（通信与信息系统专业论文）sdh视频交换自愈环网的研究与应用.pdf

武汉理+ t ：大学硕十学位论文 摘要 随着当代通信和网络的进一步发展，话音、数据和图像等多媒体通信成为当 前研究的热点，数据传输量以指数形式增加，这对通信传输系统的处理能力和吞 吐力提出了更高的要求。同步数字体系( s d h ) 网络趋于复杂，容量也越来越大， 稳定性要求越来越高。因此网络的生存性已经成为s d h 网络的必须要求。从商 业的角度考虑，由于高速s d h 系统的故障，导致在现网中服务的中断是不能承 受的。 s d h 自愈环网是一种将复接、线路传输、交换及保护功能融为一体，可实 现网络保护管理、实时业务监控等多项功能，能大大提高网络资源利用率、实现 灵活可靠和高效的网络运行与维护，成为当今世界信息领域在传输技术方面的发 展和应用的热点。 本文对基于s d h 交通视频交换矩阵自愈环网的系统组成、系统组网结构、 核心自愈交换模块进行了介绍，并给出了视频交换自愈模块的硬件电路设计及实 现方式。 结合自愈环网集成自愈算法，对视频交换自愈算法从理论上对算法的消息传 播机制、切换时间、网络容量从理论上做了详尽分析，并给出了网络性能仿真结 果；对视频交换s d h 自愈环网的生存性从理论做了分析。 最后结合视频交换自愈系统在实际工程的应用，对系统在带负荷情况下的各 项功能参数做了详细的测试。详细阐述了保护通道的延时，系统保护模式及恢复 过程。对测试结果和相关功能技术指标参数做了详细分析。 关键词：同步数字体系，自愈环，双纤双向环，网络可靠性 武汉理工人学硕十学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ef u r t h e r d e v e l o p m e n t o fc o m m u n i c a t i o na n dn e t w o r k t e c h n o l o g i e s ，m u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n , s u c ha st h et r a n s m i s s i o no fv o i c e ，d a t aa n d i m a g e ，h a sb e c o m e sar e s e a r c hh o ts p o t t h et h r o u g h p u to fd a t at r a n s m i s s i o ns e r v i c e i n e r e a s e se x p o n e n t i a l l y , s oi t r e q u i r e s t h ec o m m u n i c a t i o nt r a n s m i s s i o ns y s t e m s p r o v i d i n gm u c he n h a n c e dd a t ap r o g r e s s i n ga b i l i t ya n ds t a b i l i t y s o ，s u r v i v a b i l i t yh a s b e c o m ep a r to fs d hn e t w o r kr e q u i r e m e n t s b e c a u s es e r v i c ei n t e r r u p t i o n s ( d u et or e s u l t o fh i g h s p e e ds d hs y s t e mf a i l u r e ) a r ev e r ys e r i o u si ne x i s t i n gn e t w o r k t h e ya r en o t a f f o r d a b l ef r o mab u s i n e s sp e r s p e c t i v e s e l f - h e a l i n g n e t w o r kb a s e do ns d hh a v e m u l t i p l ef u n c t i o n s ，s u c h a s ：p r o t e c t i o n ，r e a l t i m ec h e c ka n dc o n t r o l ，t r a n s m i s s i o n ，n e t w o r km a n a g e m e n t t h e p e r f o r m a n c eo fs h rw h i c hi sc o n s e d e r d e da sa l li m p o r t a n tp e r f o r m a n c eg u i d l i n eo f s d ht r a n s m i s s i o ne q u i p m e n tc a p a b i l i t i e s ，h a sg r e a te f f e c to nt h ew h o l eo p t i c c o m m u n i c a t i o n