光传输设备中背板业务总线的保护方法.doc

丘正前，庞志勇，陈弟虎（中山大学 专 用集成电路 研究中心 ，广 州 510275）要：提出了一种光传输设备中背板业务总线的 2: 5 保护方法。在 5 路 tfi - 5 总线的传输中，只需为其摘增加两条冗余路径，当接收端接收到的 7 路信号中有任意 2 路信号出错时，都可以从剩余的 5 路信号中解码出原来所要传输的 5 路 tfi - 5 总线业务信号。设计了编解码逻辑电路，经测试表明该方法可以有效 地保护背板业务总线。关键词 ：背板总线；2: 5 保护；冗余码中图分类号 ：tn929.11文献标识码 ：a文章编号 ：1002-5561（2010）04-0060-03a protection method ofbackplane telecombus in optical transmission equipmentqiu zheng-qian, pang zhi-yong, chen di-hu(asic research and design center of sun yat-sen university, guangzhou 510275,china)abstract: a kind of 2:5 protection method of backplane telecombus in optical transmission equipment is presented. by adding two redundant paths to 5-way tfi-5 bus, the receiving end can decode from the remain- ing 5-way signal when any 2-way signal was broken. the encode and decode logic circuits were designed, the test shows that 2:5 protection method can protect backplane telecombus bus effectively.key words: backplane bus, 2:5 protect, redundant code0 引言在 光 传 输 设 备 中 ， 背 板 总 线 是 各 业 务 板 、 交 叉 板 及 其 它 功 能 板 之 间 通 信 的 公 共 通 道 ，背 板 总 线 的 性 能和系统设计 的复杂度增 加 。 另一种保 护方法是不 为所有 业 务 信 号 都 提 供 一 条 冗 余 路 径 ，而 是 所 有 业 务 信 号 共 用 一 条 或 几 条 冗 余 路 径 ，当 接 收 端 发 现 某 路 业 务 信号 劣 化 或 失 效 时 ， 就 告 诉 发 送 端 ， 发 送 端 则 把 业 务 信号 切 换 到 备 用 路 径 上 去 传 输 。 这 种 方 法 也 有 一 个 缺 点 ，从 接 收 端 发 现 业 务 信 号 劣 化 或 失 效 ， 到 发 送 端 把 业 务 信 号 切 换 到 备 用 路 径 这 个 过 程 中 ，有 一 段 反 馈 时间 ，会造成这段 时间内传输 的业务信号 丢失 。在一定 程度上保障 了光传输 设备的整体 传输性能 。背板 总 线 一 般 分 为 业 务 总 线 、勤 务 网 管 等 开 销 总 线 和cpu 总 线 这 3 大 类1。其 中 业 务 总 线 是 光 传 输 系 统 中最 核 心 的 总 线 ，该 总 线 主 要 用 于 在 各 业 务 板 接 口 与 背板 、背 板 与 交 叉 板 接 口 之 间 传 送 业 务 信 号 。业 务 板 接收 到 的 所 有 业 务 信 号 都 要 经 过 背 板 业 务 总 线 才 能 传送 到 交 叉 板 进 行 交 叉 处 理 ， 因 此 ， 一 旦 背 板 业 务 总 线 发 生 故 障 ，必 将 影 响 到 整 个 系 统 的 传 输 能 力 。 