梁芝賢 蔡敏 劉亞嬰
摘要：介紹了SDH自愈環的特點及環網保護機制，重點對2纖單向通道保護環及其生存性和網絡互通進行了探討，并根據電力系統通信的特點了應用實例，最后對SDH自愈環及其生存性技術作了展望。
關鍵詞：網絡生存性；SDH自愈環；SDH網絡互通；2纖單向通道保護環
0 引言
隨著在容量光纖傳輸系統和高速數字交換技術的應用，使得越來越多的信息業務集中到較少的節點和線路上，據統計，若1根24芯的光纜被意外切斷，則可能同時丟失幾十萬條話路信息。據美國有關資料分析，如果通信中斷1h，航空公司要損失250萬美元，投資銀行要損失600萬美元，如果通信中斷2天，足以使投資銀行倒閉�？梢�，通信網絡對現代社會的發展影響越來越大。因此，如何提高網絡的可靠性，成為網絡運營管理者所迫切要考慮的重要問題。
網絡可靠性的評價指標包括抗毀性、有效性、生存性等。為了增加網絡的可靠性，在網絡中需要引入冗余設備以及冗余線路，SDH自愈環是典型的利用冗余線路的網絡結構。
所謂自愈網，就是無需人為的干預，網絡就能在極短的時間內從失效故障中自動恢復業務傳輸能力，自俞是生存性網絡最突出的特點。替代路由可以采用備用設備或是利用現有設備中的冗余能力，以滿足端到端的業務恢復，或指定優先級業務不受影響。在自愈過程中，各種業務不會中斷，用戶感覺不到網絡已經發生了重組。在許多文獻中，自愈和網絡生存性是同等概念。
1 環網保護機制
實現環網保護有兩種技術，網絡保護和網絡恢復。
網絡保護通常是利用預留容量，為失效通常提供備用通道，使受影響的業務從備用通道到達目的地。因為這種方式能對各種故障中受影響的業務都提供默認的備用傳輸通道，所以在故障發生后能直接按預定方案操作，快速恢復受到影響的業務，是一種靜態的保護方式，不需網管干預。采用這種技術的網絡結構有線形和環形兩種，其中SDH環網因為具有較完善的保護功能和較靈活的組網方式，是SDH網絡結構中應用較廣泛的一種，稱自愈環。組成自愈環的節點設備是ADM分插復接設備。
而網絡恢復通常是利用網絡的冗余容量，依據特定的算法，為受故障影響的業務重新分配到達目的地的通道。這種為受影響的業務尋找新路由的過程，是一種動態的過程，必需網管干預，主要用在數字交叉連接設備（DXC）上。
光網絡的生存性，其實就是光網絡的保護與恢復，包括線路、業務節點、電路、光路、業務、信號的保護與恢復。提高生存性的方案很多，如提高光纖線路和節點設備的可靠性，減少串接在系統中單元設備的數量，熱備份，倒換保護，等等。自愈環是利用多路由的網絡拓撲方式，不僅提高了網絡的生存能力，而且降低了倒換所需備用路由的成本，在網絡規劃中起到重要的作用。所以 SDH自愈環不僅在中繼網和接入網中得到廣泛應用，而且在長途中也開始應用。
2 SDH自愈環（SHR）的分類
SDH自愈環結構一般分為兩大類，即通道保護環和復用頻保護環。通道保護環是以通道為基礎的，倒換與否按離開環的每一個通道信號質量的優劣業決定，通常利用簡單的通道AIS信號來決定是否應進行倒換。復用段保護環是以復用段為基礎的，倒換一否按每一對節點間的復用段信號質量的優劣來決定。當復用段出現問題時，整個節點的復用段信號都轉向保護通道。
又可以將自愈環分為單向環和雙向環。正常情況下，單向環中所有業務信號按同一方向在環中傳輸。而雙向環中，進入環的支路信號按一個方向傳輸，由該支路信號分路節點返回的信號經相反的方向傳輸。
按照一對節點間所用光纖的最小數量來區分，自愈環可分為2纖環和4纖環。通道保護環通常是 2纖環；而復用頻段保護環可以是2纖環，也可以是4纖環。
工程中常用的SDH自愈環結構是2纖單向通道保護環、2纖雙向復用保護環和4纖雙向復用段保護環，其中電力系統常用的是2纖單向通道保護環。
3 2纖單向通道保護環的生存性
3.1 保護方式
通道保護環的保護方式有1+1和1：1兩種。1+1保護方式是發送節點將所發送的支路信號固定橋接，保護倒換只在接收端進行，實現起來較簡單，不需要在節點間交換保護倒換信令。1：1保護方式是在發送端并不固定橋接，然后再在接收端完成倒換。
