梁芝賢 蔡敏 劉亞嬰
摘要：介紹了SDH自愈環(huán)的特點及環(huán)網(wǎng)保護機制，重點對2纖單向通道保護環(huán)及其生存性和網(wǎng)絡(luò)互通進行了探討，并根據(jù)電力系統(tǒng)通信的特點了應(yīng)用實例，最后對SDH自愈環(huán)及其生存性技術(shù)作了展望。
關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)生存性；SDH自愈環(huán)；SDH網(wǎng)絡(luò)互通；2纖單向通道保護環(huán)
0 引言
隨著在容量光纖傳輸系統(tǒng)和高速數(shù)字交換技術(shù)的應(yīng)用，使得越來越多的信息業(yè)務(wù)集中到較少的節(jié)點和線路上，據(jù)統(tǒng)計，若1根24芯的光纜被意外切斷，則可能同時丟失幾十萬條話路信息。據(jù)美國有關(guān)資料分析，如果通信中斷1h，航空公司要損失250萬美元，投資銀行要損失600萬美元，如果通信中斷2天，足以使投資銀行倒閉。可見，通信網(wǎng)絡(luò)對現(xiàn)代社會的發(fā)展影響越來越大。因此，如何提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，成為網(wǎng)絡(luò)運營管理者所迫切要考慮的重要問題。
網(wǎng)絡(luò)可靠性的評價指標包括抗毀性、有效性、生存性等。為了增加網(wǎng)絡(luò)的可靠性，在網(wǎng)絡(luò)中需要引入冗余設(shè)備以及冗余線路，SDH自愈環(huán)是典型的利用冗余線路的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
所謂自愈網(wǎng)，就是無需人為的干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)就能在極短的時間內(nèi)從失效故障中自動恢復(fù)業(yè)務(wù)傳輸能力，自俞是生存性網(wǎng)絡(luò)最突出的特點。替代路由可以采用備用設(shè)備或是利用現(xiàn)有設(shè)備中的冗余能力，以滿足端到端的業(yè)務(wù)恢復(fù)，或指定優(yōu)先級業(yè)務(wù)不受影響。在自愈過程中，各種業(yè)務(wù)不會中斷，用戶感覺不到網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)發(fā)生了重組。在許多文獻中，自愈和網(wǎng)絡(luò)生存性是同等概念。
1 環(huán)網(wǎng)保護機制
實現(xiàn)環(huán)網(wǎng)保護有兩種技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)保護和網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)。
網(wǎng)絡(luò)保護通常是利用預(yù)留容量，為失效通常提供備用通道，使受影響的業(yè)務(wù)從備用通道到達目的地。因為這種方式能對各種故障中受影響的業(yè)務(wù)都提供默認的備用傳輸通道，所以在故障發(fā)生后能直接按預(yù)定方案操作，快速恢復(fù)受到影響的業(yè)務(wù)，是一種靜態(tài)的保護方式，不需網(wǎng)管干預(yù)。采用這種技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有線形和環(huán)形兩種，其中SDH環(huán)網(wǎng)因為具有較完善的保護功能和較靈活的組網(wǎng)方式，是SDH網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較廣泛的一種，稱自愈環(huán)。組成自愈環(huán)的節(jié)點設(shè)備是ADM分插復(fù)接設(shè)備。
