一種基于數(shù)字信號(hào)的光傳輸環(huán)形網(wǎng)保護(hù)技術(shù)研究

陳遠(yuǎn)略 汪立群 陸偉

摘 要：文章提出了一種基于數(shù)字信號(hào)的光傳輸環(huán)形網(wǎng)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的光纖線路出現(xiàn)故障時(shí)，網(wǎng)絡(luò)能快速檢測(cè)到故障線路，并在短時(shí)間內(nèi)自動(dòng)切換到保護(hù)通道，恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)通信。最后對(duì)該方案進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明該方案是可行的。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào);光傳輸環(huán)形網(wǎng);切換;保護(hù)

0 ? 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)新業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，傳輸網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也在不斷改進(jìn)。光纖通信自出現(xiàn)以后得到了迅速的發(fā)展。作為傳送信號(hào)的一種方式，光纖通信可將各種數(shù)字業(yè)務(wù)信號(hào)通過特定的編碼，電光轉(zhuǎn)換后承載上光進(jìn)行傳輸。本文提出了一種基于數(shù)字信號(hào)的光傳輸環(huán)形網(wǎng)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的某條光纖發(fā)生故障，網(wǎng)絡(luò)能快速檢測(cè)到故障節(jié)點(diǎn)，并自動(dòng)切換到備用設(shè)備和備用線路，使網(wǎng)絡(luò)在無須人工干預(yù)的情況下迅速恢復(fù)業(yè)務(wù)，以滿足某些特殊業(yè)務(wù)或者重要場(chǎng)合的通信保障要求，提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

基于數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)墓鈧鬏斁W(wǎng)絡(luò)如圖1所示，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)呈三角形，A，B，C 3臺(tái)設(shè)備通過光路串聯(lián)組成三角形環(huán)形網(wǎng)。設(shè)備提供數(shù)字信號(hào)輸入/輸出接口和光接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)安全可靠地在3臺(tái)設(shè)備之間傳輸。設(shè)備實(shí)現(xiàn)將輸入的數(shù)字傳輸信號(hào)復(fù)接上光，同時(shí)從接收到的光信號(hào)中解析出數(shù)字傳輸信號(hào)，并通過相應(yīng)接口輸出的功能。

網(wǎng)絡(luò)通信保護(hù)切換如圖2所示，當(dāng)B設(shè)備與C設(shè)備通信時(shí)，首先選擇B→ C通道通信，當(dāng)BC之間的光纖鏈路發(fā)生故障時(shí)，網(wǎng)絡(luò)會(huì)自動(dòng)切換到B→A→? ?C通道（C自動(dòng)選擇接收路徑由B→C改為B→A→C），當(dāng)BC之間的光纖恢復(fù)正常時(shí)，網(wǎng)絡(luò)會(huì)自動(dòng)切換回B→C通道（C自動(dòng)選擇接收路徑由B→A→C改為B→C），當(dāng)A設(shè)備與C設(shè)備通信時(shí)，首先選擇A→C通道通信，當(dāng)AC之間的光纖鏈路發(fā)生故障時(shí)，網(wǎng)絡(luò)會(huì)自動(dòng)切換到A→B→C通道（C自動(dòng)選擇接收路徑由A→C改為A→B→C），當(dāng)AC之間的光纖恢復(fù)正常時(shí)，網(wǎng)絡(luò)會(huì)自動(dòng)切換回A→C通道（C自動(dòng)選擇接收路徑由A→B→C改為A→C）。

2 設(shè)備設(shè)計(jì)方案

設(shè)備的數(shù)據(jù)接口模塊與終端的數(shù)據(jù)接口對(duì)接，將終端數(shù)字信號(hào)整流、濾波后，經(jīng)過光電耦合器，把信號(hào)轉(zhuǎn)變成TTL電平信號(hào)送給數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)接口模塊主要包含繼電器電路實(shí)現(xiàn)與終端信號(hào)的通斷控制，光電耦合器實(shí)現(xiàn)終端控制電路與設(shè)備內(nèi)部數(shù)據(jù)處理模塊的隔離與控制。該部分設(shè)計(jì)不是本文重點(diǎn)討論的內(nèi)容，在此不作詳細(xì)贅述。