t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ev i d e oe x c h a n g e s e l f - h e a l i n gn e t w o r kb a s e o n s d h ，n e t w o r k c o m p o s i t i o n a n d d i s t r i b u t i o n ，c o r e s w i t c h a n d s e l f - h e a l i n g m o d u l e ，p r e s e n tt h eh a r d w a r ed e s i g n c o m b i n a t i o no fi n t e g r a t e ds e l f - h e a l i n ga l g o r i t h m ， v i d e oe x c h a n g es e l f - h e a l i n gs y s t e m sa l g o r i t h mw h i c hi n f o r m a t i o nd i s s e m i n a t i o n m e c h a n i s m ，s w i t c h i n gt i m e ，n e t w o r kc a p a c i t ya r ed e t a i l e da n ds y s t e m a t i ca n a l y s i s e d f r o mt h e o r y t h en e t w o r ks u r v i v a b i l i t y sm a t h e m a t i c a lm o d e la n dt h e o r e t i c a l s i m u l a t i o nr e s u l t sa r ep r e s e n tf r o mm a t h e m a t i c a l f i n a l l y , v i d e oe x c h a n g es e l f - h e a l i n gs y s t e mb a s e do ns d hu s e di np r a c t i c a l e n g i n e e r i n g , t h er e l e v a n tf u n c t i o n a lp a r a m e t e r sa n dt e c h n i c a li n d i c a t o r sa r et e s t e di n d e t a i l e l a b o r a t et h ep r o t e c t i o nc h a n n e ld e l a y , s y s t e mp r o t e c t i o nm o d e la n dr e c o v e r y p r o c e s s t h et e s t r e s u l t sa n dr e l a t e df u n c t i o n so ft h et e c h n i c a li n d i c a t o r sa r e a n a l y s i s e df r o mt h e o r yi nd e t a i l k e y w o r d s ：s d h ，s h r ，2f i b e rb i d i r e c t i o n a lr i n g ，n e t w o r kr e l i a b i l i t y i i 武汉理1 i 大学硕十学位论文 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工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 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：袭凄 日期： 2 q q 窆二q 5 = 1 5 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：址导师签名：隧日期： 武汉理工人学硕十学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 由于光纤通信网络技术的不断发展，使得更多的业务量集中到更少的网络节 点上。在现阶段的光纤传输网中，广泛采用波分复用( w d m ) 、同步数字体系( s d h ) 技术【l 】，己经导致更多的业务量集中在较少的网络中传输。这样的网络一旦出现 故障，并且故障又不能在短时间内排除，那结果的严重性是可想而知的。例如， 4 0 个波长的w d m 系统传输2 5 g b i t s 的s d h 信号的故障能影响1 2 0 0 万个电话 呼叫。因此，出现一次网络故障会影响很多的用户通信，这势必将造成巨大的经 济损失。严重者还可能会引起社会经济的动荡。可见网络生存性的重要性之大。 波分复用( w d m ) 技术的发展大大提高了通信线路的传输容量，同时也使网络生 存性问题显得更加紧迫和突出【2 。 