吴 越 常 倩 张 庚 王亚男 杨林涛* 江 昊
1(华中师范大学物理科学与技术学院 湖北 武汉 430079) 2(中国电力科学研究院有限公司 北京 100192) 3(武汉大学电子信息学院 湖北 武汉 430072)
“十三五”期间，为充分保障中东部地区电力供应，我国西电东送、北电南送的规模显著增长，全国电网互联的格局已经形成[1-2]。与此同时，国家电网公司省际骨干通信网进一步提高服务支撑能力，全面建成了基于SDH和光传送网(Optical Transport Network，OTN)技术的光传输网双平面结构。然而，随着电力通信网络规模的持续扩大，光传输网承载的业务数量飞速增长[3]，出现了拓扑结构复杂化、资源分布不均衡、管理难度大等问题，给运维管理人员带来了前所未有压力，仅依靠个人经验和理论分析等传统方法难以满足电力通信网安全、稳定、可靠运行的需求，而仿真作为通信网络分析设计的重要工具，可为网络建设的决策提供有力的数据支持[4-5]。SDH光传输网作为电力通信网络的重要组成部分，承载了继电保护、安稳控制和调度自动化等电网核心业务[6]，对电网的安全稳定运行起着至关重要的作用，因此本文针对电力通信SDH光传输网的仿真及规划应用进行研究。
光网络的仿真及规划一直是近年研究的热点。Kretsis等[7]设计了名为Mantis的网络规划及运营工具，支持路由计算、波长及光谱分配、资本支出/运营成本计算等功能；
VPIsystems公司开发了一系列网络设计与规划软件，用于对光传输网络进行业务预测及资源规划[8-10]；
韩立园等[11]基于OPNET对网络进行仿真建模和性能分析，为网络扩建设计提供依据；
杨伟振[12]在GLASS[13]的基础上添加SDH光传输网络组件模块，实现对SDH光网络的建模、仿真和性能评估。上述软件工具或方法均面向公网提供网络规划、网络容量分析、投资收益分析等解决方案，但未考虑电网管理政策(例如三双、线路重载等)、电力业务高可靠性和光缆网的限制等电网特异需求，不能完全满足电力通信网安全、稳定、可靠运行的要求。
针对上述问题，本文设计了电力通信SDH光传输网仿真与规划应用整体架构和工作流程，建立了时隙资源管理、节点组模型等资源仿真模型，实现了业务路由规划、故障模拟及保护倒换等功能。在试点省份部署应用，结果表明本文方法能够为电力通信SDH光传输网的日常规划优化提供辅助决策手段，同时，其故障分析功能可以模拟故障对真实网络的影响和风险，提升运维人员的事故处理能力。
1.1 整体架构
电力通信SDH光传输网仿真与规划应用整体架构如图1所示。
图1 整体架构
图1中，数据库模块存储现网运行管理数据，为资源仿真、行为仿真和规划应用模块提供相应的数据交互；
资源仿真模块建立基础仿真模型，为网络行为的仿真及规划应用提供支撑；
行为仿真模块针对网络故障及保护倒换行为进行仿真；
规划应用模块实现新增业务路由规划、业务路由优化和业务可靠性评估等功能；
控制模块通过Socket TCP接口发送指令，控制各模块执行相应操作。
1.2 工作流程
各模块间工作及交互流程如图2所示。仿真及规划应用分为创建数据库、创建网络、规划应用(以新增业务路由规划为例)、故障分析和保存网络等五个工作状态。
图2 各模块间工作及交互流程
1) 创建数据库：仿真开始，控制模块发送创建数据库指令，资源仿真模块收到指令后提取.xlsx格式的现网运行管理数据，通知数据库模块创建相应数据表进行存储。
2) 创建网络：控制模块发送创建网络指令，资源仿真模块收到指令后从数据库提取数据，针对时隙资源管理模型、节点组模型、链路组模型、网络及保护组模型和业务及路由组模型创建相应的对象。
3) 新增业务路由规划：控制模块发送新增业务指令，规划应用模块收到指令后根据业务描述信息计算网络中是否存在可用业务路由。如果存在，更新剩余资源，返回所得业务路由；
如果不存在，返回无可用资源。
