2007年5月發行
 

同步光纖傳輸網路之保護機制

 

薛寅東

一、說明 

使用同步數位階層光纖網路傳輸比現有的非同步系統提供更強大的網路能力。同步傳輸提供的主要益處包括下列各項: 

1.同步傳送:在同步數位階層光纖網路傳輸中,網路的時序是參考一高穩定度的參照點,因此,不需要去調整數據流或做時序同步,可以存取像E1/DS1等低速率的信號,且要存取位元流也不需做解多工,信號也可以堆疊在一起,不需要位元填充,對於那些參考頻率可能會改變的情況,同步數位階層光纖網路傳輸使用指針,以允許位元流在酬載的包絡裡浮動。同步鐘是指針變化的關鍵,它容許在傳輸包絡中,彈性的分配和調節酬載位置。

2.光埠連接:因為不同廠商的非同步產品間的不同光形式,不可能連接一個廠商的光纖終端設備至另一廠商。同步傳輸的主要價值在於其容許橫跨多家廠商的相容性。他們決定光的線率、波長、功率準位、脈衝波罩及編碼。現今的標準也充分定義了碼框結構、添加信號以及酬載的映像,更進步的已經發展到定義在添加信號通道上的訊息,以加強維運的功能,不論設備由誰製造,同步數位階層光纖網路傳輸容許以光連接各網路提供者,網路提供者可以購買一個廠商的設備,然後方便地在不同業者的所在地或客戶的站台上,與其他廠商的同步傳輸產品介接。

3.彈性架構:大多數的非同步設備只適用於點對點,然而同步傳輸支援線性、星形或環狀的架構,架構的選擇可以允許節點或站台間以單一網路取代個別系統的方式相互通訊,他們可以降低背對背連接纜線的需求,並協助瞭解自我修復的益處。不同的應用容許網路提供者和其顧客更有效地共用同步傳輸的網路資源。

4.電路整理:整理是指合併或分離話務量,使設備的使用更有效率。「合併」是指將不同地點傳來的話務量整合至一台設備;「分離」是將話務量分離。利用現有的系統,麻煩的回程技術也許可以被用來減低重複多工和解多工的費用,整理可以消除如回程等沒有效率的技術,在非同步系統中整理話務量需要昂貴的背對背架構和手動的交接面板或電子交接。相較之下,同步傳輸系統可以分離VC-3/STS-1VC-12/VT1.5階層的話務量,然後傳送至適當的節點。整理也提供分離的服務,舉例而言,在一個連接點上,一條進入的同步傳輸線路包含聲音、資料或影像等各種類型,同步傳輸網路可以方便地分離交換或非交換的話務。

5.進階維運:容許依據單邊維護的哲學來做整合網路的維運。換句話說,一個連接可以到達所有網路元件(在特定的架構中),每個網路單元的個別連接是不需要的。遠端的預備提供了集中式的維護並且降低維護人員旅行的機會,也就達到節省費用的目的。此外,在同步傳輸上,提供真實的添加信號資訊,以便在問題變嚴重之前,快速解決困難和偵測故障。

二、網路架構

1.點對點:同步傳輸多工機充當所有從屬終端的集中點。其最簡單的配置包含兩個以光纖連接的終端多工機,在鏈路中間可以選擇是否要配置再生器,這種規劃即是最簡單的同步傳輸架構。在圖一所顯示的架構中,SDH/SONET路徑和點對點鏈路是相同的,而這個同步島可以在非同步的世界中存在。點對點的服務路徑連結可以橫跨整個網路,並且總是發起及終止於一部多工機上。

圖一       點對點之網路架構

2.線性:在圖二中所顯示的線性(點對多點)架構。同步傳輸塞取式多工機是一個針對這項特性而特別設計的網路元件,它解決現今多工與再解多工之累贅的網路架構。塞取式多工機通常沿著同步傳輸鏈路設置,以方便在網路的中間點增加和刪除從屬通道。

圖二       線性拓樸之網路架構

3.星狀:集線式的架構較點對點的網路更易於容納非預期的成長和改變。在圖三中所顯示的集線式架構將所有話務量集中於一個中央站台,並可以輕易的重新整理電路。這種網路有兩種可能的應用:

