基于FPGA的SDH環(huán)網(wǎng)保護(hù)設(shè)計(jì)

黃玉剛

摘 要：文章提出了一種基于FPGA技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)SDH環(huán)網(wǎng)保護(hù)的方法，其核心是根據(jù)本地光模塊的SD信號(hào)，由FPGA內(nèi)部的狀態(tài)機(jī)來(lái)控制環(huán)回芯片，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)的功能。該設(shè)計(jì)硬件架構(gòu)簡(jiǎn)單，恢復(fù)時(shí)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(huán)網(wǎng)拓?fù)鋵?duì)保護(hù)功能的需求。

關(guān)鍵詞：FPGA；環(huán)網(wǎng)保護(hù)；SDH；SD；狀態(tài)機(jī)

SDH是當(dāng)前光纖通信網(wǎng)絡(luò)主要的傳輸體制，SDH設(shè)備被大量應(yīng)用于傳輸網(wǎng)絡(luò)中。隨著SDH設(shè)備傳輸?shù)男畔⒃絹?lái)越多，傳輸信號(hào)的速率越來(lái)越快，一旦網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，難以避免的將對(duì)整個(gè)社會(huì)造成極大的損壞，因此網(wǎng)絡(luò)的自愈能力就顯得尤為重要。SDH自愈環(huán)可以劃分為兩大類，即通道倒換環(huán)和復(fù)用段倒換環(huán)，對(duì)于通道倒換環(huán)，業(yè)務(wù)量的保護(hù)是以通道為基礎(chǔ)的，倒換與否按離開環(huán)的每一個(gè)別通道信號(hào)質(zhì)量的優(yōu)劣而定，通常利用簡(jiǎn)單的通道AIS信號(hào)來(lái)決定是否應(yīng)進(jìn)行倒換，通常保護(hù)通道也要傳主用業(yè)務(wù)（1+1保護(hù)），信道利用率不高，對(duì)于復(fù)用段倒換環(huán)，業(yè)務(wù)量的保護(hù)是以復(fù)用段為基礎(chǔ)的，倒換與否按每一對(duì)節(jié)點(diǎn)間的復(fù)用段信號(hào)質(zhì)量的優(yōu)劣而定，倒換是由K1、K2字節(jié)所攜帶的APS協(xié)議來(lái)啟動(dòng)的，當(dāng)復(fù)用段出問(wèn)題時(shí)，整個(gè)節(jié)點(diǎn)間的復(fù)用段業(yè)務(wù)信號(hào)都轉(zhuǎn)向保護(hù)環(huán)。主用信道傳主用業(yè)務(wù) 備用信道傳額外業(yè)務(wù)（1：1保護(hù)），信道利用率高，由于中間的控制過(guò)程較多，增加了保護(hù)響應(yīng)的時(shí)間（ITU-T規(guī)定為50ms 以內(nèi)），針對(duì)上面提到的問(wèn)題，本文提出了一種基于FPGA技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)SDH環(huán)網(wǎng)保護(hù)的方案。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

FPGA采用XILINX公司SPARTAN3系列的XC3S200A，環(huán)回控制芯片采用MAXIM公司的MAX9152，F(xiàn)PGA是整個(gè)保護(hù)電路的核心部分，主要通過(guò)采集到的激光器SD信號(hào)，根據(jù)內(nèi)部生成的狀態(tài)機(jī)，來(lái)決定對(duì)環(huán)回控制芯片采取打開環(huán)回或是關(guān)閉環(huán)回，從而形成對(duì)整個(gè)環(huán)網(wǎng)的保護(hù)。

2 FPGA設(shè)計(jì)

2.1 FPGA功能模塊架構(gòu)設(shè)計(jì)

從圖2可以看出，F(xiàn)PGA內(nèi)部模塊劃分為SD信號(hào)處理模塊、激光器使能模塊、環(huán)回控制處理模塊、狀態(tài)機(jī)模塊、計(jì)數(shù)器模塊共5個(gè)處理模塊。狀態(tài)機(jī)模塊是整個(gè)功能模塊的核心部分，SD信號(hào)處理模塊對(duì)采集到的SD信號(hào)進(jìn)行濾波處理后提供給狀態(tài)機(jī)模塊，狀態(tài)機(jī)模塊根據(jù)SD信號(hào)的狀態(tài)來(lái)判斷設(shè)備所處的狀態(tài)，進(jìn)而通過(guò)環(huán)回控制處理模塊和激光器使能模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)功能。

2.2 環(huán)網(wǎng)保護(hù)的時(shí)序圖

環(huán)網(wǎng)保護(hù)的拓?fù)鋱D如圖3所示，設(shè)備1和設(shè)備3之間通信，A發(fā)B收順時(shí)針?lè)较驗(yàn)橹饔猛ǖ溃珺發(fā)A收逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)閭溆猛ǖ溃诠饫w沒(méi)有斷開的情況下，業(yè)務(wù)都是在主用通道上傳輸?shù)模瑐溆猛ǖ郎峡梢詡饕恍╊~外業(yè)務(wù)。

