专利名称：低速光口到2m传输线路的复用和保护切换的方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于PCM复接2M数据的通信方法与装置，尤其涉及一种应用于继电保护设备中的低速光口到2M带宽复用和保护切换的数据通信的方法与装置。
背景技术：
继电保护设备是电力系统用来实时监测电力网的运行情况并在发电厂、配电站的高压线路出现异常时控制电闸进行倒换的设备。该设备都是成对使用，两端设备通过共同计算高压线上的电压电流参数等决定是否控制电闸进行倒换。设备的通信接口多为低速光纤接口，这是因为继电保护设备安装在强电磁环境中，光纤接口有很好的抗干扰能力，而一对设备之间只需要小于2M的带宽就可满足其性能要求，因此大多数厂家将该光纤接口线路速率定义为64Kb/s到4M之间，净荷小于2M的低速光纤接口。继电保护设备在电力系统中是属于重要的电力设备，其通信传输线路要得到可靠的保证，才能使其正常工作，一旦通信传输系统出现故障，会严重影响电力安全，严重时还可能造成重大电力事故。
电力系统的飞速发展对继电保护不断提出新的要求，电子技术、计算机技术与通信技术的飞速发展又为继电保护技术的发展不断地注入了新的活力。目前，为保证继电保护设备的数据可靠性传输而提出的几种解决方案，但都有一定的缺点和局限性。电力系统的其它设备和电信运营商的某些具有低速光纤接口且数据特别重要的数据终端设备的数据可靠性传输也有相同的问题，因此也需要可靠的解决方案来解决这些设备的传输可靠性。
由于国内并没有标准定义继电保护设备的低速光纤接口，导致目前国内市场上各厂家的继电保护设备的光纤接口各不相同。各厂家设备在使用时，其通信传输方式有以下几种。
一种方式是用光纤直连方式，即将两设备的低速光纤接口直接用一对光纤相连，在电力继电保护系统中，这种方式常用于小型变电站之间，两站之间只有一对继电保护设备需要进行互连，且距离只有几公里。对于传输距离较远，设备较多的情况就不适合了。缺点在于需要为该低速数据专门敷设光缆，成本高，无法充分利用使用已经使用的公共传输系统如SDH等。并且无法用光纤的1+1备份，其可靠性得不到保障。
第二种方式是分体的光/电转换+PCM(分复接)设备的方式。这是目前大部分电力运营商采取的方式。在远离电力机房的通信机房，安装光/电转换设备，将低速光纤接口转换为低速数据接口，如同向64Kb/s接口，V35接口，RS485接口等，目前用的最多的是同向64Kb/s接口。该低速数据接口再通过PCM设备复接到E1接口中，然后通过PDH、SDH光端机或微波系统进行传输。就目前的现状来说，光/电转换设备均由继电保护部门维护，PCM设备由电力通信部门维护，两者之间常常由于发生事故后而难以找到故障点发生纠纷。由于目前市场上的低速光接口的终端设备没有统一的标准，各设备配套的光/电转换设备也五花八门，各设备之间无法兼容，这给设备维护部门带来巨大的维护成本。而PCM设备则使用的都是通用的PCM设备，其接口包括RS232、RS422、RS485、V.11、V.35、同向64Kb/s、IP、普通电话、EM4/EM2等众多接口，因此所承载的业务种类多。为了保障各种业务正常使用，就无法保障某一要求较高的特殊业务如继电保护的线路质量，而由多业务带来的时钟不同步问题也很突出。而如果只承载这一特殊业务，则整个PCM设备的众多接口就无法使用，造成资源的极大浪费。同时也增加了维护的复杂性。
但继电保护设备的数据传输应该得到可靠保证，通信传输线路的1+1备份方式是电力运营商为解决传输可靠性而采取的有效方式，且电力运营商都有冗余的传输线路，给1+1备份方式提供了物质基础。基于1+1备份方式，目前有以下几种解决方案。
第一种方式是双光纤直连方式，这种方式由于成本高，可靠性差，只在小型变电站间使用。
