基于FTTH的以太無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)技術(shù)

胡積寶

隨著網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量的不斷提高，光接入網(wǎng)的帶寬成為制約網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要因素。EPON（以太無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)）憑借下行點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)，上行多點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)解決了光接入網(wǎng)帶寬問(wèn)題［1］。由于EPON接入網(wǎng)承載數(shù)百用戶(hù)的高速率匯聚數(shù)據(jù)，單個(gè)網(wǎng)絡(luò)元件的故障就會(huì)引起一系列的問(wèn)題。因此，提高EPON的生存能力是確保光接入網(wǎng)數(shù)據(jù)正常傳輸?shù)谋厝灰?。網(wǎng)絡(luò)生存機(jī)制包括保護(hù)和恢復(fù)兩項(xiàng)技術(shù)，骨干網(wǎng)的生存性技術(shù)已得到長(zhǎng)足發(fā)展，但接入網(wǎng)的生存性技術(shù)尚未引起人們廣泛關(guān)注［2］。

本文首先對(duì)基于FTTH的以太無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行介紹，然后對(duì)PON的四種保護(hù)機(jī)制進(jìn)行研究，最后提出一種新的保護(hù)技術(shù)，這種技術(shù)無(wú)需增加冗余設(shè)備即可提高接入網(wǎng)的故障保護(hù)性能。

1 基于FTTH的以太無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)

FTTH（光纖到戶(hù)）是一項(xiàng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，它直接將光纖引到家庭，F(xiàn)TTH是光纖通信技術(shù)發(fā)展到一定程度時(shí)的產(chǎn)物。這種技術(shù)能夠帶來(lái)極大的數(shù)據(jù)傳輸帶寬，同時(shí)增強(qiáng)了數(shù)據(jù)格式、傳輸波長(zhǎng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的透明性。PON（無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)采用的是一種點(diǎn)到多點(diǎn)的光網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌饕晒饩€(xiàn)路終端、光網(wǎng)絡(luò)終端和光分配網(wǎng)等無(wú)源器件構(gòu)成，其中不包含任何有源器件。PON與不同的技術(shù)相結(jié)合形成了APON、GPON和EPON等三項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。其中EPON是最具代表性的商用技術(shù)。

基于FTTH的EPON網(wǎng)絡(luò)由光纖連接服務(wù)中心和無(wú)源耦合器組成。為了節(jié)約使用光纖，無(wú)源耦合器一般放置在離用戶(hù)駐地不超過(guò)1km的地方。每個(gè)用戶(hù)都有一個(gè)專(zhuān)用的較短光纖來(lái)同時(shí)共享長(zhǎng)約19km的長(zhǎng)距離骨干光纖［3］。

圖1 FTTH EPON的組成結(jié)構(gòu)

如圖1所示，F(xiàn)TTH EPON中所有的傳輸都在OLT（光線(xiàn)路終端）和ONU（光網(wǎng)絡(luò)單元）之間進(jìn)行。從OLT到ONU的下行傳輸是點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的，上行方向的傳輸則是多點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，OLT設(shè)置在中心局。

在下行方向，EPON是以廣播的方式來(lái)發(fā)送選路的。OLT用整個(gè)廣播信道的帶寬來(lái)發(fā)送802.3以太幀給各個(gè)ONU。每個(gè)ONU提取包含各自唯一的MAC地址的數(shù)據(jù)包。在上行方向，多個(gè)ONU共享傳輸信道。這樣，每個(gè)ONU在專(zhuān)用的時(shí)隙中進(jìn)行傳輸，OLT則從多個(gè)ONU收到無(wú)沖突的持續(xù)數(shù)據(jù)幀［4］。

為了協(xié)調(diào)上行傳輸，OLT通過(guò)GATE幀為每個(gè)ONU分配一個(gè)適當(dāng)?shù)臅r(shí)隙／傳輸窗口（TW）。每個(gè)ONU只允許在分配時(shí)隙內(nèi)進(jìn)行傳輸。ONU用一個(gè)緩沖區(qū)來(lái)存儲(chǔ)以太幀，當(dāng)TW到來(lái)時(shí)，所存儲(chǔ)的以太幀開(kāi)始傳輸。傳輸數(shù)據(jù)中包含REPORT消息，ONU在每個(gè)傳輸周期內(nèi)通過(guò)REPORT消息告知OLT在TW內(nèi)的帶寬需求。兩個(gè)ONU的傳輸時(shí)隙之間需設(shè)置引導(dǎo)時(shí)間，如激光器打開(kāi)和關(guān)閉的時(shí)間、接受恢復(fù)時(shí)間、環(huán)路延遲時(shí)間等。一旦上行收到一個(gè)REPORT幀，OLT就會(huì)通過(guò)動(dòng)態(tài)帶寬分配（DBA）方式來(lái)計(jì)算帶寬分配。

