梁芝贤　蔡敏　刘亚婴

　　摘要：介绍了SDH自愈环的特点及环网保护机制，重点对2纤单向通道保护环及其生存性和网络互通进行了探讨，并根据电力系统通信的特点了应用实例，最后对SDH自愈环及其生存性技术作了展望。

　　关键词：网络生存性；SDH自愈环；SDH网络互通；2纤单向通道保护环

　　0　引言

　　随着在容量光纤传输系统和高速数字交换技术的应用，使得越来越多的信息业务集中到较少的节点和线路上，据统计，若1根24芯的光缆被意外切断，则可能同时丢失几十万条话路信息。据美国有关资料分析，如果通信中断1h，航空公司要损失250万美元，投资银行要损失600万美元，如果通信中断2天，足以使投资银行倒闭。可见，通信网络对现代社会的发展影响越来越大。因此，如何提高网络的可靠性，成为网络运营管理者所迫切要考虑的重要问题。

　　网络可靠性的评价指标包括抗毁性、有效性、生存性等。为了增加网络的可靠性，在网络中需要引入冗余设备以及冗余线路，SDH自愈环是典型的利用冗余线路的网络结构。

　　所谓自愈网，就是无需人为的干预，网络就能在极短的时间内从失效故障中自动恢复业务传输能力，自俞是生存性网络最突出的特点。替代路由可以采用备用设备或是利用现有设备中的冗余能力，以满足端到端的业务恢复，或指定优先级业务不受影响。在自愈过程中，各种业务不会中断，用户感觉不到网络已经发生了重组。在许多文献中，自愈和网络生存性是同等概念。

　　1　环网保护机制

　　实现环网保护有两种技术，网络保护和网络恢复。

　　网络保护通常是利用预留容量，为失效通常提供备用通道，使受影响的业务从备用通道到达目的地。因为这种方式能对各种故障中受影响的业务都提供默认的备用传输通道，所以在故障发生后能直接按预定方案操作，快速恢复受到影响的业务，是一种静态的保护方式，不需网管干预。采用这种技术的网络结构有线形和环形两种，其中SDH环网因为具有较完善的保护功能和较灵活的组网方式，是SDH网络结构中应用较广泛的一种，称自愈环。组成自愈环的节点设备是ADM分插复接设备。

　　而网络恢复通常是利用网络的冗余容量，依据特定的算法，为受故障影响的业务重新分配到达目的地的通道。这种为受影响的业务寻找新路由的过程，是一种动态的过程，必需网管干预，主要用在数字交叉连接设备（DXC）上。

　　光网络的生存性，其实就是光网络的保护与恢复，包括线路、业务节点、电路、光路、业务、信号的保护与恢复。提高生存性的方案很多，如提高光纤线路和节点设备的可靠性，减少串接在系统中单元设备的数量，热备份，倒换保护，等等。自愈环是利用多路由的网络拓扑方式，不仅提高了网络的生存能力，而且降低了倒换所需备用路由的成本，在网络规划中起到重要的作用。所以 SDH自愈环不仅在中继网和接入网中得到广泛应用，而且在长途中也开始应用。

　　2　SDH自愈环（SHR）的分类

　　SDH自愈环结构一般分为两大类，即通道保护环和复用频保护环。通道保护环是以通道为基础的，倒换与否按离开环的每一个通道信号质量的优劣业决定，通常利用简单的通道AIS信号来决定是否应进行倒换。复用段保护环是以复用段为基础的，倒换一否按每一对节点间的复用段信号质量的优劣来决定。当复用段出现问题时，整个节点的复用段信号都转向保护通道。

　　又可以将自愈环分为单向环和双向环。正常情况下，单向环中所有业务信号按同一方向在环中传输。而双向环中，进入环的支路信号按一个方向传输，由该支路信号分路节点返回的信号经相反的方向传输。

　　按照一对节点间所用光纤的最小数量来区分，自愈环可分为2纤环和4纤环。通道保护环通常是 2纤环；而复用频段保护环可以是2纤环，也可以是4纤环。

　　工程中常用的SDH自愈环结构是2纤单向通道保护环、2纤双向复用保护环和4纤双向复用段保护环，其中电力系统常用的是2纤单向通道保护环。

　　3　2纤单向通道保护环的生存性

　　3.1　保护方式

　　通道保护环的保护方式有1+1和1：1两种。1+1保护方式是发送节点将所发送的支路信号固定桥接，保护倒换只在接收端进行，实现起来较简单，不需要在节点间交换保护倒换信令。1：1保护方式是在发送端并不固定桥接，然后再在接收端完成倒换。

