最终版-郭英超董心雨大

1、分类号TN915密级重庆邮电大学光纤自动切换保护系统的与设计题目Research and Design of Optical Fiber英文题目Auto Switching Protection System郭英超代少升 教授指导教师信号与信息处理学科专业提交日期2013.6.6答辩日期 2013.5.25学院盲审评阅人教授重庆理工大学申 敏教授重庆邮电大学答辩2013 年 6 月6 日独 创 性本人所呈交的是本人在导师指导下进行的工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，中不包含其他或撰写过的成果，也不包含为获得 重庆邮电大学 或其他教育人已经机构的学位或而使用过的

2、材料。与我一同工作的对本做的任何贡已在中作了明确的说明并表示谢意。作者签名：签字日期：年月日使用书本作者完全了解重庆邮电大学有关保留、使用的规定，保留并向国家有关部门或机构送交的复印件和磁盘，允许被查阅和借阅。本人重庆邮电大学可以将的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等保存、汇编学位论文。(的在后适用本书)作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘 要随着高速互联网业务以及数据业务的全面发展，通信业务对传输带宽的需求不断提高，光传输网络的容量以及网络中断对业务造成的影响也越来越大。因此如何保证光传输网络的安全性和可靠性，提高整个光网络的生存能力成为一个愈

3、加重要的课题课题。了光传输干线上SDH 自愈环、光路自动切换等保护方式，分析比较了这些保护方式的优缺点。课题在分析了其他保护方式存在保护机制复杂、不能自动恢复、恢复时间长等问题的基础上，提出了一种基纤自动切换保护技术的新型设计方案。该保护方案通过运用实时监测光路的光功率，自动控制光开关切换等技术，有效地解决了其他保护方式存在的问题。课题在对光纤自动切换保护(OLP)系统进行功能需求分析的基础上，进行了光纤自动切换保护系统的整体方案设计，在此基础上对光纤自动切换保护系统的软硬件进行了实现。硬件部分主要采用模块化设计，完成 OLP 各个功能模块的硬件电路设计，主要包括控制系统、管理系统、串口通信和

4、电源等模块，其中硬件电路设计是由 ATMEGA128 单片机和 AT91RM9200 微处理器共同实现。软件部分采用可裁剪可移植的Linux 操作系统，从应用层和系统层两方面对 OLP设备软件系统进行了详细设计，其中应用层主要完成串口通信协议和自动切换保护过程的设计，系统层主要工作包括开发环境的搭建、u-boot 的移植、内核的定制、文件系统的制作以及最终制作成功的映像文件的烧写。最后，课题通过搭建软硬件测试环境，对 OLP 设备的功能进行了测试。经测试：设备能很好地进行自动切换保护功能，系统运行稳定可靠，损耗小于1.5dB，切换时间在 15ms 以内，与标准时间 50ms 相比，大大缩短了切

5、换时间，光路恢复速度更快，达到了预期设计目标。：光纤，自动切换，ATMEGA128，AT91RM9200，AbstractWith the development of the high-speedernet business and data serviall-round, the demand of transmisbandwidth for the communications businesscontinues to improve, and the impactt capacity of optical transmisnetwork andnetwork outages work

6、on the business is also growing. Therefore, how to ensure thesafety and reliability of the optical transmisnetwork to improve the viability of theentire optical networkes an increasingly important research topic.This transmisswitchingpr researches the protection methods of the trunk of the opticalsu

7、ch as SDH self-healing ring and optical line automatic protection,technology, and makesysis and comparison of the advantages anddisadvantages of these protection methods. Based on theysis of the problem ofothrotection methods, such as the protection mechanisms complexly, non-automaticrecovery and lo

8、ng recovery time, the pr proes a new design basefiber-basedautomatic switching protection technology. The protection programs solve the problemswhich other protection mothods contain by monitoring of the opticaler of theoptical path real-timely, controlling optical switches switch automatically and

9、so on.In this pr, on the basis of theysis of functional requirements, the prmakes the whole design of the automatically switched optical fibrotection systemand implements the hardware and software of the protection system.his design, thepart of hardware mainly use the concept of modular design to co

10、mplete hardware circuitdesign of the various functional modules of OLP, including the modules of controlsystem, management system, serial communication ander supply. The design ofhardware circuit is achieved by the ATMEGA128 microcontroller and AT91RM9200microprosor. The software platform is baseemb

11、edded Linux operating systemwhich can be cut and portable. The software system of OLP device designed inbopplication layer and system layers. The application layer completes the design ofserial communication protocol and automatic switching protection pros. The mainwork of system layer includes the

12、building of development environment, thetransplanionofu-boot,kernelcustomization,filesystemsproductionandprogramming of image fiurning which ultimay created sucsfully.Finally, the pr tests the functionality of the device of OLP through building testenvironment of hardware and software. After testing

13、, the automatic switching protectionfunction of the equipment is good and the operation of system is stable and reliable. Theinsertion loss of system is lessn 1.5dB. The switching time of system is lessn15ms, which grey reducing the switching time compared with the standard time of50ms. The recovery