1：1保護方式是雙向操作，正常工作情況下，保護信道上可以傳送不受保護的額外業務，也易于發展為1：n的保護結構。但雙向保護控制比單向保護復雜，因而通道保護環一般采用1+1單向保護方式。單向通道保護環的每對節點之間都有2根光纖，1根用于傳輸工作信號，1根用于保護，這 2根光纖的傳輸方向相反，進入環的一個支路信號經工作光纖傳至目的節點，而返回信號則由同一方向經環的剩余部分返回。2纖單向通道保護環的倒換控制相對其他自愈環結構是最簡單的，它的優點是能適合任何網絡拓撲和任何通道等級。
3.2 節點功能
通道保護環的節點都是ADM設備。組成通道保護環且采用1+1保護方式的ADM設備必須具備兩個功能。
�。�1）發端ADM應具備橋接功能，即同時向工作信道和保護信道的同一時隙發送相同的低速支路信號的能力；
�。�2）對每一個通道，收端ADM都能從兩路輸入信號中擇優選取。
3.3 操作模式
通道保護環的操作模式有可恢復和不可恢復兩種。在可恢復模式中，當工作信道的失效清除后，信號應從保護信道倒換回工作信道中。在不可恢復模式中，當失效路徑的失效條件不再存在，并無外部啟支命令時，系統進入無請求狀態，而不發生任何倒換。1+1單向保護環應該既能支持可恢復操作模式，也能支持不可恢復操作模式；如果要同時支持兩種模式，則應能通過OS或人機界面進行設定。1：1保護的操作模式應為可恢復模式。
由于可恢復模式會引起更多的倒換工作，為了防止因斷續失效而引起的頻繁倒換，當工作信道的失效條件清楚后，必須經過一個設定時間，信號才能倒換回工作信道，這個設定時間稱為WTR時間。WTR時間應設5-12min，并能以s為設置單位。在等待恢復狀態下，不應發生任何倒換。
3.4 倒換時間
倒換時間是指ADM檢測到倒換條件并能完成倒換動作的時間。因為倒換期間傳輸的信號將全部丟失，所以倒換時間的長短是衡量自愈環網絡性能的重要指標。在這方面，自愈環的性能大大優于 DXC重建網絡，DXC重建網絡的恢復時間一般為幾分鐘，而ITU-T規定的倒換目標值為50ms，由于單向通道保護環不需要APS協議，倒換動作少，一般均能滿足這個要求。目前，Bellcore已把單向通道保護環的倒換時間目標值定為20ms。
3.5 保護容量
在單向通道保護環內，進入各節點的支路信號都是通過整個環傳輸的，且其工作方式為“首端橋接，尾端倒換”的1+1模式，工作纖和保護纖同時傳送相同的支路信號。因而環的業務容量等于所有能夠進入環的業務量之和，也就是工作纖上ADM的線路口容量STM-N�？梢妼τ趩蜗颦h，無論業務模型如何，它的保護容量不變。
3.6節點數量
單向通道保護環對電路的節點數有一定要求，如通道保護出現失效，緊靠失效的下游節點將產生通道AIS，該AIS通過若干中間節點一直傳送到目的節點。由于每個節點在傳送通道AIS時都有一定的時延，如果工作路徑上節點數太多，延時的累積將會影響通道保護環的恢復時間。因此，雖然理論上對通道保護環的節點數沒有限制，但實際設計時，應考慮節點對AIS的傳輸延時，從而對環上節點數量作出限制。
在工程實際應用中，通道保護環的接點數還受到以下條件的制約。
（1）如果是雙向操作的通道保護環或者是1：1通道保護環，由于需要使用K3、K4字節傳送 APS信令，環的節點數不能超過16；通道保護環的節點數還受業務流量的制約。如STM-1等級形成2 纖單向通道保護環可以傳輸63個2M信號。
�。�2）由于在每個接點分插的最大業務量是固定的，如果節點之間的業務需求太大，也不允許環的節點數太多。
�。�3）通道保護環的節點數還受同步時鐘的制約，如果1個環上有2個接點使用BITS時鐘源， ITU-T規定，2個時鐘源之間的節點數不能超過20，這也在一定程度上限制了自愈環的節點數。
因此，工程上自愈環的規模一般都不大，節點數一般都不超過10個。
4 自愈環的互通
4.1 連通結構
隨著網絡規模的擴大及網絡結構層次的增多，組建一個龐大、結構單一的網絡將使通信的可靠性受到影響，使運行與維護檢修不便。相反，在電力系統通信網中，根據地域、帶寬等要求分別組建多個小型自愈環并將環與環互相連通，組成網狀網，就可以大大地提高網絡的可靠性與生存能力。
