城市光網與維護

毛飛磊

(中國電信上海公司，上海 200125)

城市光網與維護

毛飛磊

(中國電信上海公司，上海 200125)

通過實施“城市光網”工程，光纖傳輸的帶寬更寬，家庭寬帶上網速度更快，平均提高50倍。PON技術成為運營商接入網改造工程的首選。上海“城市光網”已初具規模，基于EPON的光接入網站點分散，數量龐大，建立符合綜合化、融合化發展要求的運行維護組織體系，充分利用網絡、業務的網管功能，實施精確化維護管理。

城市光網；EPON；FTTX

（一）城市光網簡介

作為2010年上海世博會全球合作伙伴，中國電信承擔世博園區和世博配套重大工程的信息通信基礎網絡規劃和建設，并將之納入“城市光網”的整體建設規劃中。上海絕大多數的小區寬帶都是通過“銅線”鋪設，寬帶上網速度較慢。通過實施“城市光網”工程，光纖傳輸的帶寬更寬，家庭寬帶上網速度更快。百兆帶寬是目前很多家庭寬帶兩兆帶寬的50倍，這意味著城市光網完成后，用戶下載一部普通網絡電影的時間可能從原來的1～2小時左右縮減到不到10分鐘。未來三年，上海電信將為上海發展提供大容量、高速率的國際通信網絡，高帶寬、高覆蓋的接入光纖網絡，讓上海徹底告別“K”時代。同時上海電信還將積極推進“三網融合”，實現“三屏互動”，讓用戶能在手機、PC、電視等終端上享受電信融合、一致的信息服務和高帶寬的媒體業務。

（二）EPON設備的引入

目前接入網絡中的接入技術主要有以 ADSL2/2+/VDSL為代表的銅線接入，以GPON和EPON為代表的點到多點的光纖接入及以交換機為基礎構建的點到點的光纖接入。根據不同情況采用多種接入技術的混合部署將光纖部署到最經濟的節點，在達到滿足用戶業務需求的同時可有效降低網絡建設的投資成本。GPON、EPON、VDSL2、RG和WIFI等多種技術的有機結合，將滿足現在和未來全業務的部署要求。其中，以EPON/GPON為代表的XPON技術是中國電信進入全業務運營時代的最佳的寬帶光接入技術。在向全光接入網演進的過程中，無論是帶寬、傳輸距離、傳輸質量、節省光纖資源等方面，相對原有銅線接入和交換機點到點光纖接入，無源光網絡技術PON都具備顛覆性的取代優勢，PON技術成為運營商接入網改造的首選。

EPON是PON技術的一種，PON網絡側采用GE速率，遵循802.3ah標準。802.3ah標準中詳細介紹了EPON的工作模型，以及MPCP（Multiple Point Control Protocol：多點控制協議）和OAM（Operation，Administration and Maintenance：操作、管理和維護）功能。結構圖如圖1所示。

一個典型的EPON系統由OLT、ONU、POS組成。OLT 放在中心機房（CO，Central Office）。ONU 放在網絡接口單元（NIU：Network Interface Unit）附近或與其合為一體。POS（Passive Optical Splitter）是無源光纖分支器，即分光器，是一個連接OLT和ONU 的無源設備，它的功能是將輸入（下行）光學信號分發給多個輸出端口，使多個用戶能夠共用一條光纖，從而共享帶寬，在上行方向，將多個ONU 光學信號時分復用到一條光纖中。

圖1 EPON 結構圖

EPON中的ONU采用了技術成熟而又經濟的以太網絡協議，在中帶寬和高帶寬的ONU中實現了成本低廉的以太網第二層第三層交換功能。這種類型的ONU可以通過層疊來為多個最終用戶提供很高的共享帶寬。由于都使用以太協議，因此在通信的過程中，就不再需要協議轉換，實現ONU對用戶數據的透明傳送。ONU也支持其他傳統的TDM協議，而且不會增加設計和操作的復雜性。在更高帶寬的ONU中，將提供大量的以太接口和多個T1／E1接口。當然，對于光纖到家（FTTH）的接入方式，ONU和NIU可以被集成在一個簡單的設備中，不需要交換功能，從而可以在極低的成本下給終端用戶分配所需的帶寬。表1為EPON與傳統的交換機組網主要區別。