而網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)通常是利用網(wǎng)絡(luò)的冗余容量，依據(jù)特定的算法，為受故障影響的業(yè)務(wù)重新分配到達目的地的通道。這種為受影響的業(yè)務(wù)尋找新路由的過程，是一種動態(tài)的過程，必需網(wǎng)管干預(yù)，主要用在數(shù)字交叉連接設(shè)備（DXC）上。
光網(wǎng)絡(luò)的生存性，其實就是光網(wǎng)絡(luò)的保護與恢復(fù)，包括線路、業(yè)務(wù)節(jié)點、電路、光路、業(yè)務(wù)、信號的保護與恢復(fù)。提高生存性的方案很多，如提高光纖線路和節(jié)點設(shè)備的可靠性，減少串接在系統(tǒng)中單元設(shè)備的數(shù)量，熱備份，倒換保護，等等。自愈環(huán)是利用多路由的網(wǎng)絡(luò)拓撲方式，不僅提高了網(wǎng)絡(luò)的生存能力，而且降低了倒換所需備用路由的成本，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中起到重要的作用。所以 SDH自愈環(huán)不僅在中繼網(wǎng)和接入網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用，而且在長途中也開始應(yīng)用。
2 SDH自愈環(huán)（SHR）的分類
SDH自愈環(huán)結(jié)構(gòu)一般分為兩大類，即通道保護環(huán)和復(fù)用頻保護環(huán)。通道保護環(huán)是以通道為基礎(chǔ)的，倒換與否按離開環(huán)的每一個通道信號質(zhì)量的優(yōu)劣業(yè)決定，通常利用簡單的通道AIS信號來決定是否應(yīng)進行倒換。復(fù)用段保護環(huán)是以復(fù)用段為基礎(chǔ)的，倒換一否按每一對節(jié)點間的復(fù)用段信號質(zhì)量的優(yōu)劣來決定。當(dāng)復(fù)用段出現(xiàn)問題時，整個節(jié)點的復(fù)用段信號都轉(zhuǎn)向保護通道。
又可以將自愈環(huán)分為單向環(huán)和雙向環(huán)。正常情況下，單向環(huán)中所有業(yè)務(wù)信號按同一方向在環(huán)中傳輸。而雙向環(huán)中，進入環(huán)的支路信號按一個方向傳輸，由該支路信號分路節(jié)點返回的信號經(jīng)相反的方向傳輸。
按照一對節(jié)點間所用光纖的最小數(shù)量來區(qū)分，自愈環(huán)可分為2纖環(huán)和4纖環(huán)。通道保護環(huán)通常是 2纖環(huán)；而復(fù)用頻段保護環(huán)可以是2纖環(huán)，也可以是4纖環(huán)。
工程中常用的SDH自愈環(huán)結(jié)構(gòu)是2纖單向通道保護環(huán)、2纖雙向復(fù)用保護環(huán)和4纖雙向復(fù)用段保護環(huán)，其中電力系統(tǒng)常用的是2纖單向通道保護環(huán)。
3 2纖單向通道保護環(huán)的生存性
3.1 保護方式
通道保護環(huán)的保護方式有1+1和1：1兩種。1+1保護方式是發(fā)送節(jié)點將所發(fā)送的支路信號固定橋接，保護倒換只在接收端進行，實現(xiàn)起來較簡單，不需要在節(jié)點間交換保護倒換信令。1：1保護方式是在發(fā)送端并不固定橋接，然后再在接收端完成倒換。
1：1保護方式是雙向操作，正常工作情況下，保護信道上可以傳送不受保護的額外業(yè)務(wù)，也易于發(fā)展為1：n的保護結(jié)構(gòu)。但雙向保護控制比單向保護復(fù)雜，因而通道保護環(huán)一般采用1+1單向保護方式。單向通道保護環(huán)的每對節(jié)點之間都有2根光纖，1根用于傳輸工作信號，1根用于保護，這 2根光纖的傳輸方向相反，進入環(huán)的一個支路信號經(jīng)工作光纖傳至目的節(jié)點，而返回信號則由同一方向經(jīng)環(huán)的剩余部分返回。2纖單向通道保護環(huán)的倒換控制相對其他自愈環(huán)結(jié)構(gòu)是最簡單的，它的優(yōu)點是能適合任何網(wǎng)絡(luò)拓撲和任何通道等級。
