（机械电子工程专业论文）光纤线路自动切换系统及光网络自愈技术的研究.pdf

一 独创性( 或创新性) 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，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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。 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：夕| o 0 3 、ff 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电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北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位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、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 同期：加jo 、伊 日期：2 岔 岔主厶 摘要 随着通信技术的快速发展，各种业务的迅速推展使得运营商的骨 干网带宽需求越来越大，波分复用技术以其超大容量、平滑扩容能力 成了解决扩容压力的最佳选择。然而这些被广泛使用并承载了大量业 务的的w d m 网络存在着巨大的安全风险，一旦网络中的光缆线路发生 中断，就会导致网络的全部中断。因此，光纤线路自动切换系统的概 念就应运而生。 本论文首先介绍了光网络的发展现状和已经得到应用的相关白 愈技术，并分析其他保护技术的优缺点及当前网络安全性方面的主要 问题的基础上，提出在光层对网络进行保护的光纤自动切换保护的办 法。然后对运营商实际的网络状况进行调查和分析，并针对运营商光 网络的资源、组网状况和故障分布情况设计光纤线路自动切换系统的 总体框架。 本论文重点论述的是系统中线路自动切换模块，详细介绍了该切 换模块的各个组成部分的设计。在本设计中，首先参考i t u t 建议和 国家标准对光接口参数的要求，确定检测线路故障的判断依据。然后 以这个为标准设计了光纤线路在线监控模块，并将监控信息交由控制 电路来处理，通过对光开关的操作来完成线路的切换。本模块中控制 部分主要基于a t 8 9 c 5 1 单片机，控制电路主要通过门电路和对单片机 的变成来实现。最后，还通过设计合理的上、下行帧结构，通过单片 机的串口与上级管理单元进行通信，为系统提供网管控制功能。 论文的最后部分对光纤线路切换系统进行了组网设计，并对系统 的未来发展提出展望。由于在光层的切换保护技术尚有许多问题还没 有实现统一的标准，本论文在功能实现时只是对一些保护方案和功能 进行了初步实现，以一个很低的成本为系统提供了一个额外的保护。 关键字：光纤自愈自动切换故障检测 o p t i c a ll i n ea u t o - s w i t c h i n gs y s t e m sa n dr e s e a r c ho fo p t i c a l t r a n s p o r tn e t w o r k ss e l f - h e a l i n gt e c h n o l o g y a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ，t h e r a p i dp r o m o t i o no fv a r i o u sb u s i n e s s ，e s p e c i a l l yi nr e c e n ty e a r s ，e x p l o s i v e g r o w t ho fi ps e r v i c e s ，t h eu s e rm a k e st h ee v e r i n c r e a s i n gd e m a n df o r b a n d w i d t h b a c k b o n en e t w o r k o p e r a t o r se x p a n s i o n u n d e r i n c r e a s i n g p r e s s u r e a st h ec o s to ft h ec o n s t r u c t i o no ft r u n kc a b l ei sv e r yh i g h ，t h e t r u n k o p t i c a l c a b l e o p e r a t o r r e s o u r c e sa r e v e r yl i m i t e d ，s ou s eo f w a v e l e n g t h