近年来，随着光纤数字视频传输系统和高速数字技术广泛应用于高速公路、 机场、平安城市等安防监控网络的中，越来越多的业务集中到较少的节点和线路 上，交通监控通信网络的稳定性、可靠性显得越发重要。交通视频监控网络的故 障将导致大量连接和数据丢失，对交通的安全性监测、适时调度等带来巨大的问 题，甚至可能会导致一些灾难性事故的产型3 1 。 现阶段交通监控通信领域，由于交换矩阵s d h 自愈环网在共享带宽，强大 的冗余路由能力、网元交叉能力及网元的智能化、组网结构简单、灵活及自愈速 度快( 小于5 0 m s ) 等优点，视频交换s d h 自愈环网得到了广泛的应用。因此 研究其系统组成、网络结构拓扑形式、可靠性一直是一个重要的问题。 1 2 课题研究的目的和意义 随着电信技术的飞速发展和电信网的不断扩大，大容量光纤数字通信传输系 统的采用，以及各种新型业务的引入，使得通信网络趋于复杂，容量也越来越大。 因此为了有效地保护和管理通信网络，便于控制和分配网络带宽资源，及时为各 种不同的用户提供高可靠、低成本和灵活多样的服务，必须使通信网络具有更高 的智能化。例如，能够连续地监视系统的性能并及时报告故障和潜在隐患；设备 武汉理。l ：人学硕+ 学位论文 能自动或手动复原；能根据需求快速有效地重新分配电路等功能。 1 3 国内外研究状况 现代网络生存性问题如此重要，己经引起越来越多的国家从政府到研究部门 的重视。在美国当年提交给总统的“保护国家基础设施”的调查报告中，首页即 指出“我们发现我们所有的基础设施都越来越依赖于跨越国家和全球的通信系 统。这种依赖引起了脆弱性，是我们需要全力以赴地解决的地方。”近年来，人 们对网络技术的研究成果和对网络运营、管理的经验，使得网络生存性要求的实 现成为可能。从8 0 年代末，一些发达国家的研究机构就开始了现代网络生存性 问题的研究，9 0 年代中期更多的研究机构投入其中，如美国的a n s i t i a i 网络生 存性性能研究工作组、b e l l 实验室、s r i i n t e m a t i o n a l 、g t e l a b s 、加拿大的a l b e r t a 大学、欧盟的b tl a b 、i m e c 大学、p t t 研究中心、a l e a t e l b e l l 、a l e a t e l 标准机 制、日本的n t t 等。目前的研究涉及故障分类、生存性建模分析、故障恢复技 术、生存性【5 】网络规划等多个子领域，包括制定标准，研制相应设备，提出并实 施具有生存性性能的网络体系等等，己取得了一些成果；针对s d h 、s o n e t 网 络【6 j 中的生存性技术部分已经标准化，并且进入了实用阶段；针对a t m 4 】网络的 生存性技术研究在9 2 年之后也已丌始，目前处于技术探索和初期实验阶段。我 国的一些科研单位，主要是北京邮电大学国家重点实验室，在9 0 年代也开始了 对网络生存性问题的研究，但总的说来研究力量不足，这与我们国家前几年主要 处于基础网络设施建设阶段，生存性研究未受到足够重视有关。随着我国信息网 络建设蓬勃兴起，信息化快速发展，网络生存性将成为越来越突出的课题，必须 加大研究力度。我国学者在这网络生存性方面也提出了很多方法，取得了很多科 研成果。目前传输层主要使用s d h 技术构建光网络【7 】，所以对于s d h 网络的自 愈技术研究是一个热点，并有很多算法和技术被提出，国际和国内的研究都把目 光聚焦在s d h 网络自刽8 】的问题上。如何在数据网络上实现最大的可用性和可 靠性一直是用户所希望的，也是网络厂商所追求的。 1 4 本课题的研究工作 网络自愈技术已成为提高现代网络生存性、提高网络服务质量的一项重要技 术，是现代网络技术中的重要组成部分【9 1 。本文首先分析了目前已广泛采用的网 2 武汉理一r 大学硕士学位论文 络自愈技术，给出了基于s d h 视频交换环网自愈功能模块的硬件及软件设计， 然后对自愈环网的自愈性能做了理论上的分析及仿真验证，最后对整个自愈环网 提供带负荷的功能参数及指标做了测试及分析。 本论文的章节安排如下： 第一章，绪论。介绍了网络自愈技术的背景、研究的目的、意义、国内外研 究概况。 第二章，s d h 自愈环网的原理分析。介绍了网络生存性及目前已被应用的 各种网络自愈技术。 第三章，视频交换自愈模块。介绍了视频交换自愈环网系统的构成及功能分 层，给出了视频交换自愈环网模块的硬件电路的设计及逻辑设计流程。 第四章，自愈环网的自愈性能分析。从理论上详细描述了自愈算法的思想， 给出了算法的仿真结果，并对整个环网的生存性能做了理论上的分析。 第五章，系统带负荷功能参数及技术指标测试。详细讲述系统在实际运行中 的测试结果，并对测试结果进行了分析。 第六章，总结及展望。最后对论文的工作进行了总结，并对自愈环网的研究 发展前景做了展望。 3 武汉理：人学硕+ 学位论文 第2 章s d h 自愈环网的原理分析 2 1s d h 原理及技术 2 1 1s d h 信号s t m n 的帧结构 s t m - n 信号帧结构的安排应尽可能使支路低速信号在一帧内均匀地、有规 律的分布。