　　1：1保护方式是双向操作，正常工作情况下，保护信道上可以传送不受保护的额外业务，也易于发展为1：n的保护结构。但双向保护控制比单向保护复杂，因而通道保护环一般采用1+1单向保护方式。单向通道保护环的每对节点之间都有2根光纤，1根用于传输工作信号，1根用于保护，这 2根光纤的传输方向相反，进入环的一个支路信号经工作光纤传至目的节点，而返回信号则由同一方向经环的剩余部分返回。2纤单向通道保护环的倒换控制相对其他自愈环结构是最简单的，它的优点是能适合任何网络拓扑和任何通道等级。

　　3.2　节点功能

　　通道保护环的节点都是ADM设备。组成通道保护环且采用1+1保护方式的ADM设备必须具备两个功能。

　　（1）发端ADM应具备桥接功能，即同时向工作信道和保护信道的同一时隙发送相同的低速支路信号的能力；

　　（2）对每一个通道，收端ADM都能从两路输入信号中择优选取。

　　3.3　操作模式

　　通道保护环的操作模式有可恢复和不可恢复两种。在可恢复模式中，当工作信道的失效清除后，信号应从保护信道倒换回工作信道中。在不可恢复模式中，当失效路径的失效条件不再存在，并无外部启支命令时，系统进入无请求状态，而不发生任何倒换。1+1单向保护环应该既能支持可恢复操作模式，也能支持不可恢复操作模式；如果要同时支持两种模式，则应能通过OS或人机界面进行设定。1：1保护的操作模式应为可恢复模式。

　　由于可恢复模式会引起更多的倒换工作，为了防止因断续失效而引起的频繁倒换，当工作信道的失效条件清楚后，必须经过一个设定时间，信号才能倒换回工作信道，这个设定时间称为WTR时间。WTR时间应设5-12min，并能以s为设置单位。在等待恢复状态下，不应发生任何倒换。

　　3.4　倒换时间

　　倒换时间是指ADM检测到倒换条件并能完成倒换动作的时间。因为倒换期间传输的信号将全部丢失，所以倒换时间的长短是衡量自愈环网络性能的重要指标。在这方面，自愈环的性能大大优于 DXC重建网络，DXC重建网络的恢复时间一般为几分钟，而ITU-T规定的倒换目标值为50ms，由于单向通道保护环不需要APS协议，倒换动作少，一般均能满足这个要求。目前，Bellcore已把单向通道保护环的倒换时间目标值定为20ms。

　　3.5　保护容量

　　在单向通道保护环内，进入各节点的支路信号都是通过整个环传输的，且其工作方式为“首端桥接，尾端倒换”的1+1模式，工作纤和保护纤同时传送相同的支路信号。因而环的业务容量等于所有能够进入环的业务量之和，也就是工作纤上ADM的线路口容量STM-N。可见对于单向环，无论业务模型如何，它的保护容量不变。

　　3.6节点数量

　　单向通道保护环对电路的节点数有一定要求，如通道保护出现失效，紧靠失效的下游节点将产生通道AIS，该AIS通过若干中间节点一直传送到目的节点。由于每个节点在传送通道AIS时都有一定的时延，如果工作路径上节点数太多，延时的累积将会影响通道保护环的恢复时间。因此，虽然理论上对通道保护环的节点数没有限制，但实际设计时，应考虑节点对AIS的传输延时，从而对环上节点数量作出限制。

　　在工程实际应用中，通道保护环的接点数还受到以下条件的制约。

　　（1）如果是双向操作的通道保护环或者是1：1通道保护环，由于需要使用K3、K4字节传送 APS信令，环的节点数不能超过16；通道保护环的节点数还受业务流量的制约。如STM-1等级形成2 纤单向通道保护环可以传输63个2M信号。

　　（2）由于在每个接点分插的最大业务量是固定的，如果节点之间的业务需求太大，也不允许环的节点数太多。

　　（3）通道保护环的节点数还受同步时钟的制约，如果1个环上有2个接点使用BITS时钟源， ITU-T规定，2个时钟源之间的节点数不能超过20，这也在一定程度上限制了自愈环的节点数。

　　因此，工程上自愈环的规模一般都不大，节点数一般都不超过10个。

　　4　自愈环的互通

　　4.1　连通结构

　　随着网络规模的扩大及网络结构层次的增多，组建一个庞大、结构单一的网络将使通信的可靠性受到影响，使运行与维护检修不便。相反，在电力系统通信网中，根据地域、带宽等要求分别组建多个小型自愈环并将环与环互相连通，组成网状网，就可以大大地提高网络的可靠性与生存能力。

