T3/E3/STS-1網(wǎng)絡(luò)的冗余保護(hù)

摘要：利潤(rùn)率優(yōu)先于可靠性，這是在設(shè)計(jì)任何系統(tǒng)時(shí)都會(huì)被考慮到的一個(gè)重要問(wèn)題。尤其是在電信行業(yè)，日益增強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)要求從購(gòu)買(mǎi)的設(shè)備中獲得更多的效益。服務(wù)提供商則要求他們的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備99.999%的時(shí)間保持正常，或者有時(shí)稱(chēng)為5個(gè)9。只有這樣才可以在保持競(jìng)爭(zhēng)力的同時(shí)實(shí)現(xiàn)盈利。因此，責(zé)任就落在了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商身上，他們?cè)O(shè)計(jì)的新系統(tǒng)必須符合甚至超過(guò)這種預(yù)期。

實(shí)現(xiàn)上述要求的一種方法是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵區(qū)域采用板內(nèi)的冗余設(shè)計(jì)。雖然這個(gè)觀念并不新穎，但是如何在T3，E3或STS-1網(wǎng)絡(luò)接口上處理這個(gè)問(wèn)題是本文的關(guān)鍵。以前因?yàn)?a target="_blank">端口數(shù)相對(duì)較少，所以網(wǎng)絡(luò)接口的冗余設(shè)計(jì)并不重要。當(dāng)需要冗余時(shí)，可以有多種方法將電路切換進(jìn)出網(wǎng)絡(luò)。但是隨著對(duì)帶寬需求的增加，設(shè)計(jì)中對(duì)端口數(shù)目和冗余的需要也增加了。本篇文章將要介紹T3/E3/STS-1網(wǎng)絡(luò)接口的幾種不同類(lèi)型的冗余保護(hù)方案，特別是怎樣利用Maxim T3/E3/STS-1線性接口單元(LIU)或者是DS315x系列器件(DS3151, DS3152, DS3153和DS3154)來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)方案。

冗余方案類(lèi)型

1:1保護(hù)

無(wú)論你正在設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)路由器，WAN接入，DSLAM，T/E ATM上行還是多路復(fù)用器，幾乎在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期中設(shè)備都需要能正常運(yùn)行，所以需要考慮采用冗余的解決方案。有幾種方法可以達(dá)到這個(gè)目的。對(duì)于端口數(shù)較少的情況，經(jīng)常使用繼電器作為一種有效的解決方法。圖1所示為這種類(lèi)型的保護(hù)方案。請(qǐng)注意，設(shè)計(jì)中使用了線路卡。當(dāng)主卡出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，可以轉(zhuǎn)換到保護(hù)卡來(lái)取代主卡，在很長(zhǎng)一段時(shí)間里并不會(huì)中斷來(lái)自網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)。這種保護(hù)方案中線路卡都是一樣的，這點(diǎn)在保持替換卡的庫(kù)存時(shí)很重要。連接線路卡1和線路卡2之間的走線必須盡可能的短，這樣可以防止由于發(fā)送信號(hào)的反射而導(dǎo)致的脈沖模板不匹配。建議LIU到BNC連接器之間的走線長(zhǎng)度不超過(guò)5英寸。


圖1.

1:4保護(hù)

當(dāng)線路卡的數(shù)量超過(guò)2個(gè)時(shí)，用冗余來(lái)有效地保護(hù)網(wǎng)絡(luò)接口將變得更加困難。有時(shí)會(huì)采用一個(gè)矩陣卡來(lái)將不同的線路卡切換到通信網(wǎng)中。盡管這種方法很有效，但是當(dāng)矩陣卡失效時(shí)也會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。為了替換這個(gè)卡，系統(tǒng)需要離線來(lái)修理或更換這個(gè)板卡。

Maxim完成了一種冗余方案，它允許用戶在調(diào)換線路卡的同時(shí)仍維持保護(hù)卡正常工作。圖2中，所有的線路卡既有有源器件諸如DS315x線路接口單元也有繼電器和本地振蕩器。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，我們沒(méi)有使用矩陣卡來(lái)切換主卡和保護(hù)卡之間的信號(hào)。相反，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)BALUN即平衡到非平衡網(wǎng)絡(luò)的方案，也可以被稱(chēng)為功率分配器/合并器。分配器是一個(gè)無(wú)源器件，它可以將接收到的輸入信號(hào)分配成多個(gè)具有特定相位和幅度特性的輸出。在圖2中可以看到：連接兩塊獨(dú)立線路卡的功率分配器/合并器在BNC連接器的正前方，功率分配器的一個(gè)輸出連接到主卡上，另一個(gè)連接到主卡下方的卡上— 但不是下一個(gè)卡的LIU上，它連接到我們所知道的保護(hù)總線上。當(dāng)線路卡N有故障時(shí)，線路卡N + 1保護(hù)總線上的繼電器閉合，保護(hù)卡開(kāi)始工作，所以數(shù)據(jù)仍能被傳送到T3/E3/STS-1網(wǎng)絡(luò)。失效的線路卡N可以在不中斷服務(wù)的情況下被替換。


圖2.