d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( w d m ) t e c h n o l o g y t os o l v et h e b a c k b o n en e t w o r k e x p a n s i o np r o b l e mi st h a tt h eb e s to p t i o n w d mb a c k b o n en e t w o r kt e c h n o l o g ym a k e se a c ho ft h et r a n s m i s s i o n c a p a c i t yo ff i b e rah u g eu p g r a d e ，b u tt h ew d ms y s t e mi t s e l fd o e sn o t h a v eag o o ds e l f - h e a l i n gs y s t e m t h eb a c k b o n en e t w o r ke x p a n s i o nd u et o p r e s s u r e f r o mc a r r i e r sa ta n e a r l ys t a g ew o u l dh a v eal a r g e s c a l e d e p l o y m e n to ft h e s en e t w o r k sh a v en os e l f - h e a l i n gc a p a c i t yo fw d m n e t w o r k i n ge q u i p m e n t ，a n dt h et o pc a r r i e sal o to fb u s i n e s s ，an u m b e ro f k e yr o u t e so nt h ew d ms y s t e mw o r kc h a n n e ln u m b e r st e n dt oa sh i g ha s t e n so fw a v e s ，t h e r e l i a b i l i t y o ft h ew d ms y s t e m ，am o r es t r i c t r e q u i r e m e n t s c o m m u n i c a t i o nn e t w o r kc a p a c i t yi si m p o r t a n t ，b u tt os o m ee x t e n t ， a n dn e t w o r ks e c u r i t y o p e r a t i o n s a n dn e t w o r k c a p a c i t y a r e e q u a l l y i m p o r t a n t a l la l o n g ，t h eq u a l i t yo fs e r v i c ec o m m u n i c a t i o n sn e t w o r k o p e r a t o r sa r e a l lo fg r e a tc o n c e r nt ot h ep r o b l e m s e r v i c eq u a l i t y ，i sa c o m m u n i c a t i o n sn e t w o r ka sas e c u r i t ym e c h a n i s mi st oe n s u r et h es a f e o p e r a t i o no ft h em e a n so fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，m o r ea n dm o r eo ft h e n e t w o r kn e e d sar e l i a b l ea n de f f i c i e n tp r o t e c t i o ns y s t e mt oe n h a n c ei t s s e r v i c eq u a l i t y a c c o r d i n gt os t a t i s t i c s e a c hy e a rl e a dt ot h ef a i l u r ec a u s e so f t r a n s m i s s i o nn e t w o r k s ，f i b e rf r a c t u r ea c c o u n t e df o rm o s to fp r o p o r t i o n o u t d o o rf i b e ro p t i cc a b l ei se a s yb e c a u s eo fn a t u r a ld i s a s t e r s ，t h e f