家庭寬帶業務不中斷的組網方式探討

1 研究背景

工業和信息化部于2013 年12 月授予中國移動通信集團固定通信業務牌照，經過6 年的發展，中國移動固網寬帶用戶達到1.57 億戶，市場份額達40.87%，中國移動已經全面超越競爭對手，成為國內最大的固網寬帶業務運營商。家庭寬帶從規模發展邁向高質量發展，那么家寬網絡質量和故障維修服務滿意度就成為了重要競爭領域。

目前家庭寬帶運維質量情況與目標存在較大差距。以某公司為例，2018 年家寬用戶數為7.95 萬戶，全年家寬用戶故障11 952 起，年均故障率為15.03%；其中因光纜、跳纖等中斷故障4 901 起，占比41.00%，2018 年家寬故障平均修復時長4.8小時。用戶側光纜、光交箱數量多，光纜纖芯質量，市政施工頻繁等諸多因素是造成家庭寬帶故障率高、修復時長偏長的主要原因。因此，如何有效降低家庭寬帶業務故障率、提升用戶使用感知，在家寬網絡質量和故障維修服務滿意度方面趕超競爭對手，是目前擺在移動運維人員面前亟待解決的首要問題。

2 現網家寬業務組網方式

目前，中國移動采用CMNET 城域網和PON 網絡組建家庭寬帶城域網。CMNET 從網絡結構上可以分為接入層、匯聚層、核心層和業務控制層。PON 網絡擁有更遠的傳輸距離（20km）、更高的帶寬（千兆級、萬兆級）、單芯傳輸以及分光特性（最大可支持1:128），通過將局端設備（OLT）與多個用戶端設備（ONU/ONT）利用光纜、光分/合路器等無源設備器件連接起來組成光分配網（ODN）。根據目前互聯網和物聯網的發展情況，10G-EPON 已在運營商中部署，以滿足家庭寬帶用戶不斷增長的帶寬使用需求。

PON 網絡上行鏈路采用TDMA 方式傳輸，下行鏈路采用廣播方式，在一根光纖上同時傳輸上下行信號、并通過分光器將下行信號分配給各ONU、同時將各ONU 的上行信號進行復接的點對多點通信。具有節約光纜資源、易于維護、組網結構靈活，網絡容量大、兼容性強、業務支持能力強等諸多優點。

光線路終端上行方向以裸纖或光網絡OTN 等方式連接至BRAS 從而連接互聯網CMNET，下行方向通過城域網接入網光纜接入小區光交箱，整個過程可進行多級分光。但是目前運營商在PON 網絡的建設上絕大部分采用單鏈，這種組網方式使得網絡保護上存在缺陷。另外光交箱、分光器等啞資源使得傳輸設備的保護相對較弱。由于城市發展、城區整改、建設、綠化等頻繁施工，致使運營商接入層的故障發生幾率較大，啞設備維護不好定位，末端光纜錯綜復雜致使網絡修復時間得不到保障。

3 家寬業務不中斷組網方式探討

針對以上問題，來探討一種家寬業務不中斷的組網方式，目前，城域傳送網承載著4G/5G、集家客等各類業務的接入、轉發，普遍采用的組網方式是環形組網。任何一個節點至少2 個傳輸方向，通過1+1 和1:1 保護方式保護鏈路上的業務，并在保護鏈路上傳遞自動保護倒換(APS)協議，業務源節點和宿節點根據協議狀態和倒換狀態，進行業務倒換或倒回。

1:1 保護和1+1 保護原理基本相同，都是在從業務源節點至業務宿節點之間的環形網絡上的兩個方向上對業務進行保護。區別在于1:1 保護方式為“單發單收”，而1+1 保護方式則為“雙發選收”。通過部署1+1/1:1 保護，基本可以實現在網絡出現單點故障（不包括業務原宿故障）時，業務不發生中斷，是一種非常成熟且應用廣泛的電信級保護技術。

下面，我們借鑒傳輸網絡的環形組網方式利運營商4G/5G 網絡的大規模優質覆蓋，提出一種有線+無線的家庭寬帶環形接入網保護結構。

3.1 組網結構及保護機制

圖1 家寬接入側環形組網示意圖

在圖1 中，用戶終端訪問互聯網業務具備兩個路由，正常情況下，業務經過BRAS、OLT 至光交箱、分光器，利用光纖傳輸至用戶終端；當此條鏈路發生故障時，用戶側終端將業務切換至無線路由，同時上行方向的BRAS 將業務切換至另一方向，使業務改由經4G/5G 網絡，采用無線方式傳輸至用戶終端。