(1)使用兩部以上的塞取式多工機,及一套寬頻的交接設備,容許從屬階層交接從屬服務。

(2)使用一套廣頻的數位交接設備,以容許STM-N/OC-N階層及從屬階層的界接服務。

圖三       星狀拓樸之網路架構

4.  環狀:環狀架構的同步傳輸構件為塞取式多工機。多部塞取式多工機可以置放在一個環狀的架構中,以傳送如圖四中所示的雙向或單向話務。環狀拓樸的主要優點是存活的能力。一旦遇到光纖斷線或節點故障,多工機會自動地在不影響間斷的情況下,將服務轉接至替代的路徑上。由於自動恢復、路由分散以及雙重安置的需求,使得同步傳輸環狀變成受歡迎的拓樸。

圖四      環狀拓樸之網路架構

 

三、保護機制

同步傳輸網路最大之功效在於顯著提昇整體網路的可用率與可靠度,導因於採用廣泛的保護機制。同步數位階層與同步光纖網路使用相類似的機制,只是名稱不同。我們將會詳細分別說明,但主要將使用同步光纖網路術語。

 

表一說明不同保護機制的差別,以下將敘述應用於點對點傳輸之不同保護機制之差異,以及如何應用於網路,每種技術可與特定網路層相結合,實際應用包含路徑層與線路層保護機制。相同的,同步數位階層網路亦使用包含通道層與多工層保護機制,路徑層保護機制運作於網路中獨立的路徑或連接,從另一方面來說,線路層保護機制一次操作完成所有的連接,通常並不區分聚合信號中不同的連接型式。

表一       保護機制的比較

Term定義

Protection Scheme保護機制

SONET

SDH

1+1

1+1

1:N

1:N

UPSR

 

 

SNCP

BLSR

MS-SPRing

Type

類型

Dedicated

專屬式

Shared

共享式

Dedicated

專屬式

Dedicated

專屬式

Shared

共享式

Topology

拓樸

Point-to-point

點對點

Point-to-point

點對點

Ring

環狀

Ring/Mesh

環狀/網狀

Ring

環狀

Layer

層級

Line/MS

線路層/多工層

Line/MS

線路層/多工層

Path/-

路徑/-

-/Path

-/路徑

Line/MS

線路層/多工層

 

1.雙點鏈路

兩種基礎的保護機制應用於點對點鏈路:1+1保護與1:1保護或1:N保護;此兩種機制皆於線路層/多工區段層操作。

 

1+1保護下(如圖五所示),通訊同時傳輸於位於源點與目的間之兩個分離之光纖(通常位於不結合之路徑)。採用單向保護開關,目的地保護開關選擇其中一個光纖接收。如果光纖被切斷,目的地保護開關便切換到另一光纖持續接收數據。此種保護方式非常快速且兩節點間不需有信令協定。注意因為連接通常為全雙工,事實上兩節點間為一對光纖,假定節點A與節點B為工作中通訊。一根光纖承載從AB之通訊,另一根光纖則承載從BA之通訊。同樣的,有另一對光纖作為通訊保護用。節點A與節點B接收機獨立運作切換判斷。

圖五        1+1保護切換

 

1:1保護下(如圖六所示),起始點與目的地間仍然有兩條光纖,但是通訊時只使用其中一條光纖,稱之為工作中光纖,如果此光纖中斷,起始點與目的地保護開關將同時切換到另一保護光纖。如我們先前討論,起始點與目的地間需要有稱為自動保護切換協定之信令。因此,1:1保護不如單向的1+1保護資料回復時間快,因為需要加入通訊溝通之負擔。然而,它提供兩項優於1+1保護的優點,第一為在正常操作狀態下,保護的光纖不被使用,所以它可以傳輸較低優先等級之通訊,如果工作中光纖中斷,此較低等級通訊將被中斷。

圖六       1:1保護切換

 

另一個優點為1:1保護可擴充應用於眾多工作光纖共用單一保護光纖,在較通用之1:N保護機制下(如圖七所示),N條工作中光纖分享一條保護光纖,此種安排可以保護任何一條工作中光纖之故障。注意如果遇到多重故障事件,自動保護切換協定需確定只有一條故障光纖之通訊被切換到保護光纖。

圖七        1:N保護切換

 之前我們提及保護如何執行,但是忽略如何引起保護開始切換。在同步傳輸中,輸入信號被持續監控,當線路被偵測到信號失效或信號品質降低等將會啟動保護切換。信號失效代表嚴重故障且通常被檢測為失去接收信號或失去碼框同步。回復時間容許超過六十毫秒,偵測失效與啟動保護開關須於十毫秒內執行。 

2.自我修復環路

環狀為兩連接最簡單之拓樸,也就是在兩節點提供兩分離路徑;除了起始點與目的地,任一路徑不具有共同之節點或連接。這讓環型網路具有失效回復彈性。環型網對於多站點光纖佈局也有效率,使用單一實體環相連接。對比於集中型方式,將在各站台佈放光纖及集線點,且每個站台與集線點間需要各兩分離路由,將造成額外費用支出。 