14、 speed of the optical path is faster, which achieves the desired design goals.Key words: Optical fiber, Auto switching, ATMEGA128, AT91RM9200, Embedded目录摘 要Abstract插图 附表 缩略词第一章I III IX XI XIII1绪论1.11.21.31.4课题 国内外主要背景1现状2内容4组织与结构5第二章OLP 系统介绍和设备总体设计方案7OLP 系统介绍7OLP 保护方案82.2.1 1+1 保护方案82.2.2 1:1 保护方案92

15、.2.3 两种保护方案的对比与选择9OLP 功能结构及需求分析10OLP 功能结构10OLP 系统设计需求分析11OLP 系统设计关键问题132.4.12.4.22.4.3光开关倒换时长13光路切换的可靠性14系统的反应速度14OLP 设备的总体设计方案14本章小结15第三章 OLP 设备硬件系统设计173.1 硬件整体设计方案17控制系统模块17分光器和光开关18光电转换与放大电路19A/D 采样电路193.2.4 通讯模块193.3 管理系统模块203.3.13.3.23.3.33.3.43.3.5时钟电路设计21复位电路设计22电路设计23以太网接口电路设计24串行接口电路设计25串口通

16、信模块26电源模块26本章小结28第四章 OLPOLP软件设计软件系统设计29软件整体框架29及开发流程294.3 串口通信协议314.3.14.3.24.3.34.3.4描述31数据包帧格式31通信协议参数设置32串口收发流程32自动切换保护过程设计33切换方式33切换过程34Linux 操作系统移植354.5.14.5.24.5.34.5.4开发环境的搭建35加载引导程序Boot Loader37内核定制39文件系统制作46烧写镜像50本章小结52第五章 系统测试与验证535.1 OLP 单板调试535.2 OLP 系统测试搭建55OLP 系统测试56光功率分辨率测试56光功率精确度测试5

17、75.3.35.3.45.3.5损耗测试58切换时间测试60网络管理功能测试615.4 本章小结62第六章 总结与展望636.1 全文总结636.2 展望63致 谢参考文献6567697173附录A附录B附录C攻读学位期间科研成果及部分电路原理图代码段的插图图 2.1 1+1 保护方案8图 2.2 1:1 保护方案9图 2.3 OLP 功能模块示意图10图 2.4图 3.1图 3.2图 3.3图 3.4图 3.5图 3.6图 3.7图 3.8项目总体功能模块图14系统硬件电路结构框图17控制系统模块框图18光路布线图18放大电路设计图19通讯模块框图20管理系统模块框图21时钟电路设计图22复

18、位电路设计图22图 3.9 AT91RM9200部分连接示意图24图 3.10图 3.11图 3.12以太网接口电路设计图25串口电路设计图25串口通信电路图26图 3.13 5V 转 3.3V 电路图27图 3.14 5V 转 2.5V 电路图27图 3.15 5V 转 1.8V 电路图27图 4.1 OLP 软件整体结构29图 4.2图 4.3图 4.4图 4.5图 4.6系统软件设计框图30系统软件开发流程图30串口通信收发流程图33切换过程流程图35内核配置界面43图 4.7 System Type 选项44图 4.8 Networking support 选项44图 4.9 Devi

19、ce drivers 选项44图 4.10 File Systems 选项45图 4.11 内核编译过程46图 4.12 uImage 内核映像文件46图 4.13 目录结构图47图 4.14 busybox 配置界面48图 4.15 Flash 地址空间分配示意图50图 4.16 SDRAM 地址空间分配示意图51图 4.17 程序图52图 5.1 OLP 单板实物图53图 5.2 U-boot 加载成功界面54图 5.3图 5.4图 5.5图 5.6图 5.7图 5.8图 5.9图 5.10图 5.11图 5.12镜像文件加载部分界面55系统测试环境图55系统测试设备连接图55光功率分辨率

20、测试环境图56光功率精确度测试环境图57损耗测试环境图59切换时间测试环境图60主到备切换时间备到主切换时间. 60. 61配置管理信息图62附表表 1.1 四种保护方式的比较3表 2.1 两种保护方案的比较10表 2.2 OLP 设备主要性能参数要求13表 3.1 光模块接口部分引脚表20表 3.2 AT91RM9200接口引脚表23表 3.3表 4.1表 4.2调试单元引脚定义25通信指令格式定义31通信协议参数设置32表 4.3 MTD 分区表50表 5.1表 5.2表 5.3表 5.4表 5.5电源测试对照表54光功率分辨率光功率精确度损耗切换时间.57.58.59.61缩略词缩略语

21、OLP WDM SDH DWDM ASON PDH FTTH OSC RISC JTAG SNMPNETSoC MIB英文全称Optical fiber line auto switch protection中文全称光纤线路自动切换保护波分多路复用同步数字系列 密集波分复用 自动交换光网络准同步数字系列光纤到户Waveleng DiviMultiplexingSynchronous Digital HierarchyDense Waveleng DiviMultiplexingAutomatically Switched Optical Network Plesiochronous Digit

