一種光傳送網(wǎng)絡(luò)線性保護(hù)快速控制的通用方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：保護(hù)技術(shù)是提高網(wǎng)絡(luò)生存能力的關(guān)鍵技術(shù)，研究光傳送網(wǎng)保護(hù)機(jī)制，提供高質(zhì)量的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)無(wú)疑具有重要的實(shí)踐意義。本文提出了一種光傳送網(wǎng)絡(luò)線性保護(hù)快速控制的通用方案設(shè)計(jì)，該方案已在FPGA中實(shí)現(xiàn)。仿真和測(cè)試結(jié)果表明，該方案具有優(yōu)越的快速保護(hù)性能。文中重點(diǎn)介紹了如何實(shí)現(xiàn)該保護(hù)方案的通用化設(shè)計(jì)，以提高產(chǎn)品質(zhì)量和減少設(shè)計(jì)工作量。

關(guān)鍵詞：光傳送網(wǎng)；線性保護(hù)；通用化設(shè)計(jì)；FPGA

一、引言

隨著5G大規(guī)模商用部署的實(shí)現(xiàn)，對(duì)于光傳送網(wǎng)（Optical Transport Network，OTN）的帶寬、時(shí)延和保護(hù)性能提出了更高的要求。保護(hù)技術(shù)是提高網(wǎng)絡(luò)生存能力的關(guān)鍵技術(shù)，研究OTN保護(hù)機(jī)制，提高保護(hù)的可靠性和快速性，在實(shí)踐上有著重要的意義[1]。從保護(hù)信號(hào)類(lèi)型上，可分為網(wǎng)絡(luò)級(jí)保護(hù)和設(shè)備級(jí)保護(hù)。網(wǎng)絡(luò)級(jí)保護(hù)主要包括端到端業(yè)務(wù)電層和光層的保護(hù)，設(shè)備級(jí)保護(hù)主要發(fā)生在互為保護(hù)的設(shè)備（例如板卡）之間[2]。從保護(hù)實(shí)現(xiàn)方式上，可以分為基于軟件的保護(hù)方案、基于專(zhuān)用芯片的保護(hù)方案和基于FPGA芯片的保護(hù)方案?；谲浖谋Ｗo(hù)方案具有靈活性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是發(fā)生故障切換時(shí)間長(zhǎng)[3]?；趯?zhuān)用芯片的保護(hù)方案優(yōu)點(diǎn)是功耗低、速度快，缺點(diǎn)是缺乏通信協(xié)議演化的靈活性[4]。而基于FPGA芯片的保護(hù)方案則結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)，將通信協(xié)議升級(jí)的靈活性和硬件處理的快速性結(jié)合起來(lái)。本文提出了一種光傳送網(wǎng)絡(luò)線性快速保護(hù)的通用方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)機(jī)制，將傳統(tǒng)的硬件保護(hù)和光通道分組保護(hù)有機(jī)融合在一起，減少保護(hù)倒換時(shí)間，更好地滿(mǎn)足低延時(shí)、高速率、大帶寬、可靠性等客戶(hù)需求。

二、線性自動(dòng)保護(hù)控制通用化設(shè)計(jì)

（一）線性自動(dòng)保護(hù)控制原理介紹

一個(gè)線性1+1保護(hù)組包含一個(gè)工作通道和一個(gè)保護(hù)通道。各自通道的信號(hào)缺陷信息關(guān)聯(lián)到各自的SD/SF（Signal Degrade，信號(hào)惡化；Signal Fault，信號(hào)故障）信號(hào)上，并輸入線性保護(hù)控制器。同時(shí)，它接收對(duì)端發(fā)送的APS（Automatic Protection Switch，自動(dòng)保護(hù)切換）報(bào)文信息。線性保護(hù)控制器根據(jù)這些輸入信息結(jié)合當(dāng)前狀態(tài)，發(fā)出倒換命令給倒換控制邏輯做進(jìn)一步的倒換控制動(dòng)作，同時(shí)向?qū)Χ税l(fā)送APS報(bào)文信息[5]。其原理如圖1所示。

