使用国产ＳＤＨ芯片实现环网络自愈

    摘要：研究了在ＳＤＨ光传输系统中如何使用清华大学自主开发的ＳＤＨ高阶芯片ＭＸＨ０１５５－２实现环网络自愈（ＳＨＲ）的问题；给出了两种切实可行的方案：通道保护倒换自愈和复用段保护倒换自愈，并且给出了各自的电路结构并比较分析了各自的优缺点；提出了一种利用ＡＰＳ字节的复用段保护倒换协议。

    关键词：同步数字系列  自愈环  自动保护倒换

    在ＳＤＨ通信传输系统的工程应用中，通常都要组成环形网络。环网络是一系列的封闭节点集，其中每一节点都与通信设备相连。ＳＤＨ组成环网络可以通过富余的带宽或网络设备来自动恢复网络发生故障时的业务，所以这种环网络也称为自愈环（ＳＨＲ）。环中使用的复用设备是ＡＤＭ，它用来分插本地信道或者转接通过的信道。实现自愈功能的常用方法是再增加一条与工作环并行的通信环路。根据环上的业务流向来划分，可分为单向自愈环和双向自愈环；根据保护的对象来划分，又可分为通道保护倒换自愈环和复用段保护倒换自愈环。在ＳＤＨ建议中，通过ＳＤＨ帧结构中的复用段开销Ｋ１和Ｋ２字节的通信协议来实现控制复用段自动保护倒换的信令，因此Ｋ１和Ｋ２也被称为ＡＰＳ字节，在复用段保护倒换中具有特殊的重要的意义。

    清华大学开发的ＳＤＨ高阶专用集成电路ＭＸＨＯ１５５－２实现了从ＶＣ－４总线到ＳＴＭ－１的映射以及从ＳＴＭ－１到ＶＣ－４的去映射功能，具有完善的再生段开销、复用段开销和高阶通道开销处理，并安排了丰富的片内环回功能。该芯片可用于ＳＤＨ光传输系统中，实现自愈环。具体可以有两种方案，一种是通道保护倒换自愈环，另一种是单向复用段保护倒换自愈环。下面分别介绍其原理、自愈过程。最后分析其性能，包括业务容量和经济效益。

１ 通道保护倒换自愈环

    通道保护倒换环是一种最简单的自愈结构，不需要任何保护倒换协议。这种保护采用“并发选收”的方式，即业务同时上载到两个方向的光纤上传输。接收时则根据一定的判据选择质量较好的一路下载。这种方案配合清华大学开发的另一块ＳＤＨ芯片ＭＸＬＯ２１Ｅ１－１使用，甚至不需要在片外切换。

２ 复用段保护倒换自愈环

    这里的复用段保护倒换自愈环指的是二纤单向环，也是应用最为广泛的一种环结构。对于这种自愈环结构，目前ＩＴＵ－Ｔ还没有明确的建议标准。我们根据现有的建议，提出了一种使用Ｋ１、Ｋ２字节完成的复用段保护倒换协议，可以实现环路自愈功能。

    ＭＸＨＯ１５５－２用于这种系统中，一种较为简便的电路结构如图１所示。图中Ａ、Ｂ表示两片ＭＸＨＯ１５５－２。倒换位置选择在上下ＶＣ－４总线处，倒换实际上主要表现为上下ＶＣ－４总线的选择。当然，复用段的倒换不仅只是ＶＣ－４，还包括段开销。根据需要，实时通道Ｅ１、Ｅ２、Ｆ１、ＤＣＣ１和ＤＣＣ２都可以在片外进行倒换。至于其他需要倒换的开销字节，可由软件控制，通过单片机读写不同的芯片来实现。

    正常工作时，假设Ａ片为工作芯片，Ｂ片为保护芯片。则东向来的光纤和去往西向的光纤为工作光纤，另外一对光纤为保护光纤。保护光纤平时处于空闲状态，即没有净荷需要接收和发送，所以只在线路上传送一个空的ＳＤＨ基本帧结构。网络各节点的Ｂ芯片可简单地工作于再生中继环回状态，并可用于向上游节点回送或者接收下游节点回送的有关信息，如远端误码块指示Ｍ１字节等。下面用图２来说明网络自愈的过程。

    该自愈环共有四个节点，分别标记为节点１、节点２、节点３和节点４，并顺序分配节点ＩＤ二进制数０００１、００１０、００１１和０１００。每个节点都被配置为ＡＤＭ，即从上游节点码流中下载一个ＶＣ－４，并往下游发送码流中上载一个ＶＣ－４。正常工作时，业务都通过外环工作光纤顺时针方向传送。当出现故障时，就需要用到Ｋ１、Ｋ２两个ＡＰＳ字节的保护倒换协议来保证自愈的正确完成。这里提出的一种ＡＰＳ保护倒换协议，尽量遵循ＩＴＵ－Ｔ的有关标准。Ｋ１字节的编码格式为：前四个比特编码表示各种倒换请求，后四个比特表示发出倒换请求的源节点标识（ＩＤ）。Ｋ２字节的前四个比特表示接收倒换请求的目的节点ＩＤ，后四个比特用来传送其他复用段信息，如ＭＳ－ＡＩＳ和ＭＳ－ＲＤＩ等。这一协议限制了网络中的节点数目不能超过１６个，如果节点数目超过１６个，可用其他未用开销字节承载地址信息，这样保护倒换时间可能会无法保证。

