SONET原理讲座《UPSR保护》

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5 SONET网元特性

5.8 UPSR保护协议
5.8.1 环自动保护倒换
LAPS（线路自动保护倒换）在发生光纤失效时，通过替换备用光纤来提高传输设备的可靠性，因此点到点的保护系统只能对发生在工作线路上的失效提供保护。
对于那些对工作通道和保护通道同时影响的失效情况，还存在其他的业务恢复方法，DCS能在失效发生时，对业务重新路由，但是DCS业务的重新配置时间太长，不能满足客户实时恢复业务的需求，一对一专用不同路由的通道也可用于保护只有一个通道发生失效的情况，然而，这样需要占用大量的资源，通常运营商是不会接受的。
SONET环结构提供了更优的保护倒换方案，这种方案允许传输线路共享而不再需要在通讯节点之间有专用的保护线路，并且倒换时间在可接受的恢复时间范围内。环的定义是一节点以及这些节点之间互联的通信光纤构成一个闭环。因此不同于线性上下业务的链型结构，节点是通过环型结构来连接的，
SONET 保护环分为两种结构: 线路倒换（BLSR）和通道倒换（UPSR）。对于线路倒换环，输入信号仅在保护环的一个方向传送，只有在发生倒换时信号传送方向才会改变 (1:1 或者 1:N 模式)，保护环失效点两端节点通过信令协议共同完成倒换，缺省的配置是双向业务。对于通道倒换环，业务在环的两个方向上传输 (1+1 模式)。由保护选择器完成保护倒换，而这种保护的最小颗粒就是通道级别，缺省的配置是单向的，但是发生倒换后，部分连接可能是双向的。如果是非恢复模式，那么继续为双向。
双向线路保护倒换环
双向线路保护倒换（BLSR）是根据SONET的线路层缺陷指示信号触发，需要使用信令协议在环上各个节点之间进行通讯共同完成倒换操作。具体细节请参考BLSR章节。
单向通道保护倒换环
单向通道倒换环（UPSR），采用冗余带宽来保护因节点失效或其他失效情况发生影响的业务，UPSR在业务进环节点向环的两个方向双发（桥接）SONET STS 通道信号或 VT 通道信号，在业务出环节点，根据信号质量等级选收一个质量更好的业务。
UPSR 根据STS 或 VT 通道层的缺陷指示信号来触发倒换，倒换层的倒换指示包含通道层缺陷信号 (比如 LOP-P) 和维护信号(比如AIS-P)。倒换通道和其他通道是独立无关的。
(如下图5-1) A到B的业务和B到A的业务在保护环的同一个方向进行传送。第二个光纤沿着相反的方向传送与工作光纤业务的完全相同的业务，这就是双收和1＋1特性。这种方法使用一个光纤来完全保护另一个光纤，这样，在输出节点就有两路信号可以选择。
如果A和B之间的光纤被切断，那么B到A信号在输出节点选择时切换，而B节点不受到影响。注意的是：
a. UPSR倒换只在一端进行，也就是保护倒换只在输出端进行。
b. 这个传输结构从环形变成了一个线性的，并且是双向传输。
另外在正常情况下也可将工作信号配置为双向环，发生倒换时，可能会变成单向结构。
『与SDH的异同』
SDH中也有类似的保护倒换，MSP 就类似于BLSR，SNCP 类似 UPSR，线性MSP类似于LAPS，两个体系的倒换的原理基本相同，其差异主要体现在：
a. BLSR 和 UPSR 的触发条件与 SDH 中的SNCP 和MSP 也有不同
b. BLSR,LAPS 与MSP的K字节有些字节表示含意不同
c. BLSR环支撑VT-access
d. BLSR环有能力在规定的E-NUT通道上载送E-NUT业务
5.8.2 保护倒换-UPSR
1 基本的UPSR操作
UPSR 根据接收端的信号完整性倒来控制保护倒换，信号完整性可根据通道AIS, 通道LOP, UNEQ，以及PDI-P 和比特误码率 (BER)来判断，控制机制简单是UPSR保护的一个重要特性，这种简单的分布控制使多个运营商之间设备的互联变得更方便。 UPSR提供保护，避免业务在断纤情况，或设备故障时受到影响。而且可以被其他网元诸如DCS 等支撑。
