha為：

(2)

式中：nb為網絡的切片數量；s為單個網絡切片；σ為ZIP分布指數，網絡切片概率呈ZIP分布；r為網絡切片的業務數量。

2.2 E1數據傳輸

E1數據傳輸的目的是依托電力調度用戶光傳輸專用網絡進行IP數據傳輸。其中，電力調度業務E1數據傳輸單元采用同步數字體系(synchronous digital hierarchy,SDH)設備對外部提供電力調度E1通道[14-15]。電力調度業務數據IP被封裝成E1數據幀后，在電力調度E1信道中進行數據透明傳輸。在E1信道數據傳輸過程中，E1協議與電力調度業務IP數據層的具體協議類型無關，可通過E1數據傳輸多種協議類型的數據包。

2.3 E1數據接收

①E1數據幀的解封裝。

電力調度E1接收端在獲取傳輸的電力調度業務E1數據后，對數據幀進行解封裝，以實現E1數據幀的時鐘數據恢復、幀定位、業務信息解析等功能。電力調度E1信道解封裝信息Pd為：

Pd=Hc×φ=(ga,oc,gb)

(3)

式中：φ為E1數據幀解封裝函數；Hc為E1電力調度業務包數據；ga為幀時鐘；oc為幀業務信息；gb為幀定位信息。

②IP 數據包片段組裝。

電力調度IP數據處理單元在接收到解封裝的E1轉IP的片段數據后，首先將其重新組裝成完整的IP數據包，然后通過校驗算法對IP幀頭標志、包序號進行校驗，從而判斷電力調度業務IP包數據的完整性和一致性。

循環冗余檢驗(cyclic redundancy check,CRC)算法是一種基于數據計算校驗碼，從而判斷數據在傳輸過程中是否存在丟失、篡改的算法。CRC校驗碼e(y)為：

e(y)=B(y)u(ya)=neu(e)+g(y)

(4)

式中：u(ya)為電力調度業務IP數據傳輸校驗碼ne次多項式；B(y)為傳輸信息；u(e)為e次多項式信息；g(y)為(ne-1)次校驗的多項式。

通過CRC算法，可判斷電力調度業務IP包數據的完整性和一致性，并監控傳輸性能。

③控制單元。

接收側的控制單元主要實現IP數據包及 E1 數據幀的數據緩存、收發監測和異常告警等功能。

3 仿真流程

基于網絡切片的電力調度通信IP over E1方法流程如圖2所示。

圖2 電力調度通信IP over E1方法流程圖

4 算例分析

為驗證文中所提基于網絡切片的電力調度通信IP over E1方法的有效性，在某省的電力公司的調度通信網絡中進行了實際應用。

本文所提調度通信網絡的PCM設備為32路電話、2路以太網口，數據格式支持NRZ、Manchester等。E1口最大的傳輸速率為115.2 Kbit/s。

用于與本文方法進行比較的方法是文獻[16]中的VoIP方法。該方法在電力調度通信IP over E1中廣泛應用，具有行業通用性。

①電力調度IP over E1轉換時長。

電力調度IP over E1轉換時長是指IP數據轉換為E1數據，通過傳輸、解封裝過程的時長。該時長指標是IP over E1的性能核心指標。IP over E1轉換時長越短，說明轉換性能越好。

選擇IP over E1的電力調度業務數據包數量為10個、20個、30個、40個、50個、80個、100個、160個、200個，采用本文所述基于網絡切片的電力調度通信IP over E1方法與電力調度廣泛使用的VoIP方法比較轉換時長。電力調度IP over E1轉換時長對比如表1所示。

表1 電力調度IP over E1轉換時長對比表

由表1可知，基于網絡切片的電力調度通信IP over E1方法中的IP over E1轉換時長短于VoIP方法。因此，本文方法的轉換性能更優。

②電力調度IP over E1轉換準確率。

電力調度IP over E1轉換準確率是判斷電力調度業務IP數據包轉換為E1數據包準確性的核心指標。其計算方法為校驗成功的電力調度IP數據包與傳輸總體的數據包的比值，取值范圍為0～100%。該指標數值越大，說明電力調度IP over E1轉換準確率越高。

選擇電力調度業務IP數據包個數為1 000個、2 000個、4 000個、6 000個、8 000個、10 000個。采用本文所提基于網絡切片的電力調度通信IP over E1方法與電力調度廣泛使用的VoIP方法比較轉換準確率。電力調度IP over E1轉換準確率對比如圖3所示。

圖3 電力調度IP over E1轉換準確率對比圖

由圖3可知，本文所提基于網絡切片的電力調度通信IP over E1方法中的IP over E1轉換準確率為99.86%，高于VoIP方法的99.03%。因此，本文方法的轉換準確率更優。

5 結論

為解決電力調度傳輸網絡中存在的E1與IP分組業務轉換難度大、轉換速率低的問題，本文提出了1種基于網絡切片的IP over E1方法。在數據發送端，將要傳輸的電力調度業務數據打包成IP數據，基于網絡切片技術將IP數據包切片后，封裝成E1數據幀。在此基礎上，通過E1鏈路進行數據傳輸，在接收端通過E1數據幀拆解，然后進行IP數據重組、校驗，并完成IP數據包的重組發送。在某省電力公司應用本文方法的運行結果驗證了該方法的有效性。