第二种方式是分体的光/电转换+PCM复用设备+SDH自愈环方式。在继电保护系统中，SDH自愈环最大的弱点是不能保障双向数据能经过相同的路由，从而不能保障双向具有相同的延时，但双向具有相同的延时是继电保护设备的基本要求，否则继电保护设备不能正常工作。
第三种方式是分体的光/电转换+PCM设备+2M手工切换方式。这里的前提是存在两个传输路由，分别提供2个2M传输通道给一对继电保护设备使用。电力提供两种传输路由，有的地方为双路光纤的方式，有的地方为一路光纤一路微波的方式。这种方式的缺点除了前面提到的分体的光/电转换+PCM设备方式的缺点外，2M手工切换维护不方便，一旦一路发生故障，需手工切换到另一路，手工倒线缆期间通信将完全中断，设备使用安全性将大受影响。
发明内容
针对上述现有低速光口数据的复用和保护切换方法与装置中所存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种能保证和提高数据通信质量、维护简单、操作方便、成本低、简便易行的低速光口到2M传输线路的复用和保护切换方法与装置。
本发明是这样实现的低速光口到2M传输线路的复用和保护切换的方法，包括以下步骤A、发送步骤(1)接收低速光接口输入的低速光信号，对该低速光信号进行光电转换和时钟提取，利用提取的时钟对数据进行解码并进行缓存；(2)利用2M时钟生成ITU-T G.704规定的2M数据，在2M时钟的控制下，根据低速数据的速率将解码后的低速数据插入到所述ITU-TG.704 2M数据流中而形成标准的ITU-T G.704 2M数据格式，从而完成对低速数据的复用；(3)对所述2M数据流按相应的循环冗余校验规则进行校验，并产生校验结果，将该校验结果插入到所述2M数据流的循环冗余校验位，并通过至少两路传输线路同时发送该数据；B、接收步骤(1)接收到2M接口输入的信号后对该输入信号进行时钟提取，利用提取的2M时钟提取该信号中的2M数据，并进行帧同步和循环冗余校验，然后进行传输质量分析，根据质量分析结果选择最好的一路2M数据流，从该2M数据流中提取低速数据信号；(2)在低速时钟的控制下，对解复用后的数据进行相应的编码；(3)对所述低速数据进行电/光转换，在低速时钟的控制下通过低速光接口发送该转换后的光信号。
低速光口到2M传输线路的复用和保护切换的装置，包括有依次电连接的基于低速接口的光电/电光转换模块、PCM分复接模块、线路自动切换模块，所述光电/电光转换模块包括有用于光信号输入输出、光电转换及逆转换的光信号输入输出模块，利用相应的时钟进行光信号编解码的编解码模块，可提供一种以上频率脉冲的时钟，用于信号环回测试的环回控制模块，用于数据缓存的缓存器；所述PCM分复接模块包括有用于将低速信号复用到2M信号及将2M信号解复用到低速信号的复用及解复用模块，用于将时标插入到复用后的2M数据的时标插入模块，用于将循环冗余校验码插入到复用后的2M数据的循环冗余校验插入模块；所述线路自动切换模块包括有用于将接收到的至少两路2M复用数据进行时标提取和数据对齐的数据对齐模块，用于对2M信号进行时钟平滑的时钟平滑模块，用于对所述至少两路2M复用数据进行传输质量分析的传输质量分析模块，用于执行所述至少两路2M复用数据传输线路之间切换的线路切换模块；所述光电/电光转换模块、PCM分复接模块和线路自动切换模块时钟同步，所述光电/电光转换模块和PCM分复接模块共用同一个环回控制模块。
本发明采用光电/电光转换模块、PCM分复接模块和线路自动切换模块为一体的结构，减少了中间设备的数量，减少了故障点；电接口为标准成帧接口，方便通信维护部门进行测试与维护；本发明同时采用无损伤切换方式提高了传输质量，保证传输线路稳定可靠；无须人工干预，可自动进行线路保护切换；本发明可适应多种设备的低速光接口，从而适应多种低速数据到ITU-T G.704建议的2M数据的转换。本发明能在最大程度上保证继电保护设备的正常工作，从而保证电力网的安全可靠。