（二）線性自動(dòng)保護(hù)控制方案設(shè)計(jì)介紹

本文介紹的線性自動(dòng)保護(hù)控制方案實(shí)現(xiàn)功能框圖如圖2所示。該方案可以支持上百個(gè)保護(hù)組，可以實(shí)現(xiàn)快速的保護(hù)倒換。同時(shí)，它可以適用多種保護(hù)場(chǎng)景，并且適配不同外部接口。

一個(gè)完整的線性自動(dòng)保護(hù)控制設(shè)計(jì)包含自動(dòng)保護(hù)主控制模塊（APS master（FSM））、自動(dòng)保護(hù)從控制模塊（APS slaver）、APS代理模塊（APS_agent）和板間控制信息傳輸鏈路模塊（OH_iLink）。其中，各個(gè)模塊可以由上層軟件通過(guò)內(nèi)部總線進(jìn)行配置。各個(gè)功能模塊介紹如下：

1.自動(dòng)保護(hù)主控制模塊（APS master（FSM））

自動(dòng)保護(hù)控制主模塊實(shí)現(xiàn)ITU-T G.873.1標(biāo)準(zhǔn)[2]中定義的控制功能。根據(jù)接收到的SD_SF，APS Msg等信息，結(jié)合當(dāng)前的工作狀態(tài)，得出下一工作狀態(tài)，并發(fā)送APS報(bào)文信息，同時(shí)向自動(dòng)保護(hù)倒換模塊發(fā)送倒換指令。

2.自動(dòng)保護(hù)從控制模塊（APS slaver）

自動(dòng)保護(hù)從控制模塊包括倒換控制模塊（switch_proc）和信號(hào)缺陷處理模塊（defect_proc）

（1）倒換控制模塊（switch_proc）

倒換模塊負(fù)責(zé)根據(jù)自動(dòng)保護(hù)控制主模塊或上層軟件下發(fā)的命令，打開(kāi)或關(guān)閉接口光模塊。當(dāng)自動(dòng)保護(hù)控制主模塊發(fā)出新的命令時(shí)，生成中斷報(bào)送上層軟件處理。

在正常情況下，倒換控制模塊接收自動(dòng)保護(hù)控制主模塊發(fā)出的倒換指令。但是，如果自動(dòng)保護(hù)控制主模塊沒(méi)有在工作或者傳遞倒換指令的板間控制信息傳輸鏈路中斷，倒換模塊將恢復(fù)到工作正常模式。

（2）信號(hào)缺陷處理模塊（defect_proc）

信號(hào)缺陷處理模塊可以用于檢測(cè)、收集和過(guò)濾信號(hào)缺陷。來(lái)自各板間信號(hào)缺陷處理模塊處理后的故障會(huì)被匯集到保護(hù)板上的信號(hào)缺陷處理模塊，產(chǎn)生的SD/SF信號(hào)輸出到自動(dòng)保護(hù)控制主模塊。這些信號(hào)缺陷可以來(lái)自業(yè)務(wù)芯片、可檢測(cè)的本地信號(hào)以及由上層軟件查詢(xún)的信號(hào)。

（3）APS報(bào)文信息處理模塊（APS_oh_proc）

負(fù)責(zé)提取和插入業(yè)務(wù)處理模塊APS報(bào)文信息。

3.APS代理模塊（APS_agent）

負(fù)責(zé)多個(gè)APS slaver和APS master之間保護(hù)信息的匯集和分發(fā)。

4.板間控制信息傳輸鏈路模塊（OH_iLink）

通過(guò)板間控制信息傳輸鏈路，各板間可以共享保護(hù)相關(guān)信息（APS_Msg，SD_SF，switch）。APS IP（intellectual property）知識(shí)產(chǎn)權(quán)模塊2#～n#具備類(lèi)似上述模塊功能。

（三）保護(hù)控制方案通用化設(shè)計(jì)

1.通用化設(shè)計(jì)

通用化設(shè)計(jì)不僅可以減少設(shè)計(jì)工作量，還能提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，是產(chǎn)品取得成功的重要技術(shù)之一。本保護(hù)控制方案除了參數(shù)定制化外，還通過(guò)以下方式來(lái)實(shí)現(xiàn)通用化設(shè)計(jì)。

（1）多保護(hù)組和多通道的通用化設(shè)計(jì)