ta n d o t h e rc o n s t r u c t i o n ，a sw e l la se x t e r n a lr e a s o n s ，f r a c t u r e ，w h i l et h e l a r g e - s c a l eo p e r a t o r sh a v ed e p l o y e dm o s to ft h ew d ms y s t e ma n dh a sn o t a d d r e s s e dt h ef a i l u r eo fs u c hm e a s u r e sf o rs e l f - h e a l i n g s oi fw ec a ns o l v e t h ef a u l tl i n e si no p t i c a lf i b e r 仍mn e t w o r kw h e nt h er o u t er e s e l e c tt h e p r o b l e mo ft h ew d m n e t w o r kc a nb eag o o dv i a b i l i t y t h i sp a p e ri sm a i n l yc o m e su pw i t hs o l u t i o n so ft h ed e s i g no fo p t i c a l l i n ea u t o s w i c h i n gs y s t e m ，o f f e ras e l f - h e a l i n ga b i l i t yt ow d mn e t w o r k t h e d e s i g ni t sb a s e do nt h ed e f i c i e n c i e so fw d m n e t w o r ks e c u r i t ya sw e l l a st h ef a i l u r ec h a r a c t e r i s t i c so fo p t i c a ln e t w o r k ，c o n s i d e r i n gt h ec o s to f p r o t e c t i o n t h es y s t e mi st od e s i g n e df o rb u tn o tl i m i t e di nt h ea p p l i c a t i o n o fw d mn e t w o r k k e yw o r d s ：o p t i c a lf i b e r ；a u t o s w i t c h i n g ；w d m ；s e l f - h e a l i n g ；l i n ed e t e c t i o n 北京邮电人学研究生学位论文 目录 目j i 之1 第一章绪论3 1 1 课题背景及意义3 1 2 国内外发展现状4 1 3 研究目标和内容6 1 4 论文章节安排6 第二章光纤通信网保护技术的研究7 2 1 引。言7 2 2 自愈通信网的理论7 2 2 1 两种常用的自愈网结构7 2 2 2 几种保护方式。9 2 3 运营商应对w d m 网络的保护措施1 0 2 3 1 基于单个波长在s d h 层上的保护1 0 2 3 2 对环形组网的w d m 网络的保护1 2 2 4 光纤线路自动切换系统的保护1 5 2 5 本章总结1 8 第三章光纤线路自动切换模块的设计2 0 3 1 引言2 0 3 2 总体框架设计2 0 3 2 1 框架的组成2 0 3 2 2 模块化设计2 1 3 3 光开关的选择2 2 3 3 1 光开关的介绍2 2 3 3 2 系统使用的光开关2 4 3 4 线路监控模块的设计2 6 3 4 1 倒换判据的确定2 6 3 4 2 光纤线路的监测模块2 7 3 5 光开控制电路模块的设计3 6 3 6 光纤线路自动切换模块与管理单元的通信设计3 9 3 6 1 串行通信上行发送4 1 3 6 2 串行通信下行接收4 3 3 7 本章总结o 4 5 第四章光纤线路切换系统的组成及组网设计4 6 4 1 引言4 6 4 2 系统总体框架4 6 4 3 网管部分的介绍4 7 4 4 光纤线路切换保护系统组网探讨及设计5 0 4 4 1 对线路损耗的补偿5 0 1 5 8 北京邮电大学研究生学位论文 4 4 2 针对w d m 网络进行的保护组网设计5 2 4 5 本章总结5 4 第五章总结与展望5 5 5 1 本文总结5 5 5 2 工作展望5 5 参考文献。5 6 致谢。5 7 攻读硕士期间发表的论文5 8 2 5 8 ， l 北京邮电大学研究生学位论文 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 随着通信技术的迅速发展，信息时代的到来，每个人对信息容量的需求与日 俱增，各种业务需求的急速扩张对通信带宽中继的需求越来越大，特别i n t e r n e t 商业化的巨大成功，促使传统通信网络发生深刻的演变。