光纤通信课程设计（论文）
题目：光纤通信网络环形自愈保护系统的研究系别：计算机与信息工程系
专业：通信技术
行政班级：******
学号： *********
姓名： ***
指导教师：***
2010-1-10
目录
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摘要„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„Ⅲ
Abstract„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„Ⅳ
前言„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1
第一章 自愈环的概念及分类„„„„„„„„„„„„„„„„„2
1.1 自愈环的概念„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2
1.2 自愈环的分类„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2
第二章 通道保护环„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3
2.1 通道保护环„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3
2.2 通道保护环的分类„„„„„„„„„„„„„„„„„„3
2.2.1 二纤单向通道保护环„„„„„„„„„„„„„„„3
2.2.2 二纤双向通道保护环„„„„„„„„„„„„„„„6
第三章 复用段保护环„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7
3.1 复用段保护环„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7
3.2 复用段保护环分类„„„„„„„„„„„„„„„„„„7
3.2.1 二纤单向复用段保护环„„„„„„„„„„„„„„7
3.2.2 四纤双向复用段保护环„„„„„„„„„„„„„„9
3.2.3 双纤双向复用段保护环——双纤共享复用段保护环„„11
结论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„13
参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14
光纤通信网络环形自愈保护系统的研究
摘 要
介绍了光线通信网环形自愈保护系统的几种保护方式，自愈的概念以及单纤双纤保护环、通道保护环、复用段保护环的各自特点和保护原理。自愈是光同步数字传输网中一个突出的优点。它无需人为干涉，网络就能在极短的时间内从故障中自动恢复。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以及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。
关键词：SDH,自愈环，光纤通信，复用段保护环，单纤和双纤保护环
Optical fiber communication network annular self-healing
protection system is studied
Abstract
Introduces the light from the ring network protection system, several ways to protect the concept of self healing and single fiber double fiber protection, channel protection for reuse, and protect the ring characteristics and protection principle. Since the light is a prominent synchronous digital transmission. It without manual intervention, the network can in a very short time automatically restored from failure. Currently, the communication network is gradually towards the direction of evolution of optical network at any time, will transmit arbitrary format, arbitrarily ideal target signal. In the light of the information network transmission capacity, high speed is high, so any network elements in the network of failure will lead to loss of data; the optical network survivability has become the focus of attention. How to realize efficient network protection and restoration, how to realize the network distributed and realize the self-healing protection and protect the bandwidth of the intelligent dynamic allocation, and how to make every protection structure are all future communication network survivability technology development of light.