以設(shè)備2和設(shè)備3為例，當(dāng)光纖被切斷時(shí)，設(shè)備2和設(shè)備3環(huán)回控制芯片分別進(jìn)行環(huán)回，如圖4所示，設(shè)備1發(fā)送的業(yè)務(wù)利用備用通道形成保護(hù)環(huán)傳輸給設(shè)備3，設(shè)備3發(fā)送業(yè)務(wù)不受影響，仍然走主用通道傳輸給設(shè)備1。

根據(jù)不同的使用環(huán)境，保護(hù)機(jī)制需要兼容單纖雙向和雙纖雙向兩種光模塊，當(dāng)使用單纖雙向的光模塊時(shí)，收發(fā)同時(shí)斷開，當(dāng)使用雙纖雙向的光模塊時(shí)，有可能收發(fā)全部斷開，也有可能只斷開單方向的光纖，下面分別對(duì)這兩種情況進(jìn)行分析。

以圖4為例，當(dāng)只斷開B發(fā)A收方向的光纖時(shí)，設(shè)備2通過(guò)檢測(cè)SD信號(hào)持續(xù)5ms的高電平 （有光為低電平，無(wú)光為高電平）后，打開環(huán)回，并同時(shí)將本地的激光器關(guān)閉，即進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，下面的問(wèn)題就是如果讓設(shè)備3也打開環(huán)回從而形成保護(hù)環(huán)，按照傳統(tǒng)復(fù)用段保護(hù)機(jī)制，可以將設(shè)備2的SD信號(hào)變化信息通過(guò)開銷字節(jié)發(fā)送給設(shè)備3，這就需要CPU參與進(jìn)來(lái)，一方面增加了CPU的負(fù)擔(dān)，另一方面會(huì)增加保護(hù)響應(yīng)的時(shí)間，所以，為了讓設(shè)備3打開環(huán)回，本方案通過(guò)利用設(shè)備2的FPGA控制光模塊的DISABLE管腳來(lái)發(fā)送周期為5ms的脈沖序列給設(shè)備3，設(shè)備3收到信息后，SD信號(hào)開始變高，同理，當(dāng)連續(xù)檢測(cè)到本地的SD高電平5ms后，打開環(huán)回形成保護(hù)環(huán)，并關(guān)閉激光器。

在進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)5s后，設(shè)備2和設(shè)備3將本地激光器打開，此時(shí)，因?yàn)槿绻麛嗔训墓饫w還沒(méi)有修復(fù)好，則設(shè)備2的SD信號(hào)仍然為高，而設(shè)備3的SD信號(hào)則為低。當(dāng)設(shè)備2在打開激光器3ms內(nèi)沒(méi)有檢測(cè)到持續(xù)時(shí)間超過(guò)1ms的有效SD，則將本地激光器關(guān)閉。此時(shí)設(shè)備3因?yàn)橹唤邮盏搅?ms的有效SD，仍然達(dá)不到持續(xù)5ms有效SD的門檻，在檢測(cè)到無(wú)效5ms的SD后也將本地的激光器關(guān)閉。在整個(gè)操作過(guò)程中環(huán)回始終保持不變。設(shè)備2和設(shè)備3每隔5s就重復(fù)一次上述操作。

當(dāng)斷裂的光纖得到修復(fù)后，則兩個(gè)設(shè)備的SD信號(hào)都為低，因?yàn)樵诖蜷_激光器3ms內(nèi)肯定能檢測(cè)到持續(xù)時(shí)間超過(guò)1ms的有效SD信號(hào)，所以本地的激光器不會(huì)在中途被關(guān)閉。當(dāng)兩個(gè)設(shè)備檢測(cè)到持續(xù)時(shí)間超過(guò)5ms的有效SD后，等待5s再取消環(huán)回，網(wǎng)絡(luò)隨之恢復(fù)到正常拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從保護(hù)狀態(tài)切換到正常狀態(tài)，具體的時(shí)序圖如圖5所示。

同理，當(dāng)2個(gè)方向的光纖全部斷開時(shí)，SD信號(hào)一直為高，設(shè)備2和設(shè)備3通過(guò)檢測(cè)SD信號(hào)的變化后，均打開環(huán)回，形成保護(hù)環(huán)，由于光纖是同時(shí)斷開的，所以設(shè)備2和設(shè)備3同時(shí)會(huì)產(chǎn)生發(fā)出周期約為5ms的脈沖序列，但此時(shí)由于光纖是斷開的，所以兩端是收不到信號(hào)的，，計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)會(huì)對(duì)自身的SD信號(hào)一直保持采樣，在光纖恢復(fù)后，激光器一直打開，光纖恢復(fù)5s后，環(huán)回取消，具體的時(shí)序如圖6所示。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)SDH環(huán)網(wǎng)拓?fù)湓O(shè)計(jì)了一種基于FPGA技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)保護(hù)的方案，從硬件和FPGA架構(gòu)兩方面闡述，該方案設(shè)計(jì)原理簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)，充分利用FPGA靈活可編程的特點(diǎn)，并已成功用于某高速公路監(jiān)控項(xiàng)目，且運(yùn)行穩(wěn)定，可以很好的滿足環(huán)網(wǎng)拓?fù)鋵?duì)保護(hù)功能的需求。

[參考文獻(xiàn)]

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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