沈 宜

(武漢郵電科學(xué)研究院，湖北 武漢 430074)

1 PON系統(tǒng)簡介

無源光網(wǎng)絡(luò)(Passive Optical Network，PON)是1種純介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，避免了外部設(shè)備的電磁干擾和雷電影響，減少了線路和外部設(shè)備的故障率，提高了系統(tǒng)可靠性，同時節(jié)省了維護成本，是電信維護部門長期期待的技術(shù)。

如圖1所示，PON中最主要的3部分包括位于局端的光線路終端(Optical Line Terminal，OLT)、終端光網(wǎng)絡(luò)單元(Optical Network Unit，ONU)以及光配線網(wǎng)(Optical Distribution Network，ODN)。PON“無源”是指 ODN全部由光分路器(Splitter)等無源器件組成，不含有任何電子器件及電源。

圖1 PON網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

隨著大量用戶使用光纖接入，用戶對寬帶接入持續(xù)無中斷性的要求也越來越高。本文研究的PON保護倒換方式能夠在主用的PON口檢測到PON口光信號異常、單板離線等告警后，觸發(fā)倒換，且倒換完成后恢復(fù)業(yè)務(wù)。

現(xiàn)有PON保護倒換技術(shù)的主要不足之處在于倒換后業(yè)務(wù)恢復(fù)時間過長，本文設(shè)計的PON保護倒換方案可以滿足A、B類保護業(yè)務(wù)中斷時間小于150 ms，C類保護業(yè)務(wù)中斷時間小于50 ms。

2 PON保護倒換技術(shù)概述

2.1 PON 保護機制[1－2]

由于PON系統(tǒng)線路速率極大提高，且都分布在戶外，容易受到損壞，因此網(wǎng)絡(luò)保護顯得更為重要。為了提高PON系統(tǒng)的可靠性，目前按保護模式分有A、B、C、D 4類保護方案。其中，A類保護類型的OLT的2個PON口采用1個PON MAC芯片，通過1∶2電開關(guān)連接至2個光模塊，實現(xiàn)2個PON口的保護，該類只適用于同一PON板內(nèi)的PON口間保護。C類和D類保護類型雖提供了全網(wǎng)的保護，使得系統(tǒng)的可靠性最好，但由于保護成本太高，只有特別高端的用戶才能承受，所以在實際的工程中幾乎沒有用到?？紤]到接入成本和實用性，B類保護更經(jīng)濟實用，B類保護中OLT的2個PON口分別采用獨立的PON MAC芯片和光模塊，實現(xiàn)2個PON口的保護，適用同一OLT的任意2個PON口間保護。

從配置和業(yè)務(wù)處理上來分類，PON保護可以分為1∶1保護、1+1保護、1∶N保護和1+N保護幾種類型。其中，1∶1是指OLT設(shè)備上任意2個PON口之間進行一對一的保護，它們之間是互為主備的關(guān)系。1+1是指發(fā)端在主備2個信道上發(fā)同樣的信息(并發(fā))，收端在正常情況下選收主用信道上的業(yè)務(wù)，因為主備信道上的業(yè)務(wù)一模一樣，均為主用業(yè)務(wù)，所以在主用信道損壞時，通過切換選收備用信道而使主用業(yè)務(wù)得以恢復(fù)。此種倒換方式又叫做單端倒換(僅收端切換)，倒換速度快，但信道利用率低。1∶N并不是嚴(yán)格意義的1∶N保護，而是指配置的時候指定1個PON口作為N個PON口的保護，但是實際發(fā)生切換的時候，只能是N個中的1個PON口切換。而且一旦切換后，這個保護就失效了，除非再切換回主PON口，備用PON口才能再作為保護PON口。

從保護組成員所在的單盤來分類可以分為盤內(nèi)保護和盤間保護。

2.2 PON 倒換機制

對于OLT和ONU設(shè)備而言，當(dāng)檢測到故障時，應(yīng)連續(xù)檢測5 ms，如該故障一直存在則正式確認(rèn)該物理層失效事件[2－3]。如5 ms內(nèi)該物理層故障得到恢復(fù)，則不確認(rèn)該物理層失效事件。對于不同的保護類型，OLT和ONU啟動光鏈路保護的倒換機制分別為:

