WDM网络中保护倒换的设计

2015-01-10李玉行

科技视界 2015年32期

李玉行毕刚

（中国人民解放军91033部队，山东青岛266000）

1 研究背景及意义

光纤通信发展经过40多年的发展与使用，其技术成熟性越来越高，实用性越来越普及，兼之有重量轻、体积小、抗电磁干扰性能好、低损耗、长中继距离、较宽的频带、较大的传输容量等优点，目前，已成为有线传输通信的主流选择。为了更有效地利用光纤通信的高带宽资源，我们可以采用波分复用（WDM）技术。波分复用技术是指在一根光纤中传输的光谱分割成若干不重叠的波长（或频率），其中一个波长对应一个通信信道，而终端得用户可根据自己需要的速率对信号进行处理，而在收、发端增加解复用器和复用器的数量就可以较简单地实现系统的扩容。

波分复用系统中，由于系统传输容量大，所以整个网络的生存性显得非常重要。假设在WDM网络中，某个节点或某段光纤出现故障，那么将影响整个系统工作。网络的生存性应该是一个完整 WDM网络中重要的环节，目的是当网络发生故障时，在没有人为操作的情况下，WDM网络能够继续正常工作。一般来说，针对WDM网络的保护，我们建议采用光层保护，省去了光-电-光的转换，这样可以充分利用带宽资源，降低复杂度，减少了成本。

2 几种常见的保护倒换方式

在WDM环网中，为了增强网络的生存性，我们通常采用保护倒换技术。保护倒换可以简单分为通道保护倒换和线路保护倒换。两种保护倒换技术的区别在于：线路保护技术通常采用公用保护，也就是说，在正常工作时，保护段是空闲的；而通道保护通常采用专用保护，即正常工作时保护段也对业务信号进行传输。而保护倒换具体实施起来又可以分为下面几种：

（1）1+1保护。在WDM系统中，使用两个通道，一根为工作光纤，一根为保护光纤。具体流程为：发端节点发出的光信号进入光分路器，分路传向同一接收节点，接收端选择两者中质量较好的那一路进行通信。若工作光纤遇到故障，则切换至另外一根光纤上。

（2）1：1保护。该结构也使用两个通道，一根为工作光纤，一根为保护光纤。与 1+1保护的不同之处在于，工作光纤在进行传输时，保护光纤位于闲置状态，WDM系统只监测其是否可用。当工作光纤遇到故障，由发端节点与收端节点协调激活保护光纤通道，保护光纤进行正常通信传输。

（3）1：N 保护。在故障率比较低的 WDM 系统中，1+1保护和1：1保护方式需要提供与系统相当的资源，这样的话，降低了整个系统的资源利用率。而1：N(或 M：N)保护工作方式与 1：1类似，就是N个系统共享1个（或M个）保护光纤。但这种结构也有明显的缺点，当保护光纤被全部占用时，就无法对其它工作光纤提供保护。

3 WDM环网故障分析与倒换依据

在WDM光网络中，常见系统故障以硬件故障为主，主要是节点间的链路（光纤线路）故障、连接节点的设备故障。一般情况下，WDM网络中的复用器、解复用器等无源器件的使用寿命比较高（除非物理损伤）；而随着技术发展，常用的有源器件如光放大器（EDFA）的泵浦光源的寿命一般在30万个小时以上，所以EDFA出现故障的几率也比较低。系统的软故障，即系统里的器件性能的降低，比如激光器温度漂移引起的光功率波动、光纤的损耗变大等，这些对系统的影响虽然比较小，但是这些仍然要引起维护人员的注意。因此，我们可以得出结论，网络故障最主要的原因就是光纤线路故障。据通信公司的调查数据表明，系统中，光纤线路的故障占全部故障的70%，而由光纤断裂引起的故障又占线路故障的95%以上。对于线路故障，我们首先要判断故障类型，检测故障发生地点，同时采取保护倒换技术恢复通信。

系统保护倒换工作的前提是系统工作时需要满足某种条件才触发保护倒换。目前，常采用误码率检测与光功率检测这两种方法进行检测。误码率检测技术在SDH网络中使用得更多一些，即在SDH帧结构中插入特定字节，然后在接收端进行校验。但是对于透明传输的WDM网络，由于其系统容量特别大，对整个通信业务进行监控的难度太大，所以WDM网络一般不采用误码率的方法，而采用光功率检测的方法。在线路中，光纤断裂首先引起节点光功率降低，所以在某点设置功率检测模块，如果功率低于特定值，系统就启动保护倒换。为了尽量减小对业务的影响，一般我们采用漏光法来检测光功率值。即在工作光纤线路上加装一个特殊的1×2分光器，使其中一路漏出工作光纤用于检测。为了减小漏光法所带来的插入损耗，在工作光纤上应该采用小耦合比的分光器。一般选择了5：95的分光器，也就是将5%的光用于检测，95%的光用于通信。

4 WDM环网中保护倒换的设计

WDM环形网的用户数相对较少，所以保护倒换的设计应该遵循设计简单、响应速度快的原则。本文以4×2（即 4个节点，每个节点 2个用户）WDM环网系统为例，简要介绍其保护倒换的设计。

采用前面提到的几种保护倒换方式，使用响应速度更快的光开关来完成倒换。这是因为在4×2环形网络中，节点之间涉及到波长的复用，如果采用基于信道的保护倒换就会产生波长冲突，继而影响与其他节点的通信。

（1）1+1 保护倒换

1+1保护倒换的保护光纤与工作光纤一样同时进行传输业务。在结构上，可重构型光分插复用器ROADM两侧一个是2×2的光开关，一个是分光器，该分光器负责将ROADM的输出信号馈送至工作光纤和保护光纤）。需要注意的是，在这种倒换方式中，当工作光纤与保护光纤沿相反方向传播时，保护光纤将出现波长冲突。

（2）1：1 保护倒换

1：1保护倒换的保护光纤不传输业务，只有当工作光纤出现故障后，系统才切换到保护光纤。在实际应用中，工作光纤与保护光纤可以同向，可以反向。工作光纤和保护光纤如果同时发生故障，那么系统将不能完成保护倒换。所以工作光纤和保护光纤在实际应用中必须分开铺设。

（3）1：2 保护倒换

该方式采用两工作光纤沿不同的方向进行工作，共享一条保护光纤（方向任意）。与1：1保护倒换相同的是，保护光纤需要与工作光纤分开铺设。

图1 1：1反向倒换结构设计

在4×2（即 4个节点，每个节点 2个用户）WDM环网系统中，我们简要设计了一种基于1：1保护倒换方式的解决方案（如图1所示）。该方案中，工作光纤与保护光纤传输方向相反（实线为工作光纤），使用的光开关包括2×2和1×2，而光功率检测模块（OPD）在不同的位置对系统进行检测。其中：OPD-1对链路进入节点的光功率值进行检测，如果发现异常，则光开关A与光开关D协同工作，启用保护倒换功能，跳过故障区域；OPD-2、3用来检测分光器及WSS故障（出现故障机率小），OPD-2检测出现问题时，光开关A、B一起作用完成倒换；OPD-3检测出现问题时，处理起来相对复杂，主要是考虑到WSS的波长选择输出功能，这时候应该是光开关C、D协调工作，其中光开关C用于将信号导向光滤波器，完成对已经下路的波长阻断功能，然后再将上路的信号与滤波后的信号由耦合器一起输出至工作光纤（光开关D控制）。