图5-2是基本的 UPSR 结构。UPSR环上运载业务的总带宽为OC-N。带宽（这里指时隙）被环上的每个节点共享。在任何一个上下业务的节点的带宽不能再被重用。下图所示的一个节点就是一个ADM，ADM能够支撑保护和不受保护的业务， 以及单双向业务。正常操作时，相同信号在输入节点双发到不同方向的光纤fiber1 和 fiber2，在输出节点能够接收到从环上传送过来的两个信号，通过检测通道AIS, 通道LOP, 和UNEQ，通道误码越限，或通道信号劣化来选收一路信号。在某些情况倒换还需要考虑 PDI-P。
被选收的通道叫激活通道（active path），未选通道叫备用通道（standby path）。如果发生断纤，网元就在受影响的通道插入通道 AIS ，业务出环节点能自动检测并选择质量更好的信号。在倒换过程中，业务会中断，因此需要尽量缩短倒换时间。当保护倒换时，对于每一个受到影响的业务，UPSR网络的就基本上从环形变成线性 (也就是没有环回)。如下图虚线与实线相连构成了原始的环结构。
图 5-3 所示的是ADM设备向环的两个方向双发业务，并从这两个方向接收业务。其中一个接收的业务被选收下来，当此节点监测到激活通道业务质量变坏，自动倒换到备用通道。需要注意的是，尽管节点ADM 能够监测到线路层的缺陷（比如AIS-L），UPSR倒换是根据每个通道的通道缺陷（比如AIS-P）进行倒换的，因为从功能层面上看，AIS-P 或 AIS-V 是在节点内部从 LTE 传送到 PTE的（这只是假设了一般情况，可能有特殊的情况与此不同）。
2 网络应用
1) 局间应用Interoffice Applications
UPSR 能够为局间网络互联提供更可靠更灵活的系统。如图5-4是局点应用的4个中央局 (COs)。在此种应用中，UPSR 依靠ADM（工作在分插信号状态）为每对CO-to-CO 提供了受保护的DS3 通道。如果每对CO-to-CO 需要两个DS3信道，那么传送OC-12 就足够了。
图 5-5  描述的UPSR为3个COs和一个中心局（HUB OFFICE）之间提供受保护的DS3。中心局是图中最顶端的局点，在这种情况下，UPSR被应用到星型的结构中来，环外的业务都是通过中心局来传送，可以使用DCS来处理中心局与外部网路之间的业务传送。中心局从UPSR环上上下业务，UPSR同时提供了将业务传送到环上3个中央局的方法。这样，来自环外部的业务先在UPSR传到 中心局， 再传送到环上的各 中央局 。
2) Dual Homed 应用
图5-6描述一个dual homed 用途的UPSR。图上两个中心局都配置drop-and-continue特性，并且提供了两个外部网络相连的入口。如果一个 中心局出现故障，根据联网的拓扑，可以在另一个 hub上进行恢复。这种配置为UPSR和外部网络之间提供了可靠的传输方式。
3) 广播应用（Broadcast Application）
图5-7说明了采用UPSR是如何建立一个生存能力强的广播结构的，这种结构对于广播图象信息非常有用，在这种结构下，比如，广播业务提供商可以通过最近的中央局将信号传送进入网络，此中央局通过UPSR环将信号传送给环上其他局点，这种机构不但为广播信号传送到多个节点提供了更可靠的传送方式，同时为业务提供商提供了更方便的上业务的局点。在这个结构中，上业务的那个节点的ADM采用了具有分插功能，而环上其他节点的ADM采用了drop-and-continue 功能，上业务的那个节点同样可以进行接收，进而可以监测从环上绕一圈后的信号。
4) 闭环应用 （Loop Application）