22、al HierarchyFiber To The HomeOptical Supervisory Channel Reduce Instruction Set Computer光信道精简指令集联合测试行动小组简单网络管理协议net 协议片上系统管理信息库JoTest Action GroupSimple Network Management Protocol netSystem on ChipManagement Information Base第一章 绪论1.1 课题背景近年来，随着光纤和光电器件制造技术的飞速发展以及光通信技术的不断完善，光纤通信系统经历了从小容量到大容量，从短距离到长距离

23、，从低水平到高水平，从 PDH 到 SDH、WDM1，再到以自动交换光网络(ASON)2为代表的智能化光网络的迅猛发展过程。由纤通信具有传输频带宽、通信容量大、损耗低、抗电磁干扰能力强及性好等优点，世界上许多国家已经停止再建同轴电缆传输系统，开始重点建设基纤的光纤通信系统。在我国，光纤通信市场发展十分迅速，光纤通信网络已具有相当大的规模，光缆传输网已成为我国通信网和国民经济信息基础设施的主要部分，是公众的基础3。网、数字传输网和增值网各种网络光纤通信的快速发展使得光纤网络在整个通信网络中所占的越来越大。随着国家进一步实施“三网融合”，“光进铜退”以及光纤到户(FTTH)等政策，光纤网络在经济社

24、会发展中扮演越来越重要的角色。但同时，光纤网络的和修复等问题也日渐突出。一旦光纤线路发生断裂，光纤中的所有光路都将会被中断，数据丢失十分巨大。而且，光纤通信网络中故障处理的时间往往较长，这样不但影响了传输质量，给企业带来极大的经济损失，也会给国民经济各行业带来不可估量的重要影响。在光纤通信系统中，WDM 网络作为各种业务网最底层传输，系统及波道的保护与恢复对于整个网络的生存能力有着的影响。因此，如何提高 WDM传输系统的可靠性是今后传输网建设中重点考虑的问题之一。对于 SDH 环网和WDM 系统，急需找到一种简单、经济、实用的保护来提高其生存能力。在影响 WDM 系统安全性的中，光缆线路的影响

25、无疑是最大的。据统计，每年我国发生超过 2000 次的光缆阻断，造成超过 10 亿元的巨大直接通信损失。因此，光缆网络质量的好坏及线路的保护和恢复问题越来越引起人们的关注，也成为各大运营商之间在争夺用户时重要的竞争焦点4。光缆线路运行状况不理想和故障产生的原因是多方面的，这包括光纤自身的物理特性以及各种自然和人为等。一方面，光纤质地脆弱、机械强度低，在实际应用中要求有比较好的切割、连接技术，而且分路、藕合比较麻烦5。光纤这些物理特性上的缺陷导致其在和施工中经常出现断裂的现象。另一方面，自然和人为是导致光缆线路故障的重要原因，特别是人为。人为因素主要体现在基建施工、市政、公路施工、捕捞、农田修整

26、、挖渠及盗割等方面。最近几年，国家大力发展经济，各地的基础设施建设蓬勃发展，与此同时，由基础设施建设给光缆线路所带来的安全隐患也在急剧增加，加上人们普遍对通信光缆的重要性认识不够，法律意识淡薄，致使人为破坏光缆线路的事件频频发生。从我国光缆线路干线获得的数据分析可以知道，的发生竟达到每 100Km每年 0.5 到 1 次的程度，这给光缆线路干线的可靠性造成了极大的威胁6。Bellcore 与电信经营公司国外光缆线路发生故障的情况与国内大致相同配合，对运行的光纤通信系统所发生的进行了全面统计，得到的报告显示光纤通信系统中导致通信中断的主要原因是光缆线路碍的 2/3 以上7。，它约占统计障一直以来

27、，各个运营商都把通信网的服务质量作为网络运行最关键的性能指标。为保证国家干线光缆线路的安全、光网络的畅通无阻，各个运营商都投入了巨大的人力物力资源。仅中国电信公司每年就投入 3 万余名光缆线路专业人员和数十亿维修费用8。但即使这样光线路中断事故还是时常发生，运营商投入的人力物力显得明显不足。从上面的分析可以看出，光纤通信网络的安全性和可靠性还存在着非常突出的问题。因此，为了确保光纤通信高效可持续运行，降低由光线路中断造成的损失，设计开发完善的光线路保护系统具有十分重要的意义。1.2 国内外现状在光纤通信国动态多太比特开发方面，美欧国家一直处于领先地位，先后启动了包括美光网络(CORONET ，

