（通信与信息系统专业论文）sdh自愈环组网技术研究.pdf

摘要 摘要 自愈环是s d h 组网最常用的结构方案，它具有自动故障恢复、高可靠性、组 网灵活等特点，在电信传输网中获得了广泛应用。 论文通过分析深圳华跃通信技术有限公司的传输产品c g c s 1 0 0 0 的组网应 用，研究了s d h 单环组网中自愈环结构的选择、光缆路径组织算法、双向自愈环 业务配置算法和自愈网的时钟同步等关键技术。论文重点研究了光缆路径组织算 法中分枝邛艮界算法和双向自愈环业务配置算法中双向环分割配置优化算法的软件 实现，以及时钟软件的设计。在双向环业务配置过程中，提出了加权业务配置的 概念，讨论了其中成本受限、容量受限两种情形下的配曼算法，并对算法进行了 理论分析。 关键词：自愈环路径组织分枝- 5 艮界算法加权业务配置 a b s t r a c t a b s t r a c t s d hs e l f - h e a l i n gr i n g ( s h r ) i sw i d e l yu s e di ns d hn e t w o r k s h ri s ar i n g s t r u c t u r et h a tc a nh e a li t s e l ff r o mc o m m u n i c a t i o nd i s r u p t i o nw h e na n ya c c i d e n tt a k e s p l a c e ，s u c ha sf i b e rc u t o rn o d ef a i l u r e s h rb e c o m e st h et y p i c a la p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y a ts d hf i b e rt r a n s p o r tn e t w o r kf o ri t s h i g hr e l i a b i l i t ya n df l e x i b l ec h a r a c t e r st of o r m n e t w o r k s b a s e do nt h ea p p l i c a t i o no fc g c s 一1 0 0 0 ，w h i c hi so n eo ft h et r a n s p o r tp r o d u c t s e r i e so fh u a y u et e l e c o mt e c h n o l o g yc o ，l t d ，f o c u si sp l a c e do nk e yt e c h n i q u e so f f o r m i n gn e t w o r ku s i n gs i n g l e - r i n gt y p eo fs d hs h r ，w h i c hi n c l u d es t r u c t u r e s e l e c t i o n o fs h r n e t w o r k ，f i b e rr o u t ea l g o r i t h m ，d e m a n dl o a d i n ga l g o r i t h mo fb i d i r e c t i o n a lr i n g ， s y n c h r o n i z a t i o n o f s h r ，e t c t h i s t h e s i s l a y s t h e e m p h a s i s o nt h es o f t w a r e i m p l e m e n t a t i o no fl c b ba l g o r i t h ma n do p t i m i z e ds p l i a i n gl o a d i n ga l g o r i t h m ，a s w e l la st h ed e s i g no fs y n c h r o n i z a t i o ns o f t w a r e t h i sd i s s e r t a t i o na l s ob r i n g sf o r w a r da n e wc o n c e p t - - w e i g h t e dd e m a n dl o a d i n g ，w h i c hc o n s i s t so fd e m a n dl o a d i n gw i t h c o s tl i m i t e d ，d e m a n dl o a d i n gw i t hc a p a c i t yl i m i t e da n dd e m a n dl o a d i n gw i t hp r i o r i t y a s s i g n e d t h ef i r s tt w oa l g o r i t h m sa r ed i s c u s s e d k e y w o r d s ：s d h s h rl c b b a l g o r i t h mw e i g h t e d d e m a n d l o a d i n g 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名日期 2 地生2 目 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文( 与学位论文相关) 工作成果时署名单位仍然为 西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保 存论文。( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在i 年解密后适用本授权书。 本人签名 导师签名 日期2 q q g 至2 且。 日期2 q q 生2 旦 第一章绪论 第一章绪论 1 1 自愈环组网技术概述 组建s d h 自愈环网络是一个大而复杂的问题，涉及到很多方面，如通信网络 所采用的分层体制，网络的组织，不同设备的功能，网络近期、远期目标等。就 技术而言，主要包括以下内容： ( 1 ) 网络拆分，确定网络拓扑结构： ( 2 ) 自愈环结构选择： ( 3 ) 物理光缆敷设路径组织； ( 4 ) 业务配置问题； ( 5 ) 时钟同步问题； ( 6 ) 自愈环的互通问题。 1 1 1 网络拆分与网络拓扑结构选择 网络拆分指把一个大网拆解成几个基本的网络单元。对于一个复杂的大型网 络，网络中各站点都可能存在业务，如何使各种业务获得保护、如何做到各段业 务在整个通道中的合理分配等等问题如果放到整个大网中去考虑，将变得非常复 杂，但如果将大网拆分成若干个子网单元模块，把这些问题放到各个子网内部去 分析，就相对容易了。 s d h 网络拓扑的基本结构有链形、星形、树形、环形和网孔形。在进行网络 拆分时必须考虑以下原则： ( 1 ) 对于复杂网络，可以根据实际情况和用户的基本需求，首先将其划分为不 同子网。子网划分要充分考虑网络容量的扩充能力，满足用户可预见的扩容需要， 同时还要考虑维护和管理的方便。因为环型网具有很强的自愈性，比起其他保护 方式，能为设备的运行和维护提供更安全的保障，因此应尽量划分为环型子网。 ( 2 ) 在保证业务安全和满足用户要求的基础上，避免通道资源浪费、使业务流 向简单、易于管理是要遵循的基本原则。 ( 3 ) 子网间的保护需要根据实际情况和予网所采用的保护方式统一考虑。 1 1 2 自愈环结构选择 对于不同的需求，需要选择不同的自愈环结构。自愈环结构选择与业务模型、 环容量要求、环中结点数量、保护倒换时间的要求、经济性能等许多因素相关。 s d h 自愈环组网技术研究 自愈环的结构有多种，但在实际应用中，常用的只有三种：二纤单向通道倒 换环、二纤双向复用段倒换环与四纤双向复用段倒换环。如何根据实际需求选择 自愈环结构，是自愈环组网关心的问题。 1 1 3自愈环物理光缆路径组织 自愈环光4 + 览路径的组织问题指在网络结点给定的情况下，如何敷设光缆。主 要包括：选抒：琊些结点组织在一个环；如何更合理地连接这些结点；在结点较多 的情况下，组建几个环更有效等内容。通常这个工作是由设计人员依据自己的经 验和网络用户1 0 要求，以人工计算、绘图决策的方式来完成的。由于计算机科学 的迅速发展，近年来，在国内外出现了不少有价值的论文就此问题进行了探讨。 光缆路径的选择与结点间距离、实际敷设的物理环境如地质等有关，也与结 点间的业务量大小有关。如果结点间的业务量相对较大，为了充分利用环路容量， 应该在这对结点间铺设一条直通光缆。 1 _ 1 4 自愈环业务配置 在给定网络结构的情况下，如何将结点间的业务分配到路径上，从而使成本 容量值最佳，即为业务配置问题。对于单向环，由于所有业务共同占有整个容量， 因此其业务配置非常简单；对于双向环而言，每条业务有两个选择方向，其业务 配置过程复杂得多，必须构造合理的算法来对业务进行配置。 双向环的业务配置算法分为两种。一种是分割配置算法，即将结点间的业务 分成两部分，分别走不同的路由到达对方；另一种是不分割配置算法，结点阊的 业务捆绑式地走个方向。采用什么样的算法要根据实际需求来定。 1 1 5 自愈环时钟同步问题 时钟同步是s d h 网络建设的核心问题之一。 自愈环网络结构的最大优点是能在极短时间内从故障中恢复所携带的业务， 旦无需人为参与。但是，在保护倒换发生时，会带来定时信号的选择阆题，定时 问题中最可能影响信号质量的是形成定时环路。当网络定时信号成环后，环路中 的时钟脱离了基准时钟的同步控制，将影响时钟的准确度；且环内时钟会形成正 反馈，造成频率不稳。为使同步时钟在发生意外时受损伤最小，并防止形成定时 环，在定时性能变化时，网络单元必须要有判别和选择定时源的智能。 i t u t 在s d h 的开销字节中定义了s 1 字节，s d h 设备的时钟模块可以利用 这个字节来传递时钟质量信息从而实现网络时钟的同步与倒换。 