表1 EPON與傳統的交換機組網主要區別

此外，在PON的傳輸機制上，通過新增加的MAC控制，如動態帶寬分配（DBA）來控制和優化各ONU與OLT之間突發性數據通信。在物理層，EPON使用1000Base的以太網；在數據鏈路層，EPON采用成熟的全雙工以太網技術和TDM（Time Division Multiplex：時分復用）。由于ONU在自己的時隙內發送數據包，因此沒有沖突，不需要CSMA/CD，從而可以充分利用帶寬。

PON的另一種技術GPON可提供最高2.5Gbps帶寬，能以原有格式（可以說是透傳）和極高的效率（90%以上帶寬利用率）傳送多種業務（包括TDM和數據）。GPON的技術特色是在二層采用ITU-T定義的GFP（通用成幀規程）對以太網、TDM、ATM等多種業務進行封裝映射，能提供1.25和2.5Gbps下行速率和 ITU規定的所有標準上行速率，可以靈活地提供對稱和非對稱上下行傳輸速率，傳輸距離至少達20公里，支持各種接入服務，并具有強大的OAM&P功能。

EPON/GPON這兩種技術各有其優缺點。EPON以兼容目前的以太網技術為目的，是802.3a協議在光接入網上的延續，它充分繼承了以太網價格低、協議靈活、技術成熟等優勢。GPON定位于電信業面向多業務、具備QoS保證的全業務接入的需求，努力尋求一種最佳的、支持全業務的、效率最高的解決方案。總的來看，在高速率和支持多業務方面，GPON有明顯優勢，但成本目前要高于EPON。EPON將以太網技術與PON技術結合起來，其目標是用最簡單的方式實現一個點到多點拓樸結構的千兆以太網光纖接入網絡。EPON屬于IEEE以太網標準的范疇，對于向全IP網絡過渡是一個很好的選擇。

（三）EPON技術原理和特點

EPON是一種采用點到多點結構的單纖雙向光接入網，由局端OLT，用戶端ONU以及光分ODN組成。信號從局端的OLT到用戶端的ONU稱為“下行”，信號從ONU到OLT稱為“上行”。PON采用樹形、星型分支結構，多個ONU共享光纖和局端OLT的回傳光接收機。PON下行采用時分復用(TDM)方式，信號廣播式下發，是“一發多收”，然而信號的上行方式卻不一樣，各個 ONU或者說光節點共用一根光纖進行回傳，回傳采用時分多址(TDMA)技術，“多發一收”，局端只設置一個回傳光接收機，在任意一個時刻只有一個ONU發送信號，各個ONU單元輪流發送信號，實現光纖和回傳光接收機的資源共享。

圖2 EPON下行傳輸原理

如圖 2所示，下行信息流采用廣播方式，全部信息到達每一個ONU，根據IEEE802.3協議，每一個包的包頭表明是給ONU（ONU1、ONU2、ONU3......ONUN）中的唯一一個。另外，部分包可以是給所有的ONU（廣播式）或者特殊的一組ONU（組播），在光分路器處，流量分成獨立的三組信號，每一組載有所有指定ONU的信號。當數據信號到達該ONU時，ONU通過密鑰取出發給自己的包，丟棄那些給其它ONU的包。如圖2中，ONU1收到包1、2、3，但是它僅僅發送包1給終端用戶1，摒棄包2和包3。

圖3 EPON上行傳輸原理

如圖 3所示，上行采用時分多址(TDMA)技術，按嚴格的時間順序分配給每一個ONU固定時隙。每個ONU上行信息填充在各自指定的時隙內，各ONU發送及OLT接收時隙是同步的，在一定的控制機制下，這些來自不同 ONU的上行信息包能夠按固定的順序匯合而不會互相干擾，形成上行方向的TDM幀結構。OLT根據約定的時隙結構提取各 ONU發送過來的信息，從而實現多址傳輸。

作為EPON網絡的主要功能單元，OLT是一個多業務提供平臺，同時支持IP業務和傳統的TDM業務。放置在城域網邊緣或區域接入網出口，收斂接入業務并分別傳遞到 IP網和SDH傳輸網，而ONU是為用戶提供豐富的業務接口的用戶側設備，符合IEEE 802.3/802.3ah標準，放置在用戶端，單光纖提供數據、IPTV、語音等業務，真正實現 “三重播放”應用。

