一種光傳送網絡線性保護快速控制的通用方案設計與實現

摘要：保護技術是提高網絡生存能力的關鍵技術，研究光傳送網保護機制，提供高質量的設計與實現無疑具有重要的實踐意義。本文提出了一種光傳送網絡線性保護快速控制的通用方案設計，該方案已在FPGA中實現。仿真和測試結果表明，該方案具有優越的快速保護性能。文中重點介紹了如何實現該保護方案的通用化設計，以提高產品質量和減少設計工作量。

關鍵詞：光傳送網；線性保護；通用化設計；FPGA

一、引言

隨著5G大規模商用部署的實現，對于光傳送網（Optical Transport Network，OTN）的帶寬、時延和保護性能提出了更高的要求。保護技術是提高網絡生存能力的關鍵技術，研究OTN保護機制，提高保護的可靠性和快速性，在實踐上有著重要的意義[1]。從保護信號類型上，可分為網絡級保護和設備級保護。網絡級保護主要包括端到端業務電層和光層的保護，設備級保護主要發生在互為保護的設備（例如板卡）之間[2]。從保護實現方式上，可以分為基于軟件的保護方案、基于專用芯片的保護方案和基于FPGA芯片的保護方案。基于軟件的保護方案具有靈活性強的優點，缺點是發生故障切換時間長[3]。基于專用芯片的保護方案優點是功耗低、速度快，缺點是缺乏通信協議演化的靈活性[4]。而基于FPGA芯片的保護方案則結合了二者的優點，將通信協議升級的靈活性和硬件處理的快速性結合起來。本文提出了一種光傳送網絡線性快速保護的通用方案設計與實現機制，將傳統的硬件保護和光通道分組保護有機融合在一起，減少保護倒換時間，更好地滿足低延時、高速率、大帶寬、可靠性等客戶需求。

二、線性自動保護控制通用化設計

（一）線性自動保護控制原理介紹

一個線性1+1保護組包含一個工作通道和一個保護通道。各自通道的信號缺陷信息關聯到各自的SD/SF（Signal Degrade，信號惡化；Signal Fault，信號故障）信號上，并輸入線性保護控制器。同時，它接收對端發送的APS（Automatic Protection Switch，自動保護切換）報文信息。線性保護控制器根據這些輸入信息結合當前狀態，發出倒換命令給倒換控制邏輯做進一步的倒換控制動作，同時向對端發送APS報文信息[5]。其原理如圖1所示。

（二）線性自動保護控制方案設計介紹

本文介紹的線性自動保護控制方案實現功能框圖如圖2所示。該方案可以支持上百個保護組，可以實現快速的保護倒換。同時，它可以適用多種保護場景，并且適配不同外部接口。

一個完整的線性自動保護控制設計包含自動保護主控制模塊（APS master（FSM））、自動保護從控制模塊（APS slaver）、APS代理模塊（APS_agent）和板間控制信息傳輸鏈路模塊（OH_iLink）。其中，各個模塊可以由上層軟件通過內部總線進行配置。各個功能模塊介紹如下：

1.自動保護主控制模塊（APS master（FSM））

自動保護控制主模塊實現ITU-T G.873.1標準[2]中定義的控制功能。根據接收到的SD_SF，APS Msg等信息，結合當前的工作狀態，得出下一工作狀態，并發送APS報文信息，同時向自動保護倒換模塊發送倒換指令。

2.自動保護從控制模塊（APS slaver）

自動保護從控制模塊包括倒換控制模塊（switch_proc）和信號缺陷處理模塊（defect_proc）

（1）倒換控制模塊（switch_proc）

倒換模塊負責根據自動保護控制主模塊或上層軟件下發的命令，打開或關閉接口光模塊。當自動保護控制主模塊發出新的命令時，生成中斷報送上層軟件處理。

在正常情況下，倒換控制模塊接收自動保護控制主模塊發出的倒換指令。但是，如果自動保護控制主模塊沒有在工作或者傳遞倒換指令的板間控制信息傳輸鏈路中斷，倒換模塊將恢復到工作正常模式。

（2）信號缺陷處理模塊（defect_proc）

信號缺陷處理模塊可以用于檢測、收集和過濾信號缺陷。來自各板間信號缺陷處理模塊處理后的故障會被匯集到保護板上的信號缺陷處理模塊，產生的SD/SF信號輸出到自動保護控制主模塊。這些信號缺陷可以來自業務芯片、可檢測的本地信號以及由上層軟件查詢的信號。

（3）APS報文信息處理模塊（APS_oh_proc）

負責提取和插入業務處理模塊APS報文信息。

3.APS代理模塊（APS_agent）

負責多個APS slaver和APS master之間保護信息的匯集和分發。

4.板間控制信息傳輸鏈路模塊（OH_iLink）

通過板間控制信息傳輸鏈路，各板間可以共享保護相關信息（APS_Msg，SD_SF，switch）。APS IP（intellectual property）知識產權模塊2#～n#具備類似上述模塊功能。

（三）保護控制方案通用化設計

1.通用化設計

通用化設計不僅可以減少設計工作量，還能提高設計質量，是產品取得成功的重要技術之一。本保護控制方案除了參數定制化外，還通過以下方式來實現通用化設計。

（1）多保護組和多通道的通用化設計

將各通道虛擬成邏輯通道，通過映射配置將物理通道和邏輯通道綁定。一個保護組可以分成工作和保護兩個通道，通過映射配置綁定保護組通道與邏輯通道。以信號缺陷傳送為例，示意圖如圖3所示。這樣，上層軟件可以對資源進行靈活分配和管理。不同應用場景中，業務芯片接口會有不同，這時只需要適配物理通道接口即可，不需要對整個IP內部做任何改動。