第一章绪论 1 1 6 自愈环的互通 在同一个层面上，将两个或两个以上的环通过一个或几个结点连接起来，从 而实现环阃业务的传递，即为互通( _ i n t e r w o r k i n g ) 。环的互通技术主要鳃决的问题是 对穿过两个环( 或以上) 的业务的保护。下面是自愈环的互通需要实现的三个目标： 1 ) 当互通环网中的任一结点失效时，不会引起业务丢失； 2 ) 自愈环的互通应保证物理级和业务级的独立性。物理级独立性是指一个环 上的任何失效故障都不会引起另一个环上的保护动作。业务级独立性指由 于互通引起的倒换只对由失效引起的丢失或劣化的环间业务量有影响。 3 ) 自愈环的互通还要保证任何类型的环路失效不得引起环或环问电路的误 连接现象。 1 2 论文的研究背景、内容 本文的研究基于深圳华跃通信技术有限公司的传输产品c g c s 一1 0 0 0 。 1 2 1 产品简介 c g c s 1 0 0 0 光同步传输系统是针对电力等专网客户的需求特点推出的 s t m i s t m 4 平滑升级型宽窄带一体化传输设备。它能够单机同时支持1 0 1 0 0 m 宽带接口和电话、r s 2 3 2 等窄带接口，是宽、窄带一体化s t m ：i s t m - 4 多业务混 合传输设备。该设备结合s d h 、i p 和p c m 的技术特点，具有s d h 设备灵活可靠 的组网和业务调度能力，适应电力等专网通信网络宽带化、宽窄带一体化发展的 趋势，具有很高的性价比。 1 2 2c g c s 1 0 0 0 组网需求 为了满足电力系统的不同用户、不同环境、不同层次的应用，需要提供灵活、 经济、高可靠性的组网方式。在实际需求中，c o c s 1 0 0 0 需要支持点对点、链路 和二纤环这三种基本网络组成的各种复杂的网络结构。具体包括： 不带保护的t m ( 终端复用器) 组网； 带通道保护的1 + 1t m 组网； 带通道保护l + l 环网a d m ( 分插复用器) 组网； 不带保护的链路a d m 组网； 为此，本文对c g c s 1 0 0 0 的组网问题进行分析，以此为基础，针对自愈环单 环组网技术的几个主要方面进行探讨研究，同时对部分技术给出了软件实现。 s d h 自愈环组网技术研究 1 2 3 论文的主要内容 本文的主要内容如下： 首先，在保护结构的选择问题上，本文通过对各种保护倒换结构及其容量特 性进行分析，给出了各种业务模型下的最佳结构。并以c g c s 一1 0 0 0 为例说明了 s t m 一1 s t m 一4 的组网选择。 其次，在如何组织单环的光缆路径问题上，介绍了类t s p ( 货郎担问题) 问题的 几种算法，并探讨了其中的分枝一限界算法的软件实现过程。同时，分析了考虑结 点间业务量的光缆路径组织的实例。 第三，本文介绍了双向环的业务配置算法，给出了典型算法双向环分割 优化配置算法的软件实现。通过对双向环业务配置进行深入分析，本文首次提出 了加权业务配置的概念，并给出了其中成本受限、容量受限两种情况下的业务配 置算法。 最后，本文以c g c s 一1 0 0 0 为例，详细介绍了1 + 1 通道保护倒换环时钟模块 软件的设计原理与设计过程。同时，对复用段保护倒换环的时钟模块软件设计作 了探索。 将本文的几个方面串联起来，可以得出自愈环单环组网的参考过程。 1 3 论文章节安排 本文拭分六章，各章节内容安排如下： 第一章，绪论部分。介绍论文的背景与内容。 第二章介绍s d h 自愈环的一些基本概念。 第三章，讨论自愈环结构的选择问题 第四章，讨论s d h 自愈环光缆路径组织算法。 第五章，讨论双向自愈环的业务配置问题。 第六章，介绍时钟同步原理、策略及其软件设计过程。 最后的结束语部分，在对研究内容总结的同时，也指出了研究的不足之处。 从第二章起，每一章的结尾，都对该章内容作了小结，指出了该章内容的重 点并对一些需要声明的内容作重点指出。 第二章s d i - i 自愈环组网基础 第二章s d h 自愈环组网基础 本章主要针对s d h 自愈环- f t n 涉及到的一些基本概念进行介绍。由于s d h 已经是非常成熟的体制，这里对s d h 体制方面的内容不作介绍。其相关内容，请 参看有关资料。 2 1s d h 网元类型 s d h 的网元类型主要有四种：t m 、a d m 、r e g 、d x c 。 t m 终端复用器 终端复用器用在网络的终端站点上，例如一条链的两个端点上。它是一个双 端口器件，其模型如图2 1 所示。 s t m m 图2 1t i m 模型 t m 的作用是将支路端1 ：3 的低速信号复用到线路端口的高速信号s t m n 中， 或从s t m - n 的信号中分出低速支路信号。其线路端口输入，输出一路s t m - n 信号 而支路端口却可以输入输出多路低速支路信号。在将低速支路信号复用进s t m - n 帧时，有一个交叉的功能，例如可将支路的个s t m 1 信号复用进线路上的 s t m 1 6 信号中的任意位置上，也就是指复用在1 1 6 个s t m 1 的任一个位置上。 