二纖復(fù)用段保護環(huán)自愈分析

張 現(xiàn)，趙廣超，葉禮邦，張文騫，劉 強

（中國人民解放軍63887 部隊，河南 洛陽 471000）

0 引 言

光傳輸網(wǎng)絡(luò)由通過光纖相互連接的多個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（網(wǎng)元）按照一定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組合而成[1]。其有多種拓撲結(jié)構(gòu)，考慮網(wǎng)絡(luò)的安全性和可靠性，骨干節(jié)點一般會以環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)進行組網(wǎng)，在該骨干環(huán)形網(wǎng)的基礎(chǔ)上再嵌套其他拓撲結(jié)構(gòu)，從而進行復(fù)合組網(wǎng)，如環(huán)帶環(huán)、環(huán)帶鏈、環(huán)掛點等。在光傳輸網(wǎng)絡(luò)中，應(yīng)用環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)豐富的網(wǎng)絡(luò)保護機制，提升網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的健壯性和業(yè)務(wù)的穩(wěn)定性。環(huán)形光傳輸網(wǎng)常用的保護方法包括復(fù)用段保護和通道保護2 種，其中復(fù)用段保護以二纖復(fù)用段保護環(huán)最為常見。該背景下，文章分析二纖雙向復(fù)用段保護環(huán)和二纖單向復(fù)用段保護環(huán)2 種保護方法的原理，探討線路故障后如何實現(xiàn)自愈，并對2 種保護方法進行比較和總結(jié)。

1 二纖雙向復(fù)用段保護環(huán)

網(wǎng)絡(luò)保護機制實現(xiàn)的基礎(chǔ)是必須具有保護路由。當(dāng)工作路由受影響時，將業(yè)務(wù)傳輸狀態(tài)切換為保護路由傳輸，從而保證業(yè)務(wù)不受影響。以同步數(shù)字體系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）為例，采用的信息結(jié)構(gòu)速率等級稱為同步傳送模塊-N（Synchronous Transport Module-N，STM-N），用來支持段層連接，其中N為階數(shù)，取值為1、4、16、64 等[2]。STM-1的速率為155.520 Mb/s，在等于該基本速率N倍的基礎(chǔ)上，形成較高容量的STM 高階模塊。傳送速率為STM-16 的光纖剖面圖如圖1 所示。STM-16 包含16個STM-1，即16 個虛容器（Virtual Container，VC）4 時隙。二纖雙向復(fù)用段保護環(huán)是將16 個VC4 時隙一分為二，前8 個時隙（1 ～8）作為工作時隙，后8 個時隙（9 ～16）作為保護時隙。

圖1 STM-16 的光纖剖面圖

二纖雙向復(fù)用段保護環(huán)共有4 個網(wǎng)元，由2 根光纖連接構(gòu)成環(huán)網(wǎng)。其中，2 根光纖各成一環(huán)，線路速率為STM-16，方向相反。2 根光纖的傳輸容量均一分為二，分別作為工作路由和保護路由。外環(huán)光纖的工作路由為S1（前一半時隙），保護路由為P2（后一半時隙），即S1/P2光纖，內(nèi)環(huán)則為S2/P1光纖。一般情況下，一根光纖的后一半時隙保護另一根光纖的前一半時隙，即P1保護S1，P2保護S2[1]。二纖雙向復(fù)用段保護環(huán)如圖2 所示。

圖2 二纖雙向復(fù)用段保護環(huán)

1.1 正常業(yè)務(wù)流向

以網(wǎng)元節(jié)點A 與C 之間的業(yè)務(wù)流向為例，分析正常情況下二纖雙向復(fù)用段保護環(huán)運行的方式。正常情況下節(jié)點A 和節(jié)點C 之間的業(yè)務(wù)流向如圖3 所示。

圖3 節(jié)點A 和節(jié)點C 之間的正常業(yè)務(wù)流向

A →C 的業(yè)務(wù)由S1攜帶，經(jīng)節(jié)點B，到達節(jié)點C；C →A 的業(yè)務(wù)則由S2攜帶，經(jīng)節(jié)點B，到達節(jié)點A。

1.2 故障后業(yè)務(wù)流向

以網(wǎng)元節(jié)點A 與C 之間的業(yè)務(wù)流向為例，分析線路故障情況下二纖雙向復(fù)用段保護環(huán)運行的方式。如果節(jié)點B 與節(jié)點C 之間線路發(fā)生故障，那么倒換節(jié)點B 和節(jié)點C。倒換后的業(yè)務(wù)流向如圖4 所示。