KEY WORDS: SDH, Self-healing ring, Optical fiber communication，Reuse period of protection, Single fiber for protection and double fiber protection rings
前 言
传统的由PDH传输体制组建的传输网，由于其复用的方式很明显的不能满足信号大容量传输的要求，另外PDH体制的地区性规范也使网络互连增加了难度，由此看出在通信网向大容量、标准化发展的今天，PDH的传输体制已经愈来愈成为现代通信网的瓶颈，制约了传输网向更高的速率发展。
于是美国贝尔通信研究所首先提出了用一整套分等级的标准数字传递结构组成的同步网络（SONET）体制，CCITT于1988年接受了SONET概念，并重命名为同步数字体系（SDH），使其成为不仅适用于光纤传输，也适用于微波和卫星传输的通用技术体制。既然SDH传输体制是PDH传输体制进化而来的，因此它具有PDH体制所无可比拟的优点，它是不同于PDH体制的全新的一代传输体制，与PDH相比在技术体制上进行了根本的变革。 SDH概念的核心是从统一的国家电信网和国际互通的高度来组建数字通信网，是构成综合业务数字网（ISDN），特别是宽带综合业务数字网（B-ISDN）的重要组成部分。因为与传统的PDH体制不同，按SDH组建的网是一个高度统一的、标准化的、智能化的网络，它采用全球统一的接口以实现设备多厂家环境的兼容，在全程全网范围实现高效的协调一致的管理和操作，实现灵活的组网与业务调度，实现网络自愈功能，提高网络资源利用率，由于维护功能的加强大大降低了设备的运行维护费用。
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以及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。
第1章 自愈的概念及分类
1.1 自愈的概念
当今社会各行各业对信息的依赖愈来愈大，要求通信网络能及时准确的传递信息。随着网上传输的信息越来越多，传输信号的速率越来越快，一旦网络出现故障（这是难以避免的，例如土建施工中将光缆挖断），将对整个社会造成极大的损坏。因此网络的生存能力即网络的安全性是当今第一要考虑的问题。
所谓自愈是指在网络发生故障（例如光纤断）时，无需人为干预，网络自动地在极短的时间内（ITU-T规定为50ms以内），使业务自动从故障中恢复传输，使用户几乎感觉不到网络出了故障。其基本原理是网络要具备发现替代传输路由并重新建立通信的能力。替代路由可采用备用设备或利用现有设备中的冗余能力，以满足全部或指定优先级业务的恢复。由上可知网络具有自愈能力的先决条件是有冗余的路由、网元强大的交叉能力以及网元一定的智能。
自愈仅是通过备用信道将失效的业务恢复，而不涉及具体故障的部件和线路的修复或更换，所以故障点的修复仍需人工干预才能完成，就象断了的光缆还需人工接好。
1.2 自愈环的分类
目前环形网络的拓扑结构用得最多，因为环形网具有较强的自愈功能。自愈环的分类可按保护的业务级别、环上业务的方向、网元节点间光纤数来划分。
按环上业务的方向可将自愈环分为单向环和双向环两大类；按网元节点间的光纤数可将自愈环划分为双纤环（一对收/发光纤）和四纤环（两对收发光纤）；按保护的业务级别可将自愈环划分为通道保护环和复用段保护环两大类。
第2章 通道保护环
2.1 通道保护环
对于通道保护环，业务的保护是以通道为基础的，也就是保护的是STM-N信号中的某个VC（某一路PDH信号），倒换与否按环上的某一个别通道信号的传输质量来决定的，通常利用收端是否收到简单的TU-AIS信号来决定该通道是否应进行倒换。例如在STM-16环上，若收端收到第4VC4的第48个TU-12有TU-AIS，那么就仅将该通道切换到备用信道上去。
通道保护环往往是专用保护，在正常情况下保护信道也传主用业务（业务的1＋1保护），信道利用率不高。
2.2 通道保护环分类
2.2.1 二纤单向通道保护环
二纤通道保护环由两根光纤组成两个环，其中一个为主环——S1；
一个为备环——P1。两环的业务流向一定要相反，通道保护环的保护功能是通过网元支路板的“并发选收”功能来实现的，也就是支路板将支路上环业务“并发”到主环S1、备环P1上，两环上业务完全一样且流向相反，平时网元支路板“选收”主环下支路的业务，如图2-1所示。
若环网中网元A与C互通业务，网元A和C都将上环的支路业务
“并发”到环S1和P1上，S1和P1上的所传业务相同且流向相反——S1逆时针，P1为顺时针。在网络正常时，网元A和C都选收主环S1上的业务。那么A与C业务互通的方式是A到C的业务经过网元D穿通，由S1光纤传到C（主环业务）；由P1光纤经过网元B穿通传到C（备环业务）。在网元C支路板“选收”主环S1上的A→C业务，完成网元A到网元C的业务传输。网元C到网元A的业务传输与此类似。
CA
图2-1 二纤单向通道倒换环
当BC光缆段的光纤同时被切断，注意此时网元支路板的并发功能没有改变，也就是此时S1环和P1环上的业务还是一样的。如图2-20所示。
图2-2 二纤单向通道倒换环
我们看看这时网元A与网元C之间的业务如何被保护。网元A到网元C的业务由网元A的支路板并发到S1和P1光纤上，其中S1业务经光纤由网元D穿通传至网元C，P1光纤的业务经网元B穿通，由于B—C间光缆断，所以光纤P1上的业务无法传到网元C，不过由于网元C默认选收主环S1上的业务，这时网元A到网C的业务并未中断，网元C的支路板不进行保护倒换。