為實現業務自動切換，用戶側需放置一臺具備有線/無線收發、路由選擇功能的智能選路終端，該終端能夠使用4G 或5G 無線信號。正常情況下，用戶通過智能選路終端，經過OLT 設備訪問互聯網。當OLT 至用戶終端的光纜阻斷或設備故障，進而導致業務故障時，觸發倒換機制，智能選路終端通過鏈路優先級自動將業務切換至4G/5G 模式，并由附近基站為用戶提供互聯網訪問服務。

3.2 鏈路倒換分析

3.2.1 智能選路終端功能配置

智能選路終端作為關鍵設備，需要具備有線光路接口和無線接口、用戶側業務接口、故障監測與路由選擇等功能端口。其內部邏輯模塊示意圖如圖2。

圖2 智能選路終端功能模塊示意圖

1）光路接口具備單纖收發一體端口，端口可與ODN 纖芯直連，為用戶提供PON 網絡傳輸。

2）4/5G 接口具備接收附近4/5G 基站信號，可以實現4/5G 無線信號與光信號轉化。

3）故障檢測模塊具備故障檢測實現鏈路倒換，與主控單元相互通信，通過智能選路終端配置頁面為其配置鏈路測試IP 地址。

4）主控模塊是智能選路終端的中樞系統，可以接收故障檢測模塊的信號。經過設定的信號算法得出鏈路狀態情況，并向鏈路控制模塊發出鏈路控制信號。

5）鏈路控制模塊控制鏈路路由，當其收到主控模塊發出的鏈路控制信號時，其可以根據信號要求進行鏈路路由控制，以實現鏈路路由切換。

6）內存模塊儲存配置信息以及用戶賬號、密碼、鏈路測試地址等信息。

7）有線接口為用戶提供包括互聯網訪問、互聯網電視、IPTV、IMS 語音電話等服務。

8）無線接口直連無線發射天線，可為用戶提供高帶寬、廣覆蓋的無線WIFI 信號，為手機、電腦等終端提供無線訪問接口。

3.2.2 業務倒換機制分析

當智能選路終端接通電源后，首先加載配置數據。數據加載成功后，故障檢測模塊每隔50ms 向鏈路測試地址發送ICMP 報文，實時監測鏈路通信狀態。當鏈路正常時，故障檢測模塊通過ICMP 報文判斷自己能夠訪問鏈路測試地址，則證明PON 網絡業務正常，其向主控模塊發出鏈路狀態正常信號，主控模塊收到鏈路狀態信號后向鏈路控制模塊發出鏈路控制信號，鏈路控制模塊根據接收到的鏈路控制信號進行鏈路路由控制。此時用戶使用PON 網絡訪問互聯網業務，用戶訪問路由為：客戶端→鏈路控制模塊→故障檢測模塊→ODN →PON口→OLT →BRAS →互聯網。

當PON 網絡出現故障時，故障檢測模塊通過ICMP 報文檢測到無法訪問鏈路測試設備的IP 地址時，就向主控單元發送鏈路故障信號，主控單元接收到鏈路故障信號后，為避免鏈路瞬斷等造成故障檢測模塊發送誤報告的情況，在收到第一個鏈路故障信號后開始計時，當該信號持續接收15s 則確定為PON 網絡鏈路故障。此時主控模塊立即向鏈路控制模塊發送鏈路倒換指令，鏈路控制模塊收到鏈路倒換指令后對鏈路進行倒換操作，將業務信號倒換至4/5G 接口傳輸。此時用戶業務直接由4/5G 基站開始承載。用戶訪問互聯網路徑變為：客戶端→鏈路控制模塊→4/5G 接口模塊→4/5G 基站→傳輸網絡→互聯網。

這里需要說明，為避免因鏈路瞬斷導致鏈路控制模塊發出鏈路倒換指令，從而使鏈路處于頻繁倒換狀態，主控模塊需在接收到故障檢測模塊連續15s 發出的鏈路變化信號才會向鏈路控制模塊發送倒換指令。

