基于FPGA的SDH環網保護設計

黃玉剛

摘 要：文章提出了一種基于FPGA技術來實現SDH環網保護的方法，其核心是根據本地光模塊的SD信號，由FPGA內部的狀態機來控制環回芯片，從而實現保護的功能。該設計硬件架構簡單，恢復時間快，可靠性高，且兼容單纖雙向和雙纖雙向2種光模塊，可以很好地滿足環網拓撲對保護功能的需求。

關鍵詞：FPGA；環網保護；SDH；SD；狀態機

SDH是當前光纖通信網絡主要的傳輸體制，SDH設備被大量應用于傳輸網絡中。隨著SDH設備傳輸的信息越來越多，傳輸信號的速率越來越快，一旦網絡出現故障，難以避免的將對整個社會造成極大的損壞，因此網絡的自愈能力就顯得尤為重要。SDH自愈環可以劃分為兩大類，即通道倒換環和復用段倒換環，對于通道倒換環，業務量的保護是以通道為基礎的，倒換與否按離開環的每一個別通道信號質量的優劣而定，通常利用簡單的通道AIS信號來決定是否應進行倒換，通常保護通道也要傳主用業務（1+1保護），信道利用率不高，對于復用段倒換環，業務量的保護是以復用段為基礎的，倒換與否按每一對節點間的復用段信號質量的優劣而定，倒換是由K1、K2字節所攜帶的APS協議來啟動的，當復用段出問題時，整個節點間的復用段業務信號都轉向保護環。主用信道傳主用業務 備用信道傳額外業務（1：1保護），信道利用率高，由于中間的控制過程較多，增加了保護響應的時間（ITU-T規定為50ms 以內），針對上面提到的問題，本文提出了一種基于FPGA技術來實現SDH環網保護的方案。

1 硬件系統設計

本文設計的硬件結構如圖1所示。

FPGA采用XILINX公司SPARTAN3系列的XC3S200A，環回控制芯片采用MAXIM公司的MAX9152，FPGA是整個保護電路的核心部分，主要通過采集到的激光器SD信號，根據內部生成的狀態機，來決定對環回控制芯片采取打開環回或是關閉環回，從而形成對整個環網的保護。

2 FPGA設計

2.1 FPGA功能模塊架構設計

從圖2可以看出，FPGA內部模塊劃分為SD信號處理模塊、激光器使能模塊、環回控制處理模塊、狀態機模塊、計數器模塊共5個處理模塊。狀態機模塊是整個功能模塊的核心部分，SD信號處理模塊對采集到的SD信號進行濾波處理后提供給狀態機模塊，狀態機模塊根據SD信號的狀態來判斷設備所處的狀態，進而通過環回控制處理模塊和激光器使能模塊來實現整個網絡的保護功能。

2.2 環網保護的時序圖

環網保護的拓撲圖如圖3所示，設備1和設備3之間通信，A發B收順時針方向為主用通道，B發A收逆時針方向為備用通道，在光纖沒有斷開的情況下，業務都是在主用通道上傳輸的，備用通道上可以傳一些額外業務。

以設備2和設備3為例，當光纖被切斷時，設備2和設備3環回控制芯片分別進行環回，如圖4所示，設備1發送的業務利用備用通道形成保護環傳輸給設備3，設備3發送業務不受影響，仍然走主用通道傳輸給設備1。

根據不同的使用環境，保護機制需要兼容單纖雙向和雙纖雙向兩種光模塊，當使用單纖雙向的光模塊時，收發同時斷開，當使用雙纖雙向的光模塊時，有可能收發全部斷開，也有可能只斷開單方向的光纖，下面分別對這兩種情況進行分析。

以圖4為例，當只斷開B發A收方向的光纖時，設備2通過檢測SD信號持續5ms的高電平 （有光為低電平，無光為高電平）后，打開環回，并同時將本地的激光器關閉，即進入保護狀態，下面的問題就是如果讓設備3也打開環回從而形成保護環，按照傳統復用段保護機制，可以將設備2的SD信號變化信息通過開銷字節發送給設備3，這就需要CPU參與進來，一方面增加了CPU的負擔，另一方面會增加保護響應的時間，所以，為了讓設備3打開環回，本方案通過利用設備2的FPGA控制光模塊的DISABLE管腳來發送周期為5ms的脈沖序列給設備3，設備3收到信息后，SD信號開始變高，同理，當連續檢測到本地的SD高電平5ms后，打開環回形成保護環，并關閉激光器。

在進入保護狀態5s后，設備2和設備3將本地激光器打開，此時，因為如果斷裂的光纖還沒有修復好，則設備2的SD信號仍然為高，而設備3的SD信號則為低。當設備2在打開激光器3ms內沒有檢測到持續時間超過1ms的有效SD，則將本地激光器關閉。此時設備3因為只接收到了3ms的有效SD，仍然達不到持續5ms有效SD的門檻，在檢測到無效5ms的SD后也將本地的激光器關閉。在整個操作過程中環回始終保持不變。設備2和設備3每隔5s就重復一次上述操作。

當斷裂的光纖得到修復后，則兩個設備的SD信號都為低，因為在打開激光器3ms內肯定能檢測到持續時間超過1ms的有效SD信號，所以本地的激光器不會在中途被關閉。當兩個設備檢測到持續時間超過5ms的有效SD后，等待5s再取消環回，網絡隨之恢復到正常拓撲結構，從保護狀態切換到正常狀態，具體的時序圖如圖5所示。

同理，當2個方向的光纖全部斷開時，SD信號一直為高，設備2和設備3通過檢測SD信號的變化后，均打開環回，形成保護環，由于光纖是同時斷開的，所以設備2和設備3同時會產生發出周期約為5ms的脈沖序列，但此時由于光纖是斷開的，所以兩端是收不到信號的，，計數器產生的脈沖信號會對自身的SD信號一直保持采樣，在光纖恢復后，激光器一直打開，光纖恢復5s后，環回取消，具體的時序如圖6所示。

3 結語

本文針對SDH環網拓撲設計了一種基于FPGA技術來實現環網保護的方案，從硬件和FPGA架構兩方面闡述，該方案設計原理簡單，實用性強，充分利用FPGA靈活可編程的特點，并已成功用于某高速公路監控項目，且運行穩定，可以很好的滿足環網拓撲對保護功能的需求。

[參考文獻]

[1]鄧忠禮.光同步傳送網和波分復用系統SDH&WDM[M].北京：清華大學出版社，北方交通大學出版社，2003.

[2]韋樂平.光同步數字傳輸網[M].北京：人民郵電出版社，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