据统计，截至2 0 0 9 年 9 月，中国的网民数量已经达到3 6 亿，中国的家庭宽带用户已经达到8 8 8 6 万户， 随着更多网络应用和概念的推出会对带宽有着进一步的需求，这些对运营商的传 输网是一个巨大的压力。由于干线光缆的建设成本很高，运营商的干线光缆资源 十分有限，因此采用波分复用( w d m ) 技术，是现在运营商解决骨干网传输容量 扩容的最好的办法。 w d m 技术是在一根光纤中同时传输多波长光信号的技术，它利用不同波长 的光互不干扰的特性，在同一根光纤中传送多个不同波长的激光，在发送端用光 耦合器将不同波长的激光合到一根光纤里，在接收端用分光器件将混合在一起的 多束激光分开来，每个波长的激光承载一个光通信信道，通过增加信道数达到增 加传输容量的目的，波分复用技术的出现使光纤的通信容量几乎无穷无。而且 w d m 属于开放式的透明传输结构，它并不会对连接的光信号接口有特别要求，也 不会去检测其内容，只要这些接口符合i t u - t 的接口标准便可接入，因此w d m 可以传送各种不同种类的业务，也可以同时传输不同速率的业务。为满足各种业 务对传输带宽的需求，一方面是要增大w d m 系统中传送的业务颗粒，另一方面 是要不断增加w d m 传送波道数量。一些骨干路由上的密集波分复用系统工作波 道数量往往高达几十波，2 0 0 8 年1 1 月中国电信上海到无锡的4 0 g 波分复用系统 正式开始运行，标志着中国开始进入单波道4 0 g 的时代，这一系列信息都说明 了w d m 系统所承载的业务量是越来越大。 w d m 技术在应用初期，仅仅是实现了对各个波道进行简单的复用和解复用 的点对点的传输，组网的基本单元就是两个复用站之间系统背靠背的方式，并用 这样背靠背的网络单元建成各种形式的网络拓扑，各个光复用站间的上下业务也 都是通过人工调度的方式完成的。这样的w d m 系统的特点就是组网方便、扩容 方便、传输容量大，但是缺点就是网络安全性差，一旦网络中任何一点的光纤断 裂，w d m 网络不能像s d h 自愈网那样利用系统资源自动修复中断的通信从而 给运维人员更多的时间去现场修复发生物理损伤的光纤线路。一般w d m 网络发 北京邮电大学研究生学位论文 生光纤断裂这样的故障，运营商的处理办法是通知运维人员去故障发生点两端机 房进行纤芯调度，将光路从发生故障的纤芯中调度到事先已经准备好的应急调度 纤芯内。一般处理这样一个线路故障，从故障发生的时间到通信恢复的时间大概 需要历时十多分钟，然而由于运维人员的维护水平或者故障两端站运维人员沟通 问题，都可能引起光纤调度失误，加长故障历时，中国电信公司对此类故障的要 求是故障历时不得超过3 0 分钟。然而，在大量大容量业务日益集中到w d m 系统 的情况下，即使只是数分钟的中断，都会对运营商的网络带来巨大的损失，也会 影响客户对运营商网络质量的评价。对运营商来说，承载了大容量业务的关键链 路是不能允许有失误的。然而，即使是w d m 有这样那样的网络安全缺陷，在w d m 应用的初期，各个运营商就遇到了巨大的网络扩容压力，他们不得不大量部署这 样的没有自愈能力的w d m 网络，并将大量的业务承载在上面。 通信网络的容量固然重要，但是在某种程度上讲，网络的安全运营与网络容 量同样重要。一直以来，通信网的服务质量都是各个运营商非常关注的问题问题。 服务质量，是通信网络的一种安全机制，是保证通信网安全运营的手段，越来越 多的网络需要一个可靠、高效的保护体系以提高其服务质量。为保证国家干线光 缆线路的安全、光网络的畅通无阻，各个运营商都投入了巨大的人力资源，仅中 国电信公司每年就投入3 万余名光缆线路专业维护人员和数十亿维护已经费用， 每只不停得对4 0 0 多万皮长公罩的光缆线路进行巡回、维护、抢修。然而，面对 着这4 0 0 多万公里的光缆线路因为自然灾害、各种施工以及偷盗等各种各样外部 的原因发生中断，运营商投入的维护的人力物力都明显不足。因此，设计一种针 对光网络的故障特点的网络自愈系统非常必要，我们不仅要建设上百力公里的高 速光通信网络，而且还要让这些光网络有高度的抗阻断能力，在平时可以自动完 成对线路的日常监控，在故障发生时能够自动侦测到故障并激活相应的应急措施 和网络保护方案，及时恢复传输网络的业务传送能力，给于线路维护人员更充裕 的时间去对故障点进行物理上的修复。 1 2 国内外发展现状 拥有高效灵活的保护与恢复手段是新一代光网络必须具备的重要特征，因此 各个设备商在光网络相关系统的设计时都会考虑网络自愈的问题。 s d h 的标准还在设计阶段的时候就考虑了其网络自愈的问题，因此在s d h 的 帧结构设计中，就为环网系统的自愈设计了一个倒换信令。在组网时需要将s d h 网络拓扑组成环状网络，在进行业务配置的时候，在电路层面上将一半的传输容 量保留起来，用作另一半的备用通道，所以其正常通信的容量是最大传输容量的 一半。