2 PON的四種保護(hù)機(jī)制

由于多個(gè)ONU共享一個(gè)OLT，一旦兩者之間的光纖發(fā)生故障，就會(huì)對(duì)PON產(chǎn)生影響。ITU－T G.983.1對(duì)PON的保護(hù)提出了以下四種體系結(jié)構(gòu)［5，6］。圖2顯示了PON四種保護(hù)類(lèi)型的恢復(fù)區(qū)域。

圖2 PON的四種保護(hù)類(lèi)型的恢復(fù)區(qū)域

2.1 保護(hù)類(lèi)型a

保護(hù)類(lèi)型a僅僅備份OLT到1：N分路器之間的干路光纖。PON接口若檢測(cè)到干路故障，傳輸路徑切換到備用空閑的光纖上，在切換過(guò)程中，信號(hào)或幀的丟失是不可避免的［7］。OLT和ONU之間所有相連接的ONU必須同步。

2.2 保護(hù)類(lèi)型b

保護(hù)類(lèi)型b備份了OLT的PON接口和干路光纖。這種類(lèi)型能應(yīng)對(duì)PON接口的故障和干路光纖的中斷，分路器在OLT側(cè)有輸入輸出兩個(gè)端口，能夠減少ONU側(cè)的重復(fù)鋪設(shè)成本，但系統(tǒng)空閑的PON模塊是需要冷備份的［8］。

2.3 保護(hù)類(lèi)型c

保護(hù)類(lèi)型c備份光分配網(wǎng)絡(luò)ODN到PON接口的每個(gè)部分，任意一點(diǎn)出現(xiàn)故障都可以通過(guò)切換備份單元完成故障恢復(fù)。備份的器件和線(xiàn)路在OLT側(cè)和ONU側(cè)均處于熱備份狀態(tài)，但是這種結(jié)構(gòu)的成本需要很高的成本［9］。

2.4 保護(hù)類(lèi)型d

ONU的室內(nèi)布線(xiàn)備份與否取決于用戶(hù)的不同需求，有些ONU也許需要備份結(jié)構(gòu)，保護(hù)類(lèi)型d即是對(duì)ONU側(cè)的局部備份。

3 新的保護(hù)類(lèi)型

3.1 新保護(hù)類(lèi)型的提出

ITU－T G.983.1提出的四種保護(hù)機(jī)制中，類(lèi)型c相比其他三種方案具有更高的可靠性和靈活性。它提供了1＋1的保護(hù)模式并能恢復(fù)PON中任意一點(diǎn)發(fā)生的故障。但保護(hù)類(lèi)型c需要過(guò)多的網(wǎng)絡(luò)冗余設(shè)備，造成網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)成本增高［10］。因此，F(xiàn)TTH EPON的保護(hù)機(jī)制既要具備類(lèi)型c的優(yōu)勢(shì)，又不能是以提高網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)成本為代價(jià)。

本文現(xiàn)提出一種新的保護(hù)類(lèi)型，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示，這種保護(hù)類(lèi)型中沒(méi)有冷備份設(shè)備，而是通過(guò)重新編排時(shí)隙來(lái)提供保護(hù)。這種新的保護(hù)類(lèi)型中，工作正常OLT中的ONU的一半有效時(shí)隙分配給故障時(shí)OLT中的ONU，且故障時(shí)間內(nèi)FTTH網(wǎng)絡(luò)共享可用帶寬。保護(hù)接口單元存儲(chǔ)ONU的PON ID信息和距離范圍之類(lèi)的接口信息，并控制設(shè)置在中心局的保護(hù)光開(kāi)關(guān)。

圖3 新提出的保護(hù)類(lèi)型結(jié)構(gòu)