4) 故障分析：控制模块发送故障分析指令，携带故障设备节点、光纤信息，行为仿真模块收到指令后设置相应设备节点、光纤故障，并通知资源仿真模块查询保护设置信息。如果有可用保护，进行保护倒换操作，并返回可用保护信息；
如果无可用保护，返回业务丢失信息。
5) 保存网络：控制模块发送保存网络指令，资源仿真模块提取相应信息保存至数据库，仿真结束。
2.1 数据库模块
基于MySQL 8.0数据库，依据现网运行管理数据，创建站点表、设备节点表、设备板卡表、端口表、光缆表、光纤表、线性复用段1+1保护(MSP 1+1)表、二纤双向复用段共享保护环(MS-SPRing2)表、通道保护环表、通道表和业务表。
2.2 资源仿真模块
本文自底向上建立电力通信SDH光传输网“属性—方法—关系”类模型，包括时隙资源管理模型、节点组模型、链路组模型、网络及保护组模型和业务及路由组模型。
(1) 时隙资源管理模型。时隙资源管理类模型在时隙粒度对链路资源进行分配，其由时隙类Slot和SDH数据帧类ClsSDHFrame组成。其中，一个SDH数据帧由多个时隙组成。本文参照GB/T 15940-2008标准[14]对ClsSDHFrame类的映射和复用体系进行建模，其复用和映射结构均继承自Slot类，并提供时隙资源的检查、分配、更新和释放等方法。
(2) 节点组模型和链路组模型。网络及保护组模型承载在节点组模型和链路组模型之上。节点组模型由站点类Site、设备节点类Node、设备板卡类Card和端口类Port组成；
链路组模型由光缆类OLG、光路类Olink和光纤类Fiber组成。其中，光纤对象依据光纤速率等级创建相应的ClsSDHFrame类对象作为属性保存，用于对光纤中时隙资源进行分配和管理。
(3) 网络及保护组模型。网络及保护组模型由网络类Network、线性复用段1+1保护类MSP和二纤双向复用段共享保护环类MS-SPRing2组成，网络中可以包含MSP 1+1保护、MS-SPRing2保护、两者兼有或均不存在。对于MS-SPRing2保护，本文选取ITU-T G.808.2推荐的Wrapping保护[15]方式，环网由S1/P2和S2/P1两组光纤构成，在设置保护时，将S1/P2光纤时隙资源的一半设置为工作时隙(S1)，另一半设置为保护时隙(P2)，并为S2/P1光纤的工作时隙提供反方向保护，S2/P1光纤的设置方式类似。
(4) 业务及路由组模型。业务及路由组模型由业务Service类、通道OChannel类和通道保护环Trail_Protection类组成。根据业务是否存在保护可将其分为两类：对于非保护业务，对应一条业务通道；
对于保护业务，对应一个通道保护环。
任意一条通道或通道保护环上可以承载多条业务，具体承载业务的数量取决于通道、通道保护环和业务的带宽属性。本文所述业务路由指业务源端到宿端单方向的一条路径；
通道由两条方向相反的业务路由组成；
通道保护环分为二纤单向通道保护环和二纤双向通道保护环，均由两条通道组成，且两条通道应能够成环。
2.3 行为仿真模块
本节将着重介绍在行为仿真模块中进行的故障模拟和保护倒换的实现方法，其流程如图3所示。
图3 故障分析流程
在启动故障分析后，首先设置故障光纤和故障设备节点信息，故障设置方式可以人工手动设置故障设备节点、光纤列表或自动进行单断、双断轮询；
然后遍历全网所有业务，提取网络中受影响的业务，依据业务等级由高到低结合设置的保护策略进行保护倒换；
最后返回故障分析结果，包括丢失业务数量、失去保护业务数量、倒换业务数量等参数。
在进行保护倒换时，按照MSP 1+1>MS-SPRing2>通道保护环的优先级顺序进行，分为以下三种情况：
1) 若故障光纤/设备节点在业务通道的保护路由上，不执行倒换，仅上报业务失去保护。
2) 若故障设备节点在业务通道的工作路由上，第一步仅尝试进行MS-SPRing2保护倒换，这是因为在设备节点故障时，经过该设备节点的MSP 1+1保护必定失效。若成功，更新与故障复用段关联的通道或通道保护环路径；