图1是本发明的应用结构示意图；图2是本发明光电转换、PCM分复接实现的结构示意图；图3是本发明PCM复用后的数据发送模块结构示意图；图4是本发明无损线路切换的数据接收模块结构示意图；图5是本发明的缓存器读写示意图；图6是本发明的锁相环结构示意图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
如图1所示，使用时，直接将本发明的通信装置连接于两继电保护设备之间，再通过至少两路(本发明具体使用了两路，为“1+1”形式)传输线路连接，本发明的通信装置包括有依次电连接的基于低速接口的光电/电光转换模块(O/E，Optical/Electrical transition，E/O，Electrical/Optical transition)、PCM分复接模块、线路(1+1)自动切换模块。本发明的光电/电光转换模块、PCM分复接模块和线路自动切换模块为一体结构。本发明的通信装置互相连接具体是通过线路自动切换模块连接起来的，传输线路可为SDH网络、PDH网络等网络形式，也可以采用铺设的双绞线、同轴电缆等传输线。
以下详细说明本发明的具体结构及相应的数据通信流程。
如图2所示，为本发明的光电转换和PCM分复接模块的实现结构图。该结构包括有光收发模块完成双方向的光信号/电信号的转换。
光环回控制模块数据发送前进行环回测试，使光接口信号在不经过其它的传输媒介或选定的传输媒介的情况下，将发送信号转接到自己的接收端，通过检查数据发送和接收的情况来判断端口工作状态是否正常，以保证数据的发送质量。光环回控制模块同时可受控于远端的环回控制命令，以方便设备和线路的开通、故障检测和维护。
编码和时钟选择模块根据不同类型的低速来完成对编码类型、信号速率和时钟方式的设置及选择控制。设置光信号的编码类型、信号速率和时钟的主、从模式；从输入信号中提取实际时钟信号，提供给“数据解码”模块作为解码时钟。在主时钟的方式下，系统时钟由本模块自行产生，并向PCM接口方向提供速率为2M的时钟信号，向光发送接口方向提供同步于本模块自行产生的时钟、并且速率为光接口速率的低速时钟。在从时钟的方式下，向PCM接口方向提供同步于光输入接口、并且速率为2M的时钟信号；向光发送接口方向提供同步于2M输入接口、并且速率为光接口速率的低速时钟。本发明在选择不同的接口速率时，低速数据码流是通过均匀间插的方式插入到成帧2M的各个时隙之中的。其余时隙除了用来传送网管、控制等信息外，多余的时隙不再使用。
光解码、时钟提取模块在“编码和时钟选择模块”的控制下，完成对来自光接口输入方向的输入信号的时钟提取和对数据进行解码的功能。
光编码模块在“编码和时钟选择模块”的控制下，完成对来自PCM方向的输入信号的数据进行编码的功能。
发缓冲模块在提取的实际低速时钟信号的控制下，对来自光输入接口的数据进行缓冲存储；同时在同步于系统时钟的2M时钟的控制下，向PCM方向输出数据。
收缓冲模块在来自PCM方向时钟的控制下，对来自PCM接口方向的数据进行存储；同时在同步于系统时钟的低速时钟信号的控制下，向光接口方向读出数据。
PCM复用模块完成低速数据到符合G.704格式的数据转换。具体流程如下按G.704数据格式产生帧、复帧、Si等特征数据；在2M发时钟的控制下，将低速数据插入到产生的G.704成帧数据流中，形成G.704数据流；对上述G.704数据流按CRC-4校验规则进行校验，并产生校验码字；将检验码字插入G.704数据流的相应位置中。
PCM解复用模块完成G.704格式的数据到低速数据转换。具体流程如下在2M输入口提取的时钟的控制下，进行G.704帧同步、复帧同步及CRC-4校验操作。
从G.704数据中提取出低速数据。