随 着 现 代 科 学 技 术 的 飞 速 发 展 ，通 信 系 统 对 传 输 网 络 的 容 量需 求 越 来 越 大 ，大 的 传 输 容 量 必 然 也 对 传 输 设 备 的 可 靠 性 要 求 也 越 来 越 高 。 为 了 提 高 光 传 输 设 备 的 可 靠 性 ，要 对 系 统 中 的 背 板 业 务 总 线 进 行 保 护 。 通 常 的 保护方法是 添加冗余路 径 ，如 1+1 保护2。 但是，1+1 保护 要 为 每 路 业 务 信 号 都 添 加 一 个 冗 余 路 径 ，使 系 统 成 本1 2:5 总线保护算法采 用 2:5 的 保 护 方 式 ，即 指 传 送 5 路 业 务 信 号 时 ，只 需 为 其 增 加 2 条 冗 余 路 径 ， 共 传 输 7 路 业 务 信 号 。如 果 这 7 路 业 务 信 号 中 有 任 意 2 路 或 少 于 2 路 失 效 ，都可以在接 收端恢复出 原来所传送 的 5 路业务信 号 。图 1 为 2:5 保护结 构框图 。 保护 原理如下 ：首 先在 发 送 端 对 5 路 业 务 信 号 进 行 分 组 编 码 ， 产 生 冗 余 码 。冗 余 码 和 原 来 的 业 务 信 号 数 据 重 新 组 合 后 ，分 布 得 到7 路信 号 ，发送到 7 块 交叉板进 行交叉处理 。 接收端从收 稿 日 期 ：2010-01-08。基 金 项 目 ：广东省科技计划项目 (2007b060401051) 资 助 ；珠 海 市 科 技 计 划 项 目(pc20061002)资 助 。作 者 简 介 ：丘 正 前 （1984-），男 ，硕 士 研 究 生 ，主要研究方向为 集 成 电 路7 块 交 叉 板 上 接 收 到 7 路 信 号 ，检 测 每 路 信 号 是 否 出错 。 如 果 7 路 信 号 都 正 常 ，则 直 接 从 7 路 信 号 中 获 取意 2 路 信 号 出 错 ，则 丢 弃 出 错 的 信 号 ，从 剩 余 的 5 路信 号中解码恢 复出正确 的 5 路业务信 号的数据 。分布方式 。 业 务数据在编 码前的 5 路信 号中可以是 任意 排 列 的 ，本 文 按 图 3 所 示 的 方 式 按 顺 序 排 列 。编 码后 业 务 数 据 和 冗 余 码 在 7 路 信 号 中 的 分 布 ，不 是 任 意一种排 列方式在接 收端都能 够实现解码 。 除业务数据 本 身 外 ， 还 有 2 个 冗 余 码 包 含 了 该 业 务 数 据 的 信 息 。若 这 3 个 数 据 分 布 在 同 一 路 信 号 上 ，则 这 一 路 信 号 失 效 后 就 不 再 有 其 它 数 据 包 含 该 业 务 数 据 的 信 息 ，则 无法实现解码 。 因此应该把 该业务数 据和包含该 业务数据信息的 2 个 冗余码错开 分布到各路 信号中去 。冗 余图 1 2:5 保 护 结 构 框 图码 承 载 了 多 个 业 务 数 据 的 信 息 ，也 不 能 把 2 个 冗 余 码放 在 同 一 路 信 号 中 ，应 该 把 冗 余 码 平 均 分 布 到 各 路 信在 发 送 端 对 5 路 业 务 信 号 进 行 分 组 编 码 时 ，从 每路 信 号 上 取 3 个 业 务 数 据 ， 总 共 15 个 业 务 数 据 为 一号 中 。如 把 p0p5 分 布 在 第 05 路 信 号 中 ，如 图 3 所示。 在符合上 述条件下 ，剩 余的 15 个业务 数据还有 多组 进 行 编 码 ，编 码 产 生 6 个 冗 余 码 。冗 余 码 加 上 业 务种分布方法 。我们可以编 写程序计算 搜索出所有 可以数 据 共 有 21 个 数 据 ， 恰 好 可 以 分 布 在 7 路 信 号 中 进行传输 。 