这样便于实现支路的同步复用、交叉连接( d x c ) 【1 0 1 、分插和交换， 方便的从高速信号中直接上下低速支路信号。i t u t 规定了s t m - n 的帧是以字 节( 8 b i t ) 为单位的矩形块状帧结构，如图2 1 所示。 图2 1s t m - n1 9 贞结构 从上图看出s t m n 的信号是9 行x2 7 0 xn 列的帧结构。此处的n 与s t m n 的n 相一致，取值范围：1 ，4 ，1 6 ，6 4 。表示此信号由n 个s t m 1 信号通 过字节间插复用而成。由此可知，s t m 1 信号的帧结构是9 行2 7 0 列的块状帧， 由上图看出，当n 个s t m 1 信号通过字节问插复用成s t m n 信号时，仅仅是 将s t m 1 信号的列按字节间插复用，行数恒定为9 行。 信号在线路上传输时是一个比特一个比特地进行传输的s d h 信号帧传输的 原则是：帧结构中的字节( 8 b i t ) 从左到右，从上到下一个字节一个字节( 一个 比特一个比特) 的传输，传完一行再传下一行，传完一帧再传下一帧。i t u t 规 定j 对于任何级别的s t m 等级，帧频是8 0 0 0 帧秒，也就是帧长或帧周期为恒 4 武汉理1 ：大学硕士学位论文 定的1 2 5 , u s 。 由于帧周期的恒定使s t m n 信号的速率有其规律性。例如s t m 4 的传输数 速恒定的等于s t m 1 信号传输数速的4 倍，s t m 1 6 恒定等于s t m - 4 的4 倍， 等于s t m 1 的1 6 倍。而p d h 中的e 2 信号速率：e l 信号速率的4 倍。s d h 信 号的这种规律性使高速s d h 信号直接分插出低速s d h 信号成为可能，特别适 用于大容量的传输情况。 从图2 1 中看出，s t m n 的帧结构由3 部分组成：段丌销，包括再生段开 销( r s o h ) 和复用段开销( m s o h ) ；管理单元指针( a u p t r ) ；信息净负荷 ( p a y l o a d ) 1 2 】。 信息净负荷( p a y l o a d ) 是在s t m n 帧结构中存放将由s t m n 传送的各种 信息码块的地方。 段丌销( s o h ) 是为了保证信息净负荷j 下常灵活传送所必须附加的供网络运 行、管理和维护( o a m ) 使用的字节。 段丌销又分为再生段丌销( r s o h ) 和复用段开销( m s o h ) ，分别对相应的 段层进行监控。段相当于一条大的传输通道，r s o h 和m s o h 的作用也就是对 这一条大的传输通道进行监控。 再生段开销在s t m n 帧中的位置是第一到第三行的第一到第9 x n 列，共3 x 9 x n 个字节：复用段丌销在s t m - n 帧中的位置是第5 到第9 行的第- n 第9 x n 列，共5 9 n 个字节。与p d h 信号的帧结构相比较，段开销丰富是s d h 信号帧结构的一个重要的特点。 管理单元指针( a u p t r ) 管理单元指针位于s t m n 帧中第4 行的9 x n 列， 共9 n 个字节，低速支路信号在高速s d h 信号帧中的位置有预见性，也就是 有规律性。预见性的实现就在于s d h 帧结构中指针开销字节功能。a u p t r 是 用来指示信息净负荷的第一个字节在s t m n 帧内的准确位置的指示符，以便收 端能根据这个位置指示符的值( 指针值) 正确分离信息净负荷。 其实指针有高、低阶之分，高阶指针是a u p t r ，低阶指针是t u p t r ( 支 路单元指针) ，t u p t r 的作用类似于a u p t r o s 】。 2 1 2s d h 同步复用以及保护设备的通信接口 s d h 的复用包括两种情况：一种是低阶的s d h 信号复用成高阶s d h 信号； 另一种是低速支路信号( 例如2 m b i t s 、3 4 m b i t s 、1 4 0 m b i t s ) 复用成s d h 信号 s t m 二n 。 武汉理一i ：人学硕十学位论文 第一种情况，复用的方法主要通过字节问插复用方式来完成的，复用的个数 是4 合一，即4 x s t m 1 一s t m 4 ，4 s t m 4 - - s t m 1 6 。在复用过程中保持帧 频不变( 8 0 0 0 帧秒) ，这就意味着高一级的s t m n 信号是低一级的s t m n 信 号速率的4 倍。在进行字节问插复用过程中，各帧的信息净负荷和指针字节按原 值进行间插复用，而段开销则会有些取舍。在复用成的s t m - n 帧中，s o h 并不 是所有低阶s d h 帧中的段开销问插复用而成，而是舍弃了一些低阶帧中的段开 销。 第二种情况用得最多的就是将p d h 信号复用进s t m n 信号中去。 传统的将低速信号复用成高速信号的方法有两种： 比特塞入法( 又叫做码速调整法) 这种方法利用固定位置的比特塞入指示来显示塞入的比特是否载有信号数 据，允许被复用的净负荷有较大的频率差异( 异步复用) ，因为存在一个比特塞 入和去塞入的过程( 码速调整) ，而不能将支路信号直接接入高速复用信号或从 高速信号中分出低速支路信号，也就是说不能直接从高速信号中上下低速支路 信号，要一级一级的进行，这也就是p d h 的复用方式。 