网元C的支路板将到网元A的业务并发到S1环和P1环上，其中
P1环上的C到A业务经网元D穿通传到网元A，S1环上的C到A业务，由于B—C间光纤断所以无法传到网元A，网元A默认是选收主环S1上的业务，此时由于S1环上的C→A的业务传不过来，B网元线路w侧产生R-LOS告警，所以往下插全“1”—AIS，这时网元A的支路板就会收到S1环上TU-AIS告警信号。网元A的支路板收到S1光纤上的TU-AIS告警后，立即切换到选收备环P1光纤上的C到A的业务，于是C→A的业务得以恢复，完成环上业务的通道保护，此时网元A的支路板处于通道保护倒换状态——切换到选收备环方式。
网元发生了通道保护倒换后，支路板同时监测主环S1上业务的状态，当连续一段时间（华为的设备是10分钟左右）未发现TU-AIS时，发生切换网元的支路板将选收切回到收主环业务，恢复成正常时的默认状态。
二纤单向通道保护倒换环由于上环业务是并发选收，所以通道业务的保护实际上是1＋1保护。倒换速度快（华为公司设备倒换速度≤15ms），业务流向简捷明了，便于配置维护。缺点是网络的业务容量不大。二纤单向保护环的业务容量恒定是STM-N，与环上的节点数和网元间业务分布无关。为什么？举个例子，当网元A和网元D之间有一业务占用X时隙，由于业务是单向业务，那么A→D的业务占用主环的A—D光缆段的X时隙（占用备环的A—B、B—C、C—D光缆段的X时隙）；D—A的业务占用主环的D—C、C—B、B—A的X时隙（备环的D—A光缆段的X时隙）。也就是说A—D间占X时隙的业务会将环上全部光缆的（主环、备环）X时隙占用，其它业务将不能再使用该时隙（没有时隙重复利用功能）了。这样，当A—D之间的业务为STM-N时，其它网元将不能再互通业务了——即环上无法再增加业务了，因为环上整个STM-N的时隙资源都已被占用，所以单向通道保护环的最大业务容量是STM-N。
二纤单向通道环多用于环上有一站点是业务主站——业务集中站的情况，华为公司设备在目前组网中，二纤单向通道环多用于155、622系统。
2.2.2 二纤双向通道保护环
二纤双向通道保护环网上业务为双向（一致路由），保护机理也是支路的“并发选收”，业务保护是1＋1的，网上业务容量与单向通道保护二纤环相同，但结构更复杂，与二纤单向通道环相比无明显优势，故一般不用这种自愈方式。如图2-30所示。
pti OptiX 2500+
图2-3 OptiX 2500+系统二纤双向通道保护环
第3章 复用段保护环
3.1 复用段保护环
复用段倒换环是以复用段为基础的，倒换与否是根据环上传输的复用段信号的质量决定的。倒换是由K1、K2（b1—b5）字节所携带的APS协议来启动的，当复用段出现问题时，环上整个STM-N或1/2STM-N的业务信号都切换到备用信道上。复用段保护倒换的条件是LOF、LOS、MS-AIS、MS-EXC告警信号。
复用段保护环使用公用保护，正常时主用信道传主用业务，备用信道传额外业务（业务的1：1保护），信道利用率高。
3.2 复用段保护环分类
3.2.1二纤单向复用段环
下面我们讲一讲单向复用段保护倒换环的自愈机理，如图3-1
所示。
图3-1 二纤单向复用段倒换环
若环上网元A与网元C互通业务，构成环的两根光纤S1、P1分别称之为主纤和备纤，上面传送的业务不是1＋1的业务而是1:1的业务——主环S1上传主用业务，备环P1上传备用业务；因此复用段保护环上业务的保护方式为1:1保护，有别于通道保护环。
在环路正常时，网元A往主纤S1上发送到网元C的主用业务，往备纤P1上发送到网元C的备用业务，网元C从主纤上选收主纤S1上来的网元A发来的主用业务，从备纤P1上收网元A发来的备用业务（额外业务），图3-1中只画出了收主用业务的情况。网元C到网元A业务的互通与此类似。
在C—B光缆段间的光纤都被切断时，在故障端点的两网元C、B产生一个环回功能，见图3-1。网元A到网元C的主用业务先由网元A发到S1光纤上，到故障端点站B处环回到P1光纤上，这时P1光纤上的额外业务被清掉，改传网元A到网元C的主用业务，经A、D网元穿通，由P1光纤传到网元C，由于网元C只从主纤S1上提取主用业务，所以这时P1光纤上的网元A到网元C的主用业务在C点处（故障端点站）环回到S1光纤上，网元C从S1光纤上下载网元A到网元C的主用业务。网元C到网元A的主用业务因为C→D→A的主用业务路由未中断，所以C到A的主用业务的传输与正常时无异只不过备用业务此时被清除。
通过这种方式，故障段的业务被恢复，完成业务自愈功能。
二纤单向复用段环的最大业务容量的推算方法与二纤单向通道环类似，只不过是环上的业务是1:1保护的，在正常时备环P1上可传额外业务，
因此二纤单向复用段保护环环的最大业务容量在正常时为2×STM-N（包括了额外业务），发生保护倒换时为1×STM-N。
二纤单向复用段保护环由于业务容量与二纤单向通道保护环相差不大，倒换速率比二纤单向通道环慢，所以优势不明显，在组网时应用不多。
3.2.2 四纤双向复用段保护环
前面讲的三种自愈方式，网上业务的容量与网元节点数无关，随着环上网元的增多，平均每个网元可上/下的最大业务随之减少，网络信道利用率不高。例如二纤单向通道环为STM-16系统时，若环上有16个网元节点，平均每个OptiX 2500+节点最大上/下业务只有一个STM-1，这对资源是很大的浪费。为克服这种情况，出现了四纤双向复用段保护环这种自愈方式，这种自愈方式环上业务量随着网元节点数的增加而增加。如图3-2所示。
STM-N
(a)
(b)
图3-2 四纤双向复用段倒换环
四纤环肯定是由4根光纤组成，这4根光纤分别为S1、P1、S2、P2。其中，S1、S2为主纤传送主用业务；P1、P2为备纤传送备用业务；也就是
