余辰東

（中興通訊股份有限公司上海研發(fā)中心，上海 201203）

無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）是采用點(diǎn)到多點(diǎn)（P2MP）結(jié)構(gòu)的單纖雙向光接入網(wǎng)，其典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為樹型或星型：局端光線路終端（OLT）處于工中心位置，通過光分配網(wǎng)絡(luò)（ODN）連接多個(gè)ONU設(shè)備（光網(wǎng)絡(luò)單元），并通過ONU實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)接入。PON網(wǎng)絡(luò)有以下的顯著特征。

（1）PON網(wǎng)絡(luò)屬于接入網(wǎng)范疇，向上提供SNI（業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)接口）接口，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)向上轉(zhuǎn)發(fā)；向下提供UNI（用戶網(wǎng)絡(luò)接口）接口，實(shí)現(xiàn)最終業(yè)務(wù)的接入。

（2）業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)在下行方向（OLT到ONU），OLT發(fā)送信號(hào)通過光分路器（或分光器級(jí)聯(lián)）廣播到各個(gè)ONU。在上行方向（ONU到OLT），各個(gè)ONU根據(jù)OLT指定的時(shí)間發(fā)送信息。

（3）PON網(wǎng)絡(luò)中的冗余保護(hù)包括SNI接口保護(hù)以及ODN保護(hù)：前者完成對OLT下特定業(yè)務(wù)的保護(hù)，后者完成ODN網(wǎng)絡(luò)下特定鏈路和用戶的保護(hù)。

（4）SNI/ODN狀態(tài)監(jiān)控以及主備端口/鏈路之間的快速切換是衡量PON網(wǎng)絡(luò)的重要指標(biāo)。

1 PON網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)

PON網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)本質(zhì)上就是ODN采用點(diǎn)對多點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。按照其連接方式不同可以分為4種結(jié)構(gòu)。

（1）星型網(wǎng)絡(luò)：點(diǎn)對多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，利用一系列可以級(jí)聯(lián)的分光器，實(shí)現(xiàn)對下行信號(hào)的均分以及上行信號(hào)的匯聚。分光器一般采用平衡的分光器，分光級(jí)數(shù)一般不超過3級(jí)。（2）樹型網(wǎng)絡(luò)：可認(rèn)為是星型網(wǎng)絡(luò)的拓展，從邏輯結(jié)構(gòu)上是實(shí)現(xiàn)OLT設(shè)備的二級(jí)堆疊，節(jié)約上行鏈路資源：即一個(gè)OLT下聯(lián)多個(gè)子OLT，每個(gè)子OLT再實(shí)現(xiàn)對ONU的星型連接。（3）總線型網(wǎng)絡(luò)：點(diǎn)對多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的一種拓展，利用一系列串聯(lián)的非平衡分光器，以便從光總線上檢出OLT發(fā)送的信號(hào)，同時(shí)又能將每一個(gè)ONU發(fā)送的信號(hào)插入光總線，傳送給OLT。這種方式由于非平衡分光器，在光總線中引入損耗，所以總的光預(yù)算比星型網(wǎng)絡(luò)更為嚴(yán)格。（4）環(huán)型網(wǎng)絡(luò)：點(diǎn)對多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的一種拓展，可看做是總線型結(jié)構(gòu)的一種特例，即邏輯上等效于一個(gè)折疊的總線型結(jié)構(gòu)。這種閉合的總線型結(jié)構(gòu)某些情況下可提升網(wǎng)絡(luò)可靠性。

2 PON網(wǎng)絡(luò)冗余保護(hù)類型

PON網(wǎng)絡(luò)接入用戶數(shù)量巨大且業(yè)務(wù)量日益提升，因此PON網(wǎng)絡(luò)安全性也日益重要。就PON網(wǎng)絡(luò)中的冗余保護(hù)而言，可以分為上聯(lián)口冗余保護(hù)兩種和ODN光纖冗余保護(hù)。

上聯(lián)網(wǎng)絡(luò)冗余保護(hù)，是通過在PON OLT上聯(lián)口進(jìn)行聚合或主備配置，實(shí)現(xiàn)對PON OLT下業(yè)務(wù)的帶寬擴(kuò)容或保護(hù)。由于PON OLT和上層對接時(shí)使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)，因此以太網(wǎng)的聚合或保護(hù)技術(shù)都可以在PON設(shè)備上得到應(yīng)用。上聯(lián)網(wǎng)絡(luò)保護(hù)本質(zhì)上是對二層/三層數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的保護(hù)，與PON設(shè)備（OLT/ONU/ODN）內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錈o關(guān)。

