無源光網(wǎng)絡主干保護系統(tǒng)中提前測距原理與應用

張偉良 馬壯 耿丹

中圖分類號：TN915.1文獻標志碼：A 文章編號：1009-6868 (2012) 04-0051-04

摘要:文章在分析無源光網(wǎng)絡及其主干保護系統(tǒng)的基礎上，為了提高保護倒換的效率，提出了一種無源光網(wǎng)絡主干保護系統(tǒng)中的提前測距方法。該方法主要通過主用OLT在主用通道上測距，備用OLT在備用通道上被動偵聽測距響應及其到達時間。通過測距信息、測距響應及到達時間便可計算出備用通道的測距結果。文章還提出了提前測距方法在無源光網(wǎng)絡主干保護系統(tǒng)的實際應用中所涉及的主備OLT之間的信息交換和時間同步、測距過程發(fā)起、測距結果更新等具體措施。

關鍵詞: 無源光網(wǎng)絡；主干保護；提前測距

Abstract: In this paper, we analyze a PON system that uses type B protection and has a pre-ranging mechanism for fast protection switching. With this mechanism, working channel range information can be received by the working optical line terminal (OLT), and the range response and arrival time of backup OLT can be monitored by the backup OLT. Then, the range result of the backup channel can be calculated by the upstream range responses, arrival time of backup OLT, and the range information of the working channel. In this paper, we also discuss the pre-ranging mechanism applications, including information exchange and time synchronization between the working and backup OLTs, initiation of ranging process, and ranging results refreshing.

Key words: passive optical network; type B protection; pre-ranging

1 無源光網(wǎng)絡及測距技術

無源光網(wǎng)絡系統(tǒng)通常由光線路終端(OLT)、光網(wǎng)絡單元(ONU)和光分配網(wǎng)絡(ODN)組成。其中ODN通常為點到多點結構，主干光纖通過分光器連接多個分支光纖，而一個OLT則通過ODN連接多個ONU。即OLT連接ODN的主干光纖，ONU連接ODN的分支光纖，如圖1所示。

無源光網(wǎng)絡系統(tǒng)在上行方向上（即從ONU到OLT）采用時分復用(TDMA)的接入方式。在實際工程部署過程中，各個ONU與OLT之間的光纖長度一般也并非完全相同，各個ONU發(fā)送的信號到達OLT所需的時間也有可能不同，因此各個ONU的上行發(fā)送時間起點存在差別，發(fā)送的信號可能在分光器處發(fā)生碰撞。無源光網(wǎng)絡系統(tǒng)采用測距技術，通過測量OLT和ONU之間的邏輯距離，并根據(jù)邏輯距離來調整ONU的上行發(fā)送時間，使得各個ONU與OLT的邏輯距離顯得一樣長，而且使上行發(fā)送時間起點一致，從而避免了TDMA接入時多個上行ONU信號在分光器處發(fā)生碰撞。

無源光網(wǎng)絡系統(tǒng)的測距基本原理如圖2所示，OLT在T 1時刻向ONU發(fā)送測距請求，ONU收到測距請求后再經過一定的響應時間、必要延遲后，則向OLT發(fā)送測距響應，OLT在

T 2時刻收到ONU發(fā)送的測距響應。T 2和T 1之間的時間差包含下行傳輸延遲、ONU響應時間、ONU必要延遲、上行傳輸延遲，因此通過這些參數(shù)可以計算出OLT和ONU之間的測距結果。

在國際電信聯(lián)盟遠程通信標準化組織(ITU-T) GPON/XG-PON1[1]系統(tǒng)中，測距結果表現(xiàn)為環(huán)路延遲(RTD)，它由下行傳輸延遲、ONU響應時間、上行傳輸延遲組成，見公式(1)。

在美國電氣和電子工程師協(xié)會(IEEE) EPON/10GEPON[2]系統(tǒng)中，測距結果表現(xiàn)為環(huán)路時間(RTT)，它由下行傳輸延遲和上行傳輸延遲組成，見公式(2)。