28、 Dynamic Multi-Terabit Core OpticalNetwork)和欧盟构建欧洲未来光网络(BONE，Building the future Optical Network inEurope)在内的多个重点项目。我国也十分重视光纤通信的，光网络领域的研究是“十二五”的重要合演进技术与系统内容。其中，在 2010 年发布了“863”计划“三网融”项目的指南。除了理论和技术外，还对化实验做了很多开发工作。目前，WDM 系统在我国骨干网和省二级骨干传送网的网络上得到了广泛的应用，基于 10Gb/s 和 2.5Gb/s 的 DWDM 系统已经成为基本的传送。无论国外还是国内，都把保

29、障光网络的传输质量，为光网络提供快速、有效的网络保护和多点故障恢复作为光网络体系建设中重点考虑的部分。光线路保护系统的主要目的就是提高光网络的生存性，确保无中断通信。光网络的生存能力是指光网络处理故障对业务产生的中断或干扰的能力。无论是传统光网络，还是下一代智能光网络，生存性一直是一个重要指标，它对保障网络正常运行、保护和快速恢复受损业务、减少因故障造成的社会影响和经济损失具有重要意义。目前，各大电信运营商采用的光网络线路保护方式主要有以下几种：1、SDH自愈环保护，2、光路分流保护，3、人工调度保护，4、光路自动切换保护(OLP)等9。四种不同的保护方式各有优劣，表 1.1 是对这四种保护方

30、式的比较。表 1.1 四种保护方式的比较保护方式优 点缺 点采用光路分流保护和人工调度保护方式需要人为干预，效率较低，对故障的自动处理能力明显不足，已经难以满足无阻断通信服务质量的要求，所以这两种保护方式应用的非常少。SDH 自愈环保护方式保护机制复杂，受地理环境限制干线 SDH 自愈保护功能难以实现10，而且 SDH 自愈环保护方式要求在拓扑结构上都形成环网，组网和设备的投资相对较大，对企业来说负担较重，这也成为制约 SDH 自愈保护大规模使用的一个瓶颈11。经过分析可以知道，SDH 自愈环保护、光路分流保护和人工调度保护这三种保护方式主要存在保护机制复杂、不能自动恢复、恢复时间长等问题。从

31、现有的工程实践来看，采用光纤自动倒换保护(OLP)系统是一种有效的解决方案12，可以很好地解决其他保护方式存在的问题。目前，在光纤干线、重要支线传输系统中通常采用 1+1 和l:l 保护方案。OLP 系统是一种基纤自动切换保护技术，集监测、保护及管理为一体的SDH 自愈环保护光路分流保护人工调度保护光路自动切换保护实时自动恢复业务，无需人为干预。对业务层保护，可以根据业务量的需要灵活切换电路。均衡干线与支线的传输压力。简便易行，有效防止全阻和大范围的通信中断。人为干预，可以有目的的调度，组网灵活。分配合理，解决问题彻底。对传输层保护，兼容型好，组网方便。自动切换保护，恢复时间短。可靠性高，成本

32、低。保护机制相对复杂。要求形成环网，组网和设备投资巨大。一、二级干线保护不易实现。不能保证线路 100%畅通。对出现故障的业务没有自动恢复和保护的能力。需要人为干预，不能自动恢复，需要投入大量人力物力。出现故障后，业务恢复时间长。引入分光器造成光功率损失。光开关同步切换时间难统一。综合管理应用系统4。该系统实现的是对光传输层的保护，控制的机制只针对光纤路由，与传输设备关系较小，不存在兼容问题，容易组成光路保护网络10。同时，因为光纤自动切换保护系统是在光缆物理链实现，实现机制相对简单，所以具有传输信号独立透明、安全可靠、成本低、故障恢复速度快等特点13。由纤自动切换保护系立于通信传输系统，不仅

33、能够实现对 SDH 系统、WDM 系统的透明传输，还可以有效地提高整个光网络的生存能力，因此得到了越来越广泛的应用。目前，在国外，基于无源光器件的光纤自动切换保护系统较早，已经形成了一套完整的理论体系，保护机制也比较成熟和完善。在国内，科研也进行了长时间的，已经有了初步的发展，其中具有代表性的是和烽火两家公司，两者已经在该领域取得了非常宝贵的成果。但是与国外相比，无论从技术的成熟程度上还是系统的稳定性和实用性等方面都存在一定差距，所以，有必要进行深一步的。1.3主要内容本主要是针对 OLP 设备进行相关，在认真研读信息颁布的YD/T 1529-2006光纤线路自动切换保护装置技术条件和 YD/

34、T 1769-2008光线路保护管理系统技术要求、中国通信标准化颁布的 YD/T 1617.1-2007智能化光保护系统等相关资料和学术的基础下，制定了 OLP 的整体设计方案，提出了 OLP 的分层设计，细化了 OLP 的各个功能子模块。最后设计出了符合标准的 OLP 设备。具体工作内容包括以下几个方面： 分析对比了光线的一些保护方式以及存在的问题，并提出了基纤自动切换保护技术的新型设计方案； 介绍了 OLP 系统，分析和比较了 1+1 和 1:1 保护方案，确立基于 1:1 的OLP 系统的设计方案。对 OLP 系统的功能结构和需求进行了分析，了 OLP系统设计过程中的关键问题，并在此基础

