基于FPGA的SDH环网保护设计

黄玉刚

摘 要：文章提出了一种基于FPGA技术来实现SDH环网保护的方法，其核心是根据本地光模块的SD信号，由FPGA内部的状态机来控制环回芯片，从而实现保护的功能。该设计硬件架构简单，恢复时间快，可靠性高，且兼容单纤双向和双纤双向2种光模块，可以很好地满足环网拓扑对保护功能的需求。

关键词：FPGA；环网保护；SDH；SD；状态机

SDH是当前光纤通信网络主要的传输体制，SDH设备被大量应用于传输网络中。随着SDH设备传输的信息越来越多，传输信号的速率越来越快，一旦网络出现故障，难以避免的将对整个社会造成极大的损坏，因此网络的自愈能力就显得尤为重要。SDH自愈环可以划分为两大类，即通道倒换环和复用段倒换环，对于通道倒换环，业务量的保护是以通道为基础的，倒换与否按离开环的每一个别通道信号质量的优劣而定，通常利用简单的通道AIS信号来决定是否应进行倒换，通常保护通道也要传主用业务（1+1保护），信道利用率不高，对于复用段倒换环，业务量的保护是以复用段为基础的，倒换与否按每一对节点间的复用段信号质量的优劣而定，倒换是由K1、K2字节所携带的APS协议来启动的，当复用段出问题时，整个节点间的复用段业务信号都转向保护环。主用信道传主用业务 备用信道传额外业务（1：1保护），信道利用率高，由于中间的控制过程较多，增加了保护响应的时间（ITU-T规定为50ms 以内），针对上面提到的问题，本文提出了一种基于FPGA技术来实现SDH环网保护的方案。

1 硬件系统设计

本文设计的硬件结构如图1所示。

FPGA采用XILINX公司SPARTAN3系列的XC3S200A，环回控制芯片采用MAXIM公司的MAX9152，FPGA是整个保护电路的核心部分，主要通过采集到的激光器SD信号，根据内部生成的状态机，来决定对环回控制芯片采取打开环回或是关闭环回，从而形成对整个环网的保护。

2 FPGA设计

2.1 FPGA功能模块架构设计

从图2可以看出，FPGA内部模块划分为SD信号处理模块、激光器使能模块、环回控制处理模块、状态机模块、计数器模块共5个处理模块。状态机模块是整个功能模块的核心部分，SD信号处理模块对采集到的SD信号进行滤波处理后提供给状态机模块，状态机模块根据SD信号的状态来判断设备所处的状态，进而通过环回控制处理模块和激光器使能模块来实现整个网络的保护功能。

2.2 环网保护的时序图

环网保护的拓扑图如图3所示，设备1和设备3之间通信，A发B收顺时针方向为主用通道，B发A收逆时针方向为备用通道，在光纤没有断开的情况下，业务都是在主用通道上传输的，备用通道上可以传一些额外业务。

以设备2和设备3为例，当光纤被切断时，设备2和设备3环回控制芯片分别进行环回，如图4所示，设备1发送的业务利用备用通道形成保护环传输给设备3，设备3发送业务不受影响，仍然走主用通道传输给设备1。

根据不同的使用环境，保护机制需要兼容单纤双向和双纤双向两种光模块，当使用单纤双向的光模块时，收发同时断开，当使用双纤双向的光模块时，有可能收发全部断开，也有可能只断开单方向的光纤，下面分别对这两种情况进行分析。

以图4为例，当只断开B发A收方向的光纤时，设备2通过检测SD信号持续5ms的高电平 （有光为低电平，无光为高电平）后，打开环回，并同时将本地的激光器关闭，即进入保护状态，下面的问题就是如果让设备3也打开环回从而形成保护环，按照传统复用段保护机制，可以将设备2的SD信号变化信息通过开销字节发送给设备3，这就需要CPU参与进来，一方面增加了CPU的负担，另一方面会增加保护响应的时间，所以，为了让设备3打开环回，本方案通过利用设备2的FPGA控制光模块的DISABLE管脚来发送周期为5ms的脉冲序列给设备3，设备3收到信息后，SD信号开始变高，同理，当连续检测到本地的SD高电平5ms后，打开环回形成保护环，并关闭激光器。

在进入保护状态5s后，设备2和设备3将本地激光器打开，此时，因为如果断裂的光纤还没有修复好，则设备2的SD信号仍然为高，而设备3的SD信号则为低。当设备2在打开激光器3ms内没有检测到持续时间超过1ms的有效SD，则将本地激光器关闭。此时设备3因为只接收到了3ms的有效SD，仍然达不到持续5ms有效SD的门槛，在检测到无效5ms的SD后也将本地的激光器关闭。在整个操作过程中环回始终保持不变。设备2和设备3每隔5s就重复一次上述操作。

当断裂的光纤得到修复后，则两个设备的SD信号都为低，因为在打开激光器3ms内肯定能检测到持续时间超过1ms的有效SD信号，所以本地的激光器不会在中途被关闭。当两个设备检测到持续时间超过5ms的有效SD后，等待5s再取消环回，网络随之恢复到正常拓扑结构，从保护状态切换到正常状态，具体的时序图如图5所示。

同理，当2个方向的光纤全部断开时，SD信号一直为高，设备2和设备3通过检测SD信号的变化后，均打开环回，形成保护环，由于光纤是同时断开的，所以设备2和设备3同时会产生发出周期约为5ms的脉冲序列，但此时由于光纤是断开的，所以两端是收不到信号的，，计数器产生的脉冲信号会对自身的SD信号一直保持采样，在光纤恢复后，激光器一直打开，光纤恢复5s后，环回取消，具体的时序如图6所示。

3 结语

本文针对SDH环网拓扑设计了一种基于FPGA技术来实现环网保护的方案，从硬件和FPGA架构两方面阐述，该方案设计原理简单，实用性强，充分利用FPGA灵活可编程的特点，并已成功用于某高速公路监控项目，且运行稳定，可以很好的满足环网拓扑对保护功能的需求。

[参考文献]

[1]邓忠礼.光同步传送网和波分复用系统SDH&WDM[M].北京：清华大学出版社，北方交通大学出版社，2003.

[2]韦乐平.光同步数字传输网[M].北京：人民邮电出版社，1993.

SDH Ring Network Protection Based on FPGA Technology

Huang Yugang

（China Electronics Technology Group Corporation Thirty-fourth Institute， Guilin 541004， China）

Abstract： A method to realize SDH ring network protectionbased on FPGA technology has been used，its core is according to the SD signal of local optical transceivers，controlled by FPGA internal state machine to loop back to the chip，so as to realize the functions of protection. The method is simple in hardware architecture and faster recovery time，high reliability，and compatible with BIDI transceiver and dual fiber transceiver，can well meet the demand for protection of ring network topology

Key words： field programmable gate array（FPGA）； ring network protection； signal detect； signaling； state machine