固定位置映射法 这种方法利用低速信号在高速信号中的特殊位置来携带低速同步信号，要求 低速信号与高速信号同步，也就是说帧频相一致，可方便的从高速信号中直接上 下低速支路信号，但当高速信号和低速信号问出现频差和相差( 不同步) 时， 要用12 5g s ( 8 0 0 0 帧秒) 缓存器来进行频率校j 下和相位对准，导致信号较大延 时和滑动损伤。 从上面看出这两种复用方式都有一些缺陷，比特塞入法无法从高速信号中上 下低速支路信号：固定位置映射法引入的信号时延过大。s d h 网的兼容性要求 s d h 的复用方式既能满足异步复用( 例如：将p d h 信号复用进s t m n ) ，又能 满足同步复用( 例如s t m 1 一s t m 4 ) ，而且能方便地由高速s t m n 信号分插 出低速信号，同时不造成较大的信号时延和滑动损伤，这就要求s d h 需采用自 己独特的一套复用步骤和复用结构。在这种复用结构中，通过指针调整定位技术 来取代1 2 5 t s 缓存器用以校正支路信号频差和实现相位对准，各种业务信号复用 进s t m n 帧的过程都要经历映射( 相当于信号打包) 、定位( 相当于指针调整) 、 复用( 相当于字节间插复用) 三个步骤。 i t u t 规定了一整套完整的复用结构( 也就是复用路线) ，通过这些路线可 将p d h 的3 个系列的数字信号以多种方法复用成s t m n 信号。i t u t 规定的复 6 武汉理1 ：大学硕十学位论文 用路线如图2 2 。 亡二 指针处理 七一复用 定位校准 - - - - 映射 v c 4 v c 3 x 3 亟殊伍孽一匦 璺兰r 1 3 9 2 6 4 k b i t s 亘卜箬孺k b k b i t s , o g - 妾丘丑匦丑卜岖夏卜6 3 1 2 k b i t s 。譬匝丑区蛩卜爵2 0 4 8 k b i t s 匝丑、匾丑卜皿删t b 幽2 2s t m - n 的复刖路线 从图2 2 中可以看到此复用结构包括了一些基本的复用单元：c 一容器、v c 一虚容器、t u 一支路单元、t u g 一支路单元组、a u 一管理单元、a u g 一管理单 元组，这些复用单元的下标表示与此复用单元相应的信号级别。在图中从一个有 效负荷到s t m n 的复用路线不是唯一的，有多条路线( 也就是说有多种复用方 法) 。例如：2 m b i t s 的信号有两条复用路线，也就是说可用两种方法复用成s t m n 信号。 尽管一种信号复用成s d h 的s t m n 信号的路线有多种，但是对于一个国家 或地区则必须使复用路线唯一化。我国的光同步传输网技术体制规定了以 2 m b i t s 信号为基础的p d h 系列作为s d h 的有效负荷，并选用a u 4 的复用路 线，其结构见图2 3 所示。 匝醉七叵 她l 璺! 竺：堕 - i 垒! 鱼卜l 苎i ：! 上 口指针处理 一复用 一定位校准 - - - - 映射 一臣习p 一塑卜1 3 9 2 6 4 k b i l s x3 迎回l 一匝日卜囤卜一 亘卜朝s e 微b 、，。、 1 1 1 坚k 。文圆 匝哥卜咂至卜2 嗍曲 图2 - 3 a u - 4 的复用线路 7 西 匝警 巫。 队 每 i 一 而一 匡 武汉理l i 人学硕十学位论文 当前运用得最多的复用方式是将2 m b i t s 信号复用进s t m n 信号中，它也 是p d h 信号复用进s d h 信号最复杂的一种复用方式。 2 2 定时与同步 数字网中要解决的首要问题是网同步问题，因为要保证发端在发送数字脉冲 信号时将脉冲放在特定时间位置上( 即特定的时隙中) ，而收端要能在特定的时 白j 位置处将该脉冲提取解读以保证收发两端的正常通信，而这种保证收发两端 能正确的在某一特定时自j 位置上提取发送信息的功能则是由收发两端的定时时 钟来实现的。因此，网同步的目的是使网中各节点的时钟频率和相位都限制在预 先确定的容差范围内，以免由于数字传输系统中收发定位的不准确导致传输性 能的劣化( 误码、抖动) 。 2 2 1 同步方式 解决数字网同步有两种方法：伪同步和主从同步。伪同步是指数字交换网中 各数字交换局在时钟上相互独立，毫无关联，而各数字交换局的时钟都具有极高 的精度和稳定度，一般用铯原子钟。由于时钟精度高，网内各局的时钟虽不完全 相同( 频率和相位) ，但误差很小，接近同步，于是称之为伪同步。主从同步指 网内设一时钟主局，配有高精度时钟，网内各局均受控于该全局( 即跟踪主局时 钟，以主局时钟为定时基准) ，并且逐级下控，直到网络中的末端网元终端 局。 一般伪同步方式用于国际数字网中【1 3 】，也就是一个国家与另一个国家的数字 网之间采取这样的同步方式，例如中国和美国的国际局均各有一个铯时钟，二者 采用伪同步方式。主从同步方式一般用于一个国家、地区内部的数字网，它的特 点是国家或地区只有一个主局时钟，网上其它网元均以此主局时钟为基准来进行 本网元的定时。 为了增加主从定时系统的可靠性，可在网内设一个副时钟，采用等级主从控 制方式。