分组 编码方法如 图 2 所示。 设六 边形的 6 个 顶 点 为 6 个 所 要 产 生 的 冗 余 码 ， 表 示 为 ：p0、p1、p2、p3、p4、p5。 设 六 边 形 的 边 和 对 角 线 为 业 务 数 据 ，它 们 分 别 表 示 为 ：d01、d02、d03、d04、d05、d12、d13、d14、实现解码的 分布 。 15 个数据 的全排列共 有 15! （15 的阶 乘 ）种 ，编 写 程 序 逐 个 计 算 在 每 一 种 排 列 方 式 下 ，当7 路 信 号 中 任 意 错 2 路 后 接 收 端 是 否 可 以 实 现 解 码 。经计算 ，15! 种排列中总 共有 960 种排 列方式可以 实现解码。我们可 以任取其一 种 ，排列情况 如图 3 所示。把 连 接 到 该 顶 点d15、d23、d24、d25、d34、d35、d45。的 边 和 对 角 线 所 代 表 的 业 务 数 据 相 异 或 ，所 得 到 的 值即 为 该 冗 余 码 的 值4。 如 此 编 码 方 法 可 以 确 保 每 个 冗 余 码 都 承 载 了 均 等 的 业 务 数 据 的 信 息 ，每 个 业 务 数 据都 被 编 码 了 两 次 ，是 非 常 对 称 的 一 种 编 码 方 式 。码算法示意 图可以得到 编码公式为 ：由 编p0=d01d02d03d04d05p1=d01d12d13d14d15p2=d02d12d23d24d25p3=d03d13d23d34d35p4=d04d14d24d34d45p5=d05d15d25d35d45（1）（2）（3）（4）（5）（6）图 3编码数据在各路信号中的分布 解 码 方 法 为 式 （1）式 （6）所 示 的 方 程 组 。 在 图 3所 示 的 分 布 方 式 下 ，当 7 路 信 号 有 2 路 信 号 出 错 后 ，若 有 4 个 业 务 数 据 出 错 （如 第 0、1 路 信 号 出 错 ），则 错了 2 个 冗 余 码 ，还 有 4 个 冗 余 码 是 完 好 的 ，即 有 4 个 方程可 以解出 4 个 业务数据 。 若 有 5 个业务数 据出错（如 第 0、6 路 信 号 出 错 ），则 只 错 了 1 个 冗 余 码 ，还 有 5个 冗 余 码 是 完 好 的 ，即 有 5 个 方 程 可 以 解 出 5 个 业 务 数据。 7 路信号 任意错 2 路 有 21 种情况,根 据公式(1)式（6）分别对这 21 种情况进行 解方程 。 如第 0、1 路信 号出错后 ，根 据式 （3）式（6）可解 得 ：d34=p4d04d14d24d45，d25=p5d05d15d35d45，d03=p3d13d23d35p4d04d14d24d45，图 2编码算法示意图 编 码 公 式 确 定 后 ，即 可 以 据 公 式 计 算 得 到 冗 余码 。 下一步是确 定业务数 据和冗余码 在各路信号 中的輪輯訛2010 年 第 4 期所 需 的 数 据 ，把 选 中 的 数 据 输 入 阵 列 中 进 行 异 或 运d12=p2d02d23d24p5d05d15d35d45。其它情况以 此类推 ，不再 赘述 。算 ，则 可 以 解 码 恢 复 出 业 务 数 据 。位 置 调 整 模 块 则 把解 码 到 的 业 务 数 据 按 照 图 3 所 示 的 编 码 前 的 顺 序 输出。设 计 中 采 用 verilog 硬 件 描 述 语 言 进 行 逻 辑 电 路 的 设 计 ，用 vcs 对 verilog rtl 代 码 进 行 功 能 仿 真 ，用 systemverilog 构 建 了 完 整 的 测 试 平 台 6，对 所 有 任 意 2 路 总 线 信 号 失 效 的 情 况 进 行 了 测 试 ，功 能 覆 盖 率 达 到100%。 