2 無源光網(wǎng)絡主干保護技術

為了提高無源光網(wǎng)絡的生存性和可靠性，ITU-T G.984.1[1]定義了一種Type B保護方式，即主干保護系統(tǒng)，如圖3所示。主干保護系統(tǒng)對OLT和分光器之間的主干光纖進行保護，并提供兩條互為冗余的主干光纖及兩個相應的OLT：一條主干光纖及相應的OLT處于正常工作狀態(tài)，該OLT稱為主用OLT；另一條主干光纖及相應的OLT處于備用狀態(tài)，該OLT稱為備用OLT。當主用主干光纖或者主用OLT出現(xiàn)故障時，無源光網(wǎng)絡系統(tǒng)則會進行保護倒換，備用主干光纖及備用OLT成為主用主干光纖和主用OLT。因主干保護系統(tǒng)的性價比較高，得到運營商的關注較多，并且實際部署也較多。

在主干光纖保護系統(tǒng)中，主用OLT和ONU之間的通道稱為主用通道，備用OLT和ONU之間的通道稱為備用通道。由于主用通道和備用通道存在距離和特性上的差別，主用OLT和備用OLT之間也存在工作特性的差別，因此發(fā)生保護倒換后，一般需要調整或者重新計算各個ONU的測距結果。該過程涉及到復雜的帶寬分配以及沖突解決等問題，所需時間往往較長，較難保證無源光網(wǎng)絡所承載業(yè)務的服務質量(QoS)。另一方面，由于主用OLT和備用OLT下行采用相同波長，在主用OLT正常工作的情況下，備用OLT下行不能發(fā)送信號，因此備用OLT則無法按照測距的基本原理對各個ONU動態(tài)實時地進行測距。

3 主干保護系統(tǒng)中的提前

測距

在無源光網(wǎng)絡主干保護系統(tǒng)中，雖然備用OLT在下行方向不能發(fā)光，但是在上行方向與主用OLT同樣采用相同的波長，可以被動接收ONU發(fā)送的光信號，并可以解析出相應的消息和數(shù)據(jù)。文章利用該特點，提出了一種對備用通道進行提前測距的方法，通過備用OLT主動偵聽上行光信號、解析上行消息和數(shù)據(jù)，并與主用OLT互相配合，計算出備用OLT和各個ONU之間備用通道的測距結果。提前測距的基本原理如圖4和圖5所示。下面以ITU-T GPON/XG-PON1為例描述備用通道的提前測距過程：

(1) 在T 1 時刻，主用OLT向ONU發(fā)送測距請求。

(2) ONU收到測距請求后，經過一定的響應時間及必要延遲后，在上行方向發(fā)送測距響應。

(3) 在T 2時刻，主用OLT收到ONU發(fā)送的測距響應，并計算出主用通道的測距結果，見公式(3)。

(4) 在T 3時刻，備用OLT收到ONU發(fā)送的測距響應。由圖4和圖5可以看出，上行方向ONU發(fā)送的測距響應到達備用OLT和主用OLT之間的時差為T 3 -T 2，考慮上下行波長的差別，下行方向主用OLT、備用OLT與ONU之間的傳輸延時之差為n D /n U ×(T 3 -T 2)，因此備用通道的測距結果見公式(4)。

按照同樣的過程可以計算出，IEEE EPON/10GEPON中備用通道的測距結果如公式(5)。

公式(4)、(5)中n D為下行波長折射參數(shù)，n U為上行波長折射參數(shù)。在ITU-T GPON/IEEE EPON系統(tǒng)中n D=

n 1490 = 1.4682，n U = n 1310 =1.4677，在ITU-T XG-PON1/IEEE 10GEPON系統(tǒng)中，n D=n 1577 =1.4686，n U = n 1270 =1.4677。

