摘  要： 針對(duì)數(shù)字光纖直放站系統(tǒng)的遠(yuǎn)端單元給出了一種簡(jiǎn)單高效的鏈路切換設(shè)計(jì)方案,。首先對(duì)通信鏈路進(jìn)行檢測(cè)，其次切換同步時(shí)鐘,，最后改變物理接口與上下行數(shù)據(jù)的映射關(guān)系,，并使用FPGA進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試表明，在光纖故障和設(shè)備故障等通信鏈路故障時(shí),，通過(guò)鏈路切換實(shí)現(xiàn)了環(huán)網(wǎng)自愈,，系統(tǒng)組網(wǎng)更為靈活，大大提高了系統(tǒng)的可靠性,，可應(yīng)用于安全性要求高的場(chǎng)合,。

　　關(guān)鍵詞： 數(shù)字直放站；環(huán)網(wǎng),；鏈路切換,；FPGA

0 引言

　　近年來(lái)，數(shù)字光纖直放站在無(wú)線(xiàn)信號(hào)補(bǔ)盲方面應(yīng)用廣泛,。實(shí)際應(yīng)用中,，數(shù)字光纖直放站系統(tǒng)常以靈活的組網(wǎng)方式來(lái)降低投資成本，增大信號(hào)覆蓋面積,。數(shù)字光纖直放站系統(tǒng)中的近端機(jī)與遠(yuǎn)端機(jī)（RU Remote Unit）主要的組網(wǎng)方式有星形組網(wǎng),、鏈形組網(wǎng)和環(huán)形組網(wǎng)。星形組網(wǎng)方式簡(jiǎn)單,，適用于信號(hào)圓形覆蓋場(chǎng)合,，在狹長(zhǎng)型地帶則利用率不高。鏈形組網(wǎng)通過(guò)級(jí)聯(lián)方式能夠適用于狹長(zhǎng)地帶的覆蓋,，但是如果鏈路中某級(jí)設(shè)備發(fā)生故障或者某段光纖發(fā)生故障,，會(huì)導(dǎo)致故障節(jié)點(diǎn)后級(jí)設(shè)備無(wú)法正常工作[1]。以上兩種組網(wǎng)方式都不適用于可靠性要求高的領(lǐng)域,，如鐵路通信系統(tǒng),。環(huán)形組網(wǎng)能夠通過(guò)切換倒換等方式進(jìn)行故障鏈路的通信恢復(fù)，保證了通信的實(shí)時(shí)性和可靠性,，可以適用于安全性要求高的領(lǐng)域,。

　　目前，環(huán)形組網(wǎng)故障自愈實(shí)現(xiàn)有以下幾種方式：參考文獻(xiàn)[2]介紹了光纖切換保護(hù)系統(tǒng),，通過(guò)備份光纖鏈路來(lái)保護(hù)通信鏈路,，當(dāng)工作鏈路出現(xiàn)故障時(shí)切換到備份光纖鏈路，但不能解決因?yàn)樵O(shè)備掉電等故障導(dǎo)致通信故障的問(wèn)題,。參考文獻(xiàn)[3]提出基于系統(tǒng)拓?fù)涞沫h(huán)網(wǎng)自愈,，通過(guò)近端機(jī)輪詢(xún)當(dāng)前系統(tǒng)中RU的狀態(tài)來(lái)更新當(dāng)前拓?fù)湫畔ⅲ荒芗皶r(shí)發(fā)現(xiàn)鏈路中的故障,，同時(shí)占用較多的系統(tǒng)資源,。參考文獻(xiàn)[4]提出基于設(shè)備端口鏈路切換的機(jī)制，由故障節(jié)點(diǎn)前級(jí)設(shè)備上報(bào)相關(guān)告警信息,，再由近端機(jī)重新發(fā)起拓?fù)浯_認(rèn)信息對(duì)故障后級(jí)設(shè)備進(jìn)行建鏈。

　　為了實(shí)時(shí)監(jiān)控環(huán)網(wǎng)中故障節(jié)點(diǎn)，由RU對(duì)通信鏈路進(jìn)行檢測(cè)是必要的,，通過(guò)RU及時(shí)上報(bào)自身鏈路狀態(tài)可進(jìn)一步縮短環(huán)網(wǎng)自愈時(shí)間,。本文主要針對(duì)RU設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的簡(jiǎn)易高效端口鏈路切換方法，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鏈路狀態(tài)以及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障節(jié)點(diǎn),，通過(guò)映射建立物理光口和上下行數(shù)據(jù)流的對(duì)應(yīng)關(guān)系,，使實(shí)際組網(wǎng)更為簡(jiǎn)單靈活。