仿真结果表 明 ，有任意 2 路 总线信号失 效 ，解码 模 块 都 能 够 解 码 恢 复 出 原 来 的 5 路 业 务 数 据 。 本 2:5 总 线保护模块 为 otu 业务处 理芯 片 的 一 个 模 块 ，设 计 中用 synplify 和 ise 相结 合对全芯片 的 rtl 代 码 进 行 综 合 和 布 局 布 线7，采 用 xilinx 的 xc5vlx110t 器 件 。 在 fpga 上 进行测试 ，拔 掉任意 2 块 交叉板 ，传 输 的 业2 2:5 总线保护的电路实现系 统 中 背 板 业 务 总 线 为 tfi-53总 线 ，每 路 tfi-5 总线速率为 2.488gb/s。 业务板把光 传输业务信 号映射 到 5 路 tfi-5 总线上 ，然后进行 2:5 总 线保编码 。 编 码电路如图 4（a）所 示。 一个数据 缓存模块用 来缓存 5 路 tfi-5 总 线 上 的 业 务 数 据 。 tfi-5 2.488gb/s（sts-48） 的 帧 结 构 和 stm-16 一 样 可 以 分 为 16 个 时 隙3,5，因 此2:5 保 护 编 码 必 须 取 同 一 个 时 隙 中 的 3 个 业 务 数 据 进行 编 码 。 冗 余 码 计 算 模 块 根 据 式 （1）式 （6）计 算 冗 余 码 。 得 到 冗 余 码 后 ，位 置 调 整 模 块 把 业 务 数 据 和 冗 余码 按 图 3 所 示 的 顺 序 发 送 到 7 路 信 号 上 传 送 给 交 叉 板进 行交叉处 理 。接收端的解 码 模 块 电 路 结 构 框 图 如 图 4（b）所 示 。一个 数据缓存模 块用来缓 存从 7 路 tfi-5 总线 上接收 到 的 数 据 ，同 样 因 为 tfi-5 2.488gb/s（sts-48）的 帧 结构 是 分 时 隙 的 ， 因 此 ， 需 要 取 同 一 个 时 隙 中 的 3 个 数据进行 解码 。 错误收 集模块监测 7 路 tfi-5 总线的每 一 个 帧 ，判 断 哪 路 总 线 是 正 常 的 ， 哪 路 总 线 是 劣 化 或务 信 号 均 无 误 码 ，功能 。表 明 本 设 计 实 现 了 2:5 总 线 保 护 的3 结束语光 传 输 设 备 对 背 板 业 务 总 线 有 很 高 的 可 靠 性 要求 ，对 此 本 文 提 出 一 种 背 板 业 务 总 线 的 2:5 保 护 方 法 ， 能 够 实 现 保 护 倒 换 无 业 务 损 失 ，可 以 对 业 务 总 线 每 个 通 道 进 行 通 道 级 的 保 护 和 对 整 个 交 叉 板 进 行 板 级 的 保 护 。 相 比 1+1 保 护 方 法 ，2:5 保 护 有 更 好 的 保 护 性 能，同时只需 2 条冗余路径 ，更加节省 硬件资源 。失效的 。判 断方法是 根据每路 tfi-5 总 线上是否有 比特 误 码3,5，或 根 据 交 叉 板 和 对 端 业 务 板 插 入 的 开 销 字节来判断 ，也 可 以 由 cpu 直 接 配 置 选 择 哪 5 路 总 线 进行解码 。解 码模块由 15 个 异或阵列 组成 ，每个业 务数据 对 应 一 个 阵 列 。 每 个 异 或 阵 列 有 21 个 数 据 选 择 输入端，连接到 从 7 路总线 上接收到的 所有数据 。 然 后，根 据 错 误 收 集 模 块 判 断 的 哪 路 信 号 失 效 来 选 择 解 码参考文献 ：1 吴 振 峰 ，邓 颖 辉 ，袁 云 飞 ，等. 基 于 stm-4 的 sdh 背板总线的研究与 设 计. 光 通 信 技 术 ，2008，32(6): 54-56.2 王 丽 慧 ，赖 志 昌. 一 种 sdh 设 备 光 线 路 板 11 保 护 方 案 . 光 通 信 技 术 ，2005，29(8):39-40.3 oif-tfi5-0.1.0.tdm fabric to framer int