二纤复用段保护环自愈分析

2023-09-11赵广超叶礼邦张文骞

通信电源技术 2023年15期

张现，赵广超，叶礼邦，张文骞，刘强

（中国人民解放军63887 部队，河南洛阳 471000）

0 引言

光传输网络由通过光纤相互连接的多个网络节点（网元）按照一定的网络结构组合而成[1]。其有多种拓扑结构，考虑网络的安全性和可靠性，骨干节点一般会以环形拓扑结构进行组网，在该骨干环形网的基础上再嵌套其他拓扑结构，从而进行复合组网，如环带环、环带链、环挂点等。在光传输网络中，应用环形拓扑结构能够实现丰富的网络保护机制，提升网络结构的健壮性和业务的稳定性。环形光传输网常用的保护方法包括复用段保护和通道保护2 种，其中复用段保护以二纤复用段保护环最为常见。该背景下，文章分析二纤双向复用段保护环和二纤单向复用段保护环2 种保护方法的原理，探讨线路故障后如何实现自愈，并对2 种保护方法进行比较和总结。

1 二纤双向复用段保护环

网络保护机制实现的基础是必须具有保护路由。当工作路由受影响时，将业务传输状态切换为保护路由传输，从而保证业务不受影响。以同步数字体系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）为例，采用的信息结构速率等级称为同步传送模块-N（Synchronous Transport Module-N，STM-N），用来支持段层连接，其中N为阶数，取值为1、4、16、64 等[2]。STM-1的速率为155.520 Mb/s，在等于该基本速率N倍的基础上，形成较高容量的STM 高阶模块。传送速率为STM-16 的光纤剖面图如图1 所示。STM-16 包含16个STM-1，即16 个虚容器（Virtual Container，VC）4 时隙。二纤双向复用段保护环是将16 个VC4 时隙一分为二，前8 个时隙（1 ～8）作为工作时隙，后8 个时隙（9 ～16）作为保护时隙。

图1 STM-16 的光纤剖面图

二纤双向复用段保护环共有4 个网元，由2 根光纤连接构成环网。其中，2 根光纤各成一环，线路速率为STM-16，方向相反。2 根光纤的传输容量均一分为二，分别作为工作路由和保护路由。外环光纤的工作路由为S1（前一半时隙），保护路由为P2（后一半时隙），即S1/P2光纤，内环则为S2/P1光纤。一般情况下，一根光纤的后一半时隙保护另一根光纤的前一半时隙，即P1保护S1，P2保护S2[1]。二纤双向复用段保护环如图2 所示。

图2 二纤双向复用段保护环

1.1 正常业务流向

以网元节点A 与C 之间的业务流向为例，分析正常情况下二纤双向复用段保护环运行的方式。正常情况下节点A 和节点C 之间的业务流向如图3 所示。

图3 节点A 和节点C 之间的正常业务流向

A →C 的业务由S1携带，经节点B，到达节点C；C →A 的业务则由S2携带，经节点B，到达节点A。

1.2 故障后业务流向

以网元节点A 与C 之间的业务流向为例，分析线路故障情况下二纤双向复用段保护环运行的方式。如果节点B 与节点C 之间线路发生故障，那么倒换节点B 和节点C。倒换后的业务流向如图4 所示。

图4 倒换后的业务流向

将工作路由S1和S2上传输的业务信号分别倒换至保护路由P1和P2。此时，节点A 与节点C 之间的业务流向：A →C 的业务由S1携带，经节点B 倒换到P1，再经节点A 和节点D 传送至节点C，由节点C 倒换到S1落地；而C →A 的业务则由节点C 倒换到P2携带，经节点D、节点A、节点B，由节点B倒换到S2，由S2携带并传送到节点A，从而完成二纤双向复用段保护环自愈的过程。通过将业务信号倒换到保护时隙，改变业务流向，再倒换到工作时隙，使业务落地及不中断。

1.3 环传输容量

正常情况下，由保护环的工作时隙传送工作业务，而保护时隙可以传送安全性要求较低的额外业务。发生故障时，通过倒换与故障线路相邻的两端节点，保护时隙将中断额外业务，用来传送工作业务，时隙利用率较高，多用于业务量大和业务分散的网络[1]。二纤双向复用段保护环的环传输容量为[R*(STM-N)]/2。其中：R为节点数，取值为4；STM-N为线路速率，取STM-16。

