二纤复用段保护环自愈分析

张 现，赵广超，叶礼邦，张文骞，刘 强

（中国人民解放军63887 部队，河南 洛阳 471000）

0 引 言

光传输网络由通过光纤相互连接的多个网络节点（网元）按照一定的网络结构组合而成[1]。其有多种拓扑结构，考虑网络的安全性和可靠性，骨干节点一般会以环形拓扑结构进行组网，在该骨干环形网的基础上再嵌套其他拓扑结构，从而进行复合组网，如环带环、环带链、环挂点等。在光传输网络中，应用环形拓扑结构能够实现丰富的网络保护机制，提升网络结构的健壮性和业务的稳定性。环形光传输网常用的保护方法包括复用段保护和通道保护2 种，其中复用段保护以二纤复用段保护环最为常见。该背景下，文章分析二纤双向复用段保护环和二纤单向复用段保护环2 种保护方法的原理，探讨线路故障后如何实现自愈，并对2 种保护方法进行比较和总结。

1 二纤双向复用段保护环

网络保护机制实现的基础是必须具有保护路由。当工作路由受影响时，将业务传输状态切换为保护路由传输，从而保证业务不受影响。以同步数字体系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）为例，采用的信息结构速率等级称为同步传送模块-N（Synchronous Transport Module-N，STM-N），用来支持段层连接，其中N为阶数，取值为1、4、16、64 等[2]。STM-1的速率为155.520 Mb/s，在等于该基本速率N倍的基础上，形成较高容量的STM 高阶模块。传送速率为STM-16 的光纤剖面图如图1 所示。STM-16 包含16个STM-1，即16 个虚容器（Virtual Container，VC）4 时隙。二纤双向复用段保护环是将16 个VC4 时隙一分为二，前8 个时隙（1 ～8）作为工作时隙，后8 个时隙（9 ～16）作为保护时隙。

图1 STM-16 的光纤剖面图

二纤双向复用段保护环共有4 个网元，由2 根光纤连接构成环网。其中，2 根光纤各成一环，线路速率为STM-16，方向相反。2 根光纤的传输容量均一分为二，分别作为工作路由和保护路由。外环光纤的工作路由为S1（前一半时隙），保护路由为P2（后一半时隙），即S1/P2光纤，内环则为S2/P1光纤。一般情况下，一根光纤的后一半时隙保护另一根光纤的前一半时隙，即P1保护S1，P2保护S2[1]。二纤双向复用段保护环如图2 所示。

图2 二纤双向复用段保护环

1.1 正常业务流向

以网元节点A 与C 之间的业务流向为例，分析正常情况下二纤双向复用段保护环运行的方式。正常情况下节点A 和节点C 之间的业务流向如图3 所示。

图3 节点A 和节点C 之间的正常业务流向

A →C 的业务由S1携带，经节点B，到达节点C；C →A 的业务则由S2携带，经节点B，到达节点A。

1.2 故障后业务流向

以网元节点A 与C 之间的业务流向为例，分析线路故障情况下二纤双向复用段保护环运行的方式。如果节点B 与节点C 之间线路发生故障，那么倒换节点B 和节点C。倒换后的业务流向如图4 所示。

图4 倒换后的业务流向

将工作路由S1和S2上传输的业务信号分别倒换至保护路由P1和P2。此时，节点A 与节点C 之间的业务流向：A →C 的业务由S1携带，经节点B 倒换到P1，再经节点A 和节点D 传送至节点C，由节点C 倒换到S1落地；而C →A 的业务则由节点C 倒换到P2携带，经节点D、节点A、节点B，由节点B倒换到S2，由S2携带并传送到节点A，从而完成二纤双向复用段保护环自愈的过程。通过将业务信号倒换到保护时隙，改变业务流向，再倒换到工作时隙，使业务落地及不中断。

1.3 环传输容量

正常情况下，由保护环的工作时隙传送工作业务，而保护时隙可以传送安全性要求较低的额外业务。发生故障时，通过倒换与故障线路相邻的两端节点，保护时隙将中断额外业务，用来传送工作业务，时隙利用率较高，多用于业务量大和业务分散的网络[1]。二纤双向复用段保护环的环传输容量为[R*(STM-N)]/2。其中：R为节点数，取值为4；STM-N为线路速率，取STM-16。

2 二纤单向复用段保护环

二纤单向复用段保护环同样具有4 个网元节点，由2 根光纤连接，各成一环，方向相反。顺时针为工作光纤S1，逆时针为保护光纤P1，即P1保护S1。一般情况下，业务信号只在S1光纤中传输，保护路由P1光纤空闲。