將各通道虛擬成邏輯通道，通過(guò)映射配置將物理通道和邏輯通道綁定。一個(gè)保護(hù)組可以分成工作和保護(hù)兩個(gè)通道，通過(guò)映射配置綁定保護(hù)組通道與邏輯通道。以信號(hào)缺陷傳送為例，示意圖如圖3所示。這樣，上層軟件可以對(duì)資源進(jìn)行靈活分配和管理。不同應(yīng)用場(chǎng)景中，業(yè)務(wù)芯片接口會(huì)有不同，這時(shí)只需要適配物理通道接口即可，不需要對(duì)整個(gè)IP內(nèi)部做任何改動(dòng)。

（2）將保護(hù)功能分解成自動(dòng)保護(hù)主控制模塊和自動(dòng)保護(hù)從控制模塊

自動(dòng)保護(hù)主控制模塊和自動(dòng)保護(hù)從控制模塊通過(guò)APS代理模塊和板間控制信息傳輸鏈路模塊實(shí)現(xiàn)相互通信。所有自動(dòng)保護(hù)從控制模塊與主模塊之間通信路徑幾乎相同，從設(shè)計(jì)上消除多路徑延時(shí)差。

（3）倒換控制模塊通用化設(shè)計(jì)

在倒換控制模塊中，既可以直接對(duì)光模塊進(jìn)行控制，也可以通過(guò)中斷通知軟件進(jìn)行控制。在直接對(duì)光模塊進(jìn)行控制的情況下，引入真值表設(shè)計(jì)（如表1所示），實(shí)現(xiàn)多控制輸入與單控制輸出的靈活配置，實(shí)現(xiàn)對(duì)光模塊控制的通用化設(shè)計(jì)，如圖4所示。

（4）板間控制信息傳輸鏈路模塊通用化設(shè)計(jì)

在一些應(yīng)用情況下，一個(gè)板卡會(huì)與網(wǎng)元內(nèi)其他多塊板卡一起協(xié)同工作，因此會(huì)存在多條板間控制信息傳輸鏈路[6]。本板控制信息可以廣播到多條鏈路上。內(nèi)部鏈路通過(guò)交叉設(shè)計(jì)，可以連接到任意物理傳輸鏈路上，也可以環(huán)回，從而實(shí)現(xiàn)控制信息傳輸鏈路的物理解耦。

2.通用化設(shè)計(jì)應(yīng)用場(chǎng)景舉例

通過(guò)通用化設(shè)計(jì)，該保護(hù)方案可以適用多種保護(hù)場(chǎng)景，如SNCP（Subnetwork Connection Protection，子網(wǎng)連接保護(hù)），Y-cable，OPSB（Optical Protection Switch Card，光保護(hù)倒換卡）等。接下來(lái)，將介紹這些應(yīng)用。

（1）SNCP保護(hù)方案

在SNCP保護(hù)方案中，如圖5所示，用戶(hù)信道接入線路側(cè)網(wǎng)元交換芯片后分成工作（working）通道和保護(hù)（protection）通道。這樣只要在接入線路側(cè)板卡上配置使能一個(gè)完整的保護(hù)控制IP（intellectual property，知識(shí)產(chǎn)權(quán)）即可，工作和保護(hù)通道都在一個(gè)保護(hù)控制從模塊內(nèi)。網(wǎng)元NE1（Network Element）和NE2構(gòu)成子網(wǎng)（sub network）連接，客戶(hù)設(shè)備（client ADM）的發(fā)送端（TX）和接收端（RX）分別與網(wǎng)元NE1和網(wǎng)元NE2相連接。

（2）Y-cable保護(hù)方案

在Y-cable保護(hù)倒換方案中（如圖6所示），不同于SNCP，用戶(hù)發(fā)送信道（Tx）通過(guò)無(wú)源分合光器（Splitter/joiner）分成工作（working）通道和保護(hù)（protection）通道，接收信道則將工作信道和保護(hù)信道合成用戶(hù)接收信道（Rx）。這就要求接收時(shí)，只能一個(gè)通道在工作，另外一個(gè)通道必須關(guān)閉。

