一种基于数字信号的光传输环形网保护技术研究

陈远略 汪立群 陆伟

摘 要：文章提出了一种基于数字信号的光传输环形网。当网络中的光纤线路出现故障时，网络能快速检测到故障线路，并在短时间内自动切换到保护通道，恢复网络通信。最后对该方案进行了测试验证，试验结果表明该方案是可行的。

关键词：数字信号;光传输环形网;切换;保护

0   引言

随着网络新业务的不断发展，传输网网络结构也在不断改进。光纤通信自出现以后得到了迅速的发展。作为传送信号的一种方式，光纤通信可将各种数字业务信号通过特定的编码，电光转换后承载上光进行传输。本文提出了一种基于数字信号的光传输环形网，当网络中的某条光纤发生故障，网络能快速检测到故障节点，并自动切换到备用设备和备用线路，使网络在无须人工干预的情况下迅速恢复业务，以满足某些特殊业务或者重要场合的通信保障要求，提高网络的可靠性。

1 网络结构

基于数字信号传输的光传输网络如图1所示，网络结构呈三角形，A，B，C 3台设备通过光路串联组成三角形环形网。设备提供数字信号输入/输出接口和光接口，实现数字信号安全可靠地在3台设备之间传输。设备实现将输入的数字传输信号复接上光，同时从接收到的光信号中解析出数字传输信号，并通过相应接口输出的功能。

网络通信保护切换如图2所示，当B设备与C设备通信时，首先选择B→ C通道通信，当BC之间的光纤链路发生故障时，网络会自动切换到B→A→   C通道（C自动选择接收路径由B→C改为B→A→C），当BC之间的光纤恢复正常时，网络会自动切换回B→C通道（C自动选择接收路径由B→A→C改为B→C），当A设备与C设备通信时，首先选择A→C通道通信，当AC之间的光纤链路发生故障时，网络会自动切换到A→B→C通道（C自动选择接收路径由A→C改为A→B→C），当AC之间的光纤恢复正常时，网络会自动切换回A→C通道（C自动选择接收路径由A→B→C改为A→C）。

2 设备设计方案

设备的数据接口模块与终端的数据接口对接，将终端数字信号整流、滤波后，经过光电耦合器，把信号转变成TTL电平信号送给数据处理模块。数据接口模块主要包含继电器电路实现与终端信号的通断控制，光电耦合器实现终端控制电路与设备内部数据处理模块的隔离与控制。该部分设计不是本文重点讨论的内容，在此不作详细赘述。

设备的数据处理模块完成对输入的数字传输信号采集、成帧处理，经过串行器串化后变成串行数据，通过光收发模块以光信号发送出去，接收设备完成对数字传输信号的解析并输出。本设计采用的串行器DS90C241和解串器DS90C124为24 bit并行接口，采样频率为5～35 MHz，最大可实现840 Mbit/s的传输速率，在本设计中只使用到了其中的bit0，bit1和bit2，可根据实际需要进行扩展设计[1]。

下面详细介绍系统如何完成保护的设计方案。

3 系统设计方案

系统方案示意图如图4所示，根据图2的设计可知，经过A设备的信号有A→C，C→A，A→B→C，C→B→A，B→A→C，C→A→B，A→B，B→A，A→C→B，B→C→A这10个方向的信号。完成A到C的数字传输方向的信道有A→C，A→B→C，完成C到A的数字传输方向的信道有C→A，C→B→A，完成A到B的数字传输方向的信道有A→B，A→C→B，完成B到A的数字传输方向的信道有B→A，B→C→A;B→A→C和C→A→B是B与C之间的通信保护信道。

经过B设备的信号有B→C，C→B，B→A→C，C→A→B，A→B→C，C→B→A，B→A，A→B，B→C→A，A→C→B这10个方向的信号。完成B到C的数字传输方向的信道有B→C，B→A→C，完成C到B的数字传输方向的信道有C→B，C→A→B，完成B到A的数字传输方向的信道有B→A，B→C→A，完成A到B的数字传输方向的信道有A→B，A→C→B;A→B→C和C→B→A是A与C之间的通信保护信道。