　　环间互通主要解决的问题是，对穿过两个或多个环的业务的保护，以及终端点分别在不同环的业务的自动恢复，同时要不影响各环自身的保护倒换和操作的独立性。当两个环互通时，网中任意一个节点的失效，应不会引起业务丢失；自愈环任意一个环上的任何失效故障都不应引起另一个环的保护动作；由于互通引起的倒换只能对由失效引起的丢失或劣化的环间业务量有影响。

　　两个环间的连接方式可以是在每个环上有单个节点的相互连通，也可以是两个节点的连通。而两个节点的连通一般定义了工作节点和保护节点。自愈环的互通有两种实现方式，一种是用普通 ADM节点设备实现，这种方法通常用于两环间的单节点连通，另一种是采用了具有分接－续传功能的ADM设备作为互通节点的双节点互通环。

　　单节点互通是在每个环上有单个节点与另一个环上的单个ADM节点设备连通。对于环间的互通业务，通过与对方环连通ADM节点的分插复用功能来实现。这种结构可以保护单个跨距段的光纤节断时受影响的业务，但如果连通环上两个节点中任意一个失效，则穿越环间的和从失效节点上下的业务都不能被保护。这种互通环的结构简单，对各种不同类型的环间的互通都可以应用。

　　双节点互通环结构的保护机理更完善。进行了分接－续传功能改进的互通节点，使安排在两个环之间的两组互通节点对，可以互相保护穿通两环间的业务。这样环中任意节点失效不会导致原来通过该节点的业务丢失。但它的结构较为复杂，成本高。

　　4.2　单向通道保护环的互通

　　如果中继网和接入网都是单向通道保护环，就需要使两个通道保护环卫通。两个通道保护环分别通过各自环上的两个互连节点连接在一起，每个环间业务从源节点分别经工作信道和保护信道由不同的方向到达一个互连节点。当其中一路信号到达相应的互连节点时，即从该互连节点分接，并继续传向下一个互连节点。这样，每个互连节点的选择器的输出传输到第二个环的对应互连节点。第二个环的互连节点将从第一个环接收到的信号分别经工作信道和信道从不同的方向传向目的节点。最后，目的节点将在由两个不同方向上接收的信号中作出选择。两个单向通道保护环互连，不仅可以对每个环内的失效提供保护，对互连节点的失效和互连路径的失效也能提供保护。

　　5　2纤单向通道保护环在电力系统中的应用

　　电力系统通信网，业务容量要求较低，且大部分业务量汇集在一个或几个中心节点（中心局）上，因而适用比较简单经济的单向通道倒换环。采用2纤方式还是4纤方式则取决与容量要求与经济性考虑，通常业务量不太大时2纤环比较经济，因为电力系统通信要求信号中断时间短、恢复延时小、生存能力强、可靠性高等，使得单向通道保护环在电力系统中得到了广泛的应用。

　　西安地区电力通信SDH自愈环环网是由数个互通的单向通道保护环组成的。以局本部为中心站组成了东、北、南共3个大环，各个环上的站点分别为8个、9个、10个，各环上局中心和集控站通过155M互相连通，另外，以东、西、南、北郊数个集控中心站为中心点，又分别组成了几个小型单向通道保护环，这样，50多个站点组成了互相连通的网，其他各站陆续以支线方式接入各个中心站和集控站，系统容量为155M和622M。通道保护环的每对节点之间都有两根传输方向相反的光纤，工作信号和保护信号分别由顺时针方向的工作光纤和逆时针方向的保护光纤所携带。系统采用 1+1保护方式，在发送端的主、备用通道中传送同一业务，在接收端根据信号质量优劣选择接收。各个节点采用ADM设备，具备桥接功能和分接功能。

　　6　技术展望

　　目前，通信网络正逐步向着全光网络的方向演进，将实现在任意时间、任意地点、传送任意格式信号的理想目标。在光网络中传送的信息是高容量、高速率的，因此网络中任何一个网络元件的失效都会导致大量数据的丢失，光网络的生存性已经成为人们关注的焦点。如何实现高效的网络保护与恢复，如何实现网络的分布式并实现自愈保护以及保护带宽的智能动态分配，如何使各保护结构实现互通，等等，都是今后光网络生存性技术发展的重点。太大，也不允许环的节点数太多。