1 環(huán)網(wǎng)自愈工作原理

　　1.1 環(huán)網(wǎng)自愈

　　當(dāng)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)RU出現(xiàn)故障或者光纖斷鏈,，該級(jí)RU的前級(jí)與后級(jí)RU能檢測(cè)到故障,，并根據(jù)本機(jī)的鏈接情況自動(dòng)判斷是否切換上下行鏈路端口。環(huán)網(wǎng)斷鏈自動(dòng)切換鏈路端口保證了環(huán)網(wǎng)中除去故障節(jié)點(diǎn)外的其他節(jié)點(diǎn)能夠正常工作,。以圖1的環(huán)形組網(wǎng)方式為例,，如圖1（a）所示，下行數(shù)據(jù)流方向?yàn)榻藱C(jī)-RU0-RU1-RU2-RU3-RU4-RU5,，如果RU1和RU2中間的光纖發(fā)生斷鏈故障,，此時(shí)RU2及之后的設(shè)備應(yīng)自動(dòng)倒換端口，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞至褳閮蓷l鏈型拓?fù)?，?shù)據(jù)流方向分別為近端機(jī)-RU0-RU1和近端機(jī)-RU5-RU4-RU3-RU2（圖1（b））,。為了實(shí)現(xiàn)上述機(jī)制，系統(tǒng)中RU接收發(fā)送的上下行數(shù)據(jù)與物理光口之間并不是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,，本文將接收系統(tǒng)下行數(shù)據(jù)且恢復(fù)接收時(shí)鐘作為系統(tǒng)參考時(shí)鐘的物理光口定義為邏輯主口,，接收上行數(shù)據(jù)的物理光口定義為邏輯從口。

　　1.2 時(shí)鐘同步機(jī)制

　　為了保證系統(tǒng)的正常工作,，系統(tǒng)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)正確,，RU與近端機(jī)之間需要進(jìn)行時(shí)鐘同步。RU通過(guò)CDR（Clock Data Recovery）技術(shù)從近端機(jī)或上一級(jí)RU傳送過(guò)來(lái)的光纖數(shù)據(jù)中恢復(fù)出接收時(shí)鐘,，并將接收時(shí)鐘送入RU時(shí)鐘電路做時(shí)鐘參考,。在時(shí)鐘電路中，本地晶振時(shí)鐘由壓控晶體振蕩器產(chǎn)生,，通過(guò)鎖相環(huán)與接收時(shí)鐘完成同步鎖定,，鎖定后的時(shí)鐘為RU的工作時(shí)鐘。RU恢復(fù)的接收時(shí)鐘是時(shí)鐘同步的核心,，也是RU是否正常工作的基礎(chǔ),。

　　1.3 鏈路切換機(jī)制

　　為了適應(yīng)各種組網(wǎng)方式，降低系統(tǒng)功耗,，減少系統(tǒng)的資源消耗,，本文設(shè)計(jì)的鏈路切換機(jī)制可根據(jù)系統(tǒng)的組網(wǎng)方式進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。當(dāng)系統(tǒng)組網(wǎng)為非環(huán)形網(wǎng)絡(luò)時(shí),，該模式下RU對(duì)接收到的近端機(jī)切換信令視為無(wú)效信息,，不進(jìn)行參考時(shí)鐘與底層數(shù)據(jù)流間的切換,。當(dāng)系統(tǒng)組網(wǎng)為環(huán)形網(wǎng)絡(luò)時(shí)，RU通過(guò)光功率檢測(cè)信號(hào)和幀丟失信號(hào)來(lái)監(jiān)測(cè)當(dāng)前邏輯主口的光路狀態(tài),。當(dāng)監(jiān)測(cè)到邏輯主口光路狀態(tài)異常時(shí),，邏輯主從口同時(shí)關(guān)閉停止發(fā)送數(shù)據(jù)。其次,，將本地參考時(shí)鐘切換到另一物理光口的接收恢復(fù)時(shí)鐘,。待保護(hù)時(shí)間過(guò)后重新對(duì)光路狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)光路狀態(tài)正常后,，交換RU的邏輯主從口,，并由當(dāng)前邏輯主口向近端機(jī)上報(bào)鏈路切換告警。