圖4 倒換后的業(yè)務(wù)流向

將工作路由S1和S2上傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)信號分別倒換至保護路由P1和P2。此時，節(jié)點A 與節(jié)點C 之間的業(yè)務(wù)流向：A →C 的業(yè)務(wù)由S1攜帶，經(jīng)節(jié)點B 倒換到P1，再經(jīng)節(jié)點A 和節(jié)點D 傳送至節(jié)點C，由節(jié)點C 倒換到S1落地；而C →A 的業(yè)務(wù)則由節(jié)點C 倒換到P2攜帶，經(jīng)節(jié)點D、節(jié)點A、節(jié)點B，由節(jié)點B倒換到S2，由S2攜帶并傳送到節(jié)點A，從而完成二纖雙向復(fù)用段保護環(huán)自愈的過程。通過將業(yè)務(wù)信號倒換到保護時隙，改變業(yè)務(wù)流向，再倒換到工作時隙，使業(yè)務(wù)落地及不中斷。

1.3 環(huán)傳輸容量

正常情況下，由保護環(huán)的工作時隙傳送工作業(yè)務(wù)，而保護時隙可以傳送安全性要求較低的額外業(yè)務(wù)。發(fā)生故障時，通過倒換與故障線路相鄰的兩端節(jié)點，保護時隙將中斷額外業(yè)務(wù)，用來傳送工作業(yè)務(wù)，時隙利用率較高，多用于業(yè)務(wù)量大和業(yè)務(wù)分散的網(wǎng)絡(luò)[1]。二纖雙向復(fù)用段保護環(huán)的環(huán)傳輸容量為[R*(STM-N)]/2。其中：R為節(jié)點數(shù)，取值為4；STM-N為線路速率，取STM-16。

2 二纖單向復(fù)用段保護環(huán)

二纖單向復(fù)用段保護環(huán)同樣具有4 個網(wǎng)元節(jié)點，由2 根光纖連接，各成一環(huán)，方向相反。順時針為工作光纖S1，逆時針為保護光纖P1，即P1保護S1。一般情況下，業(yè)務(wù)信號只在S1光纖中傳輸，保護路由P1光纖空閑。

2.1 正常業(yè)務(wù)流向

為便于分析，以節(jié)點A 和節(jié)點C 之間的業(yè)務(wù)流向為例，分析正常情況下二纖單向復(fù)用段保護環(huán)的工作過程。正常情況下，A?C 之間的業(yè)務(wù)流向（見圖5）：A →C 的業(yè)務(wù)由S1所攜帶，經(jīng)節(jié)點B 穿通到達節(jié)點C；C→A的業(yè)務(wù)也是由S1攜帶，經(jīng)節(jié)點D穿通到達節(jié)點A。

圖5 節(jié)點A 和節(jié)點C 之間正常業(yè)務(wù)流向圖

2.2 故障后業(yè)務(wù)流向

以網(wǎng)元A 和網(wǎng)元C 之間的業(yè)務(wù)流向為例，分析線路故障的情況下二纖單向復(fù)用段保護環(huán)的工作過程。如果節(jié)點B?C 之間線路故障，此時與故障點連接的2 個網(wǎng)元節(jié)點B 和節(jié)點C 進行倒換。倒換后的業(yè)務(wù)流向圖如圖6 所示。

圖6 倒換后的業(yè)務(wù)流向圖

將S1上傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)信號倒換到P1。此時，節(jié)點A和節(jié)點C 之間的業(yè)務(wù)流向：A →C 的業(yè)務(wù)由S1攜帶，經(jīng)節(jié)點B倒換到P1，再經(jīng)節(jié)點A和節(jié)點D傳送到節(jié)點C，由節(jié)點C 倒換到S1落地；而C →A 的業(yè)務(wù)由S1攜帶，經(jīng)節(jié)點D 穿通到達節(jié)點A，未經(jīng)過故障點，與正常業(yè)務(wù)流向相同，從而完成二纖單向復(fù)用段保護環(huán)的自愈過程。

2.3 環(huán)傳輸容量

正常情況下，由二纖單向復(fù)用段保護環(huán)的工作光纖傳送業(yè)務(wù)，而保護光纖空閑。只有工作光纖故障時，才用保護光纖傳輸業(yè)務(wù)，因此二纖單向復(fù)用段保護環(huán)的環(huán)傳輸容量為STM-N，與線路速率相同，選擇線路速率為STM-16（2.5 Gb/s）。二纖單向復(fù)用段保護環(huán)多用于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模小且業(yè)務(wù)量集中的網(wǎng)絡(luò)。

