第7章 全光通信网-保护技术

1、第第 七七 章章 全光网络结构与保护技术全光网络结构与保护技术 7.1 全光网络的拓扑结构全光网络的拓扑结构 全光网络是由节点设备通过光缆互联而成 的，网络节点和光缆线路的几何排列就构 成了网络的拓扑结构。网络的有效性（信 道的利用率）、可靠性和经济性在很大程 度上与拓扑结构有关。 网络拓扑基本结构: 链型、星型、树型、环型、网孔型 1 链型网链型网 链型网络拓扑（chain-type network）是网中的所有节点串联连接， 而首尾AB节点两端开放、非闭合，见图7-1（a）。这种拓扑结构 的特点是较经济，但网络的生存性较差，主要用于专网、支线中。 网络的生存性是指网络在遭遇各种故障（节点设

2、备失效、断缆、 断纤、收无光、误码率超标等）后能够自动恢复维持业务质量等 级的能力。 链型网断缆（同沟同缆）后，将形成几个独立的部分，网络业务 将无法恢复。 （a）链型网络）链型网络 A B C D 2星型网星型网 星型网络（star network）拓扑是将网中一节点A作为主要 节点与其他各节点相连，其它各节点互不直连，见图7-1 （b）。这种网络拓扑的特点是各节点的业务都经过这个 主节点转接，可通过主节点A来统一管理其它网络节点， 有利于网络业务带宽管理、分配，节约成本，但存在主 节点的失效所产生的生存性问题和主节点业务处理能力 的潜在瓶颈问题。 （b）星星型网络型网络 A B C D E

3、 3树型网树型网 树型网络（tree network）可看成是星型拓扑和链型拓扑的 结合,如图7-1（d）所示。树型网络存在主节点的失效所产 生的安全问题和主节点业务处理能力的潜在瓶颈问题。 （d）树树型网络型网络 A B C D FE 4环型网环型网 环型网(ring network)拓扑实际上是指将链型拓扑首尾相 连形成闭合环路，如图7-1（c）所示。环型网的特点是 任何两个节点之间都有两条传输方向不同的路由，这为 网络保护提供了有利条件。环网是当前使用最多的一种 网络拓扑形式,主要是因为它具有很强的生存性,即自愈能 力很强。环型网结构在干线网、中继网、接入网中都有 很好的应用。 （c）环

4、环型网络型网络 A CD B 5网孔型网网孔型网 所有的网元节点之间至少存在两条不同的物理连接的非 环型拓扑，就形成了网孔型网络（Mesh network ）拓扑 图，如图7-1（e）。这种网络拓扑两网元节点之间可提 供多个传输路由，使网络的生存性更强。但结构复杂、 使得控制和管理提高，成本提高。网孔型由于其高可靠 性，主要用于骨干网中，以提供网络的生存能力。 （e）网孔网孔型网络型网络 BD C E F A 7.2 保护与恢复技术保护与恢复技术 全光网络通信容量巨大，如果通信链路中断，影响极 大。为了保障通信的时时性，通信中断时间有严格限 制。对业务中断时间有两个重要门限。第一个是50ms，

5、 此时可以满足绝大多数业务的质量要求，除了瞬态冲 击外业务不中断，因而可以认为50 ms的保护恢复时间 对于多数电路交换网的话音业务和中低速数据业务是 透明的。第二个门限是2s，只要业务中断时间短于2s， 则中继传输和信令网的稳定性可以保证，电话用户只 经历短暂的通话间歇，几乎所有数据会话协议仍能维 持不超时，图像业务则会发生丢帧和图像冻结现象 （几秒），但多数人能勉强忍受。当故障状态持续 （2.50.5)s，则数字交换机将发告警信号，拆除有关 话音通路连接并停止计费，这类故障显然已无法容忍。 因此2s门限已作为网络恢复的目标值，称为连接丢失 门限。 保护是指为光网络的承载业务提供预留的保护资