EPON技術特點主要體現在以下幾個方面。

1.與現有以太網的兼容性。以太網技術，是迄今為止最成功和成熟的局域網技術。EPON只是對現有IEEE802.3協議作一定的補充，基本上是與其兼容的。因為都使用以太協議，在通信的過程中，就不再需要協議轉換，實現 ONU對用戶數據的透明傳送。

2.高帶寬。EPON目前可以提供上下行對稱的 1.25Gb/s的帶寬，并且隨著以太技術的發展可以升級到10Gb/s。

3.服務范圍大。EPON作為一種點到多點網絡，以一種扇區的結構來節省局端的資源，服務大量用戶。

4.帶寬分配靈活，服務有保證。對帶寬的分配和保證都有一套完整的體系。EPON可以通過DiffServ、PQ/WFQ、WRED等來實現對每個用戶進行帶寬分配，并保證每個用戶的QoS。

5.低成本。由于采用 PON的結構，節省了大量的主干光纜，同時以太網本身的價格優勢以及使用無源器件減少了建設成本。

（四）城市光網組網方式

城市光網的建設目標是：到2012 年，實現光纖進樓到戶，用3 年時間達到“百兆到戶、千兆進樓、T 級出口”的網絡覆蓋能力。2009 年實現能力覆蓋 75 萬戶，2010 年覆蓋達150 萬戶，2011 年覆蓋達300 萬戶以上。PON 接入網技術和業務融合趨勢日漸明顯，語音、數據、視頻等多種業務，在異構的接入網（DSL、PON 和Fttx）上融合承載。通過前幾年的實踐，網絡和業務的融合化、IP 化和寬帶化已經在公司上下取得了共識。寬帶接入業務已經成為公司主要產品之一。

圖4 基于EPON的FTTX網絡結構示意圖

根據目前上海電信FTTX網絡建設中存在多種可能的組網方案（FTTH、FTTB、FTTN、FTTO），開展的業務也多種多樣，設備能力也有較大差別，因此組網和業務配置存在多種方式。為了盡可能簡化網絡結構、降低維護壓力、保證業務質量，根據組網原則，目前上海電信基于EPON的FTTX組網方式以OLT分類分為A類OLT和C類OLT。圖4為基于EPON的FTTX網絡結構示意圖。A 類 OLT 采用 FTTB（PON）+LAN、FTTB/N（PON）+DSL的接入模式，該類用戶的語音組網類似AG，通過關鍵業務子網接入到軟交換的目標網；A類OLT下的E8-C接入模式，語音業務通過BAC接入軟交換系統。C類OLT采用FTTH、FTTO的接入模式，該類用戶的語音業務通過BAC接入軟交換系統。A類OLT網絡位置等同于二級匯聚交換機，通過級聯端口級聯到一級匯聚交換機，且對于上網業務由OLT啟用QinQ。如果將來用戶數和業務流量增加，可以根據業務發展的情況采用“多個上聯級聯組”或者“OLT直聯BRAS/SR”的方式。C類OLT的網絡位置等同于DSLAM，由OLT單GE上聯至一級匯聚交換機，公客PPPOE撥號上網業務終結在公客BRAS上，IPTV和類似IAD組網的VOIP業務終結在IPTV-SR上。

（五）城市光網維護

目前，上海電信城市光網已具備一定規模，網絡的運維面臨挑戰。基于EPON的光接入網站點分散，數量龐大，如何提高維護管理的效率是首要問題。實踐表明，EPON網絡的維護管理模式采用“統一管理、集中監控、本地維護”的原則，可以加快專業間的融合，建立符合綜合化、融合化發展要求的運行維護組織體系，充分利用網絡、業務的網管功能，實施精確化維護管理。

1.網管支撐系統

為適應上海公司寬帶接入業務及網絡發展，保持上海電信在上海市寬帶市場的占有率，公司采取的對策是大力推進城市光網業務，不斷提升寬帶用戶感知度，以有效的技術手段加強寬帶接入網的維護。作為支撐系統，面向城市光網運維的 PON 綜合網管系統可以有效解決目前的分廠商、分設備類型網元網管的維護弊端，從而適應日趨融合的綜合業務，做到主動發現和排除障礙，集中監控網絡告警，有效的故障定位、性能統計和端到端業務測試，維護工作事半功倍，提升客戶感知。