经过C设备的信号有C→A，C→A→B，C→B，C→B→A，A→C，B→A→C，B→C，A→B→C，A→C→B，B→C→A这10个方向的信号。完成A到C的数字传输方向的信道有A→C，A→B→C，完成C到A的数字传输方向的信道有C→A，C→B→A，完成B到C的数字传输方向的信道有B→C，B→A→C，完成C到B的数字传输方向的信道有C→B，C→A→B;A→C→B和B→C→A是A与B之间的通信保护信道。

本设计中每个传输方向的业务占据了串行器或者解串器的其中一位并行数据位，每个方向最大的数据业务量为35 Mbit/s，也可根据实际需要进行调整，最大可达840 Mbit/s。

4 数据处理模块（FPGA）设计方案

数据处理模块采用Xilinx公司生产的FPGA芯片XC6SLX100-2FGG676，实现对数字传输信号、控制指令、设备及光路状态的采集、封装[2-3]。主要实现的功能如下。

指令解析：主要完成本地指令的采集和网络节点其他设备的指令解析。

业务数据通信：本地业务数据的采集和网络节点设备业务数据的输出。

状态采集：完成本地光路、链路、设备状态的采集。

发送：完成以上所有数据的编码、成帧和CRC校验。

接收：模块主要完成数据的解码、解帧和CRC校验。

数据帧结构采用自定义的帧格式，采用循环冗余校验（CRC）来保证数据传输的准确性和数据通信的可靠性。数据帧的封装形式如图5所示。

前导码：用于帧起始定界。

控制信息：包含本地控制指令的采集和网絡其他节点设备中的指令信息。

系统状态信息：包括系统内各设备光口状态信息、各设备通信状态信息、各设备心跳信息（说明设备是否正常工作）等，设备通过此部分内容实时获取系统各个设备和链路的状态，一旦发现链路故障，及时完成正常通信信道和保护信道之间的切换。

业务数据信息：数字传输信号的有效净荷。

CRC校验：对系统状态信息、数字传输信号信息进行CRC校验。

下面以BC之间通信为例介绍系统工作流程：设备上电后，各设备按照上述成帧方案将信息通过光纤转发到网络中，C设备解析出帧信息，读取设备状态信息判断B设备以及BC之间的光纤是否正常，如果B设备及BC之间光纤正常，选择B←→C信道通信;如果B设备正常但BC之间光纤故障，选择B←→A←→C通信;如果B设备故障，A设备且AC之间光纤正常，C设备选择B←→C信道通信;如果A设备正常且AC之间光纤故障，C设备选择A←→B←→C信道通信。AC之间通信也是相同的情况。

5 测试验证

按图1搭建光环形组网测试平台，测试验证该系统保护功能的有效性。在B节点设备和C节点设备通过BC之间的光纤正常通信时，模拟B节点设备和C节点设备之间的光纤断开，B节点设备和C节点设备之间仍然能保持正常通信，没有数据中断传输的现象，说明系统在BC之间光纤断开时，C设备通过解析帧内容从而获得BC之间的光纤已断开这一信息，自动在C设备的接收端选择由B←→C切换至B←→A←→C这条信道进行通信，从而实现了系统环网保护功能。AC之间的通信也是类似的。测试结果表明该环网保护技术的解决方案已经具备抵御一度光纤环路故障的能力。

同时本文提出的设计方案不仅局限于3台设备的环形组网，4台及4台以上设备组网也同样适用。4台设备组网设计如图6所示。

6   结语

本文提出了对一种基于数字信号传输的光环形网保护技术，当网络中的光纤线路出现故障时，系统能快速检测到光纤线路的故障，并快速切换到备用信道以恢复网络的通信，从而保证了数据业务信号在网络内部设备之间的可靠传输，该网络具很强的健壮性，可以满足某些重要场合的通信保障要求。

[参考文献]

[1]韦乐平.光同步数字传输网[M].北京：人民邮电出版社，1993.

[2]王碧芳.杜玉红.光传输网络和设备[M].成都：西南交通大学出版社，2017.

[3]张成良.李俊杰，马亦然，等.光网络新技术解析与应用[M].北京：电子工业出版社，2016.

（编辑 王雪芬）