PCM环回控制模块可以实现两个方向的环回控制，以支持PCM传输通道和光传输通道的环回测试。在PCM环回控制信号的控制下，可以实现2M接口侧的环回，也可以实现PCM分复用侧的环回。
2M时钟提取模块完成从2M输入信号中提取2M时钟。
本发明的无损线路切换是通过对信号沿网络中不同路径传输时所产生的传播延时进行时间调整来完成的。发送数据时，将复用后2Mb/S信号加入时标并重新计算CRC-4编码后，分成两路送往不同的传输系统。插入的时标信息是为了使接收端两路数据能够进行对齐。以下详细说明。
如图3所示，本发明的PCM复用后的数据发送模块包括用于将时标插入复用数据的时标插入模块，用于将CRC-4插入复用数据的循环冗余校验插入模块。时标插入模块将复用后的信号进行数据分块，给每一块加上不同的标签(这里的标签是指时间标签)。该标签可插入到G.704的Sa比特或某个空闲时隙中。由于输出1和输出2的内容相同，在接收端，可认为具有相同标签的数据块就是同一块数据，即只用比对两路信号的标签，而不用比对信息内容，就可知这两路接收信号的两个数据块是否是相同的数据块。
如图4所示，本发明的线路自动切换模块包括有用于收发数据存储的缓存器、用于将接收到的至少两路复用数据进行时标提取和数据对齐的数据对齐模块，用于对2M信号进行时钟平滑的时钟平滑模块，用于对至少两路复用数据进行传输质量分析的传输质量分析模块，用于执行至少两路复用数据传输线路之间切换的线路切换模块。
以下以详细说明本发明的线路自动切换步骤。
首先说明本发明的数据存储和对齐。对于2路传输线路传输的数据块，分别设置2个缓存器(RAM)进行存储。如图5所示，在对每一传输线路的数据块，根据相应数据块上的不同时间标签依次存入相应缓存器的不同地址区间中，时间标签较小的数据块存入靠前的地址区间。如接收到的传输线路1的数据存入缓存器1(RAM1)，带有时间标签“1”的数据块存入第1个地址区间，将带有标签“2”的数据块存入第2个地址区间，依次类推。2个缓存器的存储结构完全相同，以方便数据的读取和对齐。这里的缓存器可为先进先出缓存器。时间标签也可采用序号代替。
按写数据的方式分别读取2个缓存器中的数据块，并判断提取的两数据块的标签是否相同，若不相同则重新提取；本发明对提取的2路数据进行质量分析，判断出传输质量最好的一路，选择存储该路数据的缓存器中相应数据作为输出数据。本发明传输质量分析包括对每一传输线路存储的数据块分别进行信号丢失、告警指示、帧远端告警、复帧远端告警、帧失步等的告警进行检查，同时对每一传输线路存储的数据块的比特误码、编码误码、帧误码、CRC误码等性能进行检查，还可进行M2100分析等。本发明采用综合判断方式决定欲选择的数据。例如可根据经验为上述各参数设置比重权值，根据设置的权值计算每一传输线路的数据传输质量，并以此作为判断依据。
如果质量分析后两路中都没有误码，这样存储后的两个缓存器的相同地址位置应该存入了完全相同的数据。两路数据实现了在存储器中的对齐，输出时只需选择是从缓存器1还是缓存器2提取数据，即使在两个缓存器之间来回切换，输出数据也不会出现错误即损伤。“输出”信号送PCM进行解复用。
在传输发生告警的时候，如一路发生了LOS(信号丢失)，AIS(告警指示)，LOF(帧丢失)告警，使得该路数据完全不能使用，则总输出只需完全从另一路的RAM中取数据输出，就切换到了另一路，直到发生了告警的那一路恢复正常为止。这是告警切换的过程。
如果两路信号没有告警，但发生了误码，假如1路的第“4”块数据有误码，2路的第“5”块数据有误码，则应输出第4块数据时切换到2路，从RAM2中读数据，在应输出第5块数据时切换到1路，从RAM1中读数据。这样就避开了发生误码的数据段。由于两路传输是两个完全独立的传输系统，这两路同时发生误码的概率大大降低，因此，总输出发生误码的概率也大大降低，因此能够提高误码性能。出现误码是切换的依据。