3.3 流量云平臺與一體化告警監測設備

為了實現智能選路終端的無線接入能力，智能選路終端需要配備SIM 卡。用戶在開通寬帶業務時，將得到一張與智能選路終端適配的SIM 卡，開通寬帶業務時將同步開通該SIM 卡，并將卡信息注冊至家寬“流量云平臺”。

流量云平臺是利用運營商4G/5G 網絡，基于用戶信息創建的虛擬業務轉發和管理平臺，實現了家寬用戶鏈路故障時，用戶切換至無線側的業務接入和轉發、流量計費等功能。

流量云平臺將家寬SIM 卡用戶與大網4G/5G 用戶分離開來，單獨進行業務計費，并對用戶流量進行監控，當某用戶在15 分鐘內流量計費超過200M時，則向監控接口發送信息，由監控設備完成告警發送等相關操作。

監控設備是一套獨立于4G 網管系統和PON 網管系統的設備，完成與流量云平臺的對接，并負責接收計費信號、下發告警信息，并支持實時統計查詢等功能。

當監控設備收到流量云平臺發送的某用戶流量越限信息后，能夠自動查詢定位與該SIM 卡對應的家寬用戶信息，生成家寬故障告警，并接入運營商服務平臺下發工單，通知維護人員處理故障。故障恢復后，監控設備收到流量云平臺發送的該用戶流量回落信息，清除告警，并接入運營商服務平臺，發送家寬故障恢復信息。此外，監控設備還應支持數據查詢與統計、數據備份等功能。

3.4 倒換性能與業務質量

上文提到，智能選路終端中的故障檢測模塊能夠對光纖鏈路進行實時檢測，并將檢測結果反饋至主控模塊，主控模塊根據檢測結果進行倒換或倒回動作。但是，現網中可能會出現因傳輸質量下降造成的互聯網業務瞬斷，因此，故障檢測模塊設置15S 的檢測上報閾值，當主用光纖鏈路持續15S 以上中斷時，再下發倒換操作命令；相應的，當主用光纖鏈路持續15S 以上可用時，再下發倒回操作命令。這樣設置，避免了因鏈路瞬斷造成的業務頻繁切換，使業務更加穩定。

該組網方式中，無線路由部分使用了運營商4G/5G 信號，鏈路空閑時仍會發送信令，產生流量，為此，將流量云平臺監控閾值設置為15 分鐘內流量超過200M，防止監控設備發送無效告警信息。

這里需要說明，無線組網部分會占用一定傳輸網絡帶寬資源。在正常情況下，鏈路空閑時發送信令產生的流量很小，基本不會對傳輸網承載的其他業務（以4G 業務為主）產生流量沖擊。另外，當業務切換至無線路由時，業務質量將受到4G 信號質量影響，與PON 網絡無關。而目前運營商在城區內的4G 網絡性能優異，除出現小范圍地區內大量家庭寬帶用戶切換，正常情況下完全不影響家寬業務性能。因此，本方案在保證了家庭寬帶業務“不中斷”的同時，也不會對傳輸網絡其他業務造成影響，這也正是本方案的亮點所在。

4 結語

本方案中，家庭寬帶在業務層面的組網模式，利用原有光纜接入網絡，利用智能選路終端、4G 網絡搭建無線鏈路，組成環形網絡，借鑒傳輸網絡中環形組網模式，充分利用運營商4G 網絡規模覆蓋和優質信號，避免了物理鏈路成環帶來的大規模投資和資源浪費，能夠在出現物理鏈路故障時將業務自動切換至無線鏈路，保證家庭寬帶業務不中斷，是一種降本增效且可行性較大的方案。

綜上所述，在現網家寬業務故障率高、修復難度較大等因素的背景下，采用本方案組建的家庭寬帶組網方式，能夠實現在接入側物理鏈路出現故障時，家寬業務不中斷，同時能夠借助“流量云平臺”、告警監控設備等方式進行業務監控與故障上報，實現網絡智能化，達到提升用戶使用感知，提高故障處理效率的目的。

隨著國家建設“智慧城市”“千兆城市”的步伐不斷加快，用戶對家庭寬帶業務的性能要求將不斷提高，本方案能夠在業務感知、服務質量方面提升家寬業務品質，助力運營商提供更加優質的家庭寬帶業務。