2 二纤单向复用段保护环

二纤单向复用段保护环同样具有4 个网元节点，由2 根光纤连接，各成一环，方向相反。顺时针为工作光纤S1，逆时针为保护光纤P1，即P1保护S1。一般情况下，业务信号只在S1光纤中传输，保护路由P1光纤空闲。

2.1 正常业务流向

为便于分析，以节点A 和节点C 之间的业务流向为例，分析正常情况下二纤单向复用段保护环的工作过程。正常情况下，A↔C 之间的业务流向（见图5）：A →C 的业务由S1所携带，经节点B 穿通到达节点C；C→A的业务也是由S1携带，经节点D穿通到达节点A。

图5 节点A 和节点C 之间正常业务流向图

2.2 故障后业务流向

以网元A 和网元C 之间的业务流向为例，分析线路故障的情况下二纤单向复用段保护环的工作过程。如果节点B↔C 之间线路故障，此时与故障点连接的2 个网元节点B 和节点C 进行倒换。倒换后的业务流向图如图6 所示。

图6 倒换后的业务流向图

将S1上传输的业务信号倒换到P1。此时，节点A和节点C 之间的业务流向：A →C 的业务由S1携带，经节点B倒换到P1，再经节点A和节点D传送到节点C，由节点C 倒换到S1落地；而C →A 的业务由S1携带，经节点D 穿通到达节点A，未经过故障点，与正常业务流向相同，从而完成二纤单向复用段保护环的自愈过程。

2.3 环传输容量

正常情况下，由二纤单向复用段保护环的工作光纤传送业务，而保护光纤空闲。只有工作光纤故障时，才用保护光纤传输业务，因此二纤单向复用段保护环的环传输容量为STM-N，与线路速率相同，选择线路速率为STM-16（2.5 Gb/s）。二纤单向复用段保护环多用于网络规模小且业务量集中的网络。

3 保护环分析比较

3.1 相同点

2 种保护环的物理连接方式相同，都是以复用段为基础，需要运行自动保护切换（Automatic Protection Switch，APS）协议，倒换整个复用段层。以环上传输的复用段信号优劣作为是否倒换的判断条件，当线路劣化时，由线路板检测信号丢失（Loss Of Signal，LOS）、复用段告警指示信号（Mutiplex Section-Alarm Indication Signal，MS-AIS）、误码过限（Mutiplex Section-Excessive，MS-EXC）等告警信号，并立即上报到主控板。主控板根据APS 协议产生K 字节并通过线路板传送出去，其他节点的线路板收到K 字节后上报其主控板，由主控板完成APS 协议，再根据协议确定各节点的倒换状态，并下发命令到交叉板，执行时隙的交叉[3]。简而言之，由光板检测告警上报给主控板，由主控板处理APS 协议，下发命令给交叉板执行倒换。在条件允许的前提下，建议各站都备一些关键单板，如主控板、交叉板、线路板等。

此外，倒换由K1字节和K2字节（自动保护倒换通路字节K1和K2）所携带的APS 协议启动，K1字节和K2字节中用来标识节点身份标识号（Identity document，ID）的只有4 位（K2字节的前4 个位b1～b4），即24种排列方式，因此单个保护环上的网元数量最多为16 个，否则倒换协议无法运行[3]。

3.2 不同点

二纤双向复用段保护环是一致路由（发和收业务方向相反，经过的站点相同），通常采用最短路径（路径长短指相隔节点数值，而非物理线路距离）；二纤单向复用段保护环是分离路由（发和收业务方向一致，经过的站点不同）。

复用段保护环倒换时间一般不超过50 ms，二纤单向复用段保护环倒换时间一般在30 ms 左右，比二纤双向复用段保护环快。二纤双向复用段保护环的传输路径小于1 200 km 时，保护倒换时间小于50 ms；当环网的传输路径很长时，保护倒换时间可能会有100 ～200 ms[4]。

3.3 小结

实际使用中，影响环形光传输网保护方法选择的因素很多，包括光缆路由、建设成本、业务类型以及保护级别等，需要权衡多方因素，因地制宜，使保护机制充分发挥优势，确保光传输网络安全可靠。例如：城市之间的数据中心构成的三点环形光传输网，网络节点少、业务量集中、保护级别要求较高，采用二纤单向复用段保护环比较适宜，既能发挥故障倒换时间短的优势，又能弥补时隙利用率低的不足；各个通信基站之间构成的光传输网，网络节点多、业务分散、拓扑结构复杂，二纤双向复用段保护环更适宜，既能提高时隙利用率，又能充分发挥路由保护功能[5]。