a d m 分插复用器 分插复用器用于s d h 传输网络的转接站点处，例如链的中间结点或环上结 点，是s d h 网上使用最多、最重要的一种网元。它是一个三端口的器件，其模型 如图2 2 所示。 s d h 自愈环组网技术研究 1 4 0 m b i t s s t m n m n 图2 2a d m 模型 a d m 有两个线路端口和l 个支路端口。两个线路端口各接- - t j j 的光缆( 每侧 收发共两根光纤) ，为描述方便这里将其分为西向( w ) 东向( e ) 两个线路端。a d m 的 作用是将低速支路信号交叉复用进东或西向线路上去，或从东或西侧线路端口收 的线路信号中拆分出低速支路信号。另外还可将东西向线路侧的s t m n 信号进行 交叉连接，例如将东向s t m - 1 6 中的3 # s t m 1 与西向s t m 一1 6 中的1 5 # s t m 1 相 连接。 a d m 足s d h 最重要的一种网元，通过它可等效成其它网元，即能完成其它 网元的功能，例如：一个a d m 可等效成两个t m 。 r e g - - - - - 再生中继器 光传输网的再生中继器有两种：一种是纯光的再生中继器，主要进行光功率 放大以延长光传输距离；另一种是用于脉冲再生整形的电再生中继器，主要通过 光，电交换、f 乜信号摘样、判决、再生整形、电光变换，以达到不积累线路噪声， 保证线路上传送信号波形的完好性。这里介绍的是后一种再生中继器。r e g 是双 端口器件，只有两个线路端口w 、e 。如图2 _ 3 所示。 s t m n w ll e 薹专jr e g _ ( i ! ；卜_ 争s t m n 图2 3 电再生中继器 再生中继器的作用是将w e 侧的光信号经o e 、抽样判决、再生整形、e o 在 e 或w 侧发出。r e g 与a d m 相比仅少了支路端1 2 1 ，所以a d m 若本地不上下话 路( 支路不上下信号) 时完全可以等效为一个r e g ， 真正的r e g 只需处理s t m - n 帧中的r s o h ( 再生段开销字节) ( 参考文献 i 】， p 3 1 ) ，且不需要交叉连接功能( w e 直通即可) ，而a d m 和t m 因为要完成将低 第二章s d h 自愈环组网基础 速支路信号分插到s t m - n 中，所以不仅要处理r s o h ，而且还要处理m s o h ( 复 用段开销字节) ：另夕 a d m 和t m 都具有交叉复用能力( 有交叉连接功能) 。 d x c 数字交叉连接设备 数字交叉连接设备的主要功能是完成s t m - n 信号的交叉连接。它是一个多端 口器件，实际上相当于一个交叉矩阵，完成各个信号间的交叉连接，如图2 4 所示。 出线；n 蛰徽为 入线：m 图2 , 4d x c 功能图 上图表示有m 条入光纤和1 3 条出光纤。d x c 可将输入的m 路s t m n 信号交 叉连接到输出的n 路s t m - n 信号上。d x c 的核心是交叉连接。功能强的d x c 能 完成高速( 例s t m t 6 ) 信号在交叉矩阵内的低级别交叉( 例如v c l 2 级别的交叉) 。 2 2s d h 设备的逻辑功能块 i t u t 采用功能参考模型的方法对s d h 设备进行规范，它将设备所应完成的 功能分解为各种基本的标准功能块。功能块的实现与设备的物理实现无关，不同 的设备由这些基本的功能块灵活组合而成，以完成设备不同的功能。通过基本功 能块的标准化，规范了设备的标准化，同时也使规范具有普遍性，叙述清晰简单。 图2 5 是典型的t m 设备逻辑功能构成图，其部分功能块简介如下： s p i ：设备和光路的接口，主要完成光电变换、电光变换，提取线路定时， 以及相应告警的检测。 p p i ：作为p d h 设备和携带支路信号的物理传输媒质的接口，主要功能是进 行码型变换和支路定时信号的提取。 s e t s ：数字网都需要一个定时时钟以保证网络的同步，使设备能正常运行。 而s e t s 功能块的作用就是提供s d h 网元乃至s d h 系统的定时时钟信号。 s e t s 时钟信号的来源有4 个： 1 ) 由s p i 功能块从线路上的s t m n 信号中提取的时钟信号； 2 ) 由p p i 从p d h 支路信号中提取的时钟信号； 3 ) 由s e t p i ( 同步设备定时物理接口) 提取的外部时钟源，如：2 m h z 方波 s d h 自愈环组网技术研究 信号或2 m b i 洮； 4 ) 当这些时钟信号源都劣化后，为保证设备的定时，由s e t s 的内置振荡器 产生的时钟。 s e t s 对这些时钟进行锁相后，选择其中一路高质量时钟信号，传给设备中除 s p i 和p p i 外的所有功能块使用。同时s e t s 通过s e t p i 功能块向外提供2 m b i t s 和2 m h z 的时钟信号，可供其它设备如交换机、s d h 网元等作为外部时钟源使用。 