如果数据块中出现了单个的误码就产生切换，称为比特误码切换。如果是该路误码达到一定级别(如10e-4，10e-6)才进行切换，则称为等级误码切换，等级误码切换只能在一路传输性能下降到设定的等级时才能切换，因此不能提高线路误码等级。根据不同的用户要求可以选择比特误码切换或者等级误码切换。
比特误码切换要求快速判断，快速切换，对总输出读指针与两个写指针的间隔的控制要求非常精确，因此较等级误码切换难实现。两个RAM之间通过选择从哪个RAM中读数据，可实现数据切换。正是由于两路进行了对齐，才使得该技术能够实现无损伤切换。
虽然数据实现了无损伤的切换，但如果时钟不进行相应的切换，还是会对线路信号质量造成严重的影响。时钟切换发生在某一路发生LOS，AIS，LOF告警，使得该路时钟信号不能正确提取时。在两路信号都正常时，总输出同步到1路还是2路的时钟都是可以的。假设当前总输出时钟同步与1路，这时，1路发生了告警，1路时钟不再可用，应切换到2路。如果直接切换到2路，由于两路时钟相位不同，必然会造成两路之间有相差，直接切换会导致严重的相位损伤而使输出信号受到损伤。如图6所示，本发明还设置有相应的锁相环，使切换后的输出时钟不会发生突变，从而使输出信号不受损伤。
本发明的光电/电光转换模块、PCM分复接模块和线路自动切换模块时钟同步，光电/电光转换模块和PCM分复接模块共用同一个环回控制模块。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
权利要求
1.一种低速光口到2M传输线路的复用和保护切换的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤A、发送步骤(1)接收低速光接口输入的低速光信号，对该低速光信号进行光电转换和时钟提取，利用提取的时钟对数据进行解码并进行缓存；(2)利用2M时钟生成ITU-T G.704规定的2M数据，在2M时钟的控制下，根据低速数据的速率将解码后的低速数据插入到所述ITU-TG.7042M数据流中而形成标准的ITU-T G.704 2M数据格式，从而完成对低速数据的复用；(3)对所述2M数据流按相应的循环冗余校验规则进行校验，并产生校验结果，将该校验结果插入到所述2M数据流的循环冗余校验位，并通过至少两路传输线路同时发送该数据；B、接收步骤(1)接收到2M接口输入的信号后对该输入信号进行时钟提取，利用提取的2M时钟提取该信号中的2M数据，并进行帧同步和循环冗余校验，然后进行传输质量分析，根据质量分析结果选择最好的一路2M数据流，从该2M数据流中提取低速数据信号；(2)在低速时钟的控制下，对解复用后的数据进行相应的编码；(3)对所述低速数据进行电/光转换，在低速时钟的控制下通过低速光接口发送该转换后的光信号。
2.根据权利要求1所述的低速光口到2M传输线路的复用和保护切换的方法，其特征在于，所述低速数据插入到符合ITU-T G.704建议的成帧2M数据流中，具体为将低速数据码流通过均匀间插的方式插入到成帧后的2M数据流中的各个时隙之中；剩余时隙用来传送控制信息。
3.根据权利要求1所述的低速光口到2M传输线路的复用和保护切换的方法，其特征在于，该方法还包括所述低速光接口侧的环回测试和2M接口侧的环回测试步骤，具体为将所述低速光接口或2M接口的信号在不经过设置的传输媒介或经过选定的传输媒介的情况下，将发送信号转接到自己的接收端，通过检查数据发送和接收的情况来判断端口工作状态是否正常，以保证数据的发送质量；同时还受控于远端的环回控制命令，以方便设备和线路的开通、故障检测和维护。
4.根据权利要求1所述的低速光口到2M传输线路的复用和保护切换的方法，其特征在于，该方法还包括步骤在对低速数据复用后进行至少两路传输时，将该复用后的数据信号进行分块，给每一数据块加上不同的时间标签，以标定数据块的顺序及不同传输线路中相同的数据；接收端对该接收到的不同线路数据进行处理时，可认为具有相同时间标签的数据块就是同一块数据，即只用比对两路信号的标签即可确定两路的数据块是否是相同的数据块，以便两路信号进行对齐，以利于线路进行无损伤的切换。