ODN網(wǎng)絡(luò)光纖冗余保護(hù)，是在OLT和ONU之間建立主干光纖/全鏈路光纖的冗余備份，實(shí)現(xiàn)對特定ONU的保護(hù)。由于總線型和環(huán)型拓?fù)浔旧砭途邆湟欢ǖ谋Ｗo(hù)能力，因此現(xiàn)有的線路保護(hù)主要是針對星型和樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。區(qū)別于傳統(tǒng)SDH/PDH網(wǎng)絡(luò)本身具備軟件邏輯保護(hù)能力。ODN網(wǎng)絡(luò)是對光信號(hào)的物理分路/匯聚，其本身并不提供邏輯判斷和軟件處理，因此其保護(hù)只能依賴ODN兩端鏈路/端口狀態(tài)檢測和兩端設(shè)軟件邏輯的處理實(shí)現(xiàn)。

3 xPON線路保護(hù)類型

對于ODN本身，保護(hù)通常指在網(wǎng)絡(luò)的某部分建立備用光通道。ITU-T G.938.5定義了APON/BPON的保護(hù)方式，由于各種PON技術(shù)在物理層的高度相似性，EPON沿用了G.983.5中的保護(hù)方式。GPON在ITU-TG.984.1建議中規(guī)定了面向PON結(jié)構(gòu)的保護(hù)倒換技術(shù)。ITU-T標(biāo)準(zhǔn)中提供了4種類型結(jié)構(gòu)的保護(hù)倒換，兩種主干光纖保護(hù)（方案1、2），兩種全鏈路保護(hù)（方案3、4）。對不同的光鏈路保護(hù)類型，EPON系統(tǒng)對光鏈路保護(hù)倒換的前3種方案：業(yè)務(wù)中斷時(shí)間小于150 ms；方案4小于50 ms。對所有的光鏈路保護(hù)類型，GPON系統(tǒng)中業(yè)務(wù)中斷時(shí)間小于50 ms。上述保護(hù)時(shí)間主要考慮話音業(yè)務(wù)情況，若幀丟失時(shí)間大于120 ms，則話音業(yè)務(wù)的呼叫連接會(huì)被斷開，信號(hào)倒換以后還需要重新建立呼叫，對用戶影響嚴(yán)重。

3.1 主干光纖保護(hù)

主干光纖保護(hù)方式針對OLT PON口到主分光器（一級(jí)分光器）之間的主干光纖進(jìn)行保護(hù)。實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中分光器盡量部署靠近用戶端，由于主干光纖覆蓋范圍較大，其被損壞概率也相應(yīng)增加，針對這一段光纖的保護(hù)可以在成本相對可控的情況下大幅提升PON網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

主干光纖保護(hù)方式中，切換由OLT內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，無需進(jìn)行ONU協(xié)商，不需要特殊的切換協(xié)議，因此做到成本最優(yōu)。有如下兩種方案。

方案1：OLT的兩個(gè)PON口采用相同的PON MAC芯片，通過1:2電開關(guān)連接至兩個(gè)光模塊，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)PON口的保護(hù)。但無法對OLT PON線卡故障進(jìn)行保護(hù)。這種方案工程中并沒有得到實(shí)際應(yīng)用。

方案2：OLT的兩個(gè)PON口分別采用獨(dú)立的PON MAC芯片和光模塊，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)PON口的保護(hù)?？梢詫?shí)現(xiàn)OLT同一PON板內(nèi)以及PON板間的PON口保護(hù)。該方案保護(hù)如圖1所示。

圖1 主干光纖保護(hù)方式

這種方式中備用OLT PON端口處于冷備用狀態(tài)，即備用OLT PON口的光模塊發(fā)射機(jī)關(guān)閉，在切換過程中，由于冷備份光模塊被激活到正常工作狀態(tài)需要一段較長時(shí)間的導(dǎo)致不可避免的信號(hào)損失。保護(hù)倒換過程中，由OLT檢測鏈路保護(hù)、OLT PON端口狀態(tài)，并完成倒換。OLT主用PON口的業(yè)務(wù)信息同步備份到備用PON端口，維持下接ONU的業(yè)務(wù)屬性不變。此方式中主干光纖的故障影響率下降50%，系統(tǒng)存活率提升一倍。