2 FPGA鏈路切換設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)使用的是Xilinx公司的FPGA Spartan6芯片xc6vlx75T[5],，軟件平臺(tái)為Xilinx公司提供的ISE14.7開(kāi)發(fā)工具,，使用的硬件描述語(yǔ)言是Verilog。FPGA實(shí)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)自愈的鏈路切換單元主要由控制模塊,、GTP模塊,、檢測(cè)模塊、時(shí)鐘選擇模塊,、數(shù)據(jù)映射模塊等組成,，如圖2所示?？刂颇K完成環(huán)網(wǎng)切換狀態(tài)機(jī),，對(duì)整個(gè)環(huán)路光纖鏈路的檢測(cè)和切換進(jìn)行控制。GTP模塊完成物理光口接收時(shí)鐘和光纖數(shù)據(jù)的恢復(fù),。檢測(cè)模塊完成對(duì)端口光纖鏈路狀態(tài)的監(jiān)測(cè),。時(shí)鐘選擇模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端機(jī)參考時(shí)鐘的選擇和切換。數(shù)據(jù)映射模塊完成物理光口數(shù)據(jù)和邏輯主從口數(shù)據(jù)的映射,。

　　2.1 GTP模塊

　　FPGA Spartan6系列芯片集成了低功耗,、高數(shù)據(jù)收發(fā)的GTP收發(fā)器[6]，GTP工作范圍為614 Mb/s~3.125 Gb/s,，支持收發(fā)雙向,，且收發(fā)獨(dú)立；本設(shè)計(jì)中使用了GTP硬核來(lái)完成物理光口的數(shù)據(jù)接收與發(fā)送,。調(diào)用GTP核時(shí),，選擇線(xiàn)速率為2.457 6 Gb/s，選擇8 B/10 B編碼,，數(shù)據(jù)位寬16 bit,。GTP將接收到的數(shù)據(jù)解碼恢復(fù)送入映射模塊，同時(shí)將映射模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼后發(fā)送,。此外,，GTP還將恢復(fù)的接收時(shí)鐘送入時(shí)鐘選擇模塊,。

　　2.2 控制模塊

　　控制模塊產(chǎn)生鏈路切換動(dòng)作的控制信號(hào)。狀態(tài)機(jī)當(dāng)前狀態(tài)指示信號(hào)和鏈路切換控制信號(hào)輸出送給時(shí)鐘選擇,、GTP模塊和數(shù)據(jù)映射模塊,。控制狀態(tài)機(jī)由檢測(cè)模塊的監(jiān)測(cè)信號(hào)和GTP模塊的復(fù)位完成指示信號(hào)來(lái)啟動(dòng),、遷移和終止?？刂茽顟B(tài)機(jī)有8個(gè)狀態(tài),，狀態(tài)機(jī)的遷移圖如圖3所示。狀態(tài)機(jī)初始狀態(tài)為空閑（IDLE）,，在環(huán)網(wǎng)模式時(shí)受上位機(jī)配置信令和監(jiān)測(cè)信號(hào)驅(qū)動(dòng),。如果接收到上位機(jī)配置的切換信令或監(jiān)測(cè)端口鏈路異常，狀態(tài)遷移至映射靜默狀態(tài)（MAP_SILENCE）,，該狀態(tài)下邏輯主從口關(guān)閉數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送通道,。隨后狀態(tài)遷移至?xí)r鐘切換狀態(tài)（CLK_SWITCH），此狀態(tài)下時(shí)鐘接口模塊完成參考時(shí)鐘的切換,，控制時(shí)鐘切換信號(hào)selrefclk0取反,。接著狀態(tài)遷移至失鎖恢復(fù)等待狀態(tài)（WAIT_LOF），考慮到光纖的傳輸時(shí)延防止RU之間時(shí)鐘互鎖,，因此在該狀態(tài)下加入保護(hù)時(shí)間：當(dāng)?shù)却龝r(shí)間達(dá)到0.1 s后再進(jìn)行失鎖狀態(tài)監(jiān)測(cè),；如果參考時(shí)鐘端口失鎖指示正常，則進(jìn)入映射更改狀態(tài)（MAP_CHANGE）,，否則,，超時(shí)返回MAP_SILENCE。MAP_CHANGE狀態(tài)的下一狀態(tài)為GTP接收復(fù)位狀態(tài)（RST_SRX）,，該狀態(tài)下對(duì)GTP模塊的接收單元進(jìn)行復(fù)位,，當(dāng)接收到復(fù)位完成信號(hào)后，狀態(tài)遷移至切換結(jié)束狀態(tài)（SWITCH_OVER）,。最后,，狀態(tài)遷移至IDLE。

