一種智慧校園應用場景下的可自愈TDM-PON 結構

（成都師范學院 網絡與信息中心，四川 成都 611130）

智慧校園體系構架中包含感知層、網絡層、數據層等層次結構[1].業內專家的基本共識是其中的網絡層必須以高速網絡為支撐，能實現隨時隨地的高速接入、及時可靠的傳輸各種數據[2].這要求其應具備完善的數據傳輸保護與恢復機制，同時還應滿足學校一些實際應用場景的需求，比如應支持虛擬專用網的能力等.

無源光網絡（PON）“可以靈活地以樹形、環形或混合型等拓撲結構組網，具有帶寬高、傳輸距離遠、與以太網有很好的兼容性，支持平滑演進等特點，能快速部署千兆業務.光配線網沒有有源器件，建網及運維成本低，能簡化校園網絡建設工程”[3]，是能滿足智慧校園網絡層需求且適應未來網絡發展的一種技術.PON 的數據傳輸經常采用時分復用（TDM）機制，為了改善可靠性，其中包括自動保護倒換（APS）的光層保護方案是用于處理光纖和ONU 的故障的.ITU-T G.984.1 建議了TDM-PON 可能的保護方案①中華人民共和國通信行業標準“接入網技術要求—吉比特的無源光網絡（GPON）第1 部分：總體要求”.，主要是加倍光纖和ONU/OLT 設備.由于要求很多的冗余器件和連到每個ONU 的備份光纖，這些方案都不是成本最佳的.主流的PON 保護方案具有集中性，依賴OLT 檢測及恢復配線光纖斷或ONU 設備故障.在OLT 這種集中處理是漫長、復雜的過程，且每個ONU 需要作很多改變.

為了支持虛擬專網能力，有人提出了基于環的PON 結構[4-6].由此帶來的問題是對環內的節點和鏈路故障的影響巨大，故設計一個可自愈、基于環的PON 結構是非常重要的.該結構主要針對現在基于樹狀PON 的某些限制，包括支持專網能力和提供一個全分布、成本有效的APS 方案，此方案能保護節點（ONU）和配線/主干饋線光纖的故障，且能恢復所有的網絡流量，包括上行、下行和LAN數據.此外，APS 方案也能保護包括配線/主干饋線光纖斷和節點故障的同時發生雙重故障的組合.簡單自愈環的PON 結構的主要特色是在ONU 間支持一個全分布式的控制平面，一方面用于控制ONU 間的通信，另一方面利用控制平面可實現一個全分布式的故障檢測和恢復機制.

1 基于環的TDM-PON 結構研究

圖1 描述了簡單自愈環的TDM-PON 結構，其中實線表示正常狀態的結構，而虛線表示冗余的保護器件.保護結構除如下描述之外與正常狀態的結構完全相同：（1）一個冗余的短配線光纖環和一個主干光纖；（2）OLT 處一個冗余的收發器對；（3）一個連到每個ONU 的APS 模塊.

圖1 簡單自愈環的TDM-PON 結構

1.1 正常狀態工作

僅看圖1 中的實線，一個OLT 經10～20 km 主干饋線光纖連到N 個ONU，一個3 口光環形器和一個短的配線光纖環.為了覆蓋與傳統基于樹狀結構覆蓋相同的本地接入域，在干線端點的小環假設具有1～2 km 直徑.一組ONU 通過閉環內的點到點鏈路來連接，且鏈路是單向的：下行和上行信號（組合信號）僅在一個方向傳輸.

圖2 表示了一個詳細的ONU 結構.每個ONU 用一個n:（1-n）的1×2 無源星形耦合器來連到環（A 點輸入信號），發送數據經2×1 CWDM 組合器輸出口進環（E 點輸出信號）.注意的是在每個ONU，除維持傳統的收發器外（一個λup 上行發送器和一個λd 下行接收器），這種方式還需要一個調諧到λup 額外的接收器.有關正常狀態的工作細節，參考文獻[4].

