二纖復用段保護環自愈分析

張 現，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

光傳輸網絡由通過光纖相互連接的多個網絡節點（網元）按照一定的網絡結構組合而成[1]。其有多種拓撲結構，考慮網絡的安全性和可靠性，骨干節點一般會以環形拓撲結構進行組網，在該骨干環形網的基礎上再嵌套其他拓撲結構，從而進行復合組網，如環帶環、環帶鏈、環掛點等。在光傳輸網絡中，應用環形拓撲結構能夠實現豐富的網絡保護機制，提升網絡結構的健壯性和業務的穩定性。環形光傳輸網常用的保護方法包括復用段保護和通道保護2 種，其中復用段保護以二纖復用段保護環最為常見。該背景下，文章分析二纖雙向復用段保護環和二纖單向復用段保護環2 種保護方法的原理，探討線路故障后如何實現自愈，并對2 種保護方法進行比較和總結。

1 二纖雙向復用段保護環

網絡保護機制實現的基礎是必須具有保護路由。當工作路由受影響時，將業務傳輸狀態切換為保護路由傳輸，從而保證業務不受影響。以同步數字體系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）為例，采用的信息結構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，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。二纖雙向復用段保護環是將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

二纖雙向復用段保護環共有4 個網元，由2 根光纖連接構成環網。其中，2 根光纖各成一環，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，內環則為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]。二纖雙向復用段保護環如圖2 所示。

圖2 二纖雙向復用段保護環

1.1 正常業務流向

以網元節點A 與C 之間的業務流向為例，分析正常情況下二纖雙向復用段保護環運行的方式。正常情況下節點A 和節點C 之間的業務流向如圖3 所示。

圖3 節點A 和節點C 之間的正常業務流向

A →C 的業務由S1攜帶，經節點B，到達節點C；C →A 的業務則由S2攜帶，經節點B，到達節點A。

1.2 故障后業務流向

以網元節點A 與C 之間的業務流向為例，分析線路故障情況下二纖雙向復用段保護環運行的方式。如果節點B 與節點C 之間線路發生故障，那么倒換節點B 和節點C。倒換后的業務流向如圖4 所示。

圖4 倒換后的業務流向

將工作路由S1和S2上傳輸的業務信號分別倒換至保護路由P1和P2。此時，節點A 與節點C 之間的業務流向：A →C 的業務由S1攜帶，經節點B 倒換到P1，再經節點A 和節點D 傳送至節點C，由節點C 倒換到S1落地；而C →A 的業務則由節點C 倒換到P2攜帶，經節點D、節點A、節點B，由節點B倒換到S2，由S2攜帶并傳送到節點A，從而完成二纖雙向復用段保護環自愈的過程。通過將業務信號倒換到保護時隙，改變業務流向，再倒換到工作時隙，使業務落地及不中斷。

1.3 環傳輸容量

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

2 二纖單向復用段保護環

二纖單向復用段保護環同樣具有4 個網元節點，由2 根光纖連接，各成一環，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，業務信號只在S1光纖中傳輸，保護路由P1光纖空閑。

2.1 正常業務流向

為便于分析，以節點A 和節點C 之間的業務流向為例，分析正常情況下二纖單向復用段保護環的工作過程。正常情況下，A?C 之間的業務流向（見圖5）：A →C 的業務由S1所攜帶，經節點B 穿通到達節點C；C→A的業務也是由S1攜帶，經節點D穿通到達節點A。

圖5 節點A 和節點C 之間正常業務流向圖

2.2 故障后業務流向

以網元A 和網元C 之間的業務流向為例，分析線路故障的情況下二纖單向復用段保護環的工作過程。如果節點B?C 之間線路故障，此時與故障點連接的2 個網元節點B 和節點C 進行倒換。倒換后的業務流向圖如圖6 所示。

圖6 倒換后的業務流向圖

將S1上傳輸的業務信號倒換到P1。此時，節點A和節點C 之間的業務流向：A →C 的業務由S1攜帶，經節點B倒換到P1，再經節點A和節點D傳送到節點C，由節點C 倒換到S1落地；而C →A 的業務由S1攜帶，經節點D 穿通到達節點A，未經過故障點，與正常業務流向相同，從而完成二纖單向復用段保護環的自愈過程。

2.3 環傳輸容量

正常情況下，由二纖單向復用段保護環的工作光纖傳送業務，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務，因此二纖單向復用段保護環的環傳輸容量為STM-N，與線路速率相同，選擇線路速率為STM-16（2.5 Gb/s）。二纖單向復用段保護環多用于網絡規模小且業務量集中的網絡。

3 保護環分析比較

3.1 相同點

2 種保護環的物理連接方式相同，都是以復用段為基礎，需要運行自動保護切換（Automatic Protection Switch，APS）協議，倒換整個復用段層。以環上傳輸的復用段信號優劣作為是否倒換的判斷條件，當線路劣化時，由線路板檢測信號丟失（Loss Of Signal，LOS）、復用段告警指示信號（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APS 協議產生K 字節并通過線路板傳送出去，其他節點的線路板收到K 字節后上報其主控板，由主控板完成APS 協議，再根據協議確定各節點的倒換狀態，并下發命令到交叉板，執行時隙的交叉[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 協議，下發命令給交叉板執行倒換。在條件允許的前提下，建議各站都備一些關鍵單板，如主控板、交叉板、線路板等。

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

3.2 不同點

二纖雙向復用段保護環是一致路由（發和收業務方向相反，經過的站點相同），通常采用最短路徑（路徑長短指相隔節點數值，而非物理線路距離）；二纖單向復用段保護環是分離路由（發和收業務方向一致，經過的站點不同）。

復用段保護環倒換時間一般不超過50 ms，二纖單向復用段保護環倒換時間一般在30 ms 左右，比二纖雙向復用段保護環快。二纖雙向復用段保護環的傳輸路徑小于1 200 km 時，保護倒換時間小于50 ms；當環網的傳輸路徑很長時，保護倒換時間可能會有100 ～200 ms[4]。

3.3 小 結

實際使用中，影響環形光傳輸網保護方法選擇的因素很多，包括光纜路由、建設成本、業務類型以及保護級別等，需要權衡多方因素，因地制宜，使保護機制充分發揮優勢，確保光傳輸網絡安全可靠。例如：城市之間的數據中心構成的三點環形光傳輸網，網絡節點少、業務量集中、保護級別要求較高，采用二纖單向復用段保護環比較適宜，既能發揮故障倒換時間短的優勢，又能彌補時隙利用率低的不足；各個通信基站之間構成的光傳輸網，網絡節點多、業務分散、拓撲結構復雜，二纖雙向復用段保護環更適宜，既能提高時隙利用率，又能充分發揮路由保護功能[5]。

4 結 論

對于由4 個網元節點構成的SDH 環網，在線路速率同為STM-16 的基礎上，文章以二纖復用段保護環為例，詳細分析二纖雙向復用段保護環和二纖單向復用段保護環的保護方法及其倒換過程，對比2 種保護環的異同點，并結合實際給出相應的建議。