EPON網(wǎng)絡(luò)中一旦檢測(cè)到信號(hào)丟失，保護(hù)控制單元將確定故障OLT和負(fù)荷最小的OLT。GATE幀形成的較大的保護(hù)頻帶被分配給重新選定的OLT的ONU，從而容納來(lái)自故障OLT的ONU的時(shí)隙。故障OLT下的ONU要與選定的OLT的ONU保護(hù)頻帶保持同步，這樣信號(hào)就從故障OLT下的ONU切換到了所選的正常工作的OLT網(wǎng)絡(luò)中。圖4說(shuō)明了保護(hù)類(lèi)型的流程，該流程包括故障檢測(cè)、同步及轉(zhuǎn)換。

圖4 故障EPON的數(shù)據(jù)倒換流程圖

對(duì)于每個(gè)故障的OLT，只有兩條服務(wù)鏈路下的64個(gè)ONU用戶(hù)會(huì)面臨時(shí)隙的重新編排。這確保了1號(hào)用戶(hù)線(xiàn)擁有的最小帶寬只有實(shí)際信道容量的一半。除此之外，如果3號(hào)OLT服務(wù)4用戶(hù)線(xiàn)，下游就不能進(jìn)行傳播，因?yàn)橄掠慰倲?shù)據(jù)將會(huì)超過(guò)1號(hào)用戶(hù)線(xiàn)信道容量的最大值，需要在下游進(jìn)行包交換。

3.2 新保護(hù)類(lèi)型的仿真

本文提出的這種保護(hù)方案是在有4個(gè)僅為32個(gè)ONU提供服務(wù)的OLT的環(huán)境下模擬的，假設(shè)所有的OLT有85%的帶寬利用率。圖5顯示了當(dāng)OLT逐個(gè)出現(xiàn)故障時(shí)EPON接入網(wǎng)的信道利用情況。表明為容納故障OLT的開(kāi)窗流量，信道的利用率會(huì)出現(xiàn)增長(zhǎng)。當(dāng)所有OLT都出現(xiàn)故障而沒(méi)有正常工作OLT來(lái)提供服務(wù)時(shí)，信道的利用率將降為0。

圖5 OLT發(fā)生故障時(shí)的帶寬利用率情況

圖6是OLT逐個(gè)失效時(shí)EPON接入網(wǎng)的帶寬數(shù)值變化情況。當(dāng)一個(gè)OLT故障，會(huì)有一個(gè)正常工作的OLT對(duì)其起支撐作用，將帶寬平均分配到下面的兩條鏈路中去，而不參加保護(hù)的OLT仍為其ONU提供1Gbps的帶寬。這說(shuō)明只要有一個(gè)OLT還正常工作，該保護(hù)體系結(jié)構(gòu)都可以確保FTTH接入網(wǎng)絡(luò)的正常通信。

圖6 OLT發(fā)生故障時(shí)的帶寬數(shù)值變化情況

3.3 仿真結(jié)果分析

本文所提出的新算法是通過(guò)重新編排時(shí)隙的方式來(lái)完成的，故障發(fā)生后的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)切換到正常工作的OLT的ONU，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠交袚Q。仿真結(jié)果表明，新編排的時(shí)隙完成了故障OLT的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)轉(zhuǎn)交。圖5、圖6的帶寬利用率和帶寬大小變化情況說(shuō)明，本文提出的新的保護(hù)類(lèi)型是可行的，正常工作的OLT既能完成自身的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，又能在接收到故障OLT的數(shù)據(jù)后完成轉(zhuǎn)交的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。與ITU－T G.983.1提出的四種保護(hù)類(lèi)型相比，新提出的類(lèi)型避免了切換光纖帶來(lái)的數(shù)據(jù)幀丟失，同時(shí)不需要設(shè)備冷備份，有效控制了保護(hù)技術(shù)的運(yùn)營(yíng)成本。

4 小結(jié)

本文提出了一種新的EPON FTTH保護(hù)類(lèi)型，當(dāng)1個(gè)以上的OLT發(fā)生故障時(shí)，這種網(wǎng)絡(luò)保護(hù)類(lèi)型能有效確保FTTH EPON的生存性，而且避免了冗余設(shè)備的成本浪費(fèi)。這種保護(hù)類(lèi)型對(duì)接入網(wǎng)保護(hù)技術(shù)有一定的理論價(jià)值，同時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商實(shí)踐操作有一定的工程價(jià)值。由于這種保護(hù)類(lèi)型是基于小型接入網(wǎng)（本文僅為4個(gè)OLT），對(duì)于超過(guò)一定規(guī)模的接入網(wǎng)，其生存性機(jī)制就需要研究時(shí)隙分配之外的其他因素。

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