一種基于數字信號的光傳輸環形網保護技術研究

陳遠略 汪立群 陸偉

摘 要：文章提出了一種基于數字信號的光傳輸環形網。當網絡中的光纖線路出現故障時，網絡能快速檢測到故障線路，并在短時間內自動切換到保護通道，恢復網絡通信。最后對該方案進行了測試驗證，試驗結果表明該方案是可行的。

關鍵詞：數字信號;光傳輸環形網;切換;保護

0 ? 引言

隨著網絡新業務的不斷發展，傳輸網網絡結構也在不斷改進。光纖通信自出現以后得到了迅速的發展。作為傳送信號的一種方式，光纖通信可將各種數字業務信號通過特定的編碼，電光轉換后承載上光進行傳輸。本文提出了一種基于數字信號的光傳輸環形網，當網絡中的某條光纖發生故障，網絡能快速檢測到故障節點，并自動切換到備用設備和備用線路，使網絡在無須人工干預的情況下迅速恢復業務，以滿足某些特殊業務或者重要場合的通信保障要求，提高網絡的可靠性。

1 網絡結構

基于數字信號傳輸的光傳輸網絡如圖1所示，網絡結構呈三角形，A，B，C 3臺設備通過光路串聯組成三角形環形網。設備提供數字信號輸入/輸出接口和光接口，實現數字信號安全可靠地在3臺設備之間傳輸。設備實現將輸入的數字傳輸信號復接上光，同時從接收到的光信號中解析出數字傳輸信號，并通過相應接口輸出的功能。

網絡通信保護切換如圖2所示，當B設備與C設備通信時，首先選擇B→ C通道通信，當BC之間的光纖鏈路發生故障時，網絡會自動切換到B→A→? ?C通道（C自動選擇接收路徑由B→C改為B→A→C），當BC之間的光纖恢復正常時，網絡會自動切換回B→C通道（C自動選擇接收路徑由B→A→C改為B→C），當A設備與C設備通信時，首先選擇A→C通道通信，當AC之間的光纖鏈路發生故障時，網絡會自動切換到A→B→C通道（C自動選擇接收路徑由A→C改為A→B→C），當AC之間的光纖恢復正常時，網絡會自動切換回A→C通道（C自動選擇接收路徑由A→B→C改為A→C）。

2 設備設計方案

設備的數據接口模塊與終端的數據接口對接，將終端數字信號整流、濾波后，經過光電耦合器，把信號轉變成TTL電平信號送給數據處理模塊。數據接口模塊主要包含繼電器電路實現與終端信號的通斷控制，光電耦合器實現終端控制電路與設備內部數據處理模塊的隔離與控制。該部分設計不是本文重點討論的內容，在此不作詳細贅述。

設備的數據處理模塊完成對輸入的數字傳輸信號采集、成幀處理，經過串行器串化后變成串行數據，通過光收發模塊以光信號發送出去，接收設備完成對數字傳輸信號的解析并輸出。本設計采用的串行器DS90C241和解串器DS90C124為24 bit并行接口，采樣頻率為5～35 MHz，最大可實現840 Mbit/s的傳輸速率，在本設計中只使用到了其中的bit0，bit1和bit2，可根據實際需要進行擴展設計[1]。

下面詳細介紹系統如何完成保護的設計方案。

3 系統設計方案

系統方案示意圖如圖4所示，根據圖2的設計可知，經過A設備的信號有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個方向的信號。完成A到C的數字傳輸方向的信道有A→C，A→B→C，完成C到A的數字傳輸方向的信道有C→A，C→B→A，完成A到B的數字傳輸方向的信道有A→B，A→C→B，完成B到A的數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之間的通信保護信道。

經過B設備的信號有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個方向的信號。完成B到C的數字傳輸方向的信道有B→C，B→A→C，完成C到B的數字傳輸方向的信道有C→B，C→A→B，完成B到A的數字傳輸方向的信道有B→A，B→C→A，完成A到B的數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之間的通信保護信道。

經過C設備的信號有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個方向的信號。完成A到C的數字傳輸方向的信道有A→C，A→B→C，完成C到A的數字傳輸方向的信道有C→A，C→B→A，完成B到C的數字傳輸方向的信道有B→C，B→A→C，完成C到B的數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之間的通信保護信道。

本設計中每個傳輸方向的業務占據了串行器或者解串器的其中一位并行數據位，每個方向最大的數據業務量為35 Mbit/s，也可根據實際需要進行調整，最大可達840 Mbit/s。

4 數據處理模塊（FPGA）設計方案

數據處理模塊采用Xilinx公司生產的FPGA芯片XC6SLX100-2FGG676，實現對數字傳輸信號、控制指令、設備及光路狀態的采集、封裝[2-3]。主要實現的功能如下。

指令解析：主要完成本地指令的采集和網絡節點其他設備的指令解析。

業務數據通信：本地業務數據的采集和網絡節點設備業務數據的輸出。

狀態采集：完成本地光路、鏈路、設備狀態的采集。

發送：完成以上所有數據的編碼、成幀和CRC校驗。

接收：模塊主要完成數據的解碼、解幀和CRC校驗。

數據幀結構采用自定義的幀格式，采用循環冗余校驗（CRC）來保證數據傳輸的準確性和數據通信的可靠性。數據幀的封裝形式如圖5所示。

前導碼：用于幀起始定界。

控制信息：包含本地控制指令的采集和網絡其他節點設備中的指令信息。

系統狀態信息：包括系統內各設備光口狀態信息、各設備通信狀態信息、各設備心跳信息（說明設備是否正常工作）等，設備通過此部分內容實時獲取系統各個設備和鏈路的狀態，一旦發現鏈路故障，及時完成正常通信信道和保護信道之間的切換。

業務數據信息：數字傳輸信號的有效凈荷。

CRC校驗：對系統狀態信息、數字傳輸信號信息進行CRC校驗。

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

5 測試驗證

按圖1搭建光環形組網測試平臺，測試驗證該系統保護功能的有效性。在B節點設備和C節點設備通過BC之間的光纖正常通信時，模擬B節點設備和C節點設備之間的光纖斷開，B節點設備和C節點設備之間仍然能保持正常通信，沒有數據中斷傳輸的現象，說明系統在BC之間光纖斷開時，C設備通過解析幀內容從而獲得BC之間的光纖已斷開這一信息，自動在C設備的接收端選擇由B←→C切換至B←→A←→C這條信道進行通信，從而實現了系統環網保護功能。AC之間的通信也是類似的。測試結果表明該環網保護技術的解決方案已經具備抵御一度光纖環路故障的能力。

同時本文提出的設計方案不僅局限于3臺設備的環形組網，4臺及4臺以上設備組網也同樣適用。4臺設備組網設計如圖6所示。

6 ? 結語

本文提出了對一種基于數字信號傳輸的光環形網保護技術，當網絡中的光纖線路出現故障時，系統能快速檢測到光纖線路的故障，并快速切換到備用信道以恢復網絡的通信，從而保證了數據業務信號在網絡內部設備之間的可靠傳輸，該網絡具很強的健壯性，可以滿足某些重要場合的通信保障要求。

[參考文獻]

[1]韋樂平.光同步數字傳輸網[M].北京：人民郵電出版社，1993.

[2]王碧芳.杜玉紅.光傳輸網絡和設備[M].成都：西南交通大學出版社，2017.

[3]張成良.李俊杰，馬亦然，等.光網絡新技術解析與應用[M].北京：電子工業出版社，2016.

（編輯 王雪芬）