1)類型a的倒換機制

當(dāng)OLT在5 ms內(nèi)檢測到主干光鏈路發(fā)生上述物理層觸發(fā)事件時，則OLT立即啟動PON口的倒換;當(dāng)OLT在5 ms內(nèi)檢測到分支光鏈路發(fā)生上述物理層觸發(fā)事件時，則OLT不啟動PON的倒換。ONU無倒換功能。

2)類型b的倒換機制

如果OLT在5 ms內(nèi)檢測到特定PON口下所有處于激活狀態(tài)的ONU的光鏈路發(fā)生上述物理層觸發(fā)事件時，則OLT立即啟動PON口的倒換;當(dāng)特定PON口下存在2個或者2個以上ONU時，如果OLT在5 ms內(nèi)僅檢測到其中1個ONU發(fā)生上述物理層觸發(fā)事件，則OLT不啟動PON的倒換。ONU無倒換功能。

3)類型c(d)的倒換機制

當(dāng)OLT檢測到特定PON口下任何一個處于激活狀態(tài)的ONU的上行光鏈路發(fā)生觸發(fā)事件時，OLT則立即通過主用光鏈路向所有ONU發(fā)送擴展OAM消息，命令ONU倒換到備用光鏈路，然后停止向該ONU發(fā)送下行光信號，并將該ONU的流量倒換到備用PON口上。當(dāng)OLT接收到來自某一個ONU發(fā)來的PON_IF Switch事件通告消息后，則確認(rèn)該ONU已倒換到備用PON口。當(dāng)ONU檢測到下行光鏈路發(fā)生觸發(fā)事件時，ONU立即倒換到備用光模塊接口并利用其“狀態(tài)保持”功能迅速建立與OLT備用PON口之間的MPCP和OAM同步。在完成MPCP和OAM同步后，ONU通過新主用鏈路向OLT發(fā)送PON_IF Switch事件通告消息。

3 PON保護倒換功能實現(xiàn)

3.1 增加和刪除保護組

系統(tǒng)軟件和圖形網(wǎng)管提供界面來增加或者刪除保護組，并且配置保護組的屬性，如保護組內(nèi)成員的個數(shù);保護組的模式(全保護和主干保護)。網(wǎng)管和主控盤軟件有必要的差錯檢查，不允許不同類型PON口之間配置成保護組。EPON的PON口不能和GPON的PON口配置成保護組。

在配置保護組時，首先要指定1個主端口，可以選擇是否保留主端口配置作為保護組配置。1個保護組有且僅有1個主端口。除了指定主端口外，在配置保護組時，還要指定若干成員端口。對于1∶1保護，成員端口最多只能有1個。若選擇不保留主端口配置，則刪除所有PON口的配置。也可以將原PON口或者其他PON口的配置重新導(dǎo)入到保護組中，或重新配置保護組的配置。在刪除保護組的時候，可以選擇將原保護組配置保留在主端口上，或者全部刪除。

3.2 強制切換和自動切換

可以使用系統(tǒng)軟件和圖形網(wǎng)管來強制主用、備用PON口間進行切換。

自動切換默認(rèn)的觸發(fā)條件有:輸入光信號丟失(LOS);輸入通道信道劣化(門限和策略可以配置);盤不在位或者PON MAC芯片損壞。

線卡負(fù)責(zé)監(jiān)控是否發(fā)生了網(wǎng)管配置的倒換觸發(fā)條件中的事件。倒換條件有:

1)監(jiān)控是否發(fā)生了輸入光信號丟失的事件，線卡還要支持軟件檢測方式來檢測PON口下所有的ONU都掉注冊;

2)發(fā)生了誤碼率越限的事件(軟件不斷檢測誤碼率是否越限，例如CRC錯誤越限，或者配置芯片發(fā)生這個事件后產(chǎn)生中斷);

3)光功率越限;

4)線卡被拔出(由主控盤檢測)。

一旦線卡檢測到發(fā)生了倒換觸發(fā)條件，線卡硬件或者軟件就需要向主控盤發(fā)送1條消息，表示工作線路發(fā)生故障，需要倒換，倒換由主控盤的CPU或者CPLD主導(dǎo)完成。發(fā)生倒換后，主控盤要上報事件給網(wǎng)管。