6、源。 当网络发生故障时，受影响业务被安排到预先分配好 的保护路由进行传送，以此来恢复受影响的业务。保 护往往处于本地网元或远端网元的控制下，无需外部 网管系统的介人，保护倒换时间很短，但备用资源无 法在网络范围内共享，资源利用率低。网络的保护问 题是网络的冗余性设计问题。网络的冗余性设计不但 涉及网络的物理拓扑设计，还与网络业务的安排有重 要的关系。通常实用的网络都是有一定的冗余度的， 以使一旦在工作通道出现故障时，可以使用网络的冗 余容量为工作容量提供保护，从而维持网络的正常运 转，保证网络业务的畅通。 恢复是指为光网络的承载业务动态寻找网络中 剩余资源（包括预留的专用空闲备用容量，网 络专

7、用的、甚仍至低优先级业务可释放的额外 容量），并通过利用这些剩余资源，在网络中 寻找失效路由的替代路由，以便快速而准确地 消除由于故障所带来的阻塞。恢复技术能动态 搜索网络中的所有空闲容量，可大大节省备用 资源，因而大大提高了网络资源的利用率。但 由于恢复通常需要外部网管系统介入，时间较 慢，恢复响应不确定，业务恢复时间相对较长， 这是恢复机制的不足之处。恢复通常主要用于 网状网，以便能最佳地利用网络容量资源。 在实际电信网中，常常以保护机制作为第一道 防线，对付诸如光纤线路被切断之类的公共失 效故障。然后可以用恢复机制作为第二道防线 对付网络范围的故障和失效。 网络的故障可以分为线路（链路）

8、故障和通道 故障两种。通常的光缆线路受损是典型的线路 故障，而组成光通道的某个区段的光电器件的 故障则通常会导致通道的故障。对于网络节点 失效的情况，通常可以认为是若干线路故障的 特殊组合，由于与该节点的通信联系全部被切 断，网络只需要为路过该节点的通道提供保护 即可，这就是“尽力恢复”原则。在实际的网 络中，网络对非节点失效的单一故障的保护能 力通常要达到100%，所谓的单故障条件，就是 单处线路故障或者单条通道失效条件。 721 OTN链型网的保护链型网的保护 11+1的保护结构的保护结构 1+1保护结构如图7-2所示。在线路保护倒换结构中两个节 点之间有两条通道，一条定义为工作通道，另一

9、条定义为 保护通道。这种1+1保护结构要求源端始终处于桥接状态， 也就是光信号在发送端被永久的连接在工作通道和保护通 道上，目的端则采用择优接收的方式，即所谓的“并发优 收”机制，当工作通道发生故障时，目的端光开关倒换选 择保护通道接收信号。和其他保护方式不同，1+1的保护 方式不需要回复，即在执行过保护倒换后，业务的传递就 恢复了。原先的故障修复了，也不需再将开关倒换到原先 的状态。1+1的保护可以实现OMS层的保护，也可以实现 OCH层的保护。 源端桥接源端桥接 保护通道保护通道 工作通道工作通道 目的端优收目的端优收 光耦合器光耦合器 光开关光开关 TX RX 1+1保护的优点是单端倒换

10、的保护方式， 它不需要APS协议，只要目的端监测信 号质量不满足指标要求，而需要倒换时 就可以立即实施保护倒换，倒换迅速 （50ms内），时间最短。但由于发送端 保护（备用）通道是永久桥接的，其缺 点是有50%的网络资源被浪费，不能提 供附加业务。 21:1的保护结构的保护结构 1:1的保护方式是一种双端倒换的保护结构，如图7-3所示。 正常工作时，双端倒换光开关使业务信号走工作通道， 当链路出现故障时，双端倒换光开关使业务信号走保护 通道。如何实现双端倒换？这就需要接收端向发送端发 送请求倒换命令，请求倒换命令只能利用保护通道传递 APS信令，从而实现双端倒换的控制。实现双端倒换的 保护结构