3.2 光纖全線路保護(hù)

主干光纖保護(hù)方式實(shí)現(xiàn)從OLT到分光器之間的線路保護(hù)，但無法防止從分光器到ONU用戶之間的支路線路的故障。針對重要用戶（ONU），需要考慮光纖全線路保護(hù)方式：OLT和ONU均配置主備兩個(gè)PON模塊；主干光纖敷設(shè)主備兩條光纖線路，設(shè)置兩套分光器；對每個(gè)ONU敷設(shè)兩條支路光纖，分別從不同的分光器中引出。具體有如下兩種方案：

方案3，OLT雙PON口，ONU雙光模塊（采用一個(gè)PON MAC和兩個(gè)光模塊，備用光模塊處于冷備用狀態(tài)），主干光纖、光分路器和分支光纖均雙路冗余。OLT主備光模塊采用熱備份方式。相關(guān)器件故障影響率下降50%，系統(tǒng)存活率均提升100%。

OLT主備PON接口均處于熱備份工作狀態(tài)。在切換過程中，信號(hào)損失較小。OLT主用PON端口的業(yè)務(wù)信息同步備份到備用PON端口，維持ONU的業(yè)務(wù)屬性不變。ONU和OLT均檢測鏈路狀態(tài)，并根據(jù)鏈路狀態(tài)決定是否切換，因此需要切換協(xié)議支持。

方案4，在方案3基礎(chǔ)上進(jìn)行了強(qiáng)化，如圖2所示：ONU具有2個(gè)獨(dú)立PON口（分別包含PON MAC芯片和光模塊等）且分別注冊到OLT的兩個(gè)PON口上。ONU的兩個(gè)PON口均處于熱備份工作狀態(tài)。

圖2 全光纖保護(hù)方式（方案4）

通過上述強(qiáng)化保護(hù)，PON區(qū)間任意點(diǎn)故障都可以用備份設(shè)備來切換，是一種完全雙重化的保護(hù)結(jié)構(gòu)。主干光纖、分路器、OLT和ONU的故障系統(tǒng)影響率均下降50%，每部分系統(tǒng)存活率均提升100%，總體提升率和網(wǎng)絡(luò)組成節(jié)點(diǎn)有關(guān)。在這種方案下，多個(gè)失效同時(shí)方式的情況下系統(tǒng)也能得到有效的恢復(fù)。與前面3種相比，這種方案自愈能力最強(qiáng)，然而這類防護(hù)結(jié)構(gòu)所用的元器件多，成本高，同時(shí)需要切換協(xié)議和比較復(fù)雜的管理。

4 xPON線路保護(hù)的工程應(yīng)用

4.1 保護(hù)方式的選擇

工程中使用xPON線路保護(hù)提升了線路安全性，這種方式需要部署更多光纖，占用更多PON口資源。從成本和資源角度考慮對所有ONU進(jìn)行保護(hù)，將導(dǎo)致OLT在相同情況下，接入ONU/用戶數(shù)量減少50%。若考慮采用全保護(hù)，支路光纖的投資將翻倍，同時(shí)更為重要的是由于ONU具有兩個(gè)獨(dú)立的PON口，以及相應(yīng)的軟件邏輯判斷，將導(dǎo)致ONU的成本上升，從而導(dǎo)致全保護(hù)方式下線路/ONU成本的效益下降。因此在XPON線路保護(hù)主要是對特定ONU/用戶提供冗余線路的保護(hù)，保護(hù)方式主要采用主干光纖保護(hù)方式。

xPON線路護(hù)方式中需要注意相同PON線卡的不同PON口可能處于同一硬件模塊控制。因此需要考慮PON線卡硬件可靠性，工程應(yīng)用中建議采用不同PON線卡間的冗余保護(hù)。

4.2 光纖部署應(yīng)用

xPON線路保護(hù)中對于光纖工程部署具體的實(shí)施方法如下。

（1）不同光纖承載不同光通道，但主用和備用光纖在同一光纜中，即同纜分纖方式。這種方式最簡單經(jīng)濟(jì)，但不能保護(hù)光纜切斷故障。

（2）不同光纖承載不同光通道，主用和備用光纖在不同光纜內(nèi)，但置于同一管道或路由上。這種方式可以防止普通光纜切斷故障，但不能防止大型故障（大型機(jī)械的施工事故等）。