Y-cable保護(hù)控制可以配置如下：

保護(hù)板上配置使能完整保護(hù)控制IP，在工作板上配置使能除自動(dòng)控制主模塊外的其他功能模塊。工作板上的保護(hù)控制從模塊負(fù)責(zé)將工作通道上的信號(hào)缺陷信息通過(guò)板間通信鏈路發(fā)送到保護(hù)板上的工作通道上，同時(shí)接收來(lái)自保護(hù)板上的保護(hù)主控制模塊發(fā)送過(guò)來(lái)的倒換指令去控制開(kāi)關(guān)光模塊。保護(hù)板上的保護(hù)控制從模塊則負(fù)責(zé)傳送保護(hù)通道上的信號(hào)缺陷信息和APS報(bào)文信息給保護(hù)控制主模塊，發(fā)送來(lái)自主模塊的APS報(bào)文信息和根據(jù)接收的倒換指令去控制開(kāi)關(guān)本板光模塊。

（3）OPSB保護(hù)方案

在OPSB保護(hù)方案中，如圖7所示，當(dāng)通道上有信號(hào)缺陷發(fā)生時(shí)，IO（Input/Output，輸入輸出）板上需要關(guān)閉該通道上的光信號(hào)，然后通知OPSB板卡進(jìn)行倒換。

為實(shí)現(xiàn)這一功能，可以在IO板（圖中對(duì)應(yīng)working和protection）上進(jìn)行配置使能完整保護(hù)控制IP。使能一個(gè)保護(hù)組，保護(hù)通道懸空默認(rèn)無(wú)信號(hào)缺陷，工作通道正常配置。當(dāng)IO板上檢測(cè)到有信號(hào)缺陷時(shí)，APS主控制模塊會(huì)發(fā)出倒換命令給倒換控制模塊，關(guān)閉與OPSB板卡連接的光模塊，OPSB板卡檢測(cè)到該通道無(wú)信號(hào)，就會(huì)進(jìn)行業(yè)務(wù)倒換。

（四）保護(hù)控制設(shè)計(jì)方案倒換性能仿真測(cè)試

該線性保護(hù)方案適合在芯片實(shí)現(xiàn)，可以全程硬件控制，實(shí)現(xiàn)從輸入信號(hào)缺陷到控制輸出的快速倒換。對(duì)該Y-cable保護(hù)控制方案進(jìn)行了仿真，該設(shè)計(jì)最大支持保護(hù)組512個(gè)，通道1024個(gè)。仿真結(jié)果如圖8所示，展示了從信號(hào)缺陷輸入到倒換控制信號(hào)輸出以及中斷產(chǎn)生的各信號(hào)時(shí)序圖。

圖中external_defects和switch_points為保護(hù)控制主模塊的輸入輸出信號(hào)，clock為時(shí)鐘信號(hào)。從圖中可以看出，從保護(hù)板保護(hù)通道上外部信號(hào)缺陷（external_defects）產(chǎn)生到倒換控制開(kāi)關(guān)信號(hào)輸出（switch_points）總共時(shí)長(zhǎng)為3.79ms。這樣的保護(hù)倒換時(shí)間相對(duì)于通信網(wǎng)要求的50ms倒換時(shí)間無(wú)疑是非常快速的。在產(chǎn)品實(shí)際測(cè)試中，也同樣體現(xiàn)了保護(hù)快速倒換的優(yōu)越性能。

三、結(jié)束語(yǔ)

本文提出的線性保護(hù)控制方案通過(guò)抽象和虛擬化，以及合理劃分功能模塊的方式，實(shí)現(xiàn)了通用化設(shè)計(jì)，使得同一設(shè)計(jì)可以適配不同物理接口，并且通過(guò)合理配置可以適用多種保護(hù)應(yīng)用場(chǎng)景。通用化設(shè)計(jì)極大節(jié)省了設(shè)計(jì)工作量，同時(shí)可以提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。該方案已經(jīng)通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)，從仿真和產(chǎn)品測(cè)試結(jié)果可以看出，該線性保護(hù)控制方案可以進(jìn)行快速保護(hù)倒換，性能突出。它被廣泛應(yīng)用于光傳送網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品中，為網(wǎng)絡(luò)的可靠運(yùn)行提供了有力支撐。

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