s e t p i ：作为s e t s 与外部时钟源的物理接口，s e t s 通过它接收外部时钟信 号或提供外部时钟信号。 w 丑二o i - i a 接口 口 口 巨 巨 一绷步 图2 5t m 逻辑功能构成图 图中各个功能块的名称含义请参考附录c 。 2 3s d h 自愈环结构 2 3 1 s d h 自愈环保护方式 对于s d h 系统，由于其丰富的开销字节使得其具有较强的保护和恢复能力。 保护倒换的具体实现可以采用i + i 、1 ：l 、1 ：n 或m ：n 等方式。 1 + 1 保护方式指发送结点将所发送的支路信号固定桥接( 数据同时发送到主、 备光纤上) ，而接受结点对两个输入信号进行比较，选择较优的信号进行接收。此 第二章s d h 自愈环组网基础 9 即所谓的“双发选收”。i + 1 保护倒换只在接收端进行，实现起来较简单，不需要 在结点间交换保护倒换信令，是倒换速率最快的一种保护方式。 1 ：1 方式指正常时发端在主用信道上发主业务，在备用信道上发额外业务( 低 级别业务) ，收端从主用信道收主用业务从备用信道收额外业务。当主用信道损坏 时，为保证主用业务的传输，发端将主用业务发到备用信道上，收端切换到从备 用信道选收主用业务，此时额外业务被终结，主用业务传输得到恢复。这种倒换 方式称之为双端倒换( 收，发两端均进行切换倒换) 速率较慢，但信道利用率高。 l ：n 方式指用一条备用信道保护n 条主用信道，这时信道利用率更高，但同一 时间一条备用信道只能保护一条主用信道，所以系统可靠性降低了。 1 ：l 的保护方式可以直接扩充为i ：n 的保护方式，相对于1 + 1 保护，l ：l 和1 ：r l 保护方式的业务恢复时间较长，但对网络带宽资源的利用更加充分。 从1 ：n 方式可以发展为m ：n 保护方式，即m 条备用信道保护n 条主用信道。 其原理与1 ：n 方式是一样的。 2 3 2 自愈环结构类型 自愈环结构的分类可按保护的业务级别、环上业务的方向、网元结点间光纤 数量来划分。按保护的业务级别划分，可将自愈环划分为通道保护环和复用段保 护环；按环上业务的方向划分，可将自愈环分为单向环和双向环两大类；按网元 结点间的光纤数划分，可将自愈环划分为双纤环( 一对收发光纤) 和四纤环( 两 对收发光纤) 。 单向环中所有业务信号按同一方向在环中传输，而双向环中，进入环的支 路信号按一个方向传输，由该支路信号分路的节点返回的信号按相反方向传输。 双纤环指构成网络的物理信道为两根光纤：四纤环指构成网络的物理信道 为四根光纤。 通道( p a t h ) 与段( s e c t i o n ) 的概念如图2 6 。 圈2 6 通道与段的定义 s d h 自愈环组网技术研究 上图是一个典型的数据传送路径。数据从一个p t e ( i 恿道终端) 发送到另一个 p t e ，期间一般要经历r e g 、a d m 等典型设备。数据流经的整个路径即为通道 ( p a t h ) 。除r e g 外两个相邻设备之间的路径称为复用段( m u l t i p l e xs e c t i o n ) 。r e g 与相邻设备间的路径称为再生段( r e g e n e r a t i o ns e c t i o i l ) 。 通道保护倒换要求整条业务路径倒换，即数据起始结点间的路径全部倒换到 另一条上；丽复用段段保护可以只替换失效的那一段。 对于通道保护环，业务的保护是以通道为基础的，即保护的是s t m n 信号中 的某个v c ( 或某一路p d h 信号) 。倒换与否是按环上的某一通道信号的传输质量 来决定的通常利用收端是否收到简单的t u a i s 信号来决定该通道是否应进行倒 换。例如在s t m 1 6 环上，若收端收到第4 个v c 4 的第4 8 个t u 1 2 有t u ，a i s ， 就仅将该通道切换到备用信道上去。 而对于复用段倒换环，业务量的保护是以复用段为基础的，倒换与否是根据 环上传输的复用段信号的质量决定的。倒换是由k 1 、k 2 ( b l - - b 5 ) 字节所携带的 a p s 协议来启动的。当复用段出现问题时，该复用段上整个s t m n 或1 ，2s t m n 的业务信号都切换到备用信道上。复用段保护倒换的条件是l o f 、l o s 、m s a i s 、 m s e x c 告警信号。 以上两者的重要区别是：前者往往使用专用保护，即正常情况下保护段也在 传业务信号，保护时隙为整个环专用；后者往往使用公用保护，即正常情况下保 护段是空闲的，保护时隙由每对结点共享。 两种保护倒换方式的具体倒换过程将在下一节中介绍。 按照上述分类方法可以将自愈环划分为多种不同的结构如袭2 1 。通常， 通道保护倒换环主要工作在单向二纤方式( 近来双向二纤方式也开始应用，并在某 些方面显示了一定的优点) ，而复用段倒换环既可以工作在单向方式，又可以工作 在双向方式；既可以是二纤方式，又可以是四纤方式。不过其实用化的结构主要 是双向二纤方式。 