当某处设备或者某处光缆发生故障时，s d h 设备中的数字交叉连接器( d x c ) 北京邮电大学研究生学位论文 会将主用电路交叉连接到备用通道上，使电路通道避开故障点，通过环路的另一 个方向传输达到目的地。用s d h 组成的保护环虽然会占用半的通信容量，但是 可以很大程度地保证网络畅通，像语音中继或者出租电路业务这种服务质量( q o s ) 等级要求比较高的电路，基本上都会采用s d h 组网的方式。 w d m 系统在推出初期的时候因为没有办法给其网络本身提供有效自愈手段， 所以在组网中常常会用别的方式来降低w d m 网络的运营风险。早期一种很普遍使 用的办法就是s d ho v e rw d m 组网的结构。在i n t e r n e t 还未进入爆发式增长时期， 各个运营商的业务还是以语音为主，业务流量大部分都集中在语音中继上面，因 此对这样q o s 等级比较高的电路一般都会采用s d h 组成自愈环作为中继传输，w d m 的作用是用各个波道给s d h 自愈环提供虚拟的“纤芯”组成一个承载于w d m 波道 上面的s d h 自愈环，由s d h 的自愈功能给这些高要求的电路提供保护。在i p 业 务中继颗粒还不大的时候，i p 业务也可以使用s d h 的多业务传输平台( m s t p ) 进 行接入，用i po v e rs d h ，s d ho v e rw d m 的方式进行传输，依靠s d h 的自愈能力 给i p 业务提供保护。随着i p 业务的迅速发展，i p 业务的传输颗粒变得越来越 大，在出现了2 5 g 和1 0 g 速率的的e t h e r n e t 业务接口后，s d h 已经不能承载如 此大的颗粒，也可以说用s d h 去承载大颗粒的i p 业务其代价过于昂贵，因此只 能直接采用i po v e rw d m 的形式。因为w d m 缺乏有效的自愈机制，因此运营商在 组网时采用业务分流的办法，将两个站点间的业务分别承载于不同的系统上，仅 仅是能够降低全网阻断的风险，通信的自愈仍然没办法实现。 近年来随着微机械系统( m e m s ) 的快速发展，光开关和光交叉连接器件和组件 过去面到的难题得以解决。近年来各个设备商推出的新型综合业务光传输平台 中，就出现了光交叉连接器( o x c ) 和光分叉复用器( o a d m ) 等光器件，因此在新推 出的产品中就可以给在w d m 的环形拓扑组网中提供光通道共享环保护和光服用 段环保护，其保护机理和s d h 的自愈环相似。采用这两种办法虽然能较好地提供 网络的自愈能力，但是花掉的代价也比较大。采用光通道共享环保护和光复用段 环保护的方式，就要牺牲其一半的光信道，而这些作为备用的光通道还必须要有 昂贵的设备器件来维持运行。因此这样的w d m 保护系统建网价格昂贵，而且倒换 机制非常复杂，需要复杂的算法、协议等。最重要的是，这样的保护方式只能给 新的设备提供，而过去已经广泛组网并承载了大量传输容量的旧w d m 系统不能采 用升级的方式得到这样的自愈能力。 目前给w d m 网络提供的自愈能力的技术还不是很成熟，而且并没有得到广泛 推广应用，还有很多地方需要改进和完善，特别是在给较早时期组网的w d m 提供 自愈能力等方面。同时，如何使用较廉价的办法给w d m 网络提供额外的生存能力 北京邮电人学研究生学位论文 等问题，还需要进一步解决。 1 - 3 研究目标和内容 纵观光网络的发展，光传送网的结构、规模在快速改变，光网络的保护与恢 复显得格外重要。但是，总体上讲，光层的保护与恢复技术还未成熟。虽然在 w d m 网络的自愈方面取得了不少成果，但是仍然存在着不少问题，由其是在其自 愈成本、自愈网络复杂度等等多方面还是不够完善，同时在针对较早时期组网的 w d m 网络是自愈能力升级上面，所做的工作仍彰显不足。在此，特别要提出的是 自愈成本的问题。自从中国的运营商完成新一轮重组后，各个运营商之间的竞争 趋于白热化，3 g 牌照的发放更是将这一竞争推向高潮。运营成本是企业竞争力 的一个重要指标，因此各个运营商都很实行了越来越严格的的成本考核制度。在 这中情况下，对网络进行优化则必须要考虑到成本因素。 因此本课题的研究目标，主要是针对w d m 系统的网络安全缺陷和网络的故障 特点，设计一个能很好解决当前网络主要故障的光网络自愈系统，同时，在成本 方面，也能做到用非常低的成本代价来实现网络自愈的目标。 1 4 论文章节安排 全文共分五章，各章组织结构如下： 第一章为绪论，介绍课题的研究背景和意义，介绍国内运营商的网络现状以 及近些年国内外光传送网的保护与恢复技术的发展概况。 第二章介绍自愈通信网的相关概念，介绍和对比几种光传送网保护方式的优 劣，并且分析在光层面上对网络进行保护的优势，提出实现保护的方案并阐述选 择方案的原因。 第三章重点研究分析和论述光纤线路切换模块的设计，提出能够满足i t u t 建议的解决方案，论述各个模块的具体设计与实现。 