同步傳輸環被稱之為自我修復,是因為保護機制自動偵測失效,並且將失效之通訊快速避開故障路線和節點,重新指定到其他路由。由同步傳輸塞取多工機完成環路,塞取多工機選擇塞入與取出環內之通訊和保護通訊免於故障。 

不同類型環路架構可區分成兩種觀念:通訊的方向特性與使用之保護機制。單向環只使用單一方向承載工作中通訊(如順時針),如圖八所示。節點A到節點C工作中通訊於環中依照順時針方向承載。節點C到節點A工作中通訊亦依照順時針方向承載在環路中不同之鏈路。雙向環以雙向承載工作。圖九表示四蕊光纖雙向環。節點A到節點C工作中通訊為逆時針方向承載,節點C到節點A工作中通訊則為順時針方向承載。注意包含單向與雙向同步傳輸環,所有的連接都為雙向且於兩個方向使用相同之頻寬量,如先前所討論,連接的兩傳輸方向依照環路型式而有不同之路由。

圖八     兩蕊光纖單向環

圖九       四蕊光纖雙向環

於同步光纖網路中,環狀結構被廣泛地分類為:雙光纖單向路徑切換環、四蕊光纖雙向線路切換環以及兩蕊光纖雙向線路切換環。於同步數位階層中,1+1路徑保護被定義工作於一般網狀拓樸被稱之為子網路連接保護。同步數位階層之四纖多工區段分享保護環與兩纖多工區段分享保護環,與同步光纖網路之四蕊光纖雙向線路切換環和兩蕊光纖雙向線路切換環類似。表二摘要不同類型架構特性,我們將於以下章節中詳細討論。 

表二      不同類型自癒環的比較

Parameter
參數

UPSR
雙纖單向路徑切換環

SNCP
子網路連接保護

2F-BLSR
兩蕊光纖雙向線路切換環

MS-SPRing/2
兩纖多工區段分享保護環

4F-BLSR
四蕊光纖雙向線路切換環

MS-SPRing/4
四纖多工區段分享保護環

Fiber pairs

光纖對數

1

1

2

TX/RX pairs/node

傳送/接收對數/節點

2

2

4

Protection type
保護型式

Dedicated 專屬

Shared 共享

Shared 共享

Protection capacity
保護容量

= Working capacity

工作容量

= Working capacity

工作容量

= Working capacity

工作容量

Link failure
鏈路故障

Path switch

路徑切換

Ring switch

環路切換

Span/ring switch

跨距/環路切換

Node failure
節點故障

Path switch

路徑切換

Ring switch

環路切換

Ring switch

環路切換

Restoration speed
復原速度

Faster 較快

Slower 較慢

Slower 較慢

Implementation
執行

Simple 簡單

Complex 複雜

Complex 複雜

同步傳輸標準規定在同步傳輸環內,服務必須於故障後五十毫秒內回復。此時間包含幾種元件:故障偵測所需時間約有十毫秒。與其他節點發信號所需時間(如需要的話)。包含傳輸延遲、實際切換時間與切換發生後訊框同步所需時間。 

3.單向路徑切換環

圖十所示,一蕊光纖使用為工作中光纖,另一蕊光纖為保護光纖。從節點A到節點C通訊同時以順時針方向於工作中光纖及逆時針方向於保護光纖傳送。每個連接以路徑層提供保護。節點C持續監測包含工作中與保護光纖,並從中選擇品質較好的信號。在正常操作狀態下,節點C接收工作光纖信號,如果發生鏈路故障(如鏈路CD),節點C將切換到保護光纖並持續接收數據。記住保護切換完成是在連接到連接基礎之下,基本上與之前研究的1+1方式類似,除了它工作於環路路徑層而點對點結構為線路層。

圖十        單向路徑切換

此保護機制容易控制發送器、接收機或節點的鏈路故障。它容易安裝且兩節點間不需信令協定或通訊。保護容量需求與工作容量相同,與其他環型結構亦相同。

單向路徑切換環主要缺點為光纖容量不能再利用,因為每個雙向連接用盡環中每個鏈路容量及與其相關專屬的保護頻寬,亦即連接間無法共用保護頻寬。 

單向路徑切換環普遍應用於低速本地交換與接入網路拓樸,特別是由接入節點匯集前端通訊量到在中心局端之集中節點。在這個例子中,我們將看到單向路徑切換環通訊承載量,如同更複雜環路結構加上空間再利用支援能力。這使單向路徑切換環於這樣的應用環境下,因為簡單與低成本而成為廣泛使用的選擇。今天典型的環路速度為STM-1/OC-3STM-4/OC-12。單向路徑切換環在節點數量與路徑長度並無特別限制。實際上,環路長度將會受限於信號有順時針與逆時針不同路徑伴隨之延遲。因此,如果發生故障將影響到恢復時間。