3.3 狀態(tài)的查詢和上報功能

通過系統(tǒng)軟件和圖像網(wǎng)管可以查詢保護組內(nèi)每1個PON MAC的工作狀態(tài)，即處于active狀態(tài)還是standby狀態(tài)。對于全保護模式，還要查詢每1個PON MAC下，實際注冊的ONU信息。無論是ONU還是OLT發(fā)生倒換事件，倒換成功或者失敗，系統(tǒng)都主動上報網(wǎng)管。如果是主控盤主導(dǎo)的倒換，則在倒換成功或者失敗由主控盤來上報網(wǎng)管。如果是線卡自動主導(dǎo)的倒換，則倒換成功或者失敗要由線卡上報給主控盤再上報給網(wǎng)管。用1個統(tǒng)一的協(xié)議，在顯示的時候，分全保護和主干保護來顯示。

4 PON保護倒換技術(shù)要點

為保證保護倒換后業(yè)務(wù)的平滑過渡，PON保護組中初始配置需要同步下發(fā)，以及保護組運行過程中的動態(tài)數(shù)據(jù)也需要同步。初始化配置指在保護組中主端口上的靜態(tài)業(yè)務(wù)配置信息，如SN認(rèn)證信息、授權(quán)信息VLAN、帶寬、語音配置、TDM業(yè)務(wù)配置、組播配置等。動態(tài)數(shù)據(jù)包括MAC地址學(xué)習(xí)表、組播成組信息、DHCP/PPPOE綁定表、密鑰信息等。

4.1 初始配置同步

盤內(nèi)的OLT配置由同一個CPU來管理，因此對于初始化配置的同步，必須讓線卡軟件允許同一個ONU在保護組內(nèi)的2個端口上同時授權(quán)。保護組初始化時的配置同步關(guān)鍵有如下2點:

1)預(yù)注冊時，所有在主端口上注冊的鏈路同時被靜態(tài)地寫到成員端口所在的芯片中，并且發(fā)送Link Discovery事件，讓ONU配置模塊認(rèn)為在成員PON口上有鏈路注冊，于是ONU配置模塊更新ONU在線狀態(tài)結(jié)構(gòu)。主PON口模塊還應(yīng)向成員PON口模塊同步配置狀態(tài)信息，以避免配置重復(fù)下發(fā)影響業(yè)務(wù)。

2)預(yù)注冊完成后，線卡向主控盤上報保護組配置完成。主控盤向線卡下發(fā)一系列配置命令。主控盤將主端口上的配置信息復(fù)制到成員端口上(如ONU授權(quán)、SLA、OLT/ONU QinQ等)。在成員PON上，由于ONU配置模塊已經(jīng)指示鏈路已注冊，并且3723中存在相應(yīng)的靜態(tài)鏈路，這些配置即可開始配置。對于配置給3723的數(shù)據(jù)，如OLT QinQ和SLA，配置動作可以立即執(zhí)行成功。對于配置給ONU的數(shù)據(jù)，如FE端口規(guī)則等，由于ONU實體并不存在，故在成員PON口上無法立即配置。但是ONU上的配置在主端口已經(jīng)同時完成，倒換時利用ONU的Holdover功能保持到成員PON口繼續(xù)工作。

盤間的配置初始化和盤內(nèi)的類似，有區(qū)別的地方在于配置是由不同線卡上的CPU分別管理，故配置同步需要通過板間私有協(xié)議通信來完成。主控盤在下發(fā)配置時，向主、備成員端口所在的槽位各發(fā)1份。

4.2 動態(tài)同步

動態(tài)同步指的是在數(shù)據(jù)改變時，從工作態(tài)的PON口將數(shù)據(jù)同步到備用態(tài)的PON口。這些數(shù)據(jù)可歸納如下:

1)鏈路上學(xué)習(xí)到的MAC地址;

2)組播成組信息;

3)DHCP/PPPoE綁定表;

4)動態(tài)保存在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，如CPU學(xué)習(xí)到的ONU，IAD，MAC 等等。

如果是盤內(nèi)的同步，則由Host CPU實時完成數(shù)據(jù)同步更新;如果是盤間的同步，則需要工作態(tài)槽位的CPU通過帶外通信將同步數(shù)據(jù)發(fā)送給備用態(tài)槽位的CPU，再由備用態(tài)槽位的CPU更新內(nèi)存數(shù)據(jù)或?qū)慐PON芯片。