    Ｋ１字节倒换请求编码如表１所示。

表1 K1字节编码

    其中ＳＦ为信号故障，包括ＬＯＳ、ＬＯＦ和预定义的比特误码率；ＳＤ为信号劣化，也为预定义的比特误码率。两者均可作为启动保护倒换的判据。

    在图示环网中，遵循的原则是：（１）永远从同一方向发送和接收ＡＰＳ字节；（２）主动发出倒换请求的一方要向发现故障方向相反的方向发出ＡＰＳ字节。

当发生如图所示的故障时，倒换过程如表２所示。

表2 二纤单向复用段保护倒换示例

倒换过程中，没有接受倒换请求的中间节点维持原工作状态不变，即工作芯片上下ＶＣ－４，保护芯片做再生中继环回。

在上述协议中，需要考虑几点：①当任何一步没有收到确认或者没有在规定时间内收到确认（为了保证倒换时间要求），则协议失败，节点应该把此情况上报网管处理。②如果某节点完全失效，好的自愈协议应该能把该节点从网络中自动去除。完成这个功能只需对协议作如下改动：若某节点发出倒换申请后在规定时间内没有收到来自目的的节点的反向请求，则向该节点的下一个相邻节点重新发送倒换请求，并等待回应，继续执行协议的其余部分。这样，就可把失效节点剔除。但是，在这种情况下，网络保护倒换时间可能会稍长。

３ 性能比较分析

ＩＴＵ－Ｔ建议保护倒换时间应该小于５０ｍｓ。通道保护由于不需要协议支持，所以倒换速度很快，可以满足要求，并且此种保护对环网络中的节点数目没有要求。复用段保护的网络节点数目最多为１６个。每个节点确认Ｋ１、Ｋ２字节需要３帧时间，转发或者插入新的ＡＰＳ字节至少需要延迟１帧时间，而完成一次倒换最多需要交互３次ＡＰＳ字节。ＳＤＨ帧延迟为微秒级可以忽略不计，所以最坏情况下倒换信令最小延迟为：３次×１６节点×（３＋１）帧×１２５μｓ＝２４ｍｓ。这样还有２６ｍｓ的时间供软件处理ＡＰＳ字节和完成硬件切换，使用一般的ＣＰＵ完全可以满足倒换时间要求。

从网络业务容量来看，对于通道保护环，由于进入环中的所有支路信号都要经过两个方向传向接受分路节点，因而环的业务容量最多等于节点ＡＤＭ系统的容量ＳＴＭ－１。对于复用段保护环来说，虽然从每个节点来看，业务容量也为ＳＴＭ－１，但从网络的角度看，每对相邻节点间的业务均可单独配置，也即环中各段的业务各不相同，所以总体业务容量可大大超过ＳＴＭ－１。可见，复用段倒换环的平均成本更低。

通道保护环的一个优点在于它的保护带宽颗粒较小，可以提供Ｅ１、ＶＣ－１２、ＶＣ－４各种容量等级的保护，应用最灵活。复用段倒换则只提供对ＶＣ－４的保护，主要适合大业务量的场合。另外，通道倒换环的倒换由本地决定，与网络无关，所以除了环以外，适用于各种复杂的网络拓扑。

从额外业务量来看，通过保护环采用了１＋１的保护方式，所以保护通路无法携带额外业务量；而复用段保护环则采用１：１的保护方式，正常工作时，保护通道可用来携带额外的业务量，从而提高网络利用率。

在各种自愈环中，网管都起着很重要的作用，它要始终掌握整个网络的拓扑和工作情况，并对异常情况做出相应处理。关于时钟的倒换问题，我们认为这种自愈环路宜于采用全网同步时钟，即网络各节点都使用主节点的时钟。当主节点完全失效后，应可自动重新选择主站点作为网络时钟源。

环网自愈是ＳＤＨ光传输系统需要实现的重要功能。各种自愈环的原理都很明白，但是具体的实现方案和保护倒换协议却还很不完善，特别是针对二纤单向复用段保护环。因此，我们结合国产芯片，提出了一种专门针对此种自愈环的ＡＰＳ协议，应用于ＳＴＭ－１等级的ＳＤＨ环网中。另外，如何解除网络对节点数目的限制，以及解决业务错连、实现环的互通等，都是需要进一步研究的问题。