主用OLT或者備用OLT獲得備用通道的測距結果之后，可以將該測距結果更新到ONU中，或者保存在備用OLT中，發(fā)生保護倒換后ONU或者新成為主用的OLT可以直接利用該測距結果而無需對ONU進行重新測距，這樣則可以節(jié)省保護倒換的時間并提高保護倒換效率。

4 提前測距在主干保護

系統(tǒng)中的實際應用

文章提出的無源光網(wǎng)絡主干保護系統(tǒng)中提前測距方法，在實際應用中還需考慮一些問題。

(1) 提前測距過程的發(fā)起與協(xié)調

文章中無源光網(wǎng)絡主干保護系統(tǒng)中的提前測距過程是由備用OLT和主用OLT互相配合完成的，在實際應用中需要發(fā)起提前測距的過程，可以通過以下一些方式實現(xiàn)：

?由主用OLT發(fā)起提前測距過程，并通知備用OLT啟動提前測距過程，同時向ONU發(fā)送測距請求。

?由備用OLT發(fā)起提前測距過程，并通知主用OLT啟動提前測距過程，同時主用OLT則會向ONU發(fā)送測距請求。

?由網(wǎng)元管理系統(tǒng)(EMS)/網(wǎng)絡管理系統(tǒng)(NMS)發(fā)起提前測距過程，并通知主用OLT和備用OLT啟動提前測距過程，同時主用OLT向ONU發(fā)送測距請求。

當由主用OLT計算測距結果時，主用OLT主動向備用OLT獲取信息（如T 3），并在計算完成后向備用OLT發(fā)送信息（如RTD備用）；當由備用OLT計算測距結果時，備用OLT主動向主用OLT獲取信息（如RTD主用、T 2），并在計算完成后向主用OLT發(fā)送信息（如RTD備用）；當由第三方計算測距結果時，由第三方主動協(xié)調主用OLT和備用OLT之間的信息交換（包括RTD主用、T 2、RTD備用、T 3）。

(2) 主用OLT和備用ONU間的信息交換

主用OLT和備用OLT之間應該能夠實現(xiàn)信息交換，例如，公式(4)、(5)中的T 2、T 3分別在主用OLT和備用OLT中記錄，它們在同一個等式中用于計算，并需要主用OLT和備用OLT互相交流T 2、T 3；再如主用OLT和備用OLT在完成備用通道測距后還需交換測距結果。主用OLT和備用OLT之間的信息交換可以通過以下方式實現(xiàn)：

?若主用OLT和備用OLT之間存在直接的通信通道，則可以定義相應的消息接口以實現(xiàn)交換相關信息。

?若主用OLT和備用OLT之間不存在直接的通信通道，則可以通過其他設備或者系統(tǒng)（例如網(wǎng)管系統(tǒng)）來協(xié)調實現(xiàn)主用OLT和備用OLT之間的信息交換。例如，網(wǎng)管系統(tǒng)可以先從一個OLT讀出相應的信息再發(fā)送給另外一個OLT。

(3) 主用OLT和備用OLT間的時間同步

在備用通道的測距結果計算過程中，由于需要計算測距響應到達主用OLT和備用OLT的時間之差，而測距響應的到達時間是主用OLT和備用OLT分別記錄的，因此主用OLT和備用OLT之間的時間應該同步。

若主用OLT和備用OLT之間存在通信通道，則主用OLT和備用OLT之間可以直接進行時間同步。主用OLT和備用OLT的時間也可以都同步于某個共同設備或系統(tǒng)。由于無源光網(wǎng)絡系統(tǒng)是用戶接入設備，其上游還有匯聚交換設備或者系統(tǒng)，主用OLT和備用OLT的時間可以都同步于一個這樣的設備或者系統(tǒng)。另外無源光網(wǎng)絡系統(tǒng)一般都配置有相應的網(wǎng)管系統(tǒng)，因此主用OLT和備用OLT的時間可以都同步于網(wǎng)管系統(tǒng)。主用OLT和備用OLT之間的時間同步，或者主用OLT和備用OLT與共同設備或者系統(tǒng)之間的時間同步可以通過IEEE 1588協(xié)議[3]實現(xiàn)。備用通道測距結果的計算誤差見表1。