35、上，给出了 OLP 设备的总体设计方案； 利用模块化设计，对 OLP 设备的硬件电路进行详细设计； 设计实现了串口通信协议， 完成了自动切换保护过程的设计。针对AT91RM9200 微处理器，详细给出了Linux 操作系统移植过程，包括 U-boot移植、内核定制和文件系统的制作，并完成了镜像文件的烧写； 完成了 OLP 设备的测试与验证工作。1.4组织与结构本文主要的内容是 OLP 设备的和设计。本共分为 6 个章节，具体的组织结构安排如下：第一章：绪论。介绍了课题的背景和光纤自动切换保护系统国内外现状，分析对比了几种不同的光线路保护方式，最后对本明。的结构安排作了说第二章：OLP 系统介绍

36、和设备总体设计方案。本章首先介绍了 OLP 系统，分析和对比了基于 1+1 和 1:1 保护方案的光纤自动切换保护方案，总结了两种不同保护方案的优缺点，并选取 1:1 保护方案作为本课题的系统功能和需求的基础上完成总体方案的设计。方案，最后在分析 OLP第三章：OLP 设备的硬件系统设计。该部分采用模块化设计，完成了 OLP设备硬件各个模块的功能分析、器件的选型以及部分硬件电路原理图的简单实现，主要包括控制系统模块、管理系统模块、串口通信模块及电源模块。第四章：OLP软件系统设计。首先给出了 OLP软件整体框架、软件设计及开发流程，然后设计实现了 OLP 系统应用层的重要协议即串口通信协议，完

37、成了自动切换保护过程的设计，最后详细给出了针对 OLP 目标板的嵌入式Linux 操作系统的移植过程。第五章：系统测试与验证。给出了系统的具体测试方法，选取重要性能指标进试，并对进行了详细分析。第六章：总结与展望。对参加课题以来所做的工作进行总结，并对未来工作的展望。第二章 OLP 系统介绍和设备总体设计方案2.1 OLP 系统介绍光纤自动切换保护系统能自动识别主、备光路信号状态，在主用光纤线路损耗增大导致通信质量下降或主用光纤线路发生阻断时，实时自动地将光路切换到备用线路，保护光纤线路的不间断运行14。具体说就是通过对光缆线路中的光功率变化进行监测，发现故障后，自动将工作光路快速倒换到备用光

38、，在极短的时间内恢复通信，实现光缆线路毫秒(ms)级同步切换保护，完成对光缆线路故障的快速反应和恢复。相对于其他的保护方式，光纤自动切换保护系统具有可靠性高、光路恢复速度快和保护成本优点。OLP 设备可以实现光功率监测、光路自动切换保护以及网络管理的功能。OLP设备主要有以下几个方面的功能： 自动切换保护功能即对工作光纤和保护光纤的光功率进行实时监测，当监测到的光功率满足切换阈值时系统通过判断，控制光开关器件，在毫秒级的时间内自动将光信号从故障光纤切换至保护光纤，实现光信号传输的快速恢复，保证通信业务无阻断。 主动路由应急调度功能即在工作光纤未中断的情况下，通过光纤保护设备本身或由光切换发出指

39、令进行路由切换调度4。 主备纤插损监测功能中心实时监测主用和备用线路的光功率，当监测到的光功率低于设定的告警阈值时，发出告警提示。 掉电、上电保持功能设备掉电或上电，不影响工作线路状态，保证系统工作正常，并具有热插拔功能15。 网络管理控制功能掌握设备各项性能，并可控制网络设备的工作状态，对网络进行主要包括：管理。1) 故障管理：实现对设备故障的及时发现、故障告警、故障分析、故障定位、故障处理和路径测试功能16。2) 性能管理：完成设备基本数据的控和评测网络质量。和分析工作，分析线路运行状况，监3) 配置管理：对设备进行实际物理配置，包括配置设备运行状态，建立和修改网络拓扑图等。4) 安全管理

40、：对网络中的数据进行控制和保护，保证系统的安全，包括操作级别及权限划分、用户管理、日志管理、操作等。另外，OLP 设备还有切换模式、工作模式、无光锁定、告警及工作状态指示、供电方式、功耗及散热等基本功能。在实际应用中，主要通过系统对 OLP 设备进行配置和管理。系统的设计是基于简单网络管理协议(SNMP)，需要管理的设备称为网元，网元自身有一个内嵌的(agent)，管理之间是主/从方式，通过 SNMP 进行通信。设备需要管理的信息以管理信息库(MIB)的形式表现出来，管理软件通过来获取和配置 MIB 中变量的值。2.2 OLP 保护方案光纤自动切换保护系统对光线路的保护方案一般有1+1 保护方

