基于FPGA的SDH環(huán)網(wǎng)保護設(shè)計

黃玉剛

摘 要：文章提出了一種基于FPGA技術(shù)來實現(xiàn)SDH環(huán)網(wǎng)保護的方法，其核心是根據(jù)本地光模塊的SD信號，由FPGA內(nèi)部的狀態(tài)機來控制環(huán)回芯片，從而實現(xiàn)保護的功能。該設(shè)計硬件架構(gòu)簡單，恢復(fù)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(huán)網(wǎng)拓撲對保護功能的需求。

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

SDH是當前光纖通信網(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絹碓蕉?，傳輸信號的速率越來越快，一旦網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，難以避免的將對整個社會造成極大的損壞，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)，對于通道倒換環(huán)，業(yè)務(wù)量的保護是以通道為基礎(chǔ)的，倒換與否按離開環(huán)的每一個別通道信號質(zhì)量的優(yōu)劣而定，通常利用簡單的通道AIS信號來決定是否應(yīng)進行倒換，通常保護通道也要傳主用業(yè)務(wù)（1+1保護），信道利用率不高，對于復(fù)用段倒換環(huán)，業(yè)務(wù)量的保護是以復(fù)用段為基礎(chǔ)的，倒換與否按每一對節(jié)點間的復(fù)用段信號質(zhì)量的優(yōu)劣而定，倒換是由K1、K2字節(jié)所攜帶的APS協(xié)議來啟動的，當復(fù)用段出問題時，整個節(jié)點間的復(fù)用段業(yè)務(wù)信號都轉(zhuǎn)向保護環(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），信道利用率高，由于中間的控制過程較多，增加了保護響應(yīng)的時間（ITU-T規(guī)定為50ms 以內(nèi)），針對上面提到的問題，本文提出了一種基于FPGA技術(shù)來實現(xiàn)SDH環(huán)網(wǎng)保護的方案。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的硬件結(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(jù)內(nèi)部生成的狀態(tài)機，來決定對環(huán)回控制芯片采取打開環(huán)回或是關(guān)閉環(huán)回，從而形成對整個環(huán)網(wǎng)的保護。

2 FPGA設(shè)計

2.1 FPGA功能模塊架構(gòu)設(shè)計

從圖2可以看出，F(xiàn)PGA內(nèi)部模塊劃分為SD信號處理模塊、激光器使能模塊、環(huán)回控制處理模塊、狀態(tài)機模塊、計數(shù)器模塊共5個處理模塊。狀態(tài)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(tài)機模塊，狀態(tài)機模塊根據(jù)SD信號的狀態(tài)來判斷設(shè)備所處的狀態(tài)，進而通過環(huán)回控制處理模塊和激光器使能模塊來實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)的保護功能。

2.2 環(huán)網(wǎng)保護的時序圖

環(huán)網(wǎng)保護的拓撲圖如圖3所示，設(shè)備1和設(shè)備3之間通信，A發(fā)B收順時針方向為主用通道，B發(fā)A收逆時針方向為備用通道，在光纖沒有斷開的情況下，業(yè)務(wù)都是在主用通道上傳輸?shù)?，備用通道上可以傳一些額外業(yè)務(wù)。

以設(shè)備2和設(shè)備3為例，當光纖被切斷時，設(shè)備2和設(shè)備3環(huán)回控制芯片分別進行環(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(fā)同時斷開，當使用雙纖雙向的光模塊時，有可能收發(fā)全部斷開，也有可能只斷開單方向的光纖，下面分別對這兩種情況進行分析。

以圖4為例，當只斷開B發(fā)A收方向的光纖時，設(shè)備2通過檢測SD信號持續(xù)5ms的高電平 （有光為低電平，無光為高電平）后，打開環(huán)回，并同時將本地的激光器關(guān)閉，即進入保護狀態(tài)，下面的問題就是如果讓設(shè)備3也打開環(huán)回從而形成保護環(huán)，按照傳統(tǒng)復(fù)用段保護機制，可以將設(shè)備2的SD信號變化信息通過開銷字節(jié)發(fā)送給設(shè)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(yīng)的時間，所以，為了讓設(shè)備3打開環(huán)回，本方案通過利用設(shè)備2的FPGA控制光模塊的DISABLE管腳來發(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信號開始變高，同理，當連續(xù)檢測到本地的SD高電平5ms后，打開環(huán)回形成保護環(huán)，并關(guān)閉激光器。

在進入保護狀態(tài)5s后，設(shè)備2和設(shè)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(fù)好，則設(shè)備2的SD信號仍然為高，而設(shè)備3的SD信號則為低。當設(shè)備2在打開激光器3ms內(nèi)沒有檢測到持續(xù)時間超過1ms的有效SD，則將本地激光器關(guān)閉。此時設(shè)備3因為只接收到了3ms的有效SD，仍然達不到持續(xù)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(guān)閉。在整個操作過程中環(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。

當斷裂的光纖得到修復(fù)后，則兩個設(shè)備的SD信號都為低，因為在打開激光器3ms內(nèi)肯定能檢測到持續(xù)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(guān)閉。當兩個設(shè)備檢測到持續(xù)時間超過5ms的有效SD后，等待5s再取消環(huán)回，網(wǎng)絡(luò)隨之恢復(fù)到正常拓撲結(jié)構(gòu)，從保護狀態(tài)切換到正常狀態(tài)，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(shè)備2和設(shè)備3通過檢測SD信號的變化后，均打開環(huán)回，形成保護環(huán)，由于光纖是同時斷開的，所以設(shè)備2和設(shè)備3同時會產(chǎn)生發(fā)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(shù)器產(chǎn)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(fù)后，激光器一直打開，光纖恢復(fù)5s后，環(huán)回取消，具體的時序如圖6所示。

3 結(jié)語

本文針對SDH環(huán)網(wǎng)拓撲設(shè)計了一種基于FPGA技術(shù)來實現(xiàn)環(huán)網(wǎng)保護的方案，從硬件和FPGA架構(gòu)兩方面闡述，該方案設(shè)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(jiān)控項目，且運行穩(wěn)定，可以很好的滿足環(huán)網(wǎng)拓撲對保護功能的需求。

[參考文獻]

[1]鄧忠禮.光同步傳送網(wǎng)和波分復(fù)用系統(tǒng)SDH&WDM[M].北京：清華大學(xué)出版社，北方交通大學(xué)出版社，2003.

[2]韋樂平.光同步數(shù)字傳輸網(wǎng)[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