　　2.3 時(shí)鐘選擇模塊

　　RU兩個(gè)物理光口恢復(fù)的接收時(shí)鐘獨(dú)立,，為了完成底層的時(shí)鐘切換以及保證本地時(shí)鐘工作正常,，通過(guò)全局緩存選擇器（BUFGMUX）選擇本地時(shí)鐘的參考輸入[7]。selrefclk0是由控制模塊產(chǎn)生的BUFGMUX選擇信號(hào),。當(dāng)selrefclk0信號(hào)為1時(shí),，BUFGMUX輸出的時(shí)鐘為物理光口0接收恢復(fù)時(shí)鐘，反之為物理光口1接收恢復(fù)時(shí)鐘,。

　　2.4 數(shù)據(jù)映射模塊

　　系統(tǒng)中,，RU的主口與前一級(jí)設(shè)備（如近端機(jī)）鏈接,，接收系統(tǒng)下行數(shù)據(jù)，并發(fā)送上行數(shù)據(jù),；從口與后一級(jí)設(shè)備連接,，轉(zhuǎn)發(fā)主口接收的下行數(shù)據(jù)，接收后級(jí)設(shè)備發(fā)送的上行數(shù)據(jù),。RU數(shù)據(jù)收發(fā)接口結(jié)構(gòu)示意如圖4所示,。由于邏輯主口和邏輯從口的接口數(shù)據(jù)差異性，需要獨(dú)立設(shè)計(jì),。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì),，降低模塊內(nèi)部耦合度，設(shè)計(jì)中將邏輯主口與邏輯從口封裝成核,，留出數(shù)據(jù)接口,，與GTP接口之間通過(guò)數(shù)據(jù)映射模塊來(lái)完成數(shù)據(jù)流的對(duì)應(yīng)關(guān)系。若當(dāng)前控制模塊的控制狀態(tài)遷移為MAP_CHANGE時(shí),，根據(jù)selrefclk0信號(hào)狀態(tài)更改映射狀態(tài)信號(hào)Cur_mapping_state,，由該狀態(tài)信號(hào)決定物理光口和邏輯主從口之間數(shù)據(jù)映射關(guān)系。

　　2.5 監(jiān)測(cè)模塊

　　一般在板間通信中,，接收端在接收時(shí),，首先進(jìn)行鏈路同步操作以保證之后的通信工作正常。系統(tǒng)中RU與近端機(jī)之間的通信協(xié)議使用了cpri協(xié)議[8],，當(dāng)RU與近端機(jī)之間為同步狀態(tài)時(shí),，幀丟失信號(hào)LOF為0。若通信過(guò)程中接收的數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤,，同步狀態(tài)無(wú)效,，LOF信號(hào)為1。FPGA外部電路提供了光模塊檢測(cè)信號(hào)丟失信息SFP_LOS和光模塊在位信號(hào)SFP_PST,。因此將邏輯主口的上述三個(gè)信號(hào)作為檢測(cè)端口鏈路是否正常的判斷條件,，即每次控制狀態(tài)機(jī)進(jìn)入檢測(cè)狀態(tài)時(shí)，都對(duì)邏輯主口所對(duì)應(yīng)物理端口的相關(guān)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)聽(tīng),，當(dāng)任意信號(hào)的翻轉(zhuǎn)邊沿被觸發(fā)時(shí),，輸出detect_sync信號(hào)到控制模塊。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　測(cè)試平臺(tái)包括軟件平臺(tái)和硬件平臺(tái),。軟件平臺(tái)為直放站系統(tǒng)上位機(jī)調(diào)試軟件和計(jì)算機(jī)串口通信軟件,。硬件平臺(tái)包括一臺(tái)數(shù)字直放站近端機(jī)、4臺(tái)RU設(shè)備以及PC,，測(cè)試平臺(tái)實(shí)物圖如圖5所示,。其中近端機(jī)有4個(gè)光口，RU有2個(gè)光口,。RU_2通過(guò)光纖接入近端機(jī)3號(hào)光口,，RU_3通過(guò)光纖與RU_2級(jí)聯(lián),；RU_31的0號(hào)光口通過(guò)光纖與近端機(jī)4號(hào)光口連接，1號(hào)光口與RU_4通過(guò)光纖級(jí)聯(lián),。RU_4的1號(hào)光口與RU_3的1號(hào)光口通過(guò)光纖連接,。PC接入近端機(jī)上的調(diào)試網(wǎng)口和RS232串口，通過(guò)上位機(jī)軟件遠(yuǎn)程控制近端機(jī)和RU并讀取拓?fù)湫畔?。為了獲得可靠準(zhǔn)確的結(jié)果,，通過(guò)上位機(jī)軟件讀取系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，RS232串口打印CPU通信消息隊(duì)列輔助分析測(cè)試結(jié)果,。