41、案和1:1 保护方案两种17。下面分别对这两种保护方案进行介绍。2.2.1 1+1 保护方案1+1 保护方案在发送端采用光分路器(Splitter)对光信号进行分离，通常采用50:50 光分路器(在实际应用中由于主用光纤和备用光纤路由不同，可以采用不同分光比的光分路器)，分离后的光信号分别在主用光纤和备用光纤传送(双发)。在接收端检测主用光纤和备用光纤的光功率，进而控制光开关器件对主用光纤和备用光纤的光信号进行选择接收(选收)。当主用光纤发生故障的时候，接收端自动选择从备用光纤接收。保护模型如图 2.1 所示。分光器光开关T1主用线路R1TxRxT2R2光端机光端机T1R1RxTxT2R2备用

42、线路光开关分光器图 2.1 1+1 保护方案2.2.2 1:1 保护方案1:1 保护方案在发送端采用光开关器件对发送光通道进行路由选择，被保护业务光信号只能沿着主用光纤或者备用光纤传送(选发)。在接收端同样用光开关器件对主用光纤和备用光纤的光信号进行选择接收(选收)，为了保证接收通道和发送通道保持一致，当主用光纤发生故障的时候，发送端和接收端相互协调，同时倒换到备用光纤。保护模型如图 2.2 所示。表 2.1 两种保护方案的比较保护方案优 点缺 点1.双发选收，发送光功率一分为二，沿主备光纤同时传输。恢复时间小于 25ms。不需要两端握手协调通信，机制简单。选发选收，主用光纤传输业务信号，备用

43、光纤可传输其他信号，可实现备1.发送端进行 50:50 的分光，会产生额外的 3dB损耗大。适合短距离间保护。损耗，总1+12.3.1.2.1.恢复时间相对较长， 小于50ms。需要两端握手协调通信，同步方式比较复杂。适合长途系统保护。纤和同步切换。2.1:12.只有光开关产生的较低的损耗，总损耗小。3.3.4.实现对主备路由全程优化。可防止发生误切换，可靠性高。对于系统功率富裕量较大的线路( 8dB )，一般采用 1+1 保护方案。1+1 保护采用 12 光开关，间保护等。损耗大，切换速度快，适用于大客户接入保护和短距离局对于系统功率富裕量较小的线路，一般采用 1:1 保护方案。1:1 保护

44、方案损耗小，也可以实现备纤。实现备纤功能的一般采用 22 光开关。长途系统优先考虑 1:1 方案，波分系统需综合考虑整个系统的性能优化，实现对主备用路由的全程优化19。相对于 1+1 保护方案，1:1 保护方案的损耗更小，可靠性更高，而且还可以实现备纤和对主备路由的全程优化。因此，在本课题中，选择 OLP 保护方案中的 1:1 保护方案作为方案。2.3 OLP 功能结构及需求分析2.3.1 OLP 功能结构OLP 系统主要应用于点对点的光纤线路保护场合。OLP 功能模块示意图如图2.3 所示。从上图可知，OLP 功能模块主要分成三大部分：部分。部分、交互部分与公共部分部分的功能包括：实时功能、

45、管理功能、切换控制功能、对端通信功能等。实时功能：实现对工作线路和备用线路光功率的实时。管理功能：主要是提供一组相关的函数接口，实现对设备信息的，配置。切换控制功能：根据实时现主备线路切换。的线路光功率与事先设定的切换阈值比较，实对端通信功能：完成本端 OLP 设备与对端OLP 设备通信机制，实现两端切换的同步。 交互部分该部分主要提供人机交互，便于操作 公共部分对设备进行实时。该部分主要提供供电功能，为 OLP 提供电源的保障。2.3.2 OLP 系统设计需求分析本课题研制的OLP 设备是根据2006 年6 月信息颁布的YD/T 1529-2006光纤线路自动切换保护装置技术条件和 YD/T

46、 1769-2008光线路保护管理系统技术要求来进行设计的。通过对相关技术标准的仔细研读和市场上现有 OLP产品的调研，总结归纳出了设计 OLP 设备要满足的一些要求20：1)2)设备基本要求设备必须满足高可靠性、开放性、扩展性及适用性要求。设备必须符合：信息颁布的 YD/T 1529-2006光纤线路自动切换保护装置技术条件和 YD/T 1769-2008光线路保护管理系统技术要求中的要求。须保证产品功能和接口以及软件协议的兼容性和可扩展性。光信号传输透明性：OLP 设备应该能对符合输入波长和输入强度范围内的光信号进行透明传送，不对上述光信号造成除号波形明显畸变，相位迁移等。 OLP 设备主

47、要性能参数要求211) 工作波长损耗外的模拟量劣化，如光信根据光纤通信系统设计考虑的模式噪声、光纤衰耗和色散所分别规定的工作波长区，即为特定应用场合和传输速率下的系统工作波长范围。OLP 设备工作波长范围通常设计成传输系统常用的 1310 波段范围和 1550 波段范围。对于 WDM 系统应考虑扩展到 C+L 波段。对于 DWDM 系统，OLP 设备工作波长范围要考虑到光 信道(OSC)的透明传输22。2) 自动切换时间在每端的 Rx 端，从 OLP 检测到光纤线路出现故障导致信号异常开始，到经光纤线路自动切换系统实现自动切换后使得信号恢复正常时的时间，定义为该OLP 系统的自动切换时间，是m