（3）不同光纖承載不同光通道，主用和備用光纖不僅不同纜，而且管道或路由也不同。這種方式提供最大程度的保護(hù)，但經(jīng)濟(jì)代價(jià)也最高。

在PON系統(tǒng)中為實(shí)現(xiàn)PON設(shè)備的自動(dòng)功率控制（AGC）的簡化實(shí)現(xiàn)和時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)（CDR）的精確可控，需要減小分光器對不同支路光纖的影響，因此使用光功率均分的平衡分光器。主干光纖保護(hù)方式使用2：N的光均分器，考慮PON設(shè)備的快速倒換需要，建議主干光纖使用等長光纖。否則在切換過程中，由于主備用光纖的物理距離不同導(dǎo)致ONU需要重新測試，所以這種保護(hù)結(jié)構(gòu)在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)無法實(shí)現(xiàn)小于50ms的保護(hù)倒換時(shí)間。

4.3 xPON線路倒換應(yīng)用

xPON的保護(hù)倒換支持自動(dòng)倒換和強(qiáng)制倒換。自動(dòng)倒換是指系統(tǒng)自身檢測出故障并觸發(fā)保護(hù)倒換操作，例如系統(tǒng)檢測到信號(hào)丟失，幀丟失、信號(hào)劣化等條件，即執(zhí)行保護(hù)倒換操作。強(qiáng)制倒換是由網(wǎng)絡(luò)管理者根據(jù)網(wǎng)絡(luò)管理事件的需求來激活倒換操作，例如光纖的預(yù)選路、光鏈路系統(tǒng)維護(hù)、測試需求等條件下可以實(shí)施強(qiáng)制倒換。

自動(dòng)倒換是工程應(yīng)用中的默認(rèn)配置：當(dāng)前工作口檢測到相關(guān)告警后倒換到備用PON口。實(shí)際應(yīng)用中PON口保護(hù)根據(jù)倒換后的PON口動(dòng)作，分為可恢復(fù)和不可以恢復(fù)模式。

不可恢復(fù)模式：PON口完成倒換后，若原工作口恢復(fù)，業(yè)務(wù)不會(huì)再次倒換，保留在當(dāng)前的工作口上；可恢復(fù)模式：PON口完成倒換后，若原工作口恢復(fù)，那么業(yè)務(wù)自動(dòng)到會(huì)原工作口。這種模式主要是出于運(yùn)維的統(tǒng)一規(guī)劃，方便維護(hù)管理。可恢復(fù)模式下需要設(shè)置恢復(fù)等待時(shí)間（發(fā)現(xiàn)工作口告警消失到恢復(fù)的等待時(shí)間ztesmcc，在此時(shí)間內(nèi)禁止倒回。）確保PON線路不會(huì)出現(xiàn)頻繁倒換。

5 特殊保護(hù)方式實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

對于電信級(jí)別用戶一般采用星型（樹型）組網(wǎng)，并通過ODN網(wǎng)絡(luò)的冗余配置實(shí)現(xiàn)保護(hù)。在企業(yè)專用網(wǎng)絡(luò)中，由于考慮到承載行業(yè)業(yè)務(wù)的特殊性，會(huì)采用一些特殊組網(wǎng)方式。電力EPON標(biāo)準(zhǔn)中定義了一種“手拉手”全保護(hù)方式，組網(wǎng)如圖3所示：雙OLT，雙PON口，ONU雙光模塊，光分路器和主干/支路光纖均雙路冗余?！笆掷帧苯Y(jié)構(gòu)與電力配網(wǎng)輸電線路結(jié)構(gòu)類似，包括PON線路保護(hù)，上層路由保護(hù)，接入層保護(hù)。上層路由保護(hù)可由BFD（雙向轉(zhuǎn)發(fā)檢測）機(jī)制完成，PON線路跨網(wǎng)元保護(hù)只是其中一個(gè)環(huán)節(jié)。

圖3 電力EPON標(biāo)準(zhǔn)中定義的手拉手保護(hù)圖

電力系統(tǒng)中ONU下掛電力監(jiān)測終端，主站或子站通過路由器連接兩個(gè)OLT，要求PON系統(tǒng)保證主站或子站和監(jiān)測終端之間鏈路暢通，在OLT/光纖中斷的情況能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)鏈路保護(hù)，不影響業(yè)務(wù)的持續(xù)。雙PON口ONU，分別連接兩臺(tái)OLT。ONU接入業(yè)務(wù)在OLT上實(shí)現(xiàn)匯聚，兩臺(tái)OLT分別通過各自上聯(lián)口連接至業(yè)務(wù)主站，兩臺(tái)OLT部署相同業(yè)務(wù)的上聯(lián)口之間為主備關(guān)系。當(dāng)鏈路中斷時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)完成在不同OLT上聯(lián)口之間的切換。