否则，尝试进行通道保护环倒换，成功则返回保护倒换结果，失败则上报业务中断。
3) 若故障光纤在业务通道的工作路由上，首先尝试进行MSP 1+1保护倒换操作，成功则更新与故障复用段关联的通道或通道保护环路径，否则按照情况2)处理。
2.4 规划应用模块
规划应用模块包括新增业务路由规划、业务路由优化和基于N-X的业务可靠性评估等功能。其中，新增业务路由规划实现在新增业务时对网络可用资源进行分配并更新；
业务路由优化将电网管理政策(例如三双、线路重载等)作为约束条件，对所选业务路由进行重新规划；
基于N-X的业务可靠性评估利用2.3节所述方法模拟发生N-X故障，对各业务进行受影响分析，对于受影响程度超阈值的业务，应优先采取保障措施。
本节以新增业务路由规划为例，介绍规划应用模块的实现方法。业务路由规划过程中最关键的步骤是相应网络资源的分配，若使用常用的最短路径算法，难以保证所求最短业务路由存在可用资源，因此本文采用Yen[16]提出的算法求解K条最短路由，从中获取所需数量的可用业务路由。新增业务路由规划流程如图4所示。
图4 新增业务路由规划流程
对于新增业务，提取业务描述信息中源/宿设备节点、业务带宽、业务等级、是否有保护和通道或通道保护环编号等参数。将其分为以下四种情况：
1) 对于无保护且未指定通道的业务，首先调用KSP算法求解1条源、宿设备节点间有可用时隙资源的最短路由，然后遍历最短路由经过的光纤，提取其所在光路的另一根光纤，组成反方向业务路由，最后生成通道并为业务分配相应的资源。
2) 对于有保护且未指定通道保护环的业务，首先调用KSP算法求解2条有可用时隙资源且成环的最短路由，然后类似于情况1) 生成两条通道，最后生成通道保护环并为业务分配相应的资源。
3) 对于无保护且指定通道的业务，查找对应通道中是否有可用时隙资源，如是，为业务分配相应的资源，如否，则按照情况1) 处理。
4) 对于有保护且指定通道保护环的业务，查找对应通道保护环中是否有可用时隙资源，如是，为业务分配相应的资源，如否，则按照情况2) 处理。
2.5 控制模块
控制模块作为电力通信SDH光传输网仿真及规划应用的核心，主要用于指令的发送以及接收各模块反馈的结果。其具体实现方法如图5所示，采用控制台输入指令参数，包括指令类型、指令序号、接收对象等信息，将上述信息转化为JSON格式数据，通过Socket TCP接口向各模块发送指令。
图5 控制模块具体实现方法
3.1 仿真场景
我国某地区电力通信SDH光传输网拓扑结构如图6所示，该地区由1个省调、1个备调、17个地市局/公司、24个500 kV变电站、3个220 kV变电站、2个35 kV变电站、1个水电厂和1个火电厂组成。通信链路速率等级为10 Gbit/s和2.5 Gbit/s，采用光纤作为传输媒介。
图6 某地区电力通信SDH光传输网拓扑结构
本实例从现网运行管理数据提取并导入不同源、宿设备节点间业务70条，包含28条2 Mbit/s的E1业务和42条155 Mbit/s的FE业务。对于上述业务，包含非保护业务和保护业务，每条业务分别对应一条业务通道或一个通道保护环，并已为其预先分配好相应网络资源。现网部分保护配置信息如表1所示，以表1中MSP 1+1保护工作光路“17-16-2”为例，参数含义为使用设备节点17与设备节点16间的第2条光路作为工作光路。
表1 现网部分保护配置信息
3.2 SDH网络资源仿真
本节通过在网络中新增5条业务测试业务路由规划和资源分配管理。新增业务及路由规划结果如表2所示。以表2中业务71路由规划结果中“26-32#1”为例，参数含义为使用26-32光路的1号光纤。其中：fw表示前向工作路由；
fp表示前向保护路由，前向保护路由仅存在于通道保护环中。由于业务反向工作(保护)路由为前向工作(保护)路由所在光路的反方向光纤组成，因此不再单独列出。