3.2 節(jié)點功能
通道保護環(huán)的節(jié)點都是ADM設(shè)備。組成通道保護環(huán)且采用1+1保護方式的ADM設(shè)備必須具備兩個功能。
�。�1）發(fā)端ADM應(yīng)具備橋接功能，即同時向工作信道和保護信道的同一時隙發(fā)送相同的低速支路信號的能力；
�。�2）對每一個通道，收端ADM都能從兩路輸入信號中擇優(yōu)選取。
3.3 操作模式
通道保護環(huán)的操作模式有可恢復(fù)和不可恢復(fù)兩種。在可恢復(fù)模式中，當(dāng)工作信道的失效清除后，信號應(yīng)從保護信道倒換回工作信道中。在不可恢復(fù)模式中，當(dāng)失效路徑的失效條件不再存在，并無外部啟支命令時，系統(tǒng)進入無請求狀態(tài)，而不發(fā)生任何倒換。1+1單向保護環(huán)應(yīng)該既能支持可恢復(fù)操作模式，也能支持不可恢復(fù)操作模式；如果要同時支持兩種模式，則應(yīng)能通過OS或人機界面進行設(shè)定。1：1保護的操作模式應(yīng)為可恢復(fù)模式。
由于可恢復(fù)模式會引起更多的倒換工作，為了防止因斷續(xù)失效而引起的頻繁倒換，當(dāng)工作信道的失效條件清楚后，必須經(jīng)過一個設(shè)定時間，信號才能倒換回工作信道，這個設(shè)定時間稱為WTR時間。WTR時間應(yīng)設(shè)5-12min，并能以s為設(shè)置單位。在等待恢復(fù)狀態(tài)下，不應(yīng)發(fā)生任何倒換。
3.4 倒換時間
倒換時間是指ADM檢測到倒換條件并能完成倒換動作的時間。因為倒換期間傳輸?shù)男盘枌⑷縼G失，所以倒換時間的長短是衡量自愈環(huán)網(wǎng)絡(luò)性能的重要指標。在這方面，自愈環(huán)的性能大大優(yōu)于 DXC重建網(wǎng)絡(luò)，DXC重建網(wǎng)絡(luò)的恢復(fù)時間一般為幾分鐘，而ITU-T規(guī)定的倒換目標值為50ms，由于單向通道保護環(huán)不需要APS協(xié)議，倒換動作少，一般均能滿足這個要求。目前，Bellcore已把單向通道保護環(huán)的倒換時間目標值定為20ms。
3.5 保護容量
在單向通道保護環(huán)內(nèi)，進入各節(jié)點的支路信號都是通過整個環(huán)傳輸?shù)�，且其工作方式為“首端橋接，尾端倒換”的1+1模式，工作纖和保護纖同時傳送相同的支路信號。因而環(huán)的業(yè)務(wù)容量等于所有能夠進入環(huán)的業(yè)務(wù)量之和，也就是工作纖上ADM的線路口容量STM-N�？梢妼τ趩蜗颦h(huán)，無論業(yè)務(wù)模型如何，它的保護容量不變。
3.6節(jié)點數(shù)量
單向通道保護環(huán)對電路的節(jié)點數(shù)有一定要求，如通道保護出現(xiàn)失效，緊靠失效的下游節(jié)點將產(chǎn)生通道AIS，該AIS通過若干中間節(jié)點一直傳送到目的節(jié)點。由于每個節(jié)點在傳送通道AIS時都有一定的時延，如果工作路徑上節(jié)點數(shù)太多，延時的累積將會影響通道保護環(huán)的恢復(fù)時間。因此，雖然理論上對通道保護環(huán)的節(jié)點數(shù)沒有限制，但實際設(shè)計時，應(yīng)考慮節(jié)點對AIS的傳輸延時，從而對環(huán)上節(jié)點數(shù)量作出限制。
在工程實際應(yīng)用中，通道保護環(huán)的接點數(shù)還受到以下條件的制約。
�。�1）如果是雙向操作的通道保護環(huán)或者是1：1通道保護環(huán)，由于需要使用K3、K4字節(jié)傳送 APS信令，環(huán)的節(jié)點數(shù)不能超過16；通道保護環(huán)的節(jié)點數(shù)還受業(yè)務(wù)流量的制約。如STM-1等級形成2 纖單向通道保護環(huán)可以傳輸63個2M信號。