圖2 ONU 的結構

1.2 保護狀態工作

APS 模塊是自愈機制的基本構建塊，它執行故障檢測和自動倒換處理，APS 模塊連到工作和保護的輸入（I 點）及工作和保護的輸出（O點）光纖，如圖2 所示.每個APS 模塊安裝一個商用低成本4×4 雙向光交換（OS），它能從任一個輸入口交換到任一個輸出口.它也包括兩個檢測電路，每個電路由一個1×2 CWDM 濾波器，兩個PIN 檢測器和一個配置OS 的控制電路組成.第一個檢測電路用于檢測經分接很少部分（約1%）輸入組合信號的輸入上行和下行信號，第二個檢測電路用于檢測經分接很少部分（約1%）輸出組合信號的輸出上行和下行信號.從圖1 可以看到，在正常工作模式中，組合信號（下行和上行信號）分別經口2-5，8-3 在輸入和輸出工作光纖（working fibers）上傳送.

通常我們將故障情況分為三類，即主干鏈路故障、一般配線鏈路故障和一般節點（ONU）故障.在這里，一般配線鏈路定義為連接兩個相鄰ONU 的配線光纖段.所有連接相鄰ONU 鏈路除如下兩種情況外是一般配線鏈路，它們需要不同的檢測和恢復機制：（1）連接第一個ONU（ONU1）和環行器的配線光纖段，這個鏈路稱為第一鏈路；（2）連接最后一個ONU（ONUN）和環行器的配線光纖段，這個鏈路稱為最后鏈路.在這里，一般節點定義為環上的任一節點.所有沿環分布的節點除最后一個ONU 外都是一般節點，它們僅需要不同的發現機制.主干連接處的全部鏈路和節點包括主干、第一和最后鏈路、第一個和最后一個ONU.

在一般鏈路的故障情況中，受影響節點的第一個控制電路（ONU 的檢測和管理故障）配置OS，以至于輸入信號經受影響ONU 的OS 口1-5，從輸入工作光纖倒換至保護光纖.在一般節點故障情況中，輸入信號完全旁路故障節點并傳送到下一個節點.這通過經口2-6-7-4，將輸入信號直接交換到故障節點的輸出保護光纖來實現.

2 自愈環TDM-PON 故障檢測及恢復的實現

我們以EPON 為例來說明.所提的分布式方案利用一個TDMA 仲裁方式和OLT 執行仲裁處理.假設是一個基于周期的上行鏈路，周期的大小或者固定，或者限制在某些下和上邊界間的可變長度，以適應動態上行流量的狀態.在一給定周期的期間，每個ONU 發送它的控制（REPORT）消息（在它的分配時隙中），沿環從一個節點到下一個節點，在沿環一周后，最后由源ONU 將其去除.由于REPORT 消息在每個節點處理和再發送，ONU 彼此能直接通信它們的狀態，交換信令和控制消息信息.

在正常工作狀態下，REPORT 消息典型地包含根據當前ONU 的緩存占用率，要求下一個時隙的尺寸.在節點或者鏈路故障的事件中，REPORT 消息典型地包含到OLT 和涉及恢復處理的遠端節點特定的指令.

由于上行信號總是出現在環和主干上（周期的控制消息總是傳輸，與是否存在LAN/WAN數據無關），一般的故障檢測情況（一般配線鏈路和節點故障）將主要僅檢測上行信號的有無.于是，全部ONU 連續地監視輸入和輸出光纖中上行信號的狀態.如果給定一個ONUN的第一個控制電路檢測出在輸入工作光纖上無上行信號，一個一般配線鏈路假設是互連ONUN-1和ONUN的故障.另一方面，如果給定一個ONUN的第一個控制電路檢測出在輸入工作光纖上有上行信號，而第二個控制電路檢測出在它的輸出工作光纖上無相同的信號（經處理后，由ONUN再生和再發送），一個節點（ONUN）故障確定.所以一個節點故障由同一節點經連到該節點的APS 模塊上安裝的兩個控制電路檢出.然而，管理故障委托給下一個環上節點（ONUN+1）.除最后一個節點需要不同的機制外，環上每個節點的檢測和恢復機制是相同的.另一方面，連接OLT，ONU1和ONUN的三種特殊鏈路（干線光纖鏈路、第一和最后配線光纖鏈路）需要各自不同的故障檢測機制.如表1 所示，第一個ONU檢測和管理全部三類故障情況，每一類需要監視下行和上行信號.于是，僅ONU1需要監視下行和上行信號.