11、需要协议的支持，倒换时间慢于1+1保护倒换。 12光开关光开关 21光开关 工作通道 保护通道 APS信令信道 3 1：N保护倒换结构保护倒换结构 在1：N线路保护倒换结构中，N个工作通道共用一个保护通道， 如图7-4所示。N条通路的任一条和一条附加业务通路在两端都桥 接在保护段上，接收端保护功能监视和判断接收到的信号状态， 一旦工作通路劣化或失效，将丢弃保护通道上的附加业务，将失 效工作通道业务桥接到保护通路上。 光开关光开关光开关光开关 工作通道1 保护通道 APS信令信道 工作通道2 工作通道N 1 2 N 1 2 N 链路保护倒换方式的业务恢复时间很快，可短于50ms，特别是1+1的链

12、路 保护倒换，它们对于网络节点的光或电的元部件失效故障十分有效。但是， 一般主用光纤和备用光纤视同沟同缆铺设的，一旦光缆被切断，这种保护 方式就无能为力了。 7.2.2 环型网络的保护环型网络的保护 1. 自愈的概念自愈的概念 2.环形网络的分类环形网络的分类 3.二纤通道保护环二纤通道保护环 二纤通道保护环一般由两个光纤环组成，两环的业务流向一 定要相反，其中一个为主环S1；另一个为备环P1， 如图76所示。 A DC RX TX 直通直通 直通直通 择 优择 优 接收接收 源端源端 桥接桥接 S1 P1 B 图图76 二纤通道倒换环二纤通道倒换环 这种保护环不需要协议就可以完成，故通道恢复

13、方式通常采用这种配置。这种保护环不需要协议就可以完成，故通道恢复方式通常采用这种配置。 在组成通道环时要特别注意的是主环S1和备环P1光纤上的业务流向必须相 反，否则该环网无保护功能。 4. 二纤单向复用段共享保护环二纤单向复用段共享保护环 复用段共享保护方式是指组成环的每个复用段（一个区段）的保护容复用段共享保护方式是指组成环的每个复用段（一个区段）的保护容 量由所有其它区段共享。工作业务使用外环光纤，为量由所有其它区段共享。工作业务使用外环光纤，为WDM信号，承载信号，承载 工作业务；内环光纤为保护光纤，携带保护波长。工作业务；内环光纤为保护光纤，携带保护波长。 A B DC 倒换开关倒换

14、开关 保护光纤保护光纤 工作光纤工作光纤 a）正常工作正常工作 A B DC 倒换开关倒换开关 保护光纤保护光纤 工作光纤工作光纤 b)保护倒换保护倒换 信令信令 当环网发生故障时，如图当环网发生故障时，如图77 (b)所示网元所示网元C和和D之间光缆被之间光缆被 切断（双纤断裂），切断（双纤断裂），C到到D的通信中断。的通信中断。D收到收到“收收 无光无光”信号，产生自动倒换信令信号，产生自动倒换信令(APS), D右端保右端保 护倒换开关和护倒换开关和C左端的保护倒换开关动作完成保左端的保护倒换开关动作完成保 护倒换，这时网元护倒换，这时网元A到网元到网元D的主用业务先由网元的主用业务先由

15、网元 A发到工作光纤上，到故障端点站发到工作光纤上，到故障端点站C处环回到保护处环回到保护 光纤上，保护光纤上的额外业务被清掉，改传网光纤上，保护光纤上的额外业务被清掉，改传网 元元A到网元到网元D的主用业务，经的主用业务，经B、A网元穿通，由网元穿通，由 保护光纤传到网元保护光纤传到网元D。网元。网元D到网元到网元A的主用业务的主用业务 的传输与正常时一样，只不过备用业务此时被清的传输与正常时一样，只不过备用业务此时被清 除，不能使用。除，不能使用。 5. 双纤双向复用段共享保护环双纤双向复用段共享保护环 在双向环中，内环和外环各有一半的波长通道作为工作波长，另外一半的波长是在双向环中，内环