2.1 正常业务流向

为便于分析，以节点A 和节点C 之间的业务流向为例，分析正常情况下二纤单向复用段保护环的工作过程。正常情况下，A↔C 之间的业务流向（见图5）：A →C 的业务由S1所携带，经节点B 穿通到达节点C；C→A的业务也是由S1携带，经节点D穿通到达节点A。

图5 节点A 和节点C 之间正常业务流向图

2.2 故障后业务流向

以网元A 和网元C 之间的业务流向为例，分析线路故障的情况下二纤单向复用段保护环的工作过程。如果节点B↔C 之间线路故障，此时与故障点连接的2 个网元节点B 和节点C 进行倒换。倒换后的业务流向图如图6 所示。

图6 倒换后的业务流向图

将S1上传输的业务信号倒换到P1。此时，节点A和节点C 之间的业务流向：A →C 的业务由S1携带，经节点B倒换到P1，再经节点A和节点D传送到节点C，由节点C 倒换到S1落地；而C →A 的业务由S1携带，经节点D 穿通到达节点A，未经过故障点，与正常业务流向相同，从而完成二纤单向复用段保护环的自愈过程。

2.3 环传输容量

正常情况下，由二纤单向复用段保护环的工作光纤传送业务，而保护光纤空闲。只有工作光纤故障时，才用保护光纤传输业务，因此二纤单向复用段保护环的环传输容量为STM-N，与线路速率相同，选择线路速率为STM-16（2.5 Gb/s）。二纤单向复用段保护环多用于网络规模小且业务量集中的网络。

3 保护环分析比较

3.1 相同点

2 种保护环的物理连接方式相同，都是以复用段为基础，需要运行自动保护切换（Automatic Protection Switch，APS）协议，倒换整个复用段层。以环上传输的复用段信号优劣作为是否倒换的判断条件，当线路劣化时，由线路板检测信号丢失（Loss Of Signal，LOS）、复用段告警指示信号（Mutiplex Section-Alarm Indication Signal，MS-AIS）、误码过限（Mutiplex Section-Excessive，MS-EXC）等告警信号，并立即上报到主控板。主控板根据APS 协议产生K 字节并通过线路板传送出去，其他节点的线路板收到K 字节后上报其主控板，由主控板完成APS 协议，再根据协议确定各节点的倒换状态，并下发命令到交叉板，执行时隙的交叉[3]。简而言之，由光板检测告警上报给主控板，由主控板处理APS 协议，下发命令给交叉板执行倒换。在条件允许的前提下，建议各站都备一些关键单板，如主控板、交叉板、线路板等。

此外，倒换由K1字节和K2字节（自动保护倒换通路字节K1和K2）所携带的APS 协议启动，K1字节和K2字节中用来标识节点身份标识号（Identity document，ID）的只有4 位（K2字节的前4 个位b1～b4），即24种排列方式，因此单个保护环上的网元数量最多为16 个，否则倒换协议无法运行[3]。

3.2 不同点

二纤双向复用段保护环是一致路由（发和收业务方向相反，经过的站点相同），通常采用最短路径（路径长短指相隔节点数值，而非物理线路距离）；二纤单向复用段保护环是分离路由（发和收业务方向一致，经过的站点不同）。

复用段保护环倒换时间一般不超过50 ms，二纤单向复用段保护环倒换时间一般在30 ms 左右，比二纤双向复用段保护环快。二纤双向复用段保护环的传输路径小于1 200 km 时，保护倒换时间小于50 ms；当环网的传输路径很长时，保护倒换时间可能会有100 ～200 ms[4]。

3.3 小 结

实际使用中，影响环形光传输网保护方法选择的因素很多，包括光缆路由、建设成本、业务类型以及保护级别等，需要权衡多方因素，因地制宜，使保护机制充分发挥优势，确保光传输网络安全可靠。例如：城市之间的数据中心构成的三点环形光传输网，网络节点少、业务量集中、保护级别要求较高，采用二纤单向复用段保护环比较适宜，既能发挥故障倒换时间短的优势，又能弥补时隙利用率低的不足；各个通信基站之间构成的光传输网，网络节点多、业务分散、拓扑结构复杂，二纤双向复用段保护环更适宜，既能提高时隙利用率，又能充分发挥路由保护功能[5]。

4 结 论

对于由4 个网元节点构成的SDH 环网，在线路速率同为STM-16 的基础上，文章以二纤复用段保护环为例，详细分析二纤双向复用段保护环和二纤单向复用段保护环的保护方法及其倒换过程，对比2 种保护环的异同点，并结合实际给出相应的建议。