3 保護環(huán)分析比較

3.1 相同點

2 種保護環(huán)的物理連接方式相同，都是以復(fù)用段為基礎(chǔ)，需要運行自動保護切換（Automatic Protection Switch，APS）協(xié)議，倒換整個復(fù)用段層。以環(huán)上傳輸?shù)膹?fù)用段信號優(yōu)劣作為是否倒換的判斷條件，當(dāng)線路劣化時，由線路板檢測信號丟失（Loss Of Signal，LOS）、復(fù)用段告警指示信號（Mutiplex Section-Alarm Indication Signal，MS-AIS）、誤碼過限（Mutiplex Section-Excessive，MS-EXC）等告警信號，并立即上報到主控板。主控板根據(jù)APS 協(xié)議產(chǎn)生K 字節(jié)并通過線路板傳送出去，其他節(jié)點的線路板收到K 字節(jié)后上報其主控板，由主控板完成APS 協(xié)議，再根據(jù)協(xié)議確定各節(jié)點的倒換狀態(tài)，并下發(fā)命令到交叉板，執(zhí)行時隙的交叉[3]。簡而言之，由光板檢測告警上報給主控板，由主控板處理APS 協(xié)議，下發(fā)命令給交叉板執(zhí)行倒換。在條件允許的前提下，建議各站都備一些關(guān)鍵單板，如主控板、交叉板、線路板等。

此外，倒換由K1字節(jié)和K2字節(jié)（自動保護倒換通路字節(jié)K1和K2）所攜帶的APS 協(xié)議啟動，K1字節(jié)和K2字節(jié)中用來標識節(jié)點身份標識號（Identity document，ID）的只有4 位（K2字節(jié)的前4 個位b1～b4），即24種排列方式，因此單個保護環(huán)上的網(wǎng)元數(shù)量最多為16 個，否則倒換協(xié)議無法運行[3]。

3.2 不同點

二纖雙向復(fù)用段保護環(huán)是一致路由（發(fā)和收業(yè)務(wù)方向相反，經(jīng)過的站點相同），通常采用最短路徑（路徑長短指相隔節(jié)點數(shù)值，而非物理線路距離）；二纖單向復(fù)用段保護環(huán)是分離路由（發(fā)和收業(yè)務(wù)方向一致，經(jīng)過的站點不同）。

復(fù)用段保護環(huán)倒換時間一般不超過50 ms，二纖單向復(fù)用段保護環(huán)倒換時間一般在30 ms 左右，比二纖雙向復(fù)用段保護環(huán)快。二纖雙向復(fù)用段保護環(huán)的傳輸路徑小于1 200 km 時，保護倒換時間小于50 ms；當(dāng)環(huán)網(wǎng)的傳輸路徑很長時，保護倒換時間可能會有100 ～200 ms[4]。

3.3 小 結(jié)

實際使用中，影響環(huán)形光傳輸網(wǎng)保護方法選擇的因素很多，包括光纜路由、建設(shè)成本、業(yè)務(wù)類型以及保護級別等，需要權(quán)衡多方因素，因地制宜，使保護機制充分發(fā)揮優(yōu)勢，確保光傳輸網(wǎng)絡(luò)安全可靠。例如：城市之間的數(shù)據(jù)中心構(gòu)成的三點環(huán)形光傳輸網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點少、業(yè)務(wù)量集中、保護級別要求較高，采用二纖單向復(fù)用段保護環(huán)比較適宜，既能發(fā)揮故障倒換時間短的優(yōu)勢，又能彌補時隙利用率低的不足；各個通信基站之間構(gòu)成的光傳輸網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點多、業(yè)務(wù)分散、拓撲結(jié)構(gòu)復(fù)雜，二纖雙向復(fù)用段保護環(huán)更適宜，既能提高時隙利用率，又能充分發(fā)揮路由保護功能[5]。

4 結(jié) 論

對于由4 個網(wǎng)元節(jié)點構(gòu)成的SDH 環(huán)網(wǎng)，在線路速率同為STM-16 的基礎(chǔ)上，文章以二纖復(fù)用段保護環(huán)為例，詳細分析二纖雙向復(fù)用段保護環(huán)和二纖單向復(fù)用段保護環(huán)的保護方法及其倒換過程，對比2 種保護環(huán)的異同點，并結(jié)合實際給出相應(yīng)的建議。