16、和外环各有一半的波长通道作为工作波长，另外一半的波长是 保护波长。保护波长。外环的保护波长为内环的工作波长提供保护，反之亦然。光缆被切断外环的保护波长为内环的工作波长提供保护，反之亦然。光缆被切断 时（时（C-D间），如图间），如图78（b）。网元）。网元A到网元到网元D的主用业务的主用业务1-4沿外环光纤传到沿外环光纤传到 网元网元C，在网元，在网元C处左端和处左端和D右端的保护倒换开关动作完成保护倒换，将外环光右端的保护倒换开关动作完成保护倒换，将外环光 纤上的主用业务纤上的主用业务1-4环到内环光纤上，占用内环光纤上的保护波长，此时内环光环到内环光纤上，占用内环光纤上的保护波长，此时内环

17、光 纤上的额外业务被中断。通过以上方式完成了环网在故障时业务的自愈。纤上的额外业务被中断。通过以上方式完成了环网在故障时业务的自愈。 A B DC 倒换开关倒换开关 1485 A B DC 倒换开关倒换开关 b)保护倒换保护倒换 1485 双向两纤环的主要优点双向两纤环的主要优点是是提供了波长的重用提供了波长的重用 能力。因为，在双向环中，一个双向通道所能力。因为，在双向环中，一个双向通道所 使用波长只占用该通道包含的区段的波长资使用波长只占用该通道包含的区段的波长资 源，在环上的其他区段，该波长可以重新用源，在环上的其他区段，该波长可以重新用 来组织通信，这样在网络波长总量不变的情来组织通信

18、，这样在网络波长总量不变的情 况下，能够提供比两纤单向环更多的光通道，况下，能够提供比两纤单向环更多的光通道， 从而提高了环形网络波长的使用效率。从而提高了环形网络波长的使用效率。 自动保护倒换自动保护倒换(APS)协议协议 APS （Automatic Protection Switching）协）协 议是指初始化配置完成后，无需外界干预就可以完议是指初始化配置完成后，无需外界干预就可以完 成受系统故障影响的工作业务保护倒换操作的一种成受系统故障影响的工作业务保护倒换操作的一种 协议。协议。 APS协议的作用有三个协议的作用有三个： 1.通告网络故障信息通告网络故障信息 2.仲裁网络业务保护

19、行为仲裁网络业务保护行为 3.协调网络保护容量的占用协调网络保护容量的占用 7.3 复杂网络的拓扑结构复杂网络的拓扑结构 实际应用中，网络拓扑结构较复杂，利用基本拓扑结构可构成实际应用中，网络拓扑结构较复杂，利用基本拓扑结构可构成 复杂网络的拓扑结构。下面介绍几种在组网中将会用到的拓扑复杂网络的拓扑结构。下面介绍几种在组网中将会用到的拓扑 结构。结构。 1. T型网型网 T型网实际上是一种树型网。型网实际上是一种树型网。T型网络拓扑结构如图型网络拓扑结构如图79所示。所示。 WDMWDM WDM WDM-n WDM-m mn A B CD OADMROADM OADM OADM 2 .环带链网

20、环带链网 环带链网络结构如图710所示。环带链是由环型网 和链型网两种基本拓扑形式组成。 OADMOADM OADM OADM AB OADMWDM WDM-n WDM-m 3. 环型子网的支路跨接环型子网的支路跨接 环型子网的支路跨接网络结构如图711所示 OADMOADM OADM OADM OADMOADM OADM OADM AB WDM WDM 图图711 环型子网的支路跨接图环型子网的支路跨接图 4. 相切环相切环 OADM OADM OADM OXC/ROADM OADM OADM OADM OADM OXC/ROADM OADM OADM OXC/ROADM 结合点A 结合点A 结合点B （a）单结合点相切环 （b）双结合点相切环 图712 相切环网拓扑图 5. 相交环相交环 相交环网络结构如图713所示。相交环与相切环的