（2）將保護功能分解成自動保護主控制模塊和自動保護從控制模塊

自動保護主控制模塊和自動保護從控制模塊通過APS代理模塊和板間控制信息傳輸鏈路模塊實現相互通信。所有自動保護從控制模塊與主模塊之間通信路徑幾乎相同，從設計上消除多路徑延時差。

（3）倒換控制模塊通用化設計

在倒換控制模塊中，既可以直接對光模塊進行控制，也可以通過中斷通知軟件進行控制。在直接對光模塊進行控制的情況下，引入真值表設計（如表1所示），實現多控制輸入與單控制輸出的靈活配置，實現對光模塊控制的通用化設計，如圖4所示。

（4）板間控制信息傳輸鏈路模塊通用化設計

在一些應用情況下，一個板卡會與網元內其他多塊板卡一起協同工作，因此會存在多條板間控制信息傳輸鏈路[6]。本板控制信息可以廣播到多條鏈路上。內部鏈路通過交叉設計，可以連接到任意物理傳輸鏈路上，也可以環回，從而實現控制信息傳輸鏈路的物理解耦。

2.通用化設計應用場景舉例

通過通用化設計，該保護方案可以適用多種保護場景，如SNCP（Subnetwork Connection Protection，子網連接保護），Y-cable，OPSB（Optical Protection Switch Card，光保護倒換卡）等。接下來，將介紹這些應用。

（1）SNCP保護方案

在SNCP保護方案中，如圖5所示，用戶信道接入線路側網元交換芯片后分成工作（working）通道和保護（protection）通道。這樣只要在接入線路側板卡上配置使能一個完整的保護控制IP（intellectual property，知識產權）即可，工作和保護通道都在一個保護控制從模塊內。網元NE1（Network Element）和NE2構成子網（sub network）連接，客戶設備（client ADM）的發送端（TX）和接收端（RX）分別與網元NE1和網元NE2相連接。

（2）Y-cable保護方案

在Y-cable保護倒換方案中（如圖6所示），不同于SNCP，用戶發送信道（Tx）通過無源分合光器（Splitter/joiner）分成工作（working）通道和保護（protection）通道，接收信道則將工作信道和保護信道合成用戶接收信道（Rx）。這就要求接收時，只能一個通道在工作，另外一個通道必須關閉。

Y-cable保護控制可以配置如下：

保護板上配置使能完整保護控制IP，在工作板上配置使能除自動控制主模塊外的其他功能模塊。工作板上的保護控制從模塊負責將工作通道上的信號缺陷信息通過板間通信鏈路發送到保護板上的工作通道上，同時接收來自保護板上的保護主控制模塊發送過來的倒換指令去控制開關光模塊。保護板上的保護控制從模塊則負責傳送保護通道上的信號缺陷信息和APS報文信息給保護控制主模塊，發送來自主模塊的APS報文信息和根據接收的倒換指令去控制開關本板光模塊。

（3）OPSB保護方案

在OPSB保護方案中，如圖7所示，當通道上有信號缺陷發生時，IO（Input/Output，輸入輸出）板上需要關閉該通道上的光信號，然后通知OPSB板卡進行倒換。

為實現這一功能，可以在IO板（圖中對應working和protection）上進行配置使能完整保護控制IP。使能一個保護組，保護通道懸空默認無信號缺陷，工作通道正常配置。當IO板上檢測到有信號缺陷時，APS主控制模塊會發出倒換命令給倒換控制模塊，關閉與OPSB板卡連接的光模塊，OPSB板卡檢測到該通道無信號，就會進行業務倒換。

（四）保護控制設計方案倒換性能仿真測試

該線性保護方案適合在芯片實現，可以全程硬件控制，實現從輸入信號缺陷到控制輸出的快速倒換。對該Y-cable保護控制方案進行了仿真，該設計最大支持保護組512個，通道1024個。仿真結果如圖8所示，展示了從信號缺陷輸入到倒換控制信號輸出以及中斷產生的各信號時序圖。

圖中external_defects和switch_points為保護控制主模塊的輸入輸出信號，clock為時鐘信號。從圖中可以看出，從保護板保護通道上外部信號缺陷（external_defects）產生到倒換控制開關信號輸出（switch_points）總共時長為3.79ms。這樣的保護倒換時間相對于通信網要求的50ms倒換時間無疑是非常快速的。在產品實際測試中，也同樣體現了保護快速倒換的優越性能。

三、結束語

本文提出的線性保護控制方案通過抽象和虛擬化，以及合理劃分功能模塊的方式，實現了通用化設計，使得同一設計可以適配不同物理接口，并且通過合理配置可以適用多種保護應用場景。通用化設計極大節省了設計工作量，同時可以提高設計質量。該方案已經通過FPGA實現，從仿真和產品測試結果可以看出，該線性保護控制方案可以進行快速保護倒換，性能突出。它被廣泛應用于光傳送網絡產品中，為網絡的可靠運行提供了有力支撐。

參考文獻

[1]ITU-T. G.873.1Optics transport network linear protection， 2011， 1-30.

[2]崔靜，周凱.光線路保護倒換系統在通信網中的應用[J].科學時代，2012（3）：196-198.

[3]王紅，李杰.淺談繼電保護裝置與光通信設備接口互連問題[J].科技信息，2012（33）：404-405.

[4]孫傳見，王煒.光通信設備的運維對光纖差動保護裝置的影響[J].電力系統通信，2007，28（6）：9-11.

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