48、s。3)损耗损耗是指系统接入光波分复用器件后所产生的附加功率损耗。对于两个损耗，是 dB，光通路端口，输入端口和输出端口之间的光功率之比即为定义为：特别要注意的是，当 OLP 介入到 DWDM 等系统后，应确保传输过程中无误码23。如表 2.2 所示，总结归纳出了OLP 设备需要满足的主要性能参数要求。表 2.2 OLP 设备主要性能参数要求指标参数1+11:1nm12601360、14901640工作波长范围发：3.8收：1.3发：1.5收：1.5损耗dBdB dB ps dB dB ms次 dBm dB dB0.10.20.15545偏振相关损耗波长相关损耗偏振模色散串扰回波损耗2550自

49、动切换时间1,000,000Tx/T1/T2 发送：-30+251)；Rx/R1/R2 接收：-50+102)0.50.1工作光功率范围光功率精确度光功率分辨率工作温度-5+50注 1：指 OLP 发送端的光功率注 2：指 OLP 接收端的光功率2.4 OLP 系统设计关键问题2.4.1 光开关倒换时长在通信系统中，当线路发生故障后，保护/恢复时间的长短是衡量通信系统服务质量的一个重要指标。同时，保护/恢复时间的长短也反应了 OLP 设备处理故障的能力。目前，长途传输网络在SDH 层面最主要的组网形式为双纤双向复用护环网结构，ITU-T G.841 建议规定该组网方式的故障倒换时间小于 50m

50、s24。由于传输干线波分系统是SDH 光路的承载，因此 OLP 系统要想实现对传输干线波分系统主光路的保护，就必须第一时间发现故障、完成倒换，这些动作应该在SDH 层面发生倒换动作之前。所以 OLP 系统的光开关倒换时间要足够的短，这是设计 OLP 系统的关键所在。2.4.2 光路切换的可靠性在 OLP 系统中，1:1 保护方案包含的基系统的可靠切换25。收发模块的内部通信模块可以确保OLP 系统实时的对主用或备用纤芯进行衰耗监测，当主用线路的光纤中断或衰耗的降低导致内部中断或告警时，可以通过光功率检测模块提前告警，如果线路继续，达到切换阈值后，首先要检测备用线路是否正常，然后再触发光开关进行

51、切换，避免传输系统切换到备用线路后工作不正常，防止误切换的发生，即切换的发生须确保备用路由工作正常，切换的恢复须确保主用路由工作正常。当检测到系统满足切换条件后，本端的 OLP 设备通过内部通信模块和备用光纤和对端进行握手，以确保两端的切换动作在时间上同步。2.4.3系统的反应速度在实际应用中，客户主要通过系统和设备打交道，对系统的管理能力和反应速度有着最直接的要求，所以，系统的优劣成为客户最关心的问题。一套完善的、运行良好的管理系统不仅要能够满足对数据处理的要求，而且更要有对故障和数据做出迅速反应的能力，这样才能更有效的对整个系统进行管理，确保系统高效有序的运行。2.5 OLP 设备的总体设

52、计方案本课题主要完成基于 1:1 保护方案的 OLP 设备的设计。项目总体设计方案如图 2.4 所示。由图 2.4 知，整个系统由硬件部分和软件部分两部分组成，硬件部分主要完成对输入光信号的光功率、电/光与光/电转换、串口通信和用户相关以太网接口等功能；软件部分主要完成系统控制、网络管理、串口通信协议处理、告警和异常处理等功能。 硬件部分介绍：硬件部分主要包括：控制系统模块、管理系统模块、串口通信模块和电源模块等。下面简要介绍这几大功能模块。1) 控制系统模块：该模块主要光纤线的有效光信号，实现光电转换和功率检测并根据工作模式选择是否自动切换。控制系统主要由单片机、分光器、光电转换与放大电路、

53、光开关和通讯模块等，它是整个 OLP 硬件部分。该部分采用 ATMEL 公司生产的 8 位系列单片机中最高配置的一款 AVR 单片机ATMEGA128。2) 管理系统模块：设计中该模块采用的是 ATMEL 公司生产的基于ARM9 架构的工业级AT91RM9200。该模块主要提供网络管理功能。3)4)平转换串口通信模块：负责控制系统和管理系统之间通信。电源模块：提供整个设备的电源供应，采用外接电源供电方式，需使用电对外接电源大小进行处理。软件部分介绍：软件部分主要包括程序等部分。操作系统、API 接口、初始化程序、串口通信及应用1)操作系统：本项目选用 Linux 操作系统进行开发，完成整个系统