图5-8 描述了闭环应用的一个 UPSR网络结构，它与集成数字闭环传输系统（the Integrated Digital Loop Carrier (IDLC) ）系统兼容。在图中，三个远程数字终端设备 (RDT)和中央局的本地交换机进行通信。 RDT通过一些ADM（或相同功能体）连接到UPSR环上。业务通过DS1 或 OC-M (M < N) 接口可以上到环上。通过将链上最后一个ADM与中央局相连，就构成了闭环系统，这样就可以提供远程和中央局之间的可靠的无中断的业务。
5) 环互联Ring Interconnection
在某些应用中，对额外带宽和地理限制的需求导致了UPSR网络与其他网络(如其他UPSR环, BLSR 环和 SONET 网状网络等)互联结构的产生。在某些情况下，UPSRs 之间互联后，必须保证不同环上的倒换控制机制的独立性。
图5-9是 UPSR之间的互联配置，通过两个 UPSRs之间OC-M接口（M<N）的直接连接。互联的两个 UPSRs 可以具备不同的带宽 (OC-N1 和OC-N2)。这个配置两个环能够独立的工作，因为如果环A的光纤被切断而恢复，那么光纤B上没有受到影响。但是网络不能保护因为相连的网元发生故障或者相连ADM之间的连接发生故障而受到影响的业务。
注意，该网络通过在UPSR环互联节点之间添加其他网元或传输设备（比如由ADM 或 DCS组成的链）能够方便的进行扩容。
6) 保护环互联 （Protected Ring Interconnection）
需要注意的是： 术语“保护环互联”仅指UPSR 环通过一对使用drop & continue 特性的互联ADM与其他网络（UPSR环,  BLSR环, 网状网）互联的结构，采用drop & continue 特性使本环的信号可以同时通过两个互联ADM传送到其他网络。UPSR环通过一个互联ADM与其他SONET网络相连，其中这个UPSR环与其他网络之间的连接采用LAPS保护，虽然这种结构也是存在的，但是此处大家认为不属于保护环互联的范畴。
UPSR保护环互联是通过drop-and-continue特性实现的。如图5-10 是两个UPSR环通过保护环互联。这种结构不光提供了两个UPSR自身的保护，也提供了对互联节点的保护，因为在发生这些失效时，两个环之间的业务会自动而且完全受到保护。如图所示，两个环是通过物理上独立的节点互联的，因此，两个环之间还有链路。
下面描述两个环之间的业务传输。业务（DS1级别）从 interoffice 环的最顶端开始，在interoffice 环上传送到指定的互联节点，interoffice 环的连接节点和 access 环的连接节点互联，在两个环之间有两个连接点。一旦业务通过连接节点进入access 环，UPSR就将业务分散到access环上不同用户。两环互联链路使用STS 电口或者OC-M 光口接入方式的光纤。通过SONET接口进行互联，使在SONET 通道开销中传送的告警和维护信号能够保留下来，这对于互联的UPSR环进行正确的保护倒换非常重要。
就装载在STS-1的VT业务来说，interoffice 环最顶端的ADM 沿着 interoffice 环的两个方向 将STS-1传送到指定的服务节点，这些节点具备drop-and-continue 特性，在access 环的相连节点处，装载VT业务的 STS-1被解复用，将STS-1中的VT解到access 环的各个时隙中 。更高速率级别的业务 (比如装载在 STS-1 中的 DS3信号)可以从 interoffice ring直接传送到access ring的用户终端，而无需在相连节点对STS-1 信号进行解复用。
下面来描述drop-and-continue特性的应用。如图 5-10, 经过ADM A 的业务进入到连接节点#1的选择器并且继续传送到节点 #3。相似的，经过 ADM B的业务进入到连接节点 #3 并且继续传送到节点 #1。从节点 #1选收下来的的信号传到节点 #2, 从节点 #3选收下来的信号传送到节点 #4。连接节点 #2 只通过光纤1将选收下来的业务发送到access 环上,而节点 #4 把选收下来的业务只通光纤 2 发送到 access 环。这样，在access ring就传送了两份 原始的VT通道的信号。同理，从access 环用户端传送到interoffice 环的业务，同样会传送到两个具有drop & continue 特性的access 环的连接节点。