说P1、P2光纤分别用来在主纤故障时保护S1、S2上的主用业务。请注意S1、P1、S2、P2光纤的业务流向，S1与S2光纤业务流向相反（一致路由，双向环），S1、P1和S2、P2两对光纤上业务流向也相反，从图3-2（a）可看出S1和P2，S2和P1光纤上业务流向相同（这是以后讲双纤双向复用段环的基础，双纤双向复用段保护环就是因为S1和P2，S2和P1光纤上业务流向相同，才得以将四纤环转化为二纤环）。另外，要注意的是，四纤环上每个网元节点的配置要求是双ADM系统，为什么？因为一个ADM只有东/西两个线路端口（一对收发光纤称之为一个线路端口），而四纤环上的网元节点是东/西向各有两个线路端口，所以要配置成双ADM系统。
在环网正常时，网元A到网元C的主用业务从S1光纤经B网元到网元C，网元C到网元A的业务经S2光纤经网元B到网元A（双向业务）。网元A与网元C的额外业务分别通过P1和P2光纤传送。网元A和网元C通过收主纤上的业务互通两网元之间的主用业务，通过收备纤上的业务互通两网之间的备用业务，见图3-2（a）。
当B—C间光缆段光纤均被切断后，在故障两端的网元B、C的光纤S1和P1、S2和P2有一个环回功能见图3-2（b）（故障端点的网元环回）。这时，网元A到网元C的主用业务沿S1光纤传到B网元处，在此B网元执行环回功能，将S1光纤上的网元A到网元C的主用业务环到P1光纤上传输，P1光纤上的额外业务被中断，经网元A、网元D穿通（其它网元执行穿通功能）传到网元C，在网元C处P1光纤上的业务环回到S1光纤上（故障端点的网元执行环回功能），网元C通过收主纤S1上的业务，接收到网元A到网元C的主用业务。
网元C到网元A的业务先由网元C将其主用业务环到P2光纤上，P2光纤上的额外业务被中断，然后沿P2光纤经过网元D、网元A的穿通传到网元B，在网元B处执行环回功能将P2光纤上的网元C到网元A的主用业务环回到S2光纤上，再由S2光纤传回到网元A，由网元A下主纤S2上的业务。通过这种环回，穿通方式完成了业务的复用段保护，使网络自愈。
四纤双向复用段保护环的业务容量有两种极端方式：一种是环上有一业务集中站，各网元与此站通业务，并无网元间的业务。这时环上的业务量最小为2×STM-N（主用业务）和4×STM-N（包括额外业务）。因为该业
务集中站东西两侧均最多只可通STM-N（主）或2×STM-N（包括额外业务），为什么？由于光缆段的数速级别只有STM-N。另一种情况其环网上只存在相邻网元的业务，不存在跨网元业务。这时每个光缆段均为相邻互通业务的网元专用。相邻网元间的业务不占用其它光缆段的时隙资源，这样各个光缆段都最大传送STM-N（主用）或2×STM-N（包括备用）的业务（时隙可重复利用），而环上的光缆段的个数等于环上网元的节点数，所以这时网络的业务容量达到最大：N×STM-N或2N×STM-N。
尽管复用段环的保护倒换速度要慢于通道环，且倒换时要通过K1、K2字节的APS协议控制，使设备倒换时涉及的单板较多，容易出现故障，但由于双向复用段环最大的优点是网上业务容量大，业务分布越分散，网元节点数越多，它的容量也越大，信道利用率要大大高于通道环，所以双向复用段环得以普遍的应用。
3.2.3 双纤双向复用段保护环——双纤共享复用段保护环
从图3-2（a）中可看到光纤S1和P2，S2和P1上的业务流向相同，那么我们可以使用时分技术将。
这两对光纤合成为两根光纤——S1/P2、S2/P1。这时将每根光纤的前半个时隙（例如STM-16系统为1#—8#STM-1）传送主用业务，后半个时隙（例如STM-16系统的9#—16#STM-1）传送额外业务，也就是说一根光纤的保护时隙用来保护另一根光纤上的主用业务。双纤双向复用段保护环的保护机理如图3-3所示。
图3-3 二纤双向复用段保护环
在环网B—C间光缆段被切断时，网元A到网元C的主用业务沿S1/P2
光纤传到网元B，在网元B处进行环回（故障端点处环回），环回是将S1/P2光纤上S1时隙的业务全部环到S2/P1光纤上的P1时隙上去（例如STM-16系统是将S1/P2光纤上的1#—8#STM-1[VC4]全部环到S2/P1光纤上的9#—16#STM-1[VC4]），此时S2/P1光纤P1时隙上的额外业务被中断。然后沿S2/P1光纤经网元A、网元D穿通传到网元C，在网元C执行环回功能（故障端点站），即将S2/P1光纤上的P1时隙所载的网元A到网元C的主用业务环回到S1/P2的S1时隙，网元C提取该时隙的业务，完成接收网元A到网元C的主用业务。见图3-4。
STM-N
图3-4二纤双向复用段保护环
网元C到网元A的业务先由网元C将网元C到网元A的主用业务S2，环回到S1/P2光纤的P2时隙上，这时P2时隙上的额外业务中断。然后沿S1/P2光纤经网元D、网元A穿通到达网元B，在网元B处执行环回功能——将S1/P2光纤的P2时隙业务环到S2/P1光纤的S2时隙上去，经S2/P1光纤传到网元A落地。
通过以上方式完成了环网在故障时业务的自愈。
双纤双向复用段保护环的业务容量为四纤双向复用段保护环的1/2，即M/2（STM-N）或M×STM-N（包括额外业务），其中M是节点数。
结 论
随着信息时代的来临,通信业务量逐年增长,网络规模不断扩大。sdh技术,以其传输速率高、传输容量大、设备兼容性及自愈能力强、上下电路灵活、测试和管理开销丰富等pdh无法比拟的优越性,已成为电信发展的热点。这意味着越来越多的业务量被集中到更少的路径中,若一根光纤被切断,对通信造成的损失很大,所以对sdh更多的要考虑生存性问题。自愈是生存性网络最突出的特点。这里的自愈,是指网络具有对某些局部失败,无需人为干预就能自动选择替代路由,重新配置业务并建立通信的能力,使用户感觉不到网络曾出现故障，所以凸显出自愈在网络中的重要性。