表1 ONU1 故障檢測

恢復處理經三個共同運行網絡節點的參與來實現，包括受影響節點（ONUN），OLT 和或者ONUN-1（一個鏈路故障情況）或者ONUN+1（一個節點故障情況）.

2.1 一般鏈路的恢復

成功完成一給定的一般鏈路恢復處理包含如下步驟：

（1）一旦受影響節點（例如ONUN）檢測一給定的光纖斷，為避免假的故障檢測，它等待一預定的暫停時間；

（2）然后，ONUN同時執行如下三個功能：i）停止上行（LAN/MAN）流量的傳輸；ii）倒換到輸入保護光纖；iii）用一故障指示告警消息泛洪網絡（floods network），它包括到ONUN-1（倒換它的傳輸從輸出工作光纖到輸出保護光纖）和OLT（停止下行傳輸）兩者特定的指令；

（3）ONUN保持用一故障指示告警消息泛洪網絡，等待它的故障幀經ONUN-1的輸出保護光纖返回到它；

（4）環上的每個ONU 接收故障消息后，停止所有上行流量傳輸，類似OLT 停止下行流量傳輸；

（5）一旦ONUN接收到返回它的故障幀（假設ONUN-1己經倒換到輸出保護光纖），它開始用第二個請求下行同步幀的消息泛洪OLT；

（6）一旦OLT 接收到從ONUN來的同步請求，它重新開始下行傳輸；

（7）一旦ONUN接收到OLT 來的同步幀，它通過發送它的正常REPPORT 控制消息到其它所有的ONU 來開始一個新的周期，到此恢復處理己經完成；然后，所有的ONU 順序地發送它們的REPORT，一旦所有的REPORT 交換后，開始新周期的DBA 計算，能計算新的授權及重新開始正常工作.

2.2 一般節點的恢復

一給定的一般節點故障的恢復處理包含如下步驟：

（1）一旦連到一給定節點（例如ONUN）的APS 模塊檢測出它的故障，然后它配置OS 到旁路模式，直接地將輸入信號經口2-6-7-4 交換到輸出保護光纖.由于故障，ONUN不能發送任何數據到它相鄰的節點（ONUN+1）或廣播故障指示告警消息.

（2）當ONUN的APS 模塊開始交換處理時，ONUN+1在它的輸入工作光纖上，將檢測不到上行信號，并錯誤確定為它和ONUN間的配線光纖斷.

（3）然后，ONUN+1開始一般鏈路的恢復處理（上面3.1 列出的7 個步驟）.

（4）再后，ONUN+1開始同時執行如下三個功能：i）停止上行流量的傳輸；ii）倒換到輸入保護光纖；iii）用一故障指示告警消息泛洪網絡（floods network），它包括到ONUN-1（倒換它的傳輸從輸出工作光纖到輸出保護光纖）和OLT（停止下行傳輸）兩者特定的指令.

（5）ONUN+1保持用一故障指示告警消息泛洪網絡，等待它的故障幀經ONUN的輸出保護光纖返回到它.

（6）ONUN不能接收或處理ONUN+1的請求消息.然而，ONUN的控制電路己再配置OS 成旁路模式（交換到輸出保護光纖），即ONUN的APS 模塊間接地實現消息.

（7）一旦ONUN+1倒換到輸入保護光纖，ONUN倒換到輸出保護光纖（即ONUN被旁路），ONUN+1接收到返回它的故障消息（假設現在ONUN+1的故障已恢復）.

（8）ONUN+1繼續3.1 列出的步驟5-6-7.現在確認ONUN故障恢復（旁路）.換句話說，當ONUN故障時，ONUN+1從事恢復處理的管理.

值得注意的是OLT 在一般鏈路和節點故障的檢測和恢復處理中所承擔的角色只限于：（a）接收和處理故障指示請求幀，以停止下行傳輸；（b）再開始同步幀.

2.3 特殊鏈路和節點的恢復

三個特殊鏈路（主干光纖鏈路、第一和最后配線光纖鏈路）中每一個的恢復機制幾乎是相同的，在每種情況需要連接的三個節點（OLT，ONU1，ONUN）共同參與，所有涉及的每一方必須倒換到保護光纖.要注意的是除OLT 現在的角色已擴展到包含除倒換它的傳輸到主干保護光纖外，一個一般鏈路故障恢復的七個步驟也應用于每種情況.這意味著現在由ONU1泛洪的故障指示告警消息必須包括一個到OLT 附加的指令，倒換它的傳輸到主干保護光纖.