PON綜合網管系統管理涵蓋 PON FTTH、FTTO、FTTB各類接入方式的 OLT、ONU 設備。PON綜合網管系統通過分層實現對 PON 接入設備的集中監控功能，系統架構如下圖5所示。

圖5 PON 綜合網管系統總體方案架構

PON綜合網管系統主要有以下功能：（1）系統提供網絡維護人員對 PON 設備的操作維護功能及對資源的精確管控。系統在管理 PON接入設備的同時，呈現網絡的情況。（2）與廠商 EMS 對接，對設備上報的告警、性能信息進行管理、分析。（3）提供 PON 接入方式的障礙診斷能力，障礙位置能夠在地圖上顯示。系統通過與認證系統的接口，可查詢用戶帳號密碼信息及端口綁定狀態，診斷用戶認證過程的問題。（4）提供 PON 設備光功率例行監測功能，主動發現障礙并進行障礙定位和預警。（5）在系統管理范圍上，操作原則是通過網絡分權分域實現。（6）通過北向接口向綜合告警系統上報告警事件。（7）向激活系統提供調用接口，實現協議適配，完成網元激活動作。

此外，PON綜合網管系統還提供了兩大強有力的功能，即PON網絡障礙論斷功能和PON業務故障論斷功能，大大提升遠程維護能力。

（1）PON 網絡障礙診斷功能

①系統對 PON 網絡設備、ODN 鏈路各類故障提供豐富的故障診斷功能和診斷流程。通過專家分析引擎，結合告警和性能數據，定位障礙原因及障礙發生段落，劃清障礙界限。

②系統提供對 PON 網絡的運行狀況作例行監測的能力，通過對 OLT、ONU設備光模塊數據的定期例行監測，分析 PON網絡運行質量，主動發現PON 網絡的潛在問題并預警。

③系統通過與認證系統的接口，診斷用戶賬號和綁定方面的故障，并提供解決方案。

④系統通過端口重啟提供遠程故障解決的方法。

（2）PON 業務故障診斷功能

系統依據《中國電信 PON EMS 北向接口功能及技術規范》中對綜合測試部分網管北向接口的要求，實現 PON 面向業務的故障診斷功能。

2.PON維護案例

PON網絡運維對維護人員自身技術水平的提高也是一個挑戰，不僅要了解光纖維護、PON設備維護等知識，更重要的是必須要掌握數據專業知識等，并且在實踐中積累經驗，提高處理故障的分析能力。以下以中興設備為例，舉幾個維護中的實用案例及處理思路。

（1）EPON 環回故障的檢測和處理

EPON設備本身是一個二層以太網設備，其核心是MAC地址的學習和轉發。正常情況下，上層設備的MAC地址只在上聯口（gei_0/X/Y）上學習到，用戶MAC地址只在內聯口（epon-onu_0/X/Y:Z）學習到。但如果出現環回，就會造成某些業務的中斷。環回可以分為上聯網絡側環回和用戶側環回兩種情況。上聯網絡側環回就是上聯網絡中存在環路，導致終端用戶的源MAC 地址在上聯口被學習到，從而使該用戶業務終端異常。用戶側環回是PON 口下掛ONU 側或ONU 的UNI口存在環路，導致上層設備（BRAS或VoIP網管等）的MAC地址在內聯口上被學習到，從而導致某類業務（PPPOE、VOIP）中斷。當OLT啟用靈活QinQ時，由于靈活QinQ情況的特殊機制是MAC地址不能老化，導致業務流無法轉發至相應端口，從而所有相關業務會出現較長時間中斷。如果不使用系統本身的環回檢測功能，可以通過查詢MAC地址的方法來判斷是否存在環回。具體命令為show mac，使用這條命令檢查上聯端口的MAC地址學習情況，包括具體的MAC地址、VLAN ID、學習方式以及端口號，也可以顯示PON 口上學習到的MAC地址。由于PON口上學習MAC地址是不帶VLAN的，所以顯示的內聯口的MAC的VLAN均是0。show mac命令后可以跟具體的VLAN，如果知道是某個VLAN的業務不正常，可以通過此命令來查詢特定VLAN 的MAC地址學習情況。