4.雙向線路切換環

如同我們下面篇幅中所說明的,雙向線路切換環較單向路徑切換環複雜並加上額外的保護機制。不像單向路徑切換環工作於線路層或多工區段層,雙向線路切換環於同步數位階層中被稱為多工區段分享保護環。 

兩光纖為工作中光纖,另外兩光纖用來作為保護。不像單向路徑切換環,在雙向線路切換環中,工作訊務能夠雙向承載於環路上,通常通訊路由會採用兩點間較短路徑之路由。但是在某些案例中,通訊會經由較長路由以減少網路壅塞並達到頻寬的有效運用。 

雙向線路切換環最大可支援十六個節點,此數量被稱之為節點識別之四位元長度地址欄位所限制。最大的環路長度限制為1200公里(六毫秒傳輸延時)因為有發生故障時恢復時間之要求。對於長距離環路,特別是越洋應用,六十毫秒回復時間將會放鬆。 

四蕊光纖雙向線路切換環利用兩種型式之保護機制:區間切換和環路切換。在區間切換,如果工作中光纖的傳送器或接收器失效,通訊將會轉接到兩點間同一鏈路之保護光纖上,如圖十一所示。區間切換也適用於當工作中光纖中斷時回復通訊用,保護光纖提供與工作光纖分離之路由,但這不是標準應用。假使有光纖纜線切斷,由環路切換回復原先服務,表示如圖十二。如果CD鏈路失效,在失效鏈路上的通訊將重定由節點CD間路由,透過繞過環路之保護光纖。環路切換保護也可免於節點故障。

圖十一       雙向線路切換-區間切換

圖十二     雙向線路切換-環路切換

兩蕊光纖雙向線路切換環如圖十三所示,可想像如同四蕊光纖雙向線路切換環而具有內嵌於工作光纖之保護光纖,在兩蕊光纖雙向線路切換環,兩光纖都用來傳送工作中通訊,但是每個光纖一半之容量保留為保護之用。不像四蕊光纖雙向線路切換環,區間切換是不可能在這裡實現,當鏈路失效時,在失效鏈路上之通訊會重定路由,經由兩光纖中可用之保護容量恢復服務。就如同點對點鏈路具有1:1保護,雙向線路切換環優點可以運用保護頻寬傳送低優先等級通訊,這些通訊先佔用保留作為服務回復之頻寬。

圖十三      兩蕊光纖雙向線路切換環

 

雙向線路切換環提供空間複用能力,允許保護頻寬被空間上分離的連接所分享,空間複用達成之最佳案例如圖十四表示。

圖十四      雙向線路切換環提供之空間複用能力

如此,雙向線路切換環比單向路徑切換環在保護分離的通訊型態上更有效率。這些效率事實上來自於保護頻寬由所有環路上的連接共享。因此,雙向線路切換環被廣泛部署於長途電路與局間網路,這些服務型態較接入網路分散。今天,這些環路工作速率介於STM-16/OC-48STM-64/OC-192間。大部分的都會運營商部署兩蕊光纖雙向線路切換環,而長途運營商部署四蕊光纖雙向線路切換環。四蕊光纖雙向線路切換環比兩蕊光纖雙向線路切換環能處理更多之故障。舉例來說,四蕊光纖雙向線路切換環能夠同步處理每一個區間內容許有一傳送器故障,並且比兩蕊光纖雙向線路切換環容易提供服務,因為多個區間可獨立服務而不需獲得環路。然而,環路管理在四蕊光纖雙向線路切換環比兩蕊光纖雙向線路切換環更為複雜,因為多種保護機制需要彼此協調。 

雙向線路切換環在架設上比單向路徑切換環複雜,在節點間需要大量的信令,此信令是使用SONET/SDH開銷中的K1/K2字元。 

就如我們先前所見的1:1保護,雙向線路切換環能使用保護頻寬去承載低優先權或額外的通訊。在正常的運作下,這額外的通訊在有障礙發生時丟失。但是這特點需在節點間增加信令以再障礙發生時指示其他節點應該運作於保護模式且放棄低優先權通訊。 

 
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