两个时钟均采用铯时钟，在正常时主时钟起网络定时基准作用，副时钟 亦以主时钟的时钟为基准。当主时钟发生故障时，改由副时钟给网络提供定时基 准，当主时钟恢复后，再切换回由主时钟提供网络基准定时。 主从同步的数字网中，从站( 下级站) 的时钟通常有三种工作模式。正常工 作模式跟踪锁定上级时钟模式。此时从站跟踪锁定的时钟基准是从上一级站 8 武汉理 ：大学硕十学位论文 传来的，可能是网中的主时钟，也可能是上一级网元内黄时钟源下发的时钟，也 可是本地区的g p s 时钟。 与从时钟工作的其它两种模式相比较，此种从时钟的工作模式精度最高。保 持模式当所有定时基准丢失后，从时钟进入保持模式，此时从站时钟源利用定时 基准信号丢失前所存储的最后频率信息作为其定时基准而工作。也就是说从时钟 有“记忆”功能，通过“记忆 功能提供与原定时基准较相符的定时信号，以保 证从时钟频率在长时问内与基准时钟频只有很小的频率偏差。但是由于振荡器的 固有振荡频率会慢慢地漂移，故此种工作方式提供的较高精度时钟不能持续很 久。此种工作模式的时钟精度仅次于j 下常工作模式的时钟精度。自由运行模式一 一自由振荡模式当从时钟丢失所有外部基准定时，也失去了定时基准记忆或处于 保持模式太长，从时钟内部振荡器就会工作于自由振荡方式。 2 2 2s 1 字节和s d h 网络时钟保护倒换原理 在s d h 网中，各个网元通过一定的时钟同步路径一级一级地跟踪到同一个 时钟基准源，从而实现整个网的同步。通常，一个网元获得同步时钟源的路径并 非只有一条。也就是说，一个网元同时可能有多个时钟基准源可用。这些时钟基 准源可能来自于同一个主时钟源，也可能来自于不同质量的时钟基准源。在同步 网中，保持各个网元的时钟尽量同步是极其重要的。为避免由于一条时钟同步路 径的中断，导致整个同步网的失步，有必要考虑同步时钟的自动保护倒换问题。 也就是说，当一个网元所跟踪的某路同步时钟基准源发生丢失的时候，要求它能 自动地倒换到另一路时钟基准源上。这一路时钟基准源，可能与网元先前跟踪的 时钟基准源是同一个时钟源，也可能是一个质量稍差的时钟源。显然，为了完成 以上功能，需要知道各个时钟基准源的质量信息。 在s d h 光同步传输系统中，时钟的自动保护倒换遵循以下协议： 规定一同步时钟源的质量阈值，网元首先从满足质量阈值的时钟基准源中选 择一个级别最高的时钟源作为同步源。并将此同步源的质量信息( 即s 1 字节) 传递给下游网元【】。 若没有满足质量阈值的时钟基准源，则从当前可用的时钟源中，选择一个级 别最高的时钟源作为同步源。并将此同步源的质量信息( 即s l 字节) 传递给下 游网元。 表2 1 是i t u t 己定义的同步状态信息编码。利用这一信息，遵循一定的倒 换协议，就可实现同步网中同步时钟的自动保护倒换功能。 9 武汉理下人学硕士学位论文 表2 1同步状态信息编码 s 1 字 s 1 ( b 5 - b 8 )s d h i j 步质量等级描述 节 0 0 0 00 ) c 0 0 同步质量f i 可知( 现存l 司步嘲) 0 0 0 1o ) ( 0 1保留 0 0 1 00 x 0 2g 8 1 1 时钟信号 0 0 1 1o x 0 3 保留 0 1 0 00 x 0 4g 8 12 转接局时钟信呼 0 1 0 10 c 0 4 保留 0 1 1 00 x 0 6 保留 0 1 1 1 o x 0 7保留 1 0 0 0o x g 8 1 2 本地局时钟信吁 1 0 0 10 0 保留 1 0 1 00 x 0 a 保留 1 0 1 10 ) c 0 b 例步设备定时源( s e t s ) 信号 1 1 0 0喊 保留 1 1 0 10 ) c 0 d 保留 ”1 00 ) c 0 e保留 1 1 1 1 0 x 0 f不应用作川步 2 3s d h 二纤双向复用段保护环的工作原理 目前环形网络的拓扑结构用得最多，因为环形网具有较强的自愈功能。自愈 环的分类可按保护的业务级别、环上业务的方向、网元节点间光纤数来划分。 按环上业务的方向可将自愈环分为单向环和双向环两大类；按网元节点间的 光纤数可将自愈环划分为双纤环( 一对收发光纤) 和四纤坏( 两对收发光纤) ； 按保护的业务级别可将自愈环划分为通道保护环和复用段保护坏两大类。 1 0 武汉理j r ：入学硕十学位论文 对于通道保护环，业务的保护是以通道为基础的，也就是保护的是s t m n 信号中的某个v c ( 某一路p d h 信号) ，倒换与否按环上的某一个别通道信号的 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 1 6 】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 v c 4 的第4 8 个t u 1 2 有t u a i s ，那么就仅将该通道切换到备用信道上去。复用段倒换环是以复用段 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 咄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，环上整 个s t m n 或1 2 s 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【l 引。 