其中，△表示IEEE 1588時間同步機制本身的誤差，根據(jù)IEEE 1588協(xié)議，該誤差在亞微秒量級，由于該誤差僅存在與主用OLT和備用OLT之間，因此該誤差對所有ONU都是一樣的。假設△ ≈ 1 us，當主用OLT和備用OLT之間可以直接通過IEEE 1588進行時間同步，則備用通道測距結果的誤差為2 us；當主用OLT和備用OLT分別通過IEEE 1588時間同步于第三方設備時，備用通道測距結果的誤差為4 us，都在無源光網(wǎng)絡主干保護系統(tǒng)的容忍范圍內。

(4) 備用通道測距結果定期更新

主用OLT和備用OLT獲得備用通道測距結果后，保護倒換不一定會立即發(fā)生，隨著時間的遷移，ODN可能會受外界因素的影響而發(fā)生變化，因此之前獲得的備用通道測距結果可能會慢慢變得不準確。因此在保護倒換發(fā)生之前，備用通道的測距結果需要進行定期更新。備用通道的測距結果可以通過以下幾種方式進行更新：

?主用通道的測距結果也并非一成不變，當主用OLT檢測到主用通道的測距結果發(fā)生變化并必須更新時，備用通道的測距結果隨著更新。

?主用OLT和備用OLT互相配合并周期性地更新備用通道的測距結果，如果考慮到節(jié)能，更新的周期可以長一些，例如每天更新一次；如果希望備用通道的測距結果提高準確度，則可以將更新的周期設置的短一些，例如每小時更新一次。

?通過EMS/NMS手工或者定期發(fā)起備用通道測距結果的更新。

5結束語

文章所述的無源光網(wǎng)絡主干保護系統(tǒng)提前測距方法，可以在主用OLT正常工作的情況下，通過備用OLT偵聽上行信號、主用OLT和備用OLT互相配合來動態(tài)實時地完成備用OLT對ONU進行的測距，也就是說備用OLT可以根據(jù)需要隨時對ONU進行提前測距，因此備用OLT在保護倒換完成并成為主用OLT時可利用事先完成的測距結果而無需對ONU重新進行測距，這樣能夠有效實現(xiàn)快速保護切換，進而能夠保證承載業(yè)務的QoS。文章所述的方法已經分別被ITU-T G.sup51[4]和IEEE 1904.1[5]標準所采納。

6 參考文獻

[1] ITU-T Rec G.984.1. Gigabit-Capable Passive Optical Networks (GPON): General Characteristics[S].2008.

[2] IEEE Std 802.3. Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) Access Method and Physical Layer Specifications[S].2008.

[3] IEEE 1588. Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems[S].2002.

[4] ITU-T G.Sup51. PON Protection Supplement to ITU-T G-Series Recommendations[S].2012.

[5] IEEE P1904.1. Standard for Service Interoperable Ethernet Passive Optical Network [S].2009.

收稿日期：2012-06-10

作者簡介

張偉良，中興通訊股份有限公司固網(wǎng)團隊項目經理、主任工程師，長期從事光接入、家庭網(wǎng)絡產品的技術預研、產品規(guī)劃和標準化工作，負責和參加多項國家“863”項目、省部級重點項目；發(fā)表論文10余篇，獲得授權專利10余項。

馬壯，東南大學儀器科學與工程系博士畢業(yè)；現(xiàn)任中興通訊股份有限公司項目經理、主任高工，長期致力于寬帶接入和家庭終端設備研發(fā)，取得多項創(chuàng)新性成果；獲得二項省部級獎項。

耿丹，浙江大學信息與電子工程系博士畢業(yè)；中興通訊股份有限公司主任工程師，長期從事光纖通信的技術預研和標準化工作；發(fā)表論文10余篇。