因此需要我们更加努力地研究，为了网络的更加稳定，在传输信息的过程中能有更大的容量，更快的速率。有个完善的自愈网会有举足轻重的地位。单向通道保护环的最大业务容量是STM-N，双纤双向复用段保护环的业务容量为M/2×STM-N（M是环上节点数）。二纤单向通道保护环无论从控制协议的复杂性，还是操作的复杂性来说，都是各种倒换环中最简单的，由于不涉及APS的协议处理过程，因而业务倒换时间也最短。二纤双向复用段保护环的控制逻辑则是各种倒换环中最复杂的。二纤单向通道保护环仅使用已经完全规定好了的通道AIS信号来决定是否需要倒换，与现行SDH标准完全相容，因而也容易满足多厂家产品兼容性要求。二纤双向复用段保护环使用APS协议决定倒换，而APS协议尚未标准化，所以复用段倒换环目前都不能满足多厂家产品兼容性的要求。
也因此我们需要在兼容性方面和其复杂度方面加大研究力度，争取更好更快的为未来网络的稳定作出一些贡献。
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18 《科技情报开发与经济》2006年03期
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2.2 通道保护环的分类„„„„„„„„„„„„„„„„„„3
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3.2.2 四纤双向复用段保护环„„„„„„„„„„„„„„9
3.2.3 双纤双向复用段保护环——双纤共享复用段保护环„„11
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光纤通信网络环形自愈保护系统的研究
摘 要
介绍了光线通信网环形自愈保护系统的几种保护方式，自愈的概念以及单纤双纤保护环、通道保护环、复用段保护环的各自特点和保护原理。自愈是光同步数字传输网中一个突出的优点。它无需人为干涉，网络就能在极短的时间内从故障中自动恢复。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以及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。
关键词：SDH,自愈环，光纤通信，复用段保护环，单纤和双纤保护环
Optical fiber communication network annular self-healing
protection system is studied
Abstract
Introduces the light from the ring network protection system, several ways to protect the concept of self healing and single fiber double fiber protection, channel protection for reuse, and protect the ring characteristics and protection principle. Since the light is a prominent synchronous digital transmission. It without manual intervention, the network can in a very short time automatically restored from failure. Currently, the communication network is gradually towards the direction of evolution of optical network at any time, will transmit arbitrary format, arbitrarily ideal target signal. In the light of the information network transmission capacity, high speed is high, so any network elements in the network of failure will lead to loss of data; the optical network survivability has become the focus of attention. How to realize efficient network protection and restoration, how to realize the network distributed and realize the self-healing protection and protect the bandwidth of the intelligent dynamic allocation, and how to make every protection structure are all future communication network survivability technology development of light.
KEY WORDS: SDH, Self-healing ring, Optical fiber communication，Reuse period of protection, Single fiber for protection and double fiber protection rings
前 言
传统的由PDH传输体制组建的传输网，由于其复用的方式很明显的不能满足信号大容量传输的要求，另外PDH体制的地区性规范也使网络互连增加了难度，由此看出在通信网向大容量、标准化发展的今天，PDH的传输体制已经愈来愈成为现代通信网的瓶颈，制约了传输网向更高的速率发展。