第四章重点研究和论述光纤线路保护系统的组网设计，主要是以光纤线路切 换模块为基础建立起控制及网管功能，构建完整的网络保护与监控系统。 第五章对全文的研究工作进行总结，并分析下一步的工作。 北京邮电大学研究生学位论文 第二章光纤通信网保护技术的研究 2 1 引言 自愈技术，是提高通信网生存性的一种有效的手段，一旦通信系统发生故障， 失效的链接将会靠网元之间互相传递自愈信息来寻找相应的迂回路由和自愈手 段，而不是依靠网管中心区收集故障信息然后依据一定的优化准则再来调度的。 自愈通信网的理论是通信工程研究的一个重要课题，其中提出的一些理论都是针 对实际组网做出来的。本章还结合一些现有的光纤通信保护技术，对比其各自的 优劣，比如系统复杂度、安全系数、自愈成本等。本节还将论述在光层面上对系 统做保护的优势，并提出实现保护的方案和阐述选择方案的原因。 2 2 自愈通信网的理论 自愈通信网理论的建立，提出了一些相关的理论。在自愈结构方面，有基于 跨距( s p a n ) 间保护模式和基于通道( p a t h ) 的保护模式这两种网络保护结构；在资 源利用方面，有1 + 1 的保护方式、l ：1 的保护方式、1 ：n 和1 1 ：m 的保护方式等等。 2 2 1 常用的自愈网结构 2 2 1 1 基于点对点的自愈结构 基于s p a n 保护方式的自愈结构，也叫做跨距型的保护结构，这是一种集中 式自愈的方式。通信网络在组网时，不管是什么形状的网络拓扑结构，它们肯定 都是是由许多个点对点的子网络拼接而成的，这里的每两点之间的线路就叫做一 个跨距( s p a n ) 。每一个跨距是由各个网络节点的设备组成，比如s d h 的组网中每 两个相邻的分插复用器或者终端复用器就是一个跨距，在w d m 系统中相邻的光复 用器和光放大器也是一个跨距。基于跨距的自愈结构就是对发生故障的跨距进行 网络自愈，原则是哪一个跨距发生故障，就修复这一段跨距的通信，而不对其它 的跨距进行任何动作。如图所示的是一个典型的网孔带链的网络拓扑结构。 ao 、一 一，ob ， ， ，：、，、 、 ， 、 ，、 d o i 一、oc 图1 - 1 典型的网孑l 型网络拓扑结构 如图所示的一个典型的网孔型网络拓扑结构为例，a 、b 、c 、d 组成的 北京邮电大学研究生学位论文 一个网状网络中，由a 到b 的路由可以有很多选择，但是当a 到b 之间的链路中 断，需要启动自愈保护时，如果是采用s p a n 的保护方式，就会通过重建a 到b 之间的链路来完成这个自愈的过程，而这个自愈过程不会影响到其它通路，也不 会占用其它链路的资源。基于s p a n 的保护方式需要的是做保护的每个跨距之间 有可以利用的冗余资源。现在在运营商的运维中，如果在一个没有自愈功能的光 网络发生光纤断裂这样的故障，就会采用人工调度的办法去恢复发生故障的跨距 之间的光纤通路，来达到恢复通信的目的。 2 2 1 2 基于通道的自愈结构 基于p a t h 保护方式的自愈结构，也叫做通道型自愈机构。通信网络在组网 时，不管是什么形状的网络拓扑结构，也无论整个网络中有多少个网络拓扑结构， 传输网的最终目的是要建立许许多多个点对点的传输通道，这些点对点的传输通 道可能是经由一套传输系统实现的，也可能是经由许多套传输系统的互相转接实 现的。同时，相同两点之间的传输通道会有许多个，相同两点之间的不同传输通 道所经过的路由也可能不一样，因此在某个或者某几个通道所经过的路由发生障 碍时，别的方向路由可能还是正常运行的，所以这就使得通道间进行互相的资源 调度和保护可以实现。当某两点间的部分传输通道发生通信故障，自愈系统并不 去查看故障到底发生在何处，而是在这两点之间寻找另一部分与故障容量相等并 且空闲着的通道，将承载在故障通道上面的业务转移到这上面去传输，实现恢复 通信的目的。图所示的是一个典型的两个环网业务转接拓扑图 图1 - 2 典型的两个子网业务转接结构图 如图所示，从a 到f 的通信业务是由两个环状网络转接完成的，c 为转接节 点，这样从a 到f 可以建立许多个不同路由的通道，可以选择a b c e f 这样的 通道，也可以选择a - b c g f 或者a - d - c - g - f 等等。当c 和e 之间的网络故障导 致经过这上面的a - f 传输通道发生通信故障，自愈机制就会调动网络中的各个网 元重新寻找别的不通过c 到e 之间的空闲通道，然后将发生故障的通道中传送的 业务转移到这个空闲通道中去，恢复发生故障的业务通信。采用通道型保护方式 北京邮电大学研究生学位论文 的自愈机制，网络不需要额外的线路资源就可以完成自愈，只要网络中有足够的 空闲通道就可以了。 采用通道型自愈的优点是网络自愈灵活，而且可以不需要去特别指定备用通 道，只要是业务空闲的通道在自愈动作发生时都可以当做备用通道来使用。但是 这种自愈方式的缺点就是，实现这样的自愈，恢复是由各个交换节点实时分布式 计算恢复路由，实时控制恢复过程，需要很复杂的自愈控制系统，而且还有可能 因为备用通道不足而发生自愈通道满溢的情况。