4.3 業(yè)務(wù)恢復(fù)

執(zhí)行PON口的主備倒換后，原備用PON口變?yōu)橹饔茫以揚ON口下所有的PON口相關(guān)配置以及ONU配置(如ONU的授權(quán)信息、業(yè)務(wù)配置等)應(yīng)與原主用PON口相同。在完成PON口保護倒換后，在新主用PON口可用的情況下，所有業(yè)務(wù)可自動恢復(fù)。

對倒換中配置了E1業(yè)務(wù)的ONU，主控盤需要同時向E1業(yè)務(wù)盤通告ONU在原主用PON口的授權(quán)以及在新主用PON口下的E1業(yè)務(wù)配置和ONU在線狀態(tài)，以保證E1業(yè)務(wù)的自動恢復(fù)。

為實現(xiàn)倒換后語音業(yè)務(wù)的恢復(fù)，保證倒換前后ONU IAD私網(wǎng)IP地址保持不變，由主控盤在ONU授權(quán)時同時下發(fā)計算ONU私網(wǎng)IP使用的槽位號和PON口號。保護組使用第1個端口作參數(shù)下發(fā)，未配置保護組的以實際自身端口下發(fā)。

對于組播業(yè)務(wù)，主控盤的交換芯片、線卡的交換芯片和PON的芯片需處理MAC地址表。在PON口保護組倒換期間，由主控盤主動發(fā)IGMP QUERY報文，如間隔2 s，發(fā)送2 min。

對于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，無須額外動作。

5 實驗仿真

本實驗在烽火通信股份有限公司研發(fā)的AN5516—01 GPON設(shè)備及圖形網(wǎng)管ANM2000的平臺上進行。以盤內(nèi)PON保護類型b為例，進行自動保護倒換和強制保護倒換[3]。

實驗環(huán)境如圖2所示。使用2∶N光分路器，分別連接主用端口和備用端口，并使用儀表SmartBits600打數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流。

圖2 實驗連接圖

配置PON保護組(如圖3)，12號槽位下PON口1為主端口，PON口5為備用端口，需要注意的是盤內(nèi)保護不允許同一芯片的PON口組成對。此時查詢PON口保護組狀態(tài)(如圖4)，可以看到配置的PON保護組已生效。模擬事故環(huán)境，拔掉PON口1的光纖，使系統(tǒng)產(chǎn)生斷纖告警(如圖5)觸發(fā)自動PON保護倒換，倒換后再次查詢PON口保護組狀態(tài)發(fā)現(xiàn)PON口的主、備狀態(tài)已經(jīng)倒換成功(如圖6)。同時，始終觀測業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的狀態(tài)，拔纖后業(yè)務(wù)流有瞬時中斷，而后迅速恢復(fù)正常。重復(fù)拔纖10次，抓包計算的業(yè)務(wù)流平均中斷時間為148.6 ms。此外，發(fā)現(xiàn)業(yè)務(wù)中斷時間也與PON口下掛ONU個數(shù)有一定聯(lián)系。

在圖形網(wǎng)管界面進行強制保護倒換，觀測業(yè)務(wù)流、查詢PON口保護組狀態(tài)，所得結(jié)果與自動保護倒換一致。

圖6 倒換后的PON口狀態(tài)

6 結(jié)束語

本文簡要概述了PON保護倒換的基本實現(xiàn)，其中數(shù)據(jù)同步和倒換后業(yè)務(wù)的快速恢復(fù)是關(guān)鍵?？紤]到接入成本和實用性，b類保護更經(jīng)濟實用。目前，PON保護倒換都有PON芯片支持。

[1]IEEE 802.3—2008，信息技術(shù)系統(tǒng)間通信和信息交換局域網(wǎng)和城域網(wǎng)特定要求第3部分:載波檢測多址存取采用沖突檢測(CSMA/CD)的存取方法和物理層規(guī)范[S].2008.

[2]ITU－TG.984.3，Gigabit－capable Passive Optical Networks(GPON):Transmission Layer Specification[S].2004.

[3]徐惠民.基于VxWorks的嵌入式系統(tǒng)及實驗[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社，2006.