功率分配器

對(duì)于所有的T3/E3/STS-1網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，功率分配器的輸出信號(hào)應(yīng)該是等幅的，任何兩個(gè)信號(hào)間同相，各輸出信號(hào)之間高度隔離，輸入到輸出最大3.0dB的插入損耗。當(dāng)超過(guò)3.0dB時(shí)將無(wú)法匹配脈沖模板，這是所有電信應(yīng)用中的一個(gè)重要條件。

圖3所示為一個(gè)普通的“T”型功率分配器的符號(hào)表示。注意這個(gè)器件是個(gè)以中央抽頭為輸入的變壓器，一個(gè)電阻跨接在另外兩端，這兩端既可以作為輸出，有些情況下也可以作為兩個(gè)輸入。跨接變壓器的電阻是這個(gè)設(shè)計(jì)性能的關(guān)鍵。它有助于平衡端口A和端口B之間的阻抗，同時(shí)也完全將這兩個(gè)端口與輸入端口C進(jìn)行信號(hào)隔離。


圖3.

當(dāng)這個(gè)器件在Rx或LIU的接收側(cè)被用作功率分配器時(shí)，假定端口A和端口B負(fù)荷完全相同則信號(hào)隔離，在端口產(chǎn)生的電壓將有同樣的振幅和極性。因?yàn)閮蓚€(gè)端口有相同的電壓，所以沒(méi)有電流流過(guò)電阻，此時(shí)兩個(gè)端口之間完全隔離。圖4所示為這個(gè)電路的圖形描述。通過(guò)這種對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)可以看到I1和I2是一樣的。因此，點(diǎn)A和點(diǎn)B的電壓也是相等的。


圖4.

當(dāng)這個(gè)器件工作在LIU的發(fā)送側(cè)用作功率合成器時(shí)，在A和B之間仍然像分配器一樣具有高的隔離度。來(lái)自端口A的信號(hào)電流流過(guò)電感，在端口B處產(chǎn)生180°的相位變化。但是流經(jīng)電阻的電流到達(dá)端口B時(shí)并沒(méi)有相位變化。因此如果RINT選取某個(gè)特定的阻抗值，我們就能確保這個(gè)電流與來(lái)自電感的電流等幅反相。這種情況下，端口B就沒(méi)有電壓變化，從而實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)端口間的高度隔離。

對(duì)于任何給定的T3、E3或STS-1網(wǎng)絡(luò)，RINT值應(yīng)該為多少才能保證端口A和端口B之間100%的隔離呢？圖5中重新描繪了功率分配器/合成器網(wǎng)絡(luò)。在這種情況下，為了在端口C處得到特定的電壓，端口B處要流過(guò)電流。下面的方程式將演算怎樣用正確的RINT電阻值獲得隔離從而在端口A得到0V。


圖5.

為了簡(jiǎn)化等式，我們可以假設(shè)V1為1V，R = 75Ω，且I3 = I4，由于變壓器的互感系數(shù)很大，因此不會(huì)在兩個(gè)端點(diǎn)之間產(chǎn)生任何泄漏電流。所以我們可以得到下面的等式：













用等式3替換I1得到RINT的解答。結(jié)果如等式7。



用等式2和等式6替換I2和I4 ，然后用等式4替換I5得到等式8。



用等式1替換V3得到等式9。



如果想要V2如上所述為0V，可以得出RINT為150Ω。由于V1處的電壓，RINT取任何其他值都將在V2處引起一個(gè)電壓。RINT為150Ω，就可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)端口間所需的隔離。請(qǐng)注意由于等式1，V3處的電壓有1/2的衰減，這可能導(dǎo)致無(wú)法匹配電信網(wǎng)絡(luò)接口的脈沖模板規(guī)范。為了克服端口C處(V3)的電壓下降，DS315x LIU可以通過(guò)一個(gè)測(cè)試寄存器為每個(gè)發(fā)送端口增加增益，寄存器地址為[n x (0 x 10) + (0 x 8)]，其中n是從0到3的端口號(hào)。

圖6所示為DS315x LIU的脈沖模板，它按照?qǐng)D3結(jié)構(gòu)配置為1 x 4的冗余保護(hù)。使能測(cè)試寄存器后，即使考慮到來(lái)自功率分配器/合并器的額外負(fù)載，DS315x LIU也可以很容易的輸出E3脈沖模板規(guī)范所需要的電壓。在Maxim的網(wǎng)站www.maxim-ic.com.cn/telecom上有這個(gè)設(shè)計(jì)的原理圖和BOM清單。


圖6.