复用段倒换环通道倒换环 共享保护j f专用保护环专用保护环 双句环单向环单向环双向环 一垂手翻： 四纤环 一幺千环一幺千f k一纤环 1 + l1 + l1 ：11 ：n 表2 1s d h 自愈环结构分类 2 3 3自愈环典型结构及其保护机理 ( i ) 二纤单向通道保护环 第二章s d h 自愈环组两基础 c aa c c aa c ( a ) 正常情况 c aa c ( b ) 倒换情况 图2 7 双纤单向通道保护环原理示意圈 = 纤通道保护环由两根光纤组成两个环，其中一个为主环一一s 1 ，一个为备 环p l ，两环的业务流向相反。通道保护环的保护功能是通过网元支路板的“并 发选收”功能来实现的，即发端网元将支路上环业务“并发”到主环s l 、备环p 1 上，两环上业务完全一样而流向相反，正常工作时收端网元“选收”主环下支路 的业务，如图2 7 ( a ) 所示。 图中，网元a 与c 互通业务，网元a 和c 都将上环的支路业务“并发”到环 s l 和p 1 上，其中s 1 逆时针方向，p l 为顺时针方向。在网络正常时，网元a 和c 都选收主环s 1 上的业务。a 与c 业务互通的方式是a 到c 的业务经过网元d 穿 通，由s 1 光纤传到c ( 主环业务) ；由p 1 光纤经过网元b 穿通传到c ( 备环业 务) 。在网元c 支路板“选收”主环s 1 上的a c 业务，完成网元a 到网元c 的 业务传输。网元c 到网元a 的业务传输与此类似。 s d h 自愈环组网技术研究 如果b c 光缆段的光纤同时被切断，如图2 7 c o ) 所示。此时网元a 到网元c 的业务由网元a 的支路板并发到s 1 和p 1 光纤上，其中s 1 业务经光纤由网元d 穿通传至网元c ，p 1 光纤的业务经网元b 穿通，由于b c 间光缆断开，所以光 纤p 1 上的业务无法传到网元c ；由于网元c 默认选收主环s 1 上的业务，这时网 元a 到网元c 的业务并未中断，网元c 的支路板不进行保护倒换。同时，网元c 的支路板将到网元a 的业务并发到s 1 环和p 1 环上，其中p 1 环上的c 到a 业务 经网元d 穿通传到网元a ，s 1 环上的c 到a 业务由于b c 间光纤断所以无法 传到网元a 。网元a 默认选收主环s l 上的业务，此时由于s l 环上的c a 的业 务传不过来，网元a 的支路板会收到s l 环上t u a i s 告警信号，从而立即切换为 选收备环p 1 光纤上的c 到a 的业务，于是c a 的业务得以恢复，完成环上业务 的通道保护。此时网元a 的支路板处于通道保护倒换状态。 网元发生了通道保护倒换后，支路板同时监测主环s l 上业务的状态。当连续 一段时间( 约1 0 分钟左右) 末发现t u - a i s 时，发生切换网元的支路板将切换到 选收主环业务，恢复成正常时的默认状态。 二纤单向通道保护倒换环由于上环业务是并发选收，所以通道业务的保护实 际上是1 + l 保护，倒换速度快，业务流向简捷明了，便于配置维护；缺点是网络 的业务容量不大。 ( 2 ) 四纤双向复用段倒换环 双向环通常工作在复用段倒换方式，可以是四纤方式，也可以是二纤方式。 四纤双向复用段倒换环有两根业务光纤( 一发一收) 和两根保护光纤( 一发一收) ，如 图2 8 所示。je 中业务光纤s l 形成顺时针业务信号环，业务光纤s 2 形成逆时针业 务信号环，而保护光纤p 1 和p 2 分别形成与s 1 和s 2 反方向的两个保护信号环， 在每根光纤上郁有一个倒换开关作保护倒换用。 ( a ) 正常情况 s 汀m n 第二章s d h 自愈环组网基础 ( b ) 倒换情况 图2 g 四纤双向复用段倒换环 正常情况下，a 结点到c 结点的信号顺时针沿s l 纤送到c 结点，而c 结点 到a 结点的信号从c 结点入环后沿s 2 纤逆时针传回a 结点，保护光纤p 1 、p 2 是 空闲的。 当b c 结点闻的光缆中断时，利用a p s 协议，b 和c 结点中各有两个倒换开 关执行环回功能，以维持环的连续性，如图2 8 c o ) 所示。在结点b ，光纤s 1 和p 1 沟通，光纤s 2 和p 2 沟通。c 结点也完成类似功能。其它结点确保光纤p l 和p 2 上传的业务信号在本结点完成正常的桥接功能。故障排除后，倒换开关复原。 ( 3 ) 二纤双向复用段倒换环 由于四纤双向复用段倒换环的成本较高，实际应用中出现了一种新的保护结 构二纤双向复用段保护环。 ( a ) 正常情况 s d h 自愈环组网技术研究 s t m n ( b ) 倒换情况 图2 9 二纤双向复用段保护环 二纤双向复用段倒换环如图2 9 所示。在二纤双向环中，每个传输方向用一条 光纤。正常时，对同一结点而言，发送的信号经一根光纤沿个方向( 如s 1 ) 送出， 接收的信号则经另一根光纤( 如s 2 ) 沿另一个方向送来。但是每根光纤上只将一半 的容量分配给业务通路，另一半容量分配给保护通路。如s1 纤一半容量传业务， 一半容量留着保护s 2 上的业务，故此纤称为s 1 p 2 纤；同样道理另一根纤称为 s 2 p 1 纤。 