�。�2）由于在每個接點分插的最大業(yè)務(wù)量是固定的，如果節(jié)點之間的業(yè)務(wù)需求太大，也不允許環(huán)的節(jié)點數(shù)太多。
�。�3）通道保護環(huán)的節(jié)點數(shù)還受同步時鐘的制約，如果1個環(huán)上有2個接點使用BITS時鐘源， ITU-T規(guī)定，2個時鐘源之間的節(jié)點數(shù)不能超過20，這也在一定程度上限制了自愈環(huán)的節(jié)點數(shù)。
因此，工程上自愈環(huán)的規(guī)模一般都不大，節(jié)點數(shù)一般都不超過10個。
4 自愈環(huán)的互通
4.1 連通結(jié)構(gòu)
隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)層次的增多，組建一個龐大、結(jié)構(gòu)單一的網(wǎng)絡(luò)將使通信的可靠性受到影響，使運行與維護檢修不便。相反，在電力系統(tǒng)通信網(wǎng)中，根據(jù)地域、帶寬等要求分別組建多個小型自愈環(huán)并將環(huán)與環(huán)互相連通，組成網(wǎng)狀網(wǎng)，就可以大大地提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性與生存能力。
環(huán)間互通主要解決的問題是，對穿過兩個或多個環(huán)的業(yè)務(wù)的保護，以及終端點分別在不同環(huán)的業(yè)務(wù)的自動恢復(fù)，同時要不影響各環(huán)自身的保護倒換和操作的獨立性。當(dāng)兩個環(huán)互通時，網(wǎng)中任意一個節(jié)點的失效，應(yīng)不會引起業(yè)務(wù)丟失；自愈環(huán)任意一個環(huán)上的任何失效故障都不應(yīng)引起另一個環(huán)的保護動作；由于互通引起的倒換只能對由失效引起的丟失或劣化的環(huán)間業(yè)務(wù)量有影響。
兩個環(huán)間的連接方式可以是在每個環(huán)上有單個節(jié)點的相互連通，也可以是兩個節(jié)點的連通。而兩個節(jié)點的連通一般定義了工作節(jié)點和保護節(jié)點。自愈環(huán)的互通有兩種實現(xiàn)方式，一種是用普通 ADM節(jié)點設(shè)備實現(xiàn)，這種方法通常用于兩環(huán)間的單節(jié)點連通，另一種是采用了具有分接－續(xù)傳功能的ADM設(shè)備作為互通節(jié)點的雙節(jié)點互通環(huán)。
單節(jié)點互通是在每個環(huán)上有單個節(jié)點與另一個環(huán)上的單個ADM節(jié)點設(shè)備連通。對于環(huán)間的互通業(yè)務(wù)，通過與對方環(huán)連通ADM節(jié)點的分插復(fù)用功能來實現(xiàn)。這種結(jié)構(gòu)可以保護單個跨距段的光纖節(jié)斷時受影響的業(yè)務(wù)，但如果連通環(huán)上兩個節(jié)點中任意一個失效，則穿越環(huán)間的和從失效節(jié)點上下的業(yè)務(wù)都不能被保護。這種互通環(huán)的結(jié)構(gòu)簡單，對各種不同類型的環(huán)間的互通都可以應(yīng)用。
雙節(jié)點互通環(huán)結(jié)構(gòu)的保護機理更完善。進行了分接－續(xù)傳功能改進的互通節(jié)點，使安排在兩個環(huán)之間的兩組互通節(jié)點對，可以互相保護穿通兩環(huán)間的業(yè)務(wù)。這樣環(huán)中任意節(jié)點失效不會導(dǎo)致原來通過該節(jié)點的業(yè)務(wù)丟失。但它的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，成本高。
4.2 單向通道保護環(huán)的互通