于是美国贝尔通信研究所首先提出了用一整套分等级的标准数字传递结构组成的同步网络（SONET）体制，CCITT于1988年接受了SONET概念，并重命名为同步数字体系（SDH），使其成为不仅适用于光纤传输，也适用于微波和卫星传输的通用技术体制。既然SDH传输体制是PDH传输体制进化而来的，因此它具有PDH体制所无可比拟的优点，它是不同于PDH体制的全新的一代传输体制，与PDH相比在技术体制上进行了根本的变革。 SDH概念的核心是从统一的国家电信网和国际互通的高度来组建数字通信网，是构成综合业务数字网（ISDN），特别是宽带综合业务数字网（B-ISDN）的重要组成部分。因为与传统的PDH体制不同，按SDH组建的网是一个高度统一的、标准化的、智能化的网络，它采用全球统一的接口以实现设备多厂家环境的兼容，在全程全网范围实现高效的协调一致的管理和操作，实现灵活的组网与业务调度，实现网络自愈功能，提高网络资源利用率，由于维护功能的加强大大降低了设备的运行维护费用。
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以及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。
第1章 自愈的概念及分类
1.1 自愈的概念
当今社会各行各业对信息的依赖愈来愈大，要求通信网络能及时准确的传递信息。随着网上传输的信息越来越多，传输信号的速率越来越快，一旦网络出现故障（这是难以避免的，例如土建施工中将光缆挖断），将对整个社会造成极大的损坏。因此网络的生存能力即网络的安全性是当今第一要考虑的问题。
所谓自愈是指在网络发生故障（例如光纤断）时，无需人为干预，网络自动地在极短的时间内（ITU-T规定为50ms以内），使业务自动从故障中恢复传输，使用户几乎感觉不到网络出了故障。其基本原理是网络要具备发现替代传输路由并重新建立通信的能力。替代路由可采用备用设备或利用现有设备中的冗余能力，以满足全部或指定优先级业务的恢复。由上可知网络具有自愈能力的先决条件是有冗余的路由、网元强大的交叉能力以及网元一定的智能。
自愈仅是通过备用信道将失效的业务恢复，而不涉及具体故障的部件和线路的修复或更换，所以故障点的修复仍需人工干预才能完成，就象断了的光缆还需人工接好。
1.2 自愈环的分类
目前环形网络的拓扑结构用得最多，因为环形网具有较强的自愈功能。自愈环的分类可按保护的业务级别、环上业务的方向、网元节点间光纤数来划分。
按环上业务的方向可将自愈环分为单向环和双向环两大类；按网元节点间的光纤数可将自愈环划分为双纤环（一对收/发光纤）和四纤环（两对收发光纤）；按保护的业务级别可将自愈环划分为通道保护环和复用段保护环两大类。
第2章 通道保护环
2.1 通道保护环
对于通道保护环，业务的保护是以通道为基础的，也就是保护的是STM-N信号中的某个VC（某一路PDH信号），倒换与否按环上的某一个别通道信号的传输质量来决定的，通常利用收端是否收到简单的TU-AIS信号来决定该通道是否应进行倒换。例如在STM-16环上，若收端收到第4VC4的第48个TU-12有TU-AIS，那么就仅将该通道切换到备用信道上去。
通道保护环往往是专用保护，在正常情况下保护信道也传主用业务（业务的1＋1保护），信道利用率不高。
2.2 通道保护环分类
2.2.1 二纤单向通道保护环
二纤通道保护环由两根光纤组成两个环，其中一个为主环——S1；
一个为备环——P1。两环的业务流向一定要相反，通道保护环的保护功能是通过网元支路板的“并发选收”功能来实现的，也就是支路板将支路上环业务“并发”到主环S1、备环P1上，两环上业务完全一样且流向相反，平时网元支路板“选收”主环下支路的业务，如图2-1所示。
若环网中网元A与C互通业务，网元A和C都将上环的支路业务
“并发”到环S1和P1上，S1和P1上的所传业务相同且流向相反——S1逆时针，P1为顺时针。在网络正常时，网元A和C都选收主环S1上的业务。那么A与C业务互通的方式是A到C的业务经过网元D穿通，由S1光纤传到C（主环业务）；由P1光纤经过网元B穿通传到C（备环业务）。在网元C支路板“选收”主环S1上的A→C业务，完成网元A到网元C的业务传输。网元C到网元A的业务传输与此类似。
CA
图2-1 二纤单向通道倒换环
当BC光缆段的光纤同时被切断，注意此时网元支路板的并发功能没有改变，也就是此时S1环和P1环上的业务还是一样的。如图2-20所示。
图2-2 二纤单向通道倒换环
我们看看这时网元A与网元C之间的业务如何被保护。网元A到网元C的业务由网元A的支路板并发到S1和P1光纤上，其中S1业务经光纤由网元D穿通传至网元C，P1光纤的业务经网元B穿通，由于B—C间光缆断，所以光纤P1上的业务无法传到网元C，不过由于网元C默认选收主环S1上的业务，这时网元A到网C的业务并未中断，网元C的支路板不进行保护倒换。
网元C的支路板将到网元A的业务并发到S1环和P1环上，其中
P1环上的C到A业务经网元D穿通传到网元A，S1环上的C到A业务，由于B—C间光纤断所以无法传到网元A，网元A默认是选收主环S1上的业务，此时由于S1环上的C→A的业务传不过来，B网元线路w侧产生R-LOS告警，所以往下插全“1”—AIS，这时网元A的支路板就会收到S1环上TU-AIS告警信号。网元A的支路板收到S1光纤上的TU-AIS告警后，立即切换到选收备环P1光纤上的C到A的业务，于是C→A的业务得以恢复，完成环上业务的通道保护，此时网元A的支路板处于通道保护倒换状态——切换到选收备环方式。
网元发生了通道保护倒换后，支路板同时监测主环S1上业务的状态，当连续一段时间（华为的设备是10分钟左右）未发现TU-AIS时，发生切换网元的支路板将选收切回到收主环业务，恢复成正常时的默认状态。