通道保护环往往是专用保护，在j 下常情况下保护信道也传主用业务( 业务的 l + l 保护) ，信道利用率不高。复用段保护环使用公用保护，正常时主用信道传 主用业务，备用信道传额外业务( 业务的1 ：l 保护) ，信道利用率高。 双纤双向复用段保护环，采用双纤方式，网元节点只用单a d m 即可，所以 得到了广泛的应用。从图2 _ 4 中可看到光纤s l 和p 2 ，s 2 和p l 上的业务流向相 反，那么我们可以使用时分技术将这两对光纤合成为两根光纤s l p 2 、s 2 p i 。 这时将每根光纤的前半个时隙( 例如s t m 1 6 系统为i # - - 8 # s t m 1 ) 传送主用业 务，后半个时隙( 例如s t m 一1 6 系统的9 # - - - - 1 6 # s t m 1 ) 传送额外业务，也就是 说一根光纤的保护时隙用来保护另一根光纤上的主用业务。例如，s 1 p 2 光纤上 的p 2 时隙用来保护s 2 p 1 光纤上的s 2 业务。因此在二纤双向复用段保护环上无 专门的主、备用光纤，每一条光纤的前半个时隙是主用信道，后半个时隙是备信 道，两根光纤上业务流向相反。双纤双向复用段保护环的保护机理如图2 4 所示。 在网络正常情况下，网元a 到网元c 的主用业务放在s 1 p 2 光纤的s 1 时隙 ( 对于s t m 1 6 系统，主用业务只能放在s t m n 的前8 个时隙i # 一8 # s t m 1 【v c 4 中) ，备用业务放于p 2 时隙( 对于s t m 1 6 系统只能放于9 # - - 1 6 # s t m 1f v c 4 中) ，沿光纤s 1 p 2 由网元b 穿通传到网元c ，网元c 从s 1 p 2 光纤上的s l 、p 2 时隙分别提取出主用、额外业务。网元c 到网元a 的主用业务放于s 2 p 1 光纤 的s 2 时隙，额外业务放于s 2 p 1 光纤的p 1 时隙，经网元b 穿通传到网元a ， 网元a 从s 2 p 1 光纤上提取相应的业务【1 7 】。 在环网州间光缆段被切断时，网元a 到网元c 的主用业务沿s l p 2 光纤 传到网元b ，在网元b 处进行环回( 故障端点处环回) ，环回是将s i p 2 光纤上 s l 时隙的业务全部环到s 2 p 1 光纤上的p 1 时隙上去( 例如s t m 1 6 系统是将 s 1 p 2 光纤上的1 一8 # s t m 1 【v c 4 】全部环到s 2 p i 光纤上的鲥一 武汉理i ：人学硕十学位论文 1 6 # s t m 1 v c 4 】) ，此时s 2 p 1 光纤p l 时隙上的额外业务被中断。然后沿s 2 p i 光纤经网元a 、网元d 穿通传到网元c ，在网元c 执行环回功能( 故障端点站) ， 即将s 2 p 1 光纤上的p l 时隙所载的网元a 到网元c 的主用业务环回到s 1 p 2 的 s l 时隙，网元c 提取该时隙的业务，完成接收网元a 到网元c 的主用业务【9 1 。 见图2 5 。 图2 _ 4 双纤烈向复川段保护环原理图 网元c 到网元a 的业务先由网元c 将网元c 到网元a 的主用业务s 2 ，环 回到s 1 p 2 光纤的p 2 时隙上，这时p 2 时隙上的额外业务中断。 图2 5 双纤双向复用段保护环倒换图 s t m n 然后沿s 1 p 2 光纤经网元d 、网元a 穿通到达网元b ，在网元b 处执行环 回功能将s 1 p 2 光纤的p 2 时隙业务环到s 2 p 1 光纤的s 2 时隙上去，经s 2 p 1 光纤传到网元a 落地。通过以上方式完成了环网在故障时业务的自愈。双纤双 向复用段保护环的业务容量为四纤双向复用段保护环的1 2 。 1 2 武汉理。l ：人学硕十学位论文 第3 章视频交换自愈模块 3 1 系统总体构成 系统主要分成两大部：接入部分和交换部分。接入部分完成与外围设备的连 接，提供各种各样的信号接口，完成系统的信息输入输出功能。接入部分支持直 接电缆连接、点到点光纤连接和光纤链路型连接，不支持光纤环型连接。交换部 分完成接入的视频信号和关联的音频信号的交换，允许这些信号在交换部分的任 何节点上交换，也即是任何一个交换节点接入的交换信号可以发送到交换部分的 任何另一个节点，此功能只受节点间传输带宽和节点优先级的限制。 网络中有两种节点，一种节点只有接入功能，属于网络的接入部分，可简称 接入节点，另一种节点除有接入功能外还有交换功能，此类节点可分属于网络的 两个部分，简称交换节点。 单纯的接入节点只接收视频信号输入，不提供视频信号输出，但其他类型的 信号则可以输入和输出。接入节点不能组成完整的系统，一个完整的系统至少要 有一个交换节点，而所有的接入节点都将连接的信号连接到交换节点，视频及与 之相关的音频信号在交换节点上选择输出和送往其他交换节点，而其他信号则在 交换节点终接。如果系统只有一个交换节点时，此系统被定义为一个最小系统。 最小系统的视频信号和相关音频信号只在交换节点上进行交换，不存在节点间的 交换。当多个最小系统的交换节点以一定的拓扑结构组织成网络时，就构成了一 个大系统，此时在交换节点间可进行视频及相关音频信号的交换。 