show mac ethernet inner-port_0/x/y 命令顯示內聯口的MAC 地址學習情況，包括具體的MAC 地址、VLAN ID、學習方式以及PON口號，這條命令上可以顯示內聯口是在哪個vlan中學習到MAC地址（此命令在靈活QinQ情況下非常有用）。

show mac XXXX.XXXX.XXXX顯示具體的MAC 地址學習情況，這條命令應和上面的兩條命令配合使用。

解決方法可以使用MAC地址靜態綁定，或消除環路。

（2）EPON 網絡中上行光信號干擾

①正常的鏈路光信號

按照EPON工作原理，下行采用廣播方式，上行采用TDMA的方式。在上行方向，ONU的發送時刻和發送長度由OLT進行控制。ONU的工作模式是：在分配到的時刻，打開激光器，發動數據，在發送指定長度的數據后，關閉激光器；在未分配的時間內，保持激光器關閉。因此ONU的激光器具有突發特性，即能夠在短時間內打開并穩定激光器，開始發送數據，數據發送完成后迅速關閉激光器。

②異常的鏈路光信號

當PON 系統主干光纖的光路中，光信號的傳輸序列不是按照OLT 的控制進行的時候，即為光路發生異常，異常的光路會導致OLT收到的ONU數據出現錯誤，從而進一步導致測距失敗，ONU失去控制，系統工作中的兩個或多個ONU出現異常，甚至系統中所有ONU均不能正常工作。導致光路異常的原因主要有以下兩種：一個或幾個ONU的光激光器工作出現異常；插入了連續發光的其他設備，即非EPON的ONU。其中ONU激光器異常有以下兩種情況：激光器開關時間異常，即ONU激光器沒有在要求的時間內關閉或打開，因為時間延遲導致與相鄰的ONU 光信號發生沖突；激光器發生無法關斷的故障，長時間保持發光。

③激光器開關時間異常

在一個ONU的激光器開關時間發生異常時，會導致與相鄰ONU的發送信號沖突，兩個ONU數據發送發生沖突，在光鏈路上會形成一個光功率的疊加，使得數據到達OLT時，OLT數據接收錯誤，同時會導致對ONU的RTT時間計算（測距）發生錯誤，使得兩個ONU的下次數據發送和接收繼續保持錯誤。在這種情況下，由于ONU1的激光器關斷功能異常，一般是ONU1和ONU2會發生現網故障，但是其他ONU會保持正常。

④激光器長時間發光異常

在ONU的激光器發生關斷故障，即保持長時間發光時，會使得該ONU的光信號與其他所有ONU的信號發生疊加，如果故障ONU的光功率較強，則對其他ONU的光信號功率會形成強干擾噪聲，使得OLT無法獲取其他ONU的測距和數據信息，從而影響系統中其他所有ONU的工作。

⑤出現異常的解決手段

如果在網絡中出現了相關故障，通過網管定制功能定位出故障ONU，將故障ONU剔除出ODN網絡，業務就會恢復。由于ONU被動發光的特性，即正常ONU收到光后才能發光，如果直接使用光功率就能測到光，那么就說明 ONU的光模塊長發光。

（3）筆記本電腦設置抓帶Vlan包標簽解決方法

故障分析時經常使用抓包工具進行深入分析，常用軟件為WireShark。但某些網卡驅動默認會在接收數據包的時候過濾 vlan tag，使得用 wireshark抓到的數據包中不含 vlan tag，此時需要通過修改注冊表讓驅動保留vlan tag。

（六）結束語

隨著電信運營商“光進銅退”政策的進一步深入實施，寬帶接入網將大規模采用基于PON技術的FTTx模式進行建設和改造。在此進程中，運營商勢必會遇到很多困難，包括業務開通流程的制訂、ONU終端的遠程管理、PON網絡的安全和保護以及PON網絡故障診斷等方面。特別是當發展到FTTH的階段時，需要管理和維護數量龐大的用戶終端以及結構復雜的 PON ODN網絡。更快速的業務開通、更有效的遠程管理、更可靠的網絡保障以及更精確的故障診斷，是電信運營商不斷追求的目標，從而促進“城市光網”健康發展。

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TN913.7

A

1008-1151(2011)03-0021-04

2011-01-05

毛飛磊，男，上海人，中國電信上海公司工程師，從事光通信的研究。