应用笔记 2696

T3/E3/STS-1网络的冗余保护


摘要 : 利润率优先于可靠性,这是在设计任何系统时都会被考虑到的一个重要问题。尤其是在电信行业,日益增强的竞争要求从购买的设备中获得更多的效益。服务提供商则要求他们的网络设备99.999%的时间保持正常,或者有时称为5个9。只有这样才可以在保持竞争力的同时实现盈利。因此,责任就落在了网络设备制造商身上,他们设计的新系统必须符合甚至超过这种预期。

实现上述要求的一种方法是在系统设计的关键区域采用板内的冗余设计。虽然这个观念并不新颖,但是如何在T3,E3或STS-1网络接口上处理这个问题是本文的关键。以前因为端口数相对较少,所以网络接口的冗余设计并不重要。当需要冗余时,可以有多种方法将电路切换进出网络。但是随着对带宽需求的增加,设计中对端口数目和冗余的需要也增加了。本文将要介绍T3/E3/STS-1网络接口的几种不同类型的冗余保护方案,特别是怎样利用Maxim T3/E3/STS-1线性接口单元(LIU)或者是DS315x系列器件(DS3151,DS3152,DS3153和DS3154)来实现保护方案。

冗余方案类型

1:1保护

无论你正在设计网络路由器,WAN接入,DSLAM,T/E ATM上行还是多路复用器,几乎在产品的整个生命周期中设备都需要能正常运行,所以需要考虑采用冗余的解决方案。有几种方法可以达到这个目的。对于端口数较少的情况,经常使用继电器作为一种有效的解决方法。图1所示为这种类型的保护方案。请注意,设计中使用了线路卡。当主卡出现问题时,可以转换到保护卡来取代主卡,在很长一段时间里并不会中断来自网络的服务。这种保护方案中线路卡都是一样的,这点在保持替换卡的库存时很重要。连接线路卡1和线路卡2之间的走线必须尽可能的短,这样可以防止由于发送信号的反射而导致的脉冲模板不匹配。建议LIU到BNC连接器之间的走线长度不超过5英寸。

图1.
图1.

1:4保护

当线路卡的数量超过2个时,用冗余来有效地保护网络接口将变得更加困难。有时会采用一个矩阵卡来将不同的线路卡切换到通信网中。尽管这种方法很有效,但是当矩阵卡失效时也会出现问题。为了替换这个卡,系统需要离线来修理或更换这个板卡。

Maxim完成了一种冗余方案,它允许用户在调换线路卡的同时仍维持保护卡正常工作。图2中,所有的线路卡既有有源器件诸如DS315x线路接口单元也有继电器和本地振荡器。在这个设计中,我们没有使用矩阵卡来切换主卡和保护卡之间的信号。相反,我们设计了一个BALUN即平衡到非平衡网络的方案,也可以被称为功率分配器/合并器。分配器是一个无源器件,它可以将接收到的输入信号分配成多个具有特定相位和幅度特性的输出。在图2中可以看到:连接两块独立线路卡的功率分配器/合并器在BNC连接器的正前方,功率分配器的一个输出连接到主卡上,另一个连接到主卡下方的卡上— 但不是下一个卡的LIU上,它连接到我们所知道的保护总线上。当线路卡N有故障时,线路卡N + 1保护总线上的继电器闭合,保护卡开始工作,所以数据仍能被传送到T3/E3/STS-1网络。失效的线路卡N可以在不中断服务的情况下被替换。

图2.
图2.

功率分配器

对于所有的T3/E3/STS-1网络应用,功率分配器的输出信号应该是等幅的,任何两个信号间同相,各输出信号之间高度隔离,输入到输出最大3.0dB的插入损耗。当超过3.0dB时将无法匹配脉冲模板,这是所有电信应用中的一个重要条件。

图3所示为一个普通的“T”型功率分配器的符号表示。注意这个器件是个以中央抽头为输入的变压器,一个电阻跨接在另外两端,这两端既可以作为输出,有些情况下也可以作为两个输入。跨接变压器的电阻是这个设计性能的关键。它有助于平衡端口A和端口B之间的阻抗,同时也完全将这两个端口与输入端口C进行信号隔离。

图3.
图3.

当这个器件在Rx或LIU的接收侧被用作功率分配器时,假定端口A和端口B负荷完全相同则信号隔离,在端口产生的电压将有同样的振幅和极性。因为两个端口有相同的电压,所以没有电流流过电阻,此时两个端口之间完全隔离。图4所示为这个电路的图形描述。通过这种对称结构可以看到I1和I2是一样的。因此,点A和点B的电压也是相等的。

图4.
图4.

当这个器件工作在LIU的发送侧用作功率合成器时,在A和B之间仍然像分配器一样具有高的隔离度。来自端口A的信号电流流过电感,在端口B处产生180°的相位变化。但是流经电阻的电流到达端口B时并没有相位变化。因此如果RINT选取某个特定的阻抗值,我们就能确保这个电流与来自电感的电流等幅反相。这种情况下,端口B就没有电压变化,从而实现了两个端口间的高度隔离。

对于任何给定的T3、E3或STS-1网络,RINT值应该为多少才能保证端口A和端口B之间100%的隔离呢? 图5中重新描绘了功率分配器/合成器网络。在这种情况下,为了在端口C处得到特定的电压,端口B处要流过电流。下面的方程式将演算怎样用正确的RINT电阻值获得隔离从而在端口A得到0V。

图5.
图5.

为了简化等式,我们可以假设V1为1V,R = 75Ω,且I3 = I4,由于变压器的互感系数很大,因此不会在两个端点之间产生任何泄漏电流。所以我们可以得到下面的等式:

等式1.

等式2.

等式3.

等式4.

等式5.

等式6.

用等式3替换I1得到RINT的解答。结果如等式7。

等式7.

用等式2和等式6替换I2和I4 ,然后用等式4替换I5得到等式8。

等式8.

用等式1替换V3得到等式9。

等式9.

如果想要V2如上所述为0V,可以得出RINT为150Ω。由于V1处的电压,RINT取任何其他值都将在V2处引起一个电压。RINT为150Ω,就可实现两个端口间所需的隔离。请注意由于等式1,V3处的电压有1/2的衰减,这可能导致无法匹配电信网络接口的脉冲模板规范。为了克服端口C处(V3)的电压下降,DS315x LIU可以通过一个测试寄存器为每个发送端口增加增益,寄存器地址为[n x (0 x 10) + (0 x 8)],其中n是从0到3的端口号。

图6所示为DS315x LIU的脉冲模板,它按照图3结构配置为1 x 4的冗余保护。使能测试寄存器后,即使考虑到来自功率分配器/合并器的额外负载,DS315x LIU也可以很容易的输出E3脉冲模板规范所需要的电压。在Maxim的网站china.maximintegrated.com/telecom上有这个设计的原理图和BOM清单。

图6.
图6.

结束语

随着IP服务提供商竞争的日益激烈,对网络设备制造商的要求也相应增加,他们提供的解决方案必须高度可靠并且低成本高效率。采用Maxim DS315x LIU的冗余方案就可以实现这个目标。