5.根据权利要求4所述的低速光口到2M传输线路的复用和保护切换的方法，其特征在于，所述接收步骤中对接收到的数据进行传输质量分析，具体为将接收到的至少两路数据按传输线路的不同分别存储到不同的缓存器中，并按数据块的时间标签依次存储到缓存器的对应地址中，提取各缓存器中具有相同时间标签的数据块，对提取的各路数据块进行质量分析，判断出传输质量最好的一路，选择该质量最好的数据块作为输出数据。
6.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的低速光口到2M传输线路的复用和保护切换的方法，其特征在于，所述2M电信号具体为符合ITU-T G.704建议的E1接口标准的2.048Mbps数据。
7.一种低速光口到2M传输线路的复用和保护切换的装置，包括有依次电连接的基于低速接口的光电/电光转换模块、PCM分复接模块、线路自动切换模块，其特征在于，所述光电/电光转换模块包括有用于光信号输入输出、光电转换及逆转换的光信号输入输出模块，利用相应的时钟进行光信号编解码的编解码模块，可提供一种以上频率脉冲的时钟，用于信号环回测试的环回控制模块，用于数据缓存的缓存器；所述PCM分复接模块包括有用于将低速信号复用到2M信号及将2M信号解复用到低速信号的复用及解复用模块，用于将时标插入到复用后的2M数据的时标插入模块，用于将循环冗余校验码插入到复用后的2M数据的循环冗余校验插入模块；所述线路自动切换模块包括有用于将接收到的至少两路2M复用数据进行时标提取和数据对齐的数据对齐模块，用于对2M信号进行时钟平滑的时钟平滑模块，用于对所述至少两路2M复用数据进行传输质量分析的传输质量分析模块，用于执行所述至少两路2M复用数据传输线路之间切换的线路切换模块；所述光电/电光转换模块、PCM分复接模块和线路自动切换模块时钟同步，所述光电/电光转换模块和PCM分复接模块共用同一个环回控制模块。
8.根据权利要求7所述的低速光口到2M传输线路的复用和保护切换的装置，其特征在于，所述光电/电光转换模块、PCM分复接模块和线路自动切换模块为一体结构。
9.根据权利要求7所述的低速光口到2M传输线路的复用和保护切换的装置，其特征在于，所述传输线路可为SDH网络、PDH网络或者直接铺设相应的传输线路。
10.根据权利要求7至9中任一权利要求所述的低速光口到2M传输线路的复用和保护切换的装置，其特征在于，所述2M电信号具体为符合E1接口标准的2.048Mbps数据；存储接收复用数据的缓存器按传输线路的数目进行设置，所述缓存器为先进先出缓存器。
全文摘要
本发明公开了一种可直接将多种低速速率的光接口复接到2M标准传输线路上并进行自动保护切换的方法与装置。方法接收低速光接口输入的低速光信号，对其进行光电转换和时钟提取、解码和缓存；利用2M时钟生成符合ITU－T G.704建议的2M数据，在2M时钟的控制下，将解码后的低速数据插入到2M数据流中，完成对低速数据的复用；对2M数据流按循环冗余校验规则进行校验，并产生校验码字，将码字插入到2M数据流的CRC位，通过至少两路传输线路发送该数据。对端设备的接收端对接收到的至少两路数据进行传输质量分析，选择质量最好的一路解复用为低速数据，经线路编码和电光转换为光信号输出。本发明同时公开了基于上述方法的装置。本发明保证和提高了数据通信质量、维护成本低。
文档编号H02H7/26GK1992572SQ20051013548
公开日2007年7月4日 申请日期2005年12月31日 优先权日2005年12月31日
发明者张金秀, 崔俊武, 梁玉红, 杨洪斌, 闻世春 申请人:北京畅通达通信技术有限公司