　　測(cè)試初始的系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D6（a）所示,，系統(tǒng)分配RU_2的設(shè)備號(hào)為2，RU_3的設(shè)備號(hào)為3,，由近端機(jī)3號(hào)光口管控；系統(tǒng)分配RU_4的設(shè)備號(hào)為4,，RU_31的設(shè)備號(hào)為31,，由近端機(jī)4號(hào)光口管控；上位機(jī)軟件表示當(dāng)前系統(tǒng)物理實(shí)際拓?fù)錇榄h(huán)形,，顯示為“光口3_4/光口4_3”,，3號(hào)光口和4號(hào)光口是環(huán)形拓?fù)涞膬蓚€(gè)節(jié)點(diǎn)，但是邏輯拓?fù)鋬蓷l鏈型,；如果物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是鏈形則顯示為“光口3_3（X）/光口4_4（X）”,，（X）表示管控的RU設(shè)備數(shù)目。

　　測(cè)試用例1：斷開(kāi)RU_31和RU_4間的光纖,。

　　理論結(jié)果：近端機(jī)光口4管控鏈形拓?fù)渲械哪┘?jí)RU_4發(fā)生鏈路切換,，級(jí)聯(lián)至RU_3，成為光口3所管控的鏈形末級(jí)設(shè)備,。故障節(jié)點(diǎn)前級(jí)RU_31不發(fā)生改變,。系統(tǒng)物理拓?fù)錇橐粭l鏈形和一個(gè)星形。

　　實(shí)際結(jié)果：RS232串口打印結(jié)果顯示鏈路中出現(xiàn)故障,，上報(bào)故障節(jié)點(diǎn)的設(shè)備ID為31即為RU_31,，且收到設(shè)備ID號(hào)為4的鏈路方向調(diào)轉(zhuǎn)指示告警，如圖6（b）所示,；上位機(jī)軟件顯示當(dāng)前拓?fù)錇閮蓷l鏈形,，近端機(jī)3號(hào)光口管控3臺(tái)RU，分別為RU_2,、RU_3和RU_4,；4號(hào)光口管控一臺(tái)RU_31，如圖6（c）所示,。測(cè)試結(jié)果與理論結(jié)果一致,。

　　恢復(fù)RU_31與RU_4之間的鏈路,，此時(shí)拓?fù)溆涉溞瓮負(fù)涓聻榄h(huán)形拓?fù)洹?/p>

　　測(cè)試用例2：RU_3掉電。

　　理論結(jié)果：RU_4發(fā)生鏈路切換,，RU_4級(jí)聯(lián)到RU_31,。近端機(jī)光口4管控的拓?fù)溆尚切巫優(yōu)?級(jí)RU級(jí)聯(lián)的鏈形拓?fù)洹９收瞎?jié)點(diǎn)前級(jí)RU_2不發(fā)生改變,。系統(tǒng)物理拓?fù)涓潞笾挥?臺(tái)RU設(shè)備,，即RU_2、RU_31和RU_4,。

　　實(shí)際結(jié)果：RS232串口打印結(jié)果顯示上報(bào)故障節(jié)點(diǎn)的設(shè)備ID為2,，且收到設(shè)備ID為4的鏈路切換指示告警；上位機(jī)軟件顯示當(dāng)前拓?fù)錇橐粭l鏈形和一個(gè)星形,，近端機(jī)3號(hào)光口管控RU_2,，4號(hào)光口管控RU_31和RU_4。測(cè)試結(jié)果與理論結(jié)果一致,。

　　實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明,，系統(tǒng)在光纖故障和設(shè)備故障時(shí)能定位故障節(jié)點(diǎn)，并進(jìn)行相應(yīng)的切換,，上位機(jī)監(jiān)控的系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與實(shí)際拓?fù)湟恢隆?/p>

4 結(jié)論

　　鏈路切換是環(huán)網(wǎng)自愈的重要組成部分,，本文介紹了一種基于FPGA的鏈路切換設(shè)計(jì)方案。該方案在通信鏈路出現(xiàn)光纖故障或設(shè)備故障等問(wèn)題時(shí),，可及時(shí)檢測(cè)到故障節(jié)點(diǎn)并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換鏈路,，保證了系統(tǒng)正常通信不受影響，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性,；通過(guò)邏輯映射對(duì)物理接口與邏輯接口進(jìn)行數(shù)據(jù)映射,，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便，系統(tǒng)組網(wǎng)也更為靈活,。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方案可大大提高系統(tǒng)的可靠性,，有重要應(yīng)用價(jià)值。

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