然而，在第一鏈路故障情況中，ONU1僅能與OLT 通信，但是在其它兩種情況（主干和最后鏈路故障）中，完全不能與OLT 通信.于是，在后兩種情況，必須有另一種機制指令OLT 停止下行傳輸和倒換它的傳輸到保護光纖.要注意的是第一鏈路斷不會停止到OLT 的上行信號流，但是在后兩種情況的鏈路斷會停止到OLT 的上行信號流.總之，有三種特殊故障情況會停止到OLT 的上行信號流，也就是最后鏈路故障，主干故障和最后一個ONU 故障.在所有這些情況中，OLT 能獨立地檢測無上行信號，自動停止下行傳輸和倒換它的傳輸到主干保護光纖.于是，OLT 必須依賴ONU1的請求倒換它的傳輸到主干保護光纖的特殊情況僅是第一鏈路故障.

第一鏈路故障：

（1）ONU1APS 模塊的控制電路檢測出無下行和上行信號，于是識別為第一鏈路故障（見表1）；

（2）然后，ONU1同時執行如下三個功能：i）停止上行流量的傳輸；ii）倒換到輸入保護光纖；iii）用一故障指示告警消息泛洪網絡，它包括到ONUN（倒換它的傳輸從輸出工作光纖到輸出保護光纖）和OLT（停止下行傳輸和倒換它的傳輸到主干保護光纖）特定的指令.

（3）一旦所有涉及的每一方（OLT，ONU1，ONUN）倒換到保護光纖，與OLT 的上行和下行信號通道恢復.對其它兩個特殊鏈路（主干和最后鏈路）故障的每個恢復處理，除步驟（2）iii）ONU1單獨發送請求到ONUN外，與第一鏈路故障相同.目前還缺少到OLT 擴展指令的實現，應是由OLT 自動地完成.

最后一個ONU（ONUN）故障：

這個節點的恢復處理等同一個特殊鏈路故障.這是因為，如一個一般節點故障情況，ONUN故障由ONU1參與恢復處理的管理.當ONUN故障時，ONU1檢測出無上行信號及有下行信號，于是設定故障是一個最后鏈路故障（見表1）.然后，ONU1用一故障指示告警消息泛洪網絡，它包括僅到ONUN的特殊指令（倒換它的傳輸從輸出工作光纖到輸出保護光纖）.OLT 檢測出無上行信號，自動停止下行傳輸并倒換它的傳輸到保護光纖.雖然由于本身的故障，ONUN不能接收和處理這個消息，然而如上述，ONUN的APS 模塊間接地實現該消息.這是因為當ONUN的APS 模塊檢測出它的故障，再配置OS 至它的旁路模式，將輸入信號直接交換到輸出保護光纖.

3 結語

針對當前基于樹狀的PON 結構的某些限制和不足，如受限的光功率預算，支持專用虛擬網能力、網絡保護能力不足等，借鑒已大量在MAN/WAN 應用的SDH、OTN 等光環網的組網優勢，提出了改善傳統PON 性能的創新思路——基于環的TDM-PON.然而，由于是環結構，環內的節點和鏈路故障的影響是巨大的，設計一個可自愈的基于環的PON 結構是非常重要的，也是實際為智慧校園網絡建設所用的關鍵.

為此，設計了一個簡單自愈環的TDM-PON結構，其主要思路是在環中ONU 之間構建一個全分布式的控制結構.該結構既用于控制ONU之間的通信，也用于實現一個全分布式的故障檢測和恢復機制.在該方案中，ONU 交換信令和控制信息，包括節點和配線/主干饋線光纖的狀態，它們的隊列狀態和傳輸要求.提出的APS 方案能保護節點（ONU）和配線/主干饋線光纖的故障，能恢復所有的網絡流量，包括上行、下行和LAN 數據.恢復時間遠小于當前的集中式PON 的恢復時間，為當前PON 不理想的保護方案提供了新的解決思路，將有可能成為智慧校園網絡層技術路線的候選方案.