结合表2和图7信息可以看出，业务72添加完成后，26-32#1和26-22#0光纤已无可用时隙资源，因此业务73的路由采用了设备节点32->37->49->47->35->30->18的迂回策略；
对于业务75，由于源设备节点和宿设备节点恰好为表1所述155 M单向通道保护环起->止设备节点，因此优先将其配置到单向通道保护环中，得到前向工作路由和前向保护路由。
图7 业务72路由规划结果中各光纤时隙资源利用率
表2 新增业务及路由规划结果
3.3 SDH网络行为仿真
本节模拟SDH光传输网故障，对其保护倒换行为进行仿真，结果如表3所示。以表中受影响业务及数量“27->29:7 & 1->27:1”为例，参数含义为设备节点27发送至设备节点29的7条业务和设备节点1发送至设备节点27的1条业务受到当前故障的影响。
表3 故障模拟及保护倒换仿真结果
表3中分别对单设备节点、单光纤和多光纤故障进行模拟，得到结果如下：
1) 设备节点27故障后，受影响的27->29和1->27共计8条业务全部丢失。这是因为设备节点故障时，所有以该设备节点为起点或终点的业务均无法被恢复。
2) 光纤18-30#0故障后，18->49的11条业务触发155 Mbit·s单向通道保护环倒换，业务路由从“18-30#0,35-30#1,47-35#1,47-49#0”变更为“19-18#1,20-19#1,20-22#0,26-22#1,26-32#0,32-37#0,49-37#1”；
其余业务由于没有配置保护，因此全部丢失。
3) 光纤43-44-1#1、17-16-1#1和14-16#0故障后，43-44-1光路上44->30的13条业务切换到43-44-2保护光路传输；
而17-16-1光路由于为保护光路，因此1->17的10条业务仅上报失去保护；
14-16光路在MS-SPRing2上，因此27->29的7条业务触发Wrapping保护倒换，业务路由从“27-28-1#0,14-28#1,14-16#0,29-16#1”变更为“27-28-1#0,14-28#1,14-28#0,33-28#1,39-33#1,41-39#1,41-43#0,43-29#0”。
从上述资源仿真和行为仿真实验结果可以看出，本文方法能够协助运维人员进行新增业务路由的规划以及现网网络资源的分配管理；
通过模拟网络故障及保护倒换，能够为反事故演练提供可行的手段，同时协助进行检修计划的编排，对于故障后影响较大的设备节点/光纤，应予以优先检修。
随着电力通信网络规模持续扩大，管理难度日益增加，给运维人员带来了前所未有的压力。本文针对目前缺乏专门的电力通信光传输网络仿真及规划应用工具等问题，提出面向电力通信SDH光传输网的仿真方法，建立了时隙资源管理、节点组模型等资源仿真模型，实现了业务路由规划、故障模拟及保护倒换等功能。最后结合我国某地区省网，分别对SDH光传输网络资源分配和故障及保护倒换行为进行仿真，验证了本文方法的可行性，所得结论能够为下一步电力通信光传输网仿真与规划工具的研发奠定基础。
猜你喜欢 时隙路由光纤 数据通信中路由策略的匹配模式计算机与网络(2020年9期)2020-07-29一种用于6LoWPAN的多路径路由协议电脑知识与技术(2019年22期)2019-10-31OSPF外部路由引起的环路问题传播力研究(2019年24期)2019-10-21中国特种光纤产业正衔枚疾走通信产业报(2019年12期)2019-06-21长飞光纤：中国光通信A+H第一股通信产业报(2018年26期)2018-11-22Link—16中继时隙自适应调整分配技术研究科学与技术(2018年23期)2018-06-17光纤与光纤传感器中学物理·初中(2017年8期)2018-03-06基于动态帧时隙Aloha的防碰撞算法研究无线互联科技(2017年17期)2017-09-15一种车载网络的簇间碰撞避免MAC协议中国新通信(2016年4期)2016-03-24一种车载网络中基于簇的时隙碰撞解决方法山东工业技术(2016年5期)2016-03-04