7) 逻辑环的应用Logical Ring Applications
逻辑环由从一个源点双发输入信号，经过SONET网络的不同的路由的两条通道传输，在目的点选择信号质量好的一个通道。通道可以是经过如下：物理线性网络, 网状或环状网络。如图 5-11 是一个逻辑环。
图5-12，5-13，5-14 描述了由UPSR保护组成的各种逻辑环构成形式，图5-12 展示了两个互联UPSR环内的逻辑环，这种另外一中在两个互联环之间传送业务的形式，如图5-12, 环间的业务不再占用每个环上的两个连接点的带宽。因此多余的带宽可提供给这两个节点进行点到点的传送。而且，这么一个大的逻辑环 (围绕 interoffice 环和 access 环)连接了中央局和业务下落点（customer）。因此逻辑环和前一节讨论的保护环互联不同。
图5-12 所示的组网能够保护在interoffice 环或 access 环中的单个节点的失效，或者其中一个连接点的失效。在发生失效时，可通过其他非失效节点传送业务来恢复业务。尽管这种结构比较简单，但是在interoffice和 access 环同时发生断纤情况时，可能不能对这种情况进行保护的，这是这种机构的一个比较大的缺点， 同时因为一个中央局一般只有一个业务上下点，这是网络稳定性的另一个缺点。另外，3个环需要一起管理：小的access环，大的Interoffice环，和逻辑环。图5-12 的interoffice 和 access 不再相互独立，也就是access环上的VT通道倒换会引起 interoffice ring 的VT 通道倒换。
图5-13 显示的是一个大逻辑环将最顶端的 interoffice 环的节点和access环上的业务上下点（customer）相连接起来，但是在连接点只使用一对 ADMs。该例子中，从interoffice OC-N 环下落的OC-M信号构成了VT环，这个环可最优传送从interoffice 环到 access 环的多个业务上下点的少量DS1业务。低速的OC-M接口需要具备STS/VT插分能力，以任意在OC-M,OC-N环之间分插STS 和 VT 信号。这可以看做是两个重叠的环，而两个连接节点之间剩余带宽可被两个环共享，必须对这些剩余带宽进行小心规划，因为环的公用业务可能会使用到部分剩余带宽。该结构的缺点和图 5-12 一样，两个环相互影响。
图5-14描述了在OC-12UPSR上传输的OC-3子环，这也是一种逻辑环结构。因为高速环不能直接上下DS1业务，和高速ADM相邻的低速ADM（阴影部分）能上下DS1 业务，也能够提供环操作。
3 倒换条件
AIS-P, LOP-P, PLM-P, UNEQ-P, PDI-P
AIS-V, LOP-V, PLM-V, UNEQ-V
STS通道级别或VT通道级别的误码越限或劣化（SFBER，SDBER）
『与SDH异同』
a. TIM-P不再作为UPSR倒换条件，为什么？
因为J1字节在SONET中是以64字节模式进行传送的，自然发生失配时监测所需要的时间比SDH多8倍，所以在SONET中，规定只需在 100ms 内监测到TIM-P。而UPSR来说，一般的告警监测都必须在10 ~20ms内完成, 所以 TIM-P 不作为倒换条件。
b. PDI-P 作为UPSR的可选倒换条件
PDI-P 为SONET中特有的告警，是用来指示净负荷中的缺陷的个数，比如装载28个VT的STS-1,如果有2个VT有AIS，则可以通过C2字节来表示，具体请参看SONET指南 开销部分章节。
c. 对高阶和低阶的倒换监测时间和完成时间
SDH 中要求倒换必须在50ms内完成
SONET要求倒换在60ms内完成。