二纤单向通道保护倒换环由于上环业务是并发选收，所以通道业务的保护实际上是1＋1保护。倒换速度快（华为公司设备倒换速度≤15ms），业务流向简捷明了，便于配置维护。缺点是网络的业务容量不大。二纤单向保护环的业务容量恒定是STM-N，与环上的节点数和网元间业务分布无关。为什么？举个例子，当网元A和网元D之间有一业务占用X时隙，由于业务是单向业务，那么A→D的业务占用主环的A—D光缆段的X时隙（占用备环的A—B、B—C、C—D光缆段的X时隙）；D—A的业务占用主环的D—C、C—B、B—A的X时隙（备环的D—A光缆段的X时隙）。也就是说A—D间占X时隙的业务会将环上全部光缆的（主环、备环）X时隙占用，其它业务将不能再使用该时隙（没有时隙重复利用功能）了。这样，当A—D之间的业务为STM-N时，其它网元将不能再互通业务了——即环上无法再增加业务了，因为环上整个STM-N的时隙资源都已被占用，所以单向通道保护环的最大业务容量是STM-N。
二纤单向通道环多用于环上有一站点是业务主站——业务集中站的情况，华为公司设备在目前组网中，二纤单向通道环多用于155、622系统。
2.2.2 二纤双向通道保护环
二纤双向通道保护环网上业务为双向（一致路由），保护机理也是支路的“并发选收”，业务保护是1＋1的，网上业务容量与单向通道保护二纤环相同，但结构更复杂，与二纤单向通道环相比无明显优势，故一般不用这种自愈方式。如图2-30所示。
pti OptiX 2500+
图2-3 OptiX 2500+系统二纤双向通道保护环
第3章 复用段保护环
3.1 复用段保护环
复用段倒换环是以复用段为基础的，倒换与否是根据环上传输的复用段信号的质量决定的。倒换是由K1、K2（b1—b5）字节所携带的APS协议来启动的，当复用段出现问题时，环上整个STM-N或1/2STM-N的业务信号都切换到备用信道上。复用段保护倒换的条件是LOF、LOS、MS-AIS、MS-EXC告警信号。
复用段保护环使用公用保护，正常时主用信道传主用业务，备用信道传额外业务（业务的1：1保护），信道利用率高。
3.2 复用段保护环分类
3.2.1二纤单向复用段环
下面我们讲一讲单向复用段保护倒换环的自愈机理，如图3-1
所示。
图3-1 二纤单向复用段倒换环
若环上网元A与网元C互通业务，构成环的两根光纤S1、P1分别称之为主纤和备纤，上面传送的业务不是1＋1的业务而是1:1的业务——主环S1上传主用业务，备环P1上传备用业务；因此复用段保护环上业务的保护方式为1:1保护，有别于通道保护环。
在环路正常时，网元A往主纤S1上发送到网元C的主用业务，往备纤P1上发送到网元C的备用业务，网元C从主纤上选收主纤S1上来的网元A发来的主用业务，从备纤P1上收网元A发来的备用业务（额外业务），图3-1中只画出了收主用业务的情况。网元C到网元A业务的互通与此类似。
在C—B光缆段间的光纤都被切断时，在故障端点的两网元C、B产生一个环回功能，见图3-1。网元A到网元C的主用业务先由网元A发到S1光纤上，到故障端点站B处环回到P1光纤上，这时P1光纤上的额外业务被清掉，改传网元A到网元C的主用业务，经A、D网元穿通，由P1光纤传到网元C，由于网元C只从主纤S1上提取主用业务，所以这时P1光纤上的网元A到网元C的主用业务在C点处（故障端点站）环回到S1光纤上，网元C从S1光纤上下载网元A到网元C的主用业务。网元C到网元A的主用业务因为C→D→A的主用业务路由未中断，所以C到A的主用业务的传输与正常时无异只不过备用业务此时被清除。
通过这种方式，故障段的业务被恢复，完成业务自愈功能。
二纤单向复用段环的最大业务容量的推算方法与二纤单向通道环类似，只不过是环上的业务是1:1保护的，在正常时备环P1上可传额外业务，
因此二纤单向复用段保护环环的最大业务容量在正常时为2×STM-N（包括了额外业务），发生保护倒换时为1×STM-N。
二纤单向复用段保护环由于业务容量与二纤单向通道保护环相差不大，倒换速率比二纤单向通道环慢，所以优势不明显，在组网时应用不多。
3.2.2 四纤双向复用段保护环
前面讲的三种自愈方式，网上业务的容量与网元节点数无关，随着环上网元的增多，平均每个网元可上/下的最大业务随之减少，网络信道利用率不高。例如二纤单向通道环为STM-16系统时，若环上有16个网元节点，平均每个OptiX 2500+节点最大上/下业务只有一个STM-1，这对资源是很大的浪费。为克服这种情况，出现了四纤双向复用段保护环这种自愈方式，这种自愈方式环上业务量随着网元节点数的增加而增加。如图3-2所示。
STM-N
(a)
(b)
图3-2 四纤双向复用段倒换环
四纤环肯定是由4根光纤组成，这4根光纤分别为S1、P1、S2、P2。其中，S1、S2为主纤传送主用业务；P1、P2为备纤传送备用业务；也就是
说P1、P2光纤分别用来在主纤故障时保护S1、S2上的主用业务。请注意S1、P1、S2、P2光纤的业务流向，S1与S2光纤业务流向相反（一致路由，双向环），S1、P1和S2、P2两对光纤上业务流向也相反，从图3-2（a）可看出S1和P2，S2和P1光纤上业务流向相同（这是以后讲双纤双向复用段环的基础，双纤双向复用段保护环就是因为S1和P2，S2和P1光纤上业务流向相同，才得以将四纤环转化为二纤环）。另外，要注意的是，四纤环上每个网元节点的配置要求是双ADM系统，为什么？因为一个ADM只有东/西两个线路端口（一对收发光纤称之为一个线路端口），而四纤环上的网元节点是东/西向各有两个线路端口，所以要配置成双ADM系统。
在环网正常时，网元A到网元C的主用业务从S1光纤经B网元到网元C，网元C到网元A的业务经S2光纤经网元B到网元A（双向业务）。网元A与网元C的额外业务分别通过P1和P2光纤传送。网元A和网元C通过收主纤上的业务互通两网元之间的主用业务，通过收备纤上的业务互通两网之间的备用业务，见图3-2（a）。