以上图中a 、c 两结点问的传输为例，正常时，如图2 9 ( a ) 所示，从结点a 进 环以结点c 为目的地的业务信号沿s l p 2 纤按顺时针方向传输，到达c 结点分路 出来。从结点c 进环以结点a 为目的地的业务信号则沿着s 2 p 1 纤按逆时针方向 传输，到达结点a 后分路出来，实现a 、c 间双向通信。每根光纤的保护时隙均 空闲。当b 、c 结点之间的两纤断裂时，b 、c 两结点靠近中断侧的倒换开关利用 a p s 协议执行环回，将s 1 p 2 纤和s 2 p 1 纤桥接，如图2 9 ( b ) 所示。a 结点送给c 结点的业务从a 结点进环后，沿着s i t p 2 纤到达b 结点后，b 结点利用时隙交换 技术，将s u p 2 纤上的业务时隙转移到s 2 p 1 纤上预留的保护时隙，经s 2 p 1 纤沿 逆时针方向传送到c 结点，经桥接开关后分路出来。在c 结点将从本结点进环沿 s 2 p 1 光纤送出的业务信号时隙移到s l p 2 光纤的保护时隙，沿s l p 2 光纤传送到 a 结点。当故障排除后，倒换开关将返回其原来位置。通过以上方式完成了环网 在故障时业务的自愈。 2 4 本章小结 本章着重介绍了s d h 自愈环组网设计所涉及的基本概念，主要包括s d h 的 网元类型与自愈环的结构类型。在此基础上，说明了自愈环典型结构的保护倒换 过程。 第三章自愈环容量分析与结构选择 第三章自愈环容量分析与结构选择 对于不同的需求，需要选择不同的自愈环结构。自愈环结构选择与业务模型、 环容量要求、环中结点数量、保护倒换时间的要求、经济性能等许多因素相关。 其中，对自愈环结构固有特点的分析以及相应的保护容量分析，是最重要的选择 依据。 3 1 自愈环结构特性分析 第二章介绍了自愈环的两种主要结构形式：通道倒换环与复用段倒换环，下 面从几个方面来分析二者的区别。 1 保护倒换方式 复用段共享保护倒换采用a p s 协议，倒换时必须通过s o h ( s e c t i o n o v e r h e a d ， 段开销) 中的k 1 、k 2 字节通讯；而1 + 1 通道保护则不需要，它只需在收端选择， 无需在收发间进行通讯来确定倒换状态。 2 保护恢复时间 保护恢复时间是衡量自愈能力的一个重要指标。通道保护环一般可达到 3 0 - 5 0 m s 以下。复用段共享保护由故障复用段两端的a d m 交叉矩阵的动作实现。 为保证这弛动作必须是同步的，成对的，必须借助k 字节形成的通路，在两端两 个站之间交换倒换控制信息。通讯必须有发送、确认等多次反复的步骤，并且从 起始结点发出的信息每途经一站，该站都要作一次识别( 识别结果如k 字节是给本 站的，就留下处理：否则就将k 字节向下传) ，这使得复用段保护倒换动作时间比 1 + l 通道保护方式长得多，一般在2 0 0 m s 左右。 3 错连的发生 对于复用段共享保护而言，如果不是两结点间的光纤中断而是个结点设备 故障而引起中断，则相邻的两站的a d m 也会进行倒换，如同它们之间光纤中断一 样。但此种情况下有时会发生错连。错连意即倒换前后通路的起点井末连向相同 的终点，如倒换前起点a 连向终点b ，而倒抉后起点a 连向“终点”c 。 在l + l 通道保护中则不存在此种问题。 4 部分通道保护的实现 在l + 1 的通道保护中可以实现部分通道保护：一部分通路用并发选收，余下 的不实行并发。即在发端只发向一个方向，收端也不需倒换。此种情况下，虽然 无法实现对这些通道的保护，但是可将本来作保护的部分通道用来传输更多业务。 复用段共享保护由于是整个业务全部倒换，从而不能实现部分通道保护。 5 端到端的保护实现 复用段共享保护环工作在线路等级，保护倒换基于线路等级的失效而非整个 端到端连接的完整路由和积累性能，因而只能按一段一段实现短路径保护，不可 能有端到端的保护能力。而通道级保护与网络拓扑无关，不局限于环形结构，具 有端到端的网络保护能力。 6 基本的容量单位 复用段共享保护环的基本容量单位为v c 4 ，适合大业务量场合。一般应至少 1 6 s d h 自愈环组网技术研究 为s t m 1 6 ( 1 6 v c 4 ) 。通道保护可以提供v c - 1 2 、v c 一3 、v c 一4 等各种容量等级， 灵活性很大。 7 成本 + 在实际的组网中。成本是必须要考虑的问题。 复用段保护倒换环由于需要k 1 、k 2 字节承载a p s 协议，相对于通道倒换环， 其处理设备的软硬件复杂度都要大大增加；同时，如果采用四纤复用段倒换环， 仅其光纤的成本都要较二纤通道倒换环高出1 倍。因此，单从成本考虑，通道倒 换环要优于复用段倒换环。 3 2 1 通路 3 2 自愈环容量分析基础 在本文中，通路指起于环内一个a d m 、终于环内另一个a d m 的v c h 。其含 义是：分别以环中的两个a d m 为起点和终点。它们之间可以跨过环内的任意个 a d m 、中继器、光放大器等。换言之，一个通路至少跨过一个复用段。 