設(shè)備的數(shù)據(jù)處理模塊完成對(duì)輸入的數(shù)字傳輸信號(hào)采集、成幀處理，經(jīng)過串行器串化后變成串行數(shù)據(jù)，通過光收發(fā)模塊以光信號(hào)發(fā)送出去，接收設(shè)備完成對(duì)數(shù)字傳輸信號(hào)的解析并輸出。本設(shè)計(jì)采用的串行器DS90C241和解串器DS90C124為24 bit并行接口，采樣頻率為5～35 MHz，最大可實(shí)現(xiàn)840 Mbit/s的傳輸速率，在本設(shè)計(jì)中只使用到了其中的bit0，bit1和bit2，可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行擴(kuò)展設(shè)計(jì)[1]。

下面詳細(xì)介紹系統(tǒng)如何完成保護(hù)的設(shè)計(jì)方案。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)方案示意圖如圖4所示，根據(jù)圖2的設(shè)計(jì)可知，經(jīng)過A設(shè)備的信號(hào)有A→C，C→A，A→B→C，C→B→A，B→A→C，C→A→B，A→B，B→A，A→C→B，B→C→A這10個(gè)方向的信號(hào)。完成A到C的數(shù)字傳輸方向的信道有A→C，A→B→C，完成C到A的數(shù)字傳輸方向的信道有C→A，C→B→A，完成A到B的數(shù)字傳輸方向的信道有A→B，A→C→B，完成B到A的數(shù)字傳輸方向的信道有B→A，B→C→A;B→A→C和C→A→B是B與C之間的通信保護(hù)信道。

經(jīng)過B設(shè)備的信號(hào)有B→C，C→B，B→A→C，C→A→B，A→B→C，C→B→A，B→A，A→B，B→C→A，A→C→B這10個(gè)方向的信號(hào)。完成B到C的數(shù)字傳輸方向的信道有B→C，B→A→C，完成C到B的數(shù)字傳輸方向的信道有C→B，C→A→B，完成B到A的數(shù)字傳輸方向的信道有B→A，B→C→A，完成A到B的數(shù)字傳輸方向的信道有A→B，A→C→B;A→B→C和C→B→A是A與C之間的通信保護(hù)信道。

經(jīng)過C設(shè)備的信號(hào)有C→A，C→A→B，C→B，C→B→A，A→C，B→A→C，B→C，A→B→C，A→C→B，B→C→A這10個(gè)方向的信號(hào)。完成A到C的數(shù)字傳輸方向的信道有A→C，A→B→C，完成C到A的數(shù)字傳輸方向的信道有C→A，C→B→A，完成B到C的數(shù)字傳輸方向的信道有B→C，B→A→C，完成C到B的數(shù)字傳輸方向的信道有C→B，C→A→B;A→C→B和B→C→A是A與B之間的通信保護(hù)信道。

本設(shè)計(jì)中每個(gè)傳輸方向的業(yè)務(wù)占據(jù)了串行器或者解串器的其中一位并行數(shù)據(jù)位，每個(gè)方向最大的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量為35 Mbit/s，也可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整，最大可達(dá)840 Mbit/s。

4 數(shù)據(jù)處理模塊（FPGA）設(shè)計(jì)方案

數(shù)據(jù)處理模塊采用Xilinx公司生產(chǎn)的FPGA芯片XC6SLX100-2FGG676，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字傳輸信號(hào)、控制指令、設(shè)備及光路狀態(tài)的采集、封裝[2-3]。主要實(shí)現(xiàn)的功能如下。

指令解析：主要完成本地指令的采集和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)其他設(shè)備的指令解析。

業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通信：本地業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的采集和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的輸出。

狀態(tài)采集：完成本地光路、鏈路、設(shè)備狀態(tài)的采集。

發(fā)送：完成以上所有數(shù)據(jù)的編碼、成幀和CRC校驗(yàn)。

接收：模塊主要完成數(shù)據(jù)的解碼、解幀和CRC校驗(yàn)。

數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)采用自定義的幀格式，采用循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和數(shù)據(jù)通信的可靠性。數(shù)據(jù)幀的封裝形式如圖5所示。