環間互通主要解決的問題是，對穿過兩個或多個環的業務的保護，以及終端點分別在不同環的業務的自動恢復，同時要不影響各環自身的保護倒換和操作的獨立性。當兩個環互通時，網中任意一個節點的失效，應不會引起業務丟失；自愈環任意一個環上的任何失效故障都不應引起另一個環的保護動作；由于互通引起的倒換只能對由失效引起的丟失或劣化的環間業務量有影響。
兩個環間的連接方式可以是在每個環上有單個節點的相互連通，也可以是兩個節點的連通。而兩個節點的連通一般定義了工作節點和保護節點。自愈環的互通有兩種實現方式，一種是用普通 ADM節點設備實現，這種方法通常用于兩環間的單節點連通，另一種是采用了具有分接－續傳功能的ADM設備作為互通節點的雙節點互通環。
單節點互通是在每個環上有單個節點與另一個環上的單個ADM節點設備連通。對于環間的互通業務，通過與對方環連通ADM節點的分插復用功能來實現。這種結構可以保護單個跨距段的光纖節斷時受影響的業務，但如果連通環上兩個節點中任意一個失效，則穿越環間的和從失效節點上下的業務都不能被保護。這種互通環的結構簡單，對各種不同類型的環間的互通都可以應用。
雙節點互通環結構的保護機理更完善。進行了分接－續傳功能改進的互通節點，使安排在兩個環之間的兩組互通節點對，可以互相保護穿通兩環間的業務。這樣環中任意節點失效不會導致原來通過該節點的業務丟失。但它的結構較為復雜，成本高。
4.2 單向通道保護環的互通
如果中繼網和接入網都是單向通道保護環，就需要使兩個通道保護環衛通。兩個通道保護環分別通過各自環上的兩個互連節點連接在一起，每個環間業務從源節點分別經工作信道和保護信道由不同的方向到達一個互連節點。當其中一路信號到達相應的互連節點時，即從該互連節點分接，并繼續傳向下一個互連節點。這樣，每個互連節點的選擇器的輸出傳輸到第二個環的對應互連節點。第二個環的互連節點將從第一個環接收到的信號分別經工作信道和信道從不同的方向傳向目的節點。最后，目的節點將在由兩個不同方向上接收的信號中作出選擇。兩個單向通道保護環互連，不僅可以對每個環內的失效提供保護，對互連節點的失效和互連路徑的失效也能提供保護。
5 2纖單向通道保護環在電力系統中的應用
電力系統通信網，業務容量要求較低，且大部分業務量匯集在一個或幾個中心節點（中心局）上，因而適用比較簡單經濟的單向通道倒換環。采用2纖方式還是4纖方式則取決與容量要求與經濟性考慮，通常業務量不太大時2纖環比較經濟，因為電力系統通信要求信號中斷時間短、恢復延時小、生存能力強、可靠性高等，使得單向通道保護環在電力系統中得到了廣泛的應用。
西安地區電力通信SDH自愈環環網是由數個互通的單向通道保護環組成的。以局本部為中心站組成了東、北、南共3個大環，各個環上的站點分別為8個、9個、10個，各環上局中心和集控站通過155M互相連通，另外，以東、西、南、北郊數個集控中心站為中心點，又分別組成了幾個小型單向通道保護環，這樣，50多個站點組成了互相連通的網，其他各站陸續以支線方式接入各個中心站和集控站，系統容量為155M和622M。通道保護環的每對節點之間都有兩根傳輸方向相反的光纖，工作信號和保護信號分別由順時針方向的工作光纖和逆時針方向的保護光纖所攜帶。系統采用 1+1保護方式，在發送端的主、備用通道中傳送同一業務，在接收端根據信號質量優劣選擇接收。各個節點采用ADM設備，具備橋接功能和分接功能。
6 技術展望
目前，通信網絡正逐步向著全光網絡的方向演進，將實現在任意時間、任意地點、傳送任意格式信號的理想目標。在光網絡中傳送的信息是高容量、高速率的，因此網絡中任何一個網絡元件的失效都會導致大量數據的丟失，光網絡的生存性已經成為人們關注的焦點。如何實現高效的網絡保護與恢復，如何實現網絡的分布式并實現自愈保護以及保護帶寬的智能動態分配，如何使各保護結構實現互通，等等，都是今后光網絡生存性技術發展的重點。太大，也不允許環的節點數太多。