如果中繼網(wǎng)和接入網(wǎng)都是單向通道保護環(huán)，就需要使兩個通道保護環(huán)衛(wèi)通。兩個通道保護環(huán)分別通過各自環(huán)上的兩個互連節(jié)點連接在一起，每個環(huán)間業(yè)務(wù)從源節(jié)點分別經(jīng)工作信道和保護信道由不同的方向到達一個互連節(jié)點。當(dāng)其中一路信號到達相應(yīng)的互連節(jié)點時，即從該互連節(jié)點分接，并繼續(xù)傳向下一個互連節(jié)點。這樣，每個互連節(jié)點的選擇器的輸出傳輸?shù)降诙䝼�環(huán)的對應(yīng)互連節(jié)點。第二個環(huán)的互連節(jié)點將從第一個環(huán)接收到的信號分別經(jīng)工作信道和信道從不同的方向傳向目的節(jié)點。最后，目的節(jié)點將在由兩個不同方向上接收的信號中作出選擇。兩個單向通道保護環(huán)互連，不僅可以對每個環(huán)內(nèi)的失效提供保護，對互連節(jié)點的失效和互連路徑的失效也能提供保護。
5 2纖單向通道保護環(huán)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用
電力系統(tǒng)通信網(wǎng)，業(yè)務(wù)容量要求較低，且大部分業(yè)務(wù)量匯集在一個或幾個中心節(jié)點（中心局）上，因而適用比較簡單經(jīng)濟的單向通道倒換環(huán)。采用2纖方式還是4纖方式則取決與容量要求與經(jīng)濟性考慮，通常業(yè)務(wù)量不太大時2纖環(huán)比較經(jīng)濟，因為電力系統(tǒng)通信要求信號中斷時間短、恢復(fù)延時小、生存能力強、可靠性高等，使得單向通道保護環(huán)在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。
西安地區(qū)電力通信SDH自愈環(huán)環(huán)網(wǎng)是由數(shù)個互通的單向通道保護環(huán)組成的。以局本部為中心站組成了東、北、南共3個大環(huán)，各個環(huán)上的站點分別為8個、9個、10個，各環(huán)上局中心和集控站通過155M互相連通，另外，以東、西、南、北郊數(shù)個集控中心站為中心點，又分別組成了幾個小型單向通道保護環(huán)，這樣，50多個站點組成了互相連通的網(wǎng)，其他各站陸續(xù)以支線方式接入各個中心站和集控站，系統(tǒng)容量為155M和622M。通道保護環(huán)的每對節(jié)點之間都有兩根傳輸方向相反的光纖，工作信號和保護信號分別由順時針方向的工作光纖和逆時針方向的保護光纖所攜帶。系統(tǒng)采用 1+1保護方式，在發(fā)送端的主、備用通道中傳送同一業(yè)務(wù)，在接收端根據(jù)信號質(zhì)量優(yōu)劣選擇接收。各個節(jié)點采用ADM設(shè)備，具備橋接功能和分接功能。
6 技術(shù)展望
目前，通信網(wǎng)絡(luò)正逐步向著全光網(wǎng)絡(luò)的方向演進，將實現(xiàn)在任意時間、任意地點、傳送任意格式信號的理想目標。在光網(wǎng)絡(luò)中傳送的信息是高容量、高速率的，因此網(wǎng)絡(luò)中任何一個網(wǎng)絡(luò)元件的失效都會導(dǎo)致大量數(shù)據(jù)的丟失，光網(wǎng)絡(luò)的生存性已經(jīng)成為人們關(guān)注的焦點。如何實現(xiàn)高效的網(wǎng)絡(luò)保護與恢復(fù)，如何實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的分布式并實現(xiàn)自愈保護以及保護帶寬的智能動態(tài)分配，如何使各保護結(jié)構(gòu)實現(xiàn)互通，等等，都是今后光網(wǎng)絡(luò)生存性技術(shù)發(fā)展的重點。太大，也不允許環(huán)的節(jié)點數(shù)太多。