前導(dǎo)碼：用于幀起始定界。

控制信息：包含本地控制指令的采集和網(wǎng)絡(luò)其他節(jié)點(diǎn)設(shè)備中的指令信息。

系統(tǒng)狀態(tài)信息：包括系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備光口狀態(tài)信息、各設(shè)備通信狀態(tài)信息、各設(shè)備心跳信息（說明設(shè)備是否正常工作）等，設(shè)備通過此部分內(nèi)容實(shí)時(shí)獲取系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備和鏈路的狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)鏈路故障，及時(shí)完成正常通信信道和保護(hù)信道之間的切換。

業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信息：數(shù)字傳輸信號(hào)的有效凈荷。

CRC校驗(yàn)：對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)信息、數(shù)字傳輸信號(hào)信息進(jìn)行CRC校驗(yàn)。

下面以BC之間通信為例介紹系統(tǒng)工作流程：設(shè)備上電后，各設(shè)備按照上述成幀方案將信息通過光纖轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)中，C設(shè)備解析出幀信息，讀取設(shè)備狀態(tài)信息判斷B設(shè)備以及BC之間的光纖是否正常，如果B設(shè)備及BC之間光纖正常，選擇B←→C信道通信;如果B設(shè)備正常但BC之間光纖故障，選擇B←→A←→C通信;如果B設(shè)備故障，A設(shè)備且AC之間光纖正常，C設(shè)備選擇B←→C信道通信;如果A設(shè)備正常且AC之間光纖故障，C設(shè)備選擇A←→B←→C信道通信。AC之間通信也是相同的情況。

5 測(cè)試驗(yàn)證

按圖1搭建光環(huán)形組網(wǎng)測(cè)試平臺(tái)，測(cè)試驗(yàn)證該系統(tǒng)保護(hù)功能的有效性。在B節(jié)點(diǎn)設(shè)備和C節(jié)點(diǎn)設(shè)備通過BC之間的光纖正常通信時(shí)，模擬B節(jié)點(diǎn)設(shè)備和C節(jié)點(diǎn)設(shè)備之間的光纖斷開，B節(jié)點(diǎn)設(shè)備和C節(jié)點(diǎn)設(shè)備之間仍然能保持正常通信，沒有數(shù)據(jù)中斷傳輸?shù)默F(xiàn)象，說明系統(tǒng)在BC之間光纖斷開時(shí)，C設(shè)備通過解析幀內(nèi)容從而獲得BC之間的光纖已斷開這一信息，自動(dòng)在C設(shè)備的接收端選擇由B←→C切換至B←→A←→C這條信道進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)保護(hù)功能。AC之間的通信也是類似的。測(cè)試結(jié)果表明該環(huán)網(wǎng)保護(hù)技術(shù)的解決方案已經(jīng)具備抵御一度光纖環(huán)路故障的能力。

同時(shí)本文提出的設(shè)計(jì)方案不僅局限于3臺(tái)設(shè)備的環(huán)形組網(wǎng)，4臺(tái)及4臺(tái)以上設(shè)備組網(wǎng)也同樣適用。4臺(tái)設(shè)備組網(wǎng)設(shè)計(jì)如圖6所示。

6 ? 結(jié)語

本文提出了對(duì)一種基于數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)墓猸h(huán)形網(wǎng)保護(hù)技術(shù)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的光纖線路出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)能快速檢測(cè)到光纖線路的故障，并快速切換到備用信道以恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)的通信，從而保證了數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)信號(hào)在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部設(shè)備之間的可靠傳輸，該網(wǎng)絡(luò)具很強(qiáng)的健壯性，可以滿足某些重要場(chǎng)合的通信保障要求。

[參考文獻(xiàn)]

[1]韋樂平.光同步數(shù)字傳輸網(wǎng)[M].北京：人民郵電出版社，1993.

[2]王碧芳.杜玉紅.光傳輸網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2017.

[3]張成良.李俊杰，馬亦然，等.光網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)解析與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2016.

（編輯 王雪芬）