对于复用段共享保护环而言，本文假设安排通路时只考虑跨过的复用段数最 少，而不考虑实际的地理距离是否最短。 3 2 2自愈环业务需求模型 业务量需求模型可以分为集中型、双集中型、均匀型和相邻型四种，如下图 所示； 凳瓣q ( b ) 积箍中型 图3 1 四种特殊业务量需求模型 所谓集中型，是指网中除一个结点与其它结点之间有业务需求外， 之间均无业务需求。一般在本地网中，业务模型较多地体现为集中型。 由于近年来，本地电话网中较多地采用双宿( d u a l - h o m i n g ) 技术， 中较多地呈现双集中型业务需求分布模型。 其他结点 在中继网 均匀型是指网中任意两个结点之间均有业务需求，且所有业务需求均相等。 相邻型是指网中除相邻结点之间有业务需求外，其他任何不相邻的结点之间 第三章自愈环容量分析与结构选择 均无业务需求。相邻型又称为循环型。 实际工程中所见到的业务分布不一定有上面四种那么典型，但是可以根据它 接近于哪种分布而划归为其中一种。下面举一个例子来说明。 a b2 c30 d400 e201o f2o01o gl0o0o0 h20o0000 abcdefgh 表3 1 业务分布表 可以看到，在这些通路中，指向a 的有： a b 间2 个，占总通路数2 1 6 = 1 2 5 ； a c 间3 个，占总通路数3 1 6 - - - - 1 8 7 5 ； a d 间4 个，占总通路数2 l6 = 1 2 5 ； a e 问2 个，占总通路数2 1 6 = 1 2 5 ； a f 间2 个，占总通路数2 1 6 = 1 2 5 ； a g 问1 个，占总通路数i 1 6 = 6 2 5 ； a h 间2 个，占总通路数2 1 6 = 1 2 5 ： 以上各式相加，指向a 通路占总通路的1 4 1 6 = 8 7 5 。 指向c 和e 而不指向a 的1 个，占总通路的1 1 6 = - 6 2 5 指向d 和f 而不指向a 的1 个，占总通路的1 1 6 = 6 2 5 不难看出指向a 的为大多数，因此可以判断该模型为集中分布。 3 3 自愈环容量分析 自愈环的保护容量与网络的规划和网络经济性能分析有十分密切的关系。不 同的自愈环，其保护容量随不同的业务分布模型和应用场合有所不同。所谓环保 护容量是指环中所能够传送的最大业务数量，并且这些业务都是被保护的。下面 以v c 一4 通路为基本单位，分析两种保护结构的容量。 s d h 自愈环组网技术研究 3 3 11 + i 通道倒换环的容量 工作 一1 僳护 图3 2 通道保护情况下工作通道和保护通道 如图3 2 所示，在通道保护情况下，每个v c 4 构成的通路占用了环的一部分 作为工作通道( 图中实线部分) ，余下的部分( 图中虚线部分) 即为保护通道。不论何 种业务量分布，都具有此种特征。因此可以得出结论：对于线速率为s t m n 的1 + 1 通道保护环而言，最多可以开通的v c 4 通路数为n 。 3 3 2 复用段共享保护环的保护容量 考虑到四纤复用段倒换环与二纤复用段倒换环没有本质上的区别，这里只讨 论二纤复用段倒换环，以后如无特别说明，论文中提到的复用段保护倒换环均指 二纤复用段倒换环。 对于不同的业务模型，复用段共享保护环的保护容量是不同的。 1 ) 业务分布为分散分布 一工作 保护 图3 3 复用段共享保护一均匀分布 如图3 3 所示，以2 ，3 段间为例，此时必须保证在2 3 之间截面上通过的v c 一4 数少于n 2 ( 亵j t n 2 留作保护通路) 。，即n ( 2 ，3 ) + n ( 1 ，3 ) + n ( 2 ，4 ) + + n 0 ，k ) - l m c 口的定义 如下： 对于所有的j 和，兰o ； 若( f ，d e e ，则c 。为在结点i 、，之间铺设光缆的费用； 若( f ，j ) e e ，则c 。= 。 c 。( f = 1 ，2 ，n ；卢1 ，2 ，”) 构成g 的成本矩阵c 。由于是无向图，显 然有c 。= 。，f ，从而成本矩阵c 是对角矩阵；同时结点自身不可铺设光缆，所以成 本矩阵c 主对角线上元素全部为c o 。 定义图g 的周游路线为包含v 中每个结点( 每个结点仅被包含一次) 的一个环， 周游路线的成本是此路线上所有边的成本和。 第四章光缆路径组织算法及软件实现 可以看出，构成图g 中的一条周游路线的各条边，对应于成本矩阵c 中不同 行不同列的心个元素，因此，算法璺解决的问题即在给定的成本矩阵c 中，选出 不同行不同列的蚪个元素，使其对应的路径能组成一个大环，并且环的权值( 周游 成本) 达到最小。 4 2 2 模型一问题的典型算法 4 2 2 i 穷举算法 作为比较的基准，这里首先介绍穷举算法。 穷举算法是最基本的算法，思路非常简单，就是将成本矩阵c 中所有( n - - 1 ) ! 2 个环的权值计算出来，比较大小，挑选最小的一条即可。其计算时间复杂度达到 o ( 一1 ) ! ) 。因此当n 值比较大时，计算量非常大。例如，n = 2 0 时，c 中具有1 9 t 2 = 6 0 ，8 2