当B—C间光缆段光纤均被切断后，在故障两端的网元B、C的光纤S1和P1、S2和P2有一个环回功能见图3-2（b）（故障端点的网元环回）。这时，网元A到网元C的主用业务沿S1光纤传到B网元处，在此B网元执行环回功能，将S1光纤上的网元A到网元C的主用业务环到P1光纤上传输，P1光纤上的额外业务被中断，经网元A、网元D穿通（其它网元执行穿通功能）传到网元C，在网元C处P1光纤上的业务环回到S1光纤上（故障端点的网元执行环回功能），网元C通过收主纤S1上的业务，接收到网元A到网元C的主用业务。
网元C到网元A的业务先由网元C将其主用业务环到P2光纤上，P2光纤上的额外业务被中断，然后沿P2光纤经过网元D、网元A的穿通传到网元B，在网元B处执行环回功能将P2光纤上的网元C到网元A的主用业务环回到S2光纤上，再由S2光纤传回到网元A，由网元A下主纤S2上的业务。通过这种环回，穿通方式完成了业务的复用段保护，使网络自愈。
四纤双向复用段保护环的业务容量有两种极端方式：一种是环上有一业务集中站，各网元与此站通业务，并无网元间的业务。这时环上的业务量最小为2×STM-N（主用业务）和4×STM-N（包括额外业务）。因为该业
务集中站东西两侧均最多只可通STM-N（主）或2×STM-N（包括额外业务），为什么？由于光缆段的数速级别只有STM-N。另一种情况其环网上只存在相邻网元的业务，不存在跨网元业务。这时每个光缆段均为相邻互通业务的网元专用。相邻网元间的业务不占用其它光缆段的时隙资源，这样各个光缆段都最大传送STM-N（主用）或2×STM-N（包括备用）的业务（时隙可重复利用），而环上的光缆段的个数等于环上网元的节点数，所以这时网络的业务容量达到最大：N×STM-N或2N×STM-N。
尽管复用段环的保护倒换速度要慢于通道环，且倒换时要通过K1、K2字节的APS协议控制，使设备倒换时涉及的单板较多，容易出现故障，但由于双向复用段环最大的优点是网上业务容量大，业务分布越分散，网元节点数越多，它的容量也越大，信道利用率要大大高于通道环，所以双向复用段环得以普遍的应用。
3.2.3 双纤双向复用段保护环——双纤共享复用段保护环
从图3-2（a）中可看到光纤S1和P2，S2和P1上的业务流向相同，那么我们可以使用时分技术将。
这两对光纤合成为两根光纤——S1/P2、S2/P1。这时将每根光纤的前半个时隙（例如STM-16系统为1#—8#STM-1）传送主用业务，后半个时隙（例如STM-16系统的9#—16#STM-1）传送额外业务，也就是说一根光纤的保护时隙用来保护另一根光纤上的主用业务。双纤双向复用段保护环的保护机理如图3-3所示。
图3-3 二纤双向复用段保护环
在环网B—C间光缆段被切断时，网元A到网元C的主用业务沿S1/P2
光纤传到网元B，在网元B处进行环回（故障端点处环回），环回是将S1/P2光纤上S1时隙的业务全部环到S2/P1光纤上的P1时隙上去（例如STM-16系统是将S1/P2光纤上的1#—8#STM-1[VC4]全部环到S2/P1光纤上的9#—16#STM-1[VC4]），此时S2/P1光纤P1时隙上的额外业务被中断。然后沿S2/P1光纤经网元A、网元D穿通传到网元C，在网元C执行环回功能（故障端点站），即将S2/P1光纤上的P1时隙所载的网元A到网元C的主用业务环回到S1/P2的S1时隙，网元C提取该时隙的业务，完成接收网元A到网元C的主用业务。见图3-4。
STM-N
图3-4二纤双向复用段保护环
网元C到网元A的业务先由网元C将网元C到网元A的主用业务S2，环回到S1/P2光纤的P2时隙上，这时P2时隙上的额外业务中断。然后沿S1/P2光纤经网元D、网元A穿通到达网元B，在网元B处执行环回功能——将S1/P2光纤的P2时隙业务环到S2/P1光纤的S2时隙上去，经S2/P1光纤传到网元A落地。
通过以上方式完成了环网在故障时业务的自愈。
双纤双向复用段保护环的业务容量为四纤双向复用段保护环的1/2，即M/2（STM-N）或M×STM-N（包括额外业务），其中M是节点数。
结 论
随着信息时代的来临,通信业务量逐年增长,网络规模不断扩大。sdh技术,以其传输速率高、传输容量大、设备兼容性及自愈能力强、上下电路灵活、测试和管理开销丰富等pdh无法比拟的优越性,已成为电信发展的热点。这意味着越来越多的业务量被集中到更少的路径中,若一根光纤被切断,对通信造成的损失很大,所以对sdh更多的要考虑生存性问题。自愈是生存性网络最突出的特点。这里的自愈,是指网络具有对某些局部失败,无需人为干预就能自动选择替代路由,重新配置业务并建立通信的能力,使用户感觉不到网络曾出现故障，所以凸显出自愈在网络中的重要性。
因此需要我们更加努力地研究，为了网络的更加稳定，在传输信息的过程中能有更大的容量，更快的速率。有个完善的自愈网会有举足轻重的地位。单向通道保护环的最大业务容量是STM-N，双纤双向复用段保护环的业务容量为M/2×STM-N（M是环上节点数）。二纤单向通道保护环无论从控制协议的复杂性，还是操作的复杂性来说，都是各种倒换环中最简单的，由于不涉及APS的协议处理过程，因而业务倒换时间也最短。二纤双向复用段保护环的控制逻辑则是各种倒换环中最复杂的。二纤单向通道保护环仅使用已经完全规定好了的通道AIS信号来决定是否需要倒换，与现行SDH标准完全相容，因而也容易满足多厂家产品兼容性要求。二纤双向复用段保护环使用APS协议决定倒换，而APS协议尚未标准化，所以复用段倒换环目前都不能满足多厂家产品兼容性的要求。
也因此我们需要在兼容性方面和其复杂度方面加大研究力度，争取更好更快的为未来网络的稳定作出一些贡献。
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