因为通信系统具有不可预测性， 因此理想化的通道型自愈实现操作性很困难，标准化程度要求很高，网络故障恢 复必须解决恢复路由的计算方式和恢复过程的控制方式，这些技术尚在研究与实 践之中。通道型保护的最经典而且也是最广泛的应用就是s d h 自愈环网络，只是 比较特殊的是s d h 自愈环中的备用通道一般情况下都是专用并且置空的，这样的 设置可以防止自愈通道满溢的情况出现。 2 2 2 几种保护方式 为通信系统做自愈保护，必然会需要消耗一些冗余资源作为原通信系统的备 用，对冗余的备用资源的利用情况的不同，自愈网的保护方式又分为几种。其中 备用资源专用保护就有1 + 1 模式和1 ：l 模式，备用资源共享保护方式就有l ：n 和m ：1 3 方式。 1 ) 1 + 1 的保护方式 在自愈通信网理论对保护方式的定义中，1 + 1 的保护方式是一种资源完全占 用的专用保护方式。其中1 + 1 的含义是：通信系统分别使用两个通道进行通信， 在发送端，信号分别进入两个不同路由的通道中，并且传向同一个接收端，主、 备用通道同时处于工作状态，发送两路一样的信号；在接收端，网元根据这两路 信号进行优劣判断，最后择优选择其中质量较好的通路用作通信，所以这种保护 方式也成为并发选收的保护方式。1 + 1 的保护方式，因为正常状态下备用资源也 会和主用资源一样地工作，所以在主用通道发生故障需要进行自愈倒换的时候， 只需要在接受侧进行切换选择信号质量优的备用通道就可以了。在s d h 的组网 中，二纤双向通道保护环就是一种典型的采用1 + 1 保护方式的组网，在发送侧网 元，信号分两个方向发送出去，接收侧网元同时接收两路信号，并通过判断选择 一路信号质量优的信号通信j 2 ) l ：1 的保护方式 在自愈通信网理论对保护方式的定义中，1 ：l 的保护方式与1 + 1 的方式一样， 也是一种资源完全占用的专用保护方式。而与1 + 1 保护方式所不同的是其保护工 作实现的过程。采用1 ：l 保护模式的系统，在正常状态下通信时，主用通道正常 地使用资源工作，而备用通道一直处于蛰伏状态，系统仅仅监测其资源的可用性， 9 | 5 8 北京邮电人学研究生学位论文 但不在上面承载业务。当正常通信的系统发生故障的时候，由发生故障两点的两 个网元进行协调，将备用通道激活，业务从发生故障的主用通道转移到备用通道 去，完成通信网的自愈。在s d h 的组网中，二纤双向复用段保护环就是一种典型 的采用1 + 1 保护方式的组网，在组网时，将通信系统的前一半时隙设置为通信通 道，后一半时隙设置为保护通道，保护通道并不加载业务，而是一直处于置空状 态，等待系统发生倒换指令。 3 ) l ：n 和m ：n 的保护方式 由于1 + 1 和1 ：1 保护方式需要占用与通信系统相当的资源，在某些发生故障 概率很低或者故障级别相对较低的地方，并不需要这样的专用资源保护，因此在 做保护的时候可以采用多个资源共享一个或者少数几个备用通道的方法，这样才 资源利用方式就叫做1 ：n 和m ：1 1 的保护方式，这两种方式属于共享保护模式。其 保护实现的工作方式与1 ：1 的过程相同，所区别的是l ：1 的保护是属于独享的保 护方式，受保护的系统独自占用一个备用资源，1 ：n 和m ：n 的共享模式分别是n 个系统共享1 个备用资源和n 个系统共享m 个备用资源。比如说在对传输网元设 备上的插盘进行保护时，一般认为插盘发生故障属于低概率事件，同时单个插盘 的通信容量也比较小，即使两个插盘同时故障，影响也不会很大，因此在设置保 护资源时，仅需要给多个同样的插盘准备一个备用就足够了。在线路上实行1 ：n 和m ：n 的保护方式的一大优点就是在处理入光缆断裂这种小概率事件的时候，可 以花很小的代价获得较大程度的网络自愈功能，但是其缺点也是明显，特别是共 享保护的算法和组网方式都非常复杂，并且当发生故障需要保护且备用资源满溢 之后，自愈功能就失效了。 2 - 3 运营商应对w d m 网络的保护措施 由于d w d m 系统的负载很大，因此安全性特别重要。目前对波分复用系统的 保护主要采用点对点和环网保护的组网设计。点到点线路保护主要有两种保护方 式，比较常见的办法就是基于单个波长实施的1 + 1 或1 ：n 的保护。另外还有基于 环网的保护d w d m 组网设计，在环网的组网中实现光层上的环网保护，有光复用 段共享保护环( o m ss p r i n g ) 、光通道共享保护环。 z 3 1 基于单个波长在s d h 层上的保护 w d m 系统中各个波长实际上是独立工作的，因此可以对运行于其上的单个波 长进行选择性的保护措施。基于单个波长，可以实施1 + 1 或1 ：n 的保护。 对单个波长在s d h 层实行的1 + 1 保护，这种保护机制与s d h 系统的1 + 1 复用 段保护类似，所有的系统都要实行1 + 1 的备份s d h 终端复用器、解复用器、线路 l o s 8 北京邮电大学研究生学位论文 光放大器、光缆线路等。