54、的调度与协调工作。2)3)4)5)API 接口：实现操作系统与应用程序之间的通信。初始化程序：实现系统启动过程的初始化操作。串口通信：实现管理系统和控制系统之间的通信。应用程序：实现对一些协议的处理，如net、Snmp 等。2.6 本章小结本章分四大部分阐述了 OLP 设备总体设计方案。第一部分主要介绍了 OLP 系统的原理、功能；分析和对比了基于 1+1 和 1:1保护方案的光纤自动切换保护方案，并选取 1:1 保护方案作为本课题的方案。第二部分主要是 OLP 功能结构以及需求分析，OLP 功能模块主要由交互部分、部分与公共部分组成；接着对 OLP 的需求进行了分析。第三部分是 OLP 设备

55、设计方案关键问题的分析。最后是 OLP 设备的总体设计方案，分别从硬件和软件两大部分对 OLP 设备的总体设计做了简要描述。第三章 OLP 设备硬件系统设计3.1 硬件整体设计方案根据项目需要设计的 OLP 设备用于点对点保护场合。硬件设计以 ATMEL 公司的ATMEGA128 和 AT91RM9200 为基础来设计 OLP 终端设备。从系统框图3.1 知，整个 OLP 硬件系统分成了如下四部分：控制系统模块、管理系统模块、串口通信模块与电源模块。图 3.1 系统硬件电路结构框图3.2 控制系统模块此模块是整个 OLP 硬件系统的部分，主要是用来光功率、控制光开光纤光纤对分光器与光开关UAR

56、T光纤UART5V电源模块ER1.8V DC/DC1.8V2.5V DC/DC2.5V3.3V DC/DC3.3VSDRAMPHYRJ45Flash时钟电路串口调试/通讯端口RJ45复位电路AT91RM9200watch dog串口通信模块时钟电路通讯模块复位电路EEPROMUART/JTAGATMEGA128watch dogA/D采样光电转换与放大关切换和管理其它相关模块。控制系统主要有单片机、分光器、光开关、光电转换与放大电路、A/D 采样电路和通讯模块组成。该模块的采用的是 ATMEL公司生产的 8 位 AVR 单片机 ATMEGA128。ATMEGA128 单片机具有高性能、低功耗的

57、性能特点，具有先进的 RISC 结构，128k 字节的系统内可编程 Flash，标准的 JTAG 接口等技术特点26。另外，控制系统还包括单片机最小化系统电路，这里不对单片机最小化系统进行。控制系统模块组成框图如图 3.2 所示。3.2.2 光电转换与放大电路当光纤中的光信号经过 3:97 分光器后，将得到 3%的监测光信号，为了实现对监测光信号的处理，首先要用高敏感度的光电二极管对其进行光电转换，光电转换后的电信号约为-60dBm0dBm，十分微弱，不利于直接 A/D 转换，需要通过低噪声、高直流精度、宽动态范围的对数放大器放大后再经过有源低通滤波器，然后再传输给 A/D 采样模块27。这里

58、的对数放大器选用ADI 公司生产的光纤通信系统的光功率测量AD8304。AD8304 是一款单片集成电路的对数放大器，它有的光电二极管接口，妥善解决了对数放大器和 PIN 光电二极管的接口问题。它内部提供光电二极管的偏置电压，还集成了温度补偿电路以提高转换精度。它的动态范围高达 160dB，可测电流范围达 100pA10mA，是光纤通信系统中光功率测量非常好的选择28。放大与滤波电路设计如图 3.4 所示。图 3.4 放大电路设计图3.2.3 A/D 采样电路A/D 采样是将模拟信号转化为数字信号。从分光器出来的 3%的光信号通过光电转换及放大后需要进行 A/D 转换为单片机可以识别的数字信号

59、。采用TI 公司的 ADS7953SB，该拥有 12 位 16 个通道，采样速率可达 1MHz，只需很少电路29。的外部器件就可以完整的信号3.2.4 通讯模块通讯模块包括光收发模块和通信电路组成。光收发模块可以自行产生光信号，在备用线路中传输，单片机可以通过对信号的检测判断备用线路是否工作正常，当备用线路中断或者衰耗降低时会导致内部通信中断或告警，避免传输系统切换至备用线路工作不正常，防止误切换，提高系统的可靠性。另外，在单片机发出切换指令之后，产生的电信号通过 CPLD 器件 EPM7064 进行编码，转换成适合于在光线路中远距离传输的码型，然后经过光电转换发送到对端，实现两端同时切换的机

60、制，确保系统的可靠切换。通讯模块组成框图如图 3.5 所示。SPI 接口和 GPIO 等30。AT91RM9200是一个多用途的通用，拥有丰富的系统与应用外设及标准的接口，具有很高的性价比，特别适合用于工业控制领域。根据需要，本文中用到的接口器件主要有：32MB SDRAM 用于程序运行空间，采用两片 16MB 的ESMT 公司的M12L2561616A-7TG；8MB NOR Flash；一个 10/100M 网络控器用于程序，采用EL 公司的JS28F640J3D75制器，通过 RJ45 接口与上位机进行网络连接以实现通信；两个 4 线 RS-232 串行接口，可用于本地调试和功能扩展接口