交换节点除能完成所有接入节点的功能外，还具有对视频及相关音频信号的 交换功能。交换节点间可进行星型、树型、链型和环型拓扑连接，环型连接具有 自愈保护能力。互连的交换节点间也能交换视频及相关音频信号，交换能力受连 接带宽及节点的优先级和权限的限制。只有交换节点才能连接控制设备，控制设 备可从网络上选择接收需要的视频及相关音频信号，并可对相应的前端设备( 如 云台、镜头、信号灯和可变信息显示装置等) 进行控制。交换节点也是唯一提供 网管接口的设备，但通常只有一个节点连接主网管计算机，其他节点也可连接备 用( 从) 网管计算机。 武汉理+ l ：大学硕十学位论文 3 2 系统功能分层 系统可简单分为四层：接入传输层、汇聚适配层、交换层和管理控制层， 如3 1 图所示。一般情况下，下层为上层提供服务，管理控制层例外。管理控 制层作为系统与用户的接口，有些类似应用层，所以才将其放在功能层次的最顶 端，而实际上它与其他各个层次都有直接联系。交换层也有一种例外情况，就是 经交换层后需要在本地输出的信号直接交接入层输出，不再需要经过汇聚适配 层。 l 篁里：丝型l 圆圈 圆 困 圆圆 图3 1 系统功能分层图 圆 圆 接入层是网络中接入部分的主要功能层，如图3 2 所示，它是系统与外部环 境的边界，它提供各种信号接口，将外部输入信号接入并转换成系统内部规定格 式的数字信号，同时也将系统内部的信号还原成外部设备能接收的信号。接入层 应提供对系统的保护，即防止系统在接入外部信号的同时受到干扰甚至破坏。 接入层应有较好的适应能力或现场配置能力，以适应接入信号的偏差和满足 工程变更的要求。接入层还应提供本地立即输出功能，即当需要时，如用于记录， 应能将输入的视频及相关音频信号在本地输出。对用电缆直接接入的信号可采用 环出口，用光纤接入的信号则应提供本地输出口。当有远程光纤接入的其他信号 时，如以太网、异步数据等，也应立即在本地终接，不送往汇聚层。 信号进入到接入层后都变成了数字信号，由于接入的多样信，系统并不规定 接入信号流的格式。接入层在将信号送入汇聚层时，通常需要将信号还原成基带 数字信号。如果接入的信号流格式符合汇聚层的要求，则不需要还原。 传输层实现交换节点问的光纤互连，只提供两种标准接口：单波长能传输8 路视频的接口和单波长能传输1 6 路视频的接口。 1 4 武汉理j 1 ：大学硕十学位论文 模拟或 字信号 视频 音频 数据 电话 对讲 开关量 远程接入数字基带 图3 2 接入层功能图 传输层应为交换节点提供可靠的信号传输，因此应提供适当的保护功能，以 便在出现单点或局部故障时仍能保证网络的大部分能j 下常工作，或保持大部分业 务能j 下常提供。传输层只传输两种主要业务：即视频信号及相关音频信号和以太 网信号，其他如时钟、同步、网管和控制等信息，都归为丌销。汇聚层接收接入 层提供的基带数据信号，将每8 路视频及相关的音频信号，连同必要的信令信息 组合成一个规格化的数据流，送往交换层。而接入层提供的基于m i i 接口的以太 网数据，则可直接送往交换层。 如果以太网采用外置交换机进行交换时，接入的以太网信号应直接在本地输 出至以太网交换机，而不必送到汇聚层。如果由交换层完成以太网信号交换，则 汇聚层仍需将最多8 个以太网数据流组合后送往交换层。 信号经汇聚后形成高速串行流，采用差分数字接口，可减少连接器的电路数， 简化背板设计，必要时也方便采用线缆进行直接板间连接。 适配层存在于传输层和交换层之间，主要目的是处理来往于传输层的数据 流，从数据流中提出以太网信息或将以太网信息插入数据流中。但为了要获得数 据流中的以太网信息，必须对数据流进行分析，从而将高速数据流分解成了基带 数字信号。由此可以看出，适配层的功能已部分渗透到了交换层。为了能较好地 处理这种功能的交叉，需要将交换层再细分成子层。适配层得到的以太网信号与 汇聚层得到的进行同样的处理。 磅 团 武汉理j 1 ：入学硕十学位论文 交换层接收来自汇聚层和适配层的具有规范格式的数据流，从中提取出基带 数字信号，包括视频、音频和信令信号，也可能包括以太网信号，在信令和相关 指令的控制下，形成两种输出：一是将从这些信号中选择部分或全部进行重组， 形成新的规范格式的数据流，交适配层送往其他交换节点；二是从这些信号中选 择部分或全部交接入层直接形成本地输出。自愈交换模块信号流图如3 3 。 图3 3 交换白愈模块信号流图 交换层的交换功能应分成两个子层：一是信号处理层，一是信号交换层。信 号处理层主要完成对规范格式数据流的分解和重组，一方面是向信号交换层提供 基带信号进行交换，另一方面是得到相关的控制和指示信息，控制信号交换层完 成信号的交换【l3 1 。 适配层在对信号进行处理时，基本上完成了交换层的信号处理层的功能，因 此其提交的信息应直接送往信号交换层，也即需要定义这个层次上的信号接口。 交换层还应提供与控制设备的接口，如控制键盘和控制计算机。因为控制对 象是通过交换来选择的，如指定的摄像机或选定的可变信息板等，控制信息需要 由交换层来确定路由，并作为信令合并到数据流中。同时控制设备也下达选择视 频及相关音频信号的指令，并指定本地的输出端口。 管理控制层提供对系统自身的管理控制和对处