s d h 信号在发送端被永久桥接在工作系统和保护系统中 去，在接收端监视从这两个d w d m 系统收到的s d h 信号状态，并选择更合适的信 号用作通信。对单个波长实行的1 + 1 保护如图所示。 wwon(pp t o t a c t t 通迸 傀护强_ 避 图1 3 对单个波长实施的1 + 1 保护 很明显采用单波长在s d h 层面进行的1 + 1 保护，网络的可靠性非常高。但是 同时实现这样保护的网络自愈成本也一样是非常高，因为实现这样的保护，同时 需要的是两倍的w d m 资源和s d h 资源，因此这样的保护方式只会小范围地应用在 安全级别非常高的业务上面。 对单个波长在s d h 层实行的1 ：n 保护，就是用1 个备用系统给n 个工作系统 提供共享的保护环境，n 个系统的同时采用不同倒换优先级的设置解决保护资源 满溢时候的共享冲突问题，牺牲优先级较低的业务，保护自愈优先级高的业务。 对多个单波长在s d h 层实施的l ：n 保护，如1 - 4 图所示。t x l l 、t x 2 1 、t x n l 共 用一个保护段与t x p l 构成l ：n 的保护关系；t x l 2 、t x 2 2 、t x n 2 共用一个保护段 与t x p 2 构成l ：n 的关系保护关系；依此类推t x l m 、t x 2 m 、t x n m 共用一个保护段 与t x p m 构成1 ：n 的关系保护关系。s d h 复用段保护通过对复用段开销的监控和 判断接收到的信号状态并执行来自保护段合适的s d h 信号的桥接和选择。也可以 说，这样的在s d h 层面上的保护方式实际上也是采用s d h 本身的自愈功能来实现 的。 北京邮电大学研究生学位论文 r x r x l 2 r x 细 w d mf 件系统p 对1 4 多个单波长在s d h 层实施的i ：n 保护 采用备用资源共享保护方式，它的保护机制上复杂得多，需要复杂的算法、 协议等，但是应用更灵活，对资源的利用更有效合理。但是采用1 ：n 的保护方式， 就需要有i + n 个w d m 网络，而国内的各个运营商中，在两个站点问铺设许多条光 缆、开放许多个w d m 系统的情况非常少见，因此在这些地方对w d m 系统实施1 ：n 的保护方式很难实现，在n 的数量很小的情况下，也不能明显体现出对资源的利 用率高的优势。同时，这种保护模式只能在w d m 网络中的各个光复用节点使用， 如果发生整条线路的故障，会导致运行于其上的w d m 的各个波道全部失效，引起 保护系统的多个波长同时倒换，如果发生故障的光缆承载着另一个波分复用系统 系统，由于保护资源已经满溢，保护系统不能再对另一个波分复用系统上面的波 道实施保护措施。因此这种方法很难在实际组网中应用。 在波道保护方面，也有在同一个w d m 内采用1 ：n 的波长保护的，但是这样的 保护手段仅仅是在同一个w d m 系统中的不同s d h 层面上进行的，由于各个波道都 是承载于同一套w d m 设备中，承载于同一根光缆上面，因此这样的保护方式仅仅 是针对单个系统的，并不应对线路故障，这种保护方式现实意义不大。 2 3 2 对环形组网的w d m 网络的保护 一般来说，除了少数的一级干线组网会采用链状的网络拓扑结构，其余的大 多数w d m 网络组网的时候都会组成环状网络。虽然在形式上组成环网的网络拓扑 的w d m 系统其本质上仍然是多个背靠背的双向链路，但是环形的拓扑仍然是可以 给w d m 的网络有更多的选择。在环形的w d m 网络中，可以在各个波道的s d h 层面 利用s d h 的自愈环进行保护，也可以采用光复用段保护环的方式进行网络自愈。 针对每一个背靠背子网的的保护中，还有采用光复用段保护( o m s p ) 的方式。 2 3 2 1 在环形网中采用s d h 自愈的保护 就目前来说，应用得最广泛，同时也是最早采用的保护方式就是在w d m 的环 网的波道中加装s d h 自愈环，这是利用s d h 系统组成自愈环的来实现承载于w d m 1 2 | 5 8 住h 甜五| 写 m 咀m 吖露雕 l 圣i 墨 i 塞讹 l ! 薹! 讯 北京邮电大学研究生学位论文 系统上的业务的自愈能力。光纤通信在早期发展经过p d h 时代的时候遇到了许许 多多的问题，因此s d h 体系的建立早于其设备的出现，为了预防p d h 应用的时候 遇到的种种问题，s d h 体系提出的时候就定义了许多功能用以解决那些问题，这 里面最重要的一点就是网关系统和网络自愈体系。s d h 在其帧结构设计中设置了 两个关于自动倒换保护( a s p ) 的信令字节：k 1 和k 2 字节。正常情况的时候，s d h 网络的前一半时隙处于工作状态，后一半时隙则是处于空闲状态。在网络发生故 障时，k 1 和k 2 向故障相邻的网元的数字交叉单元( d x c ) 发送切换指令，数字交 叉单元就将通过发生点的主用时隙上的业务交叉