這種組網(wǎng)結(jié)構(gòu)中主備用OLT均處于工作狀態(tài)，主用OLT業(yè)務(wù)信息能夠同步到備用OLT。保護(hù)倒換過程中ONU業(yè)務(wù)屬性不變；ONU主備用PON端口均處于工作狀態(tài)，ONU同時(shí)在兩個(gè)PON口上完成注冊發(fā)現(xiàn)。PON口保護(hù)倒換過程中備用PON不進(jìn)行ONU的初始化配置和業(yè)務(wù)屬性配置。ONU檢測鏈路狀態(tài)，并根據(jù)鏈路狀態(tài)決定是否倒換，ONU自動(dòng)切換到備用OLT并進(jìn)行擴(kuò)展OAM事件通告，倒換過程中ONU能維持本地業(yè)務(wù)屬性不變。為實(shí)現(xiàn)快速切換，ONU在PON保護(hù)切換后，應(yīng)在當(dāng)前工作PON口主動(dòng)發(fā)起請求包到上聯(lián)的服務(wù)器或者業(yè)務(wù)路由器。

當(dāng)OLT上聯(lián)口檢測到物理狀態(tài)異常或者檢測到遠(yuǎn)端路由失敗時(shí)，主動(dòng)閉塞該上聯(lián)口或者上行業(yè)務(wù)對應(yīng)的ONU連接的OLT PON口。此時(shí)ONU側(cè)可以檢測到本地PON口告警，由ONU實(shí)現(xiàn)將原工作PON口運(yùn)行的業(yè)務(wù)切換到另外一個(gè)PON口運(yùn)行，從而達(dá)到保護(hù)切換。由上述可知這種冗余保護(hù)基于OLT檢測上聯(lián)口和路由狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)的。

工程應(yīng)用中OLT檢測上聯(lián)口和路由的方案，可通過端口物理狀態(tài)檢測和上聯(lián)路由檢測實(shí)現(xiàn)，前者適用于直連業(yè)務(wù)服務(wù)器，后者適用跨設(shè)備連接。同時(shí)為避免手拉手的兩臺(tái)OLT同時(shí)掛接在同一臺(tái)交換機(jī)或者路由器上導(dǎo)致的業(yè)務(wù)環(huán)路，需要在交換機(jī)上對連接兩臺(tái)OLT設(shè)備的端口做端口隔離處理。

6 結(jié)束語

當(dāng)前用戶業(yè)務(wù)感知和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量日益敏感和重要，這一趨勢由于PON網(wǎng)絡(luò)提供和承載的業(yè)務(wù)的高帶寬、高并發(fā)的特性而顯得更加明顯。PON網(wǎng)絡(luò)的冗余保護(hù)應(yīng)在全鏈路/全網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)時(shí)就加以考慮，網(wǎng)絡(luò)保護(hù)應(yīng)是全網(wǎng)的概念，需要網(wǎng)絡(luò)各個(gè)部分的參與和有機(jī)對接：上聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的冗余保護(hù)實(shí)現(xiàn)對特定業(yè)務(wù)的均衡和保護(hù)，ODN的冗余保護(hù)實(shí)現(xiàn)對特定ONU/用戶的保護(hù)，通過端到端全程的冗余保護(hù)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)安全性的提升。

任何冗余保護(hù)都以占用有限的網(wǎng)絡(luò)/PON口資源為代價(jià)，PON線路保護(hù)并不追求提供不中斷業(yè)務(wù)的可靠性，而是盡量縮短故障的搶修時(shí)間，提升客戶滿意度。例如在沒有保護(hù)的情況下，線路故障至少需要幾個(gè)小時(shí)才能定位并恢復(fù)業(yè)務(wù)，若有保護(hù)功能，自動(dòng)恢復(fù)業(yè)務(wù)則僅需幾分鐘就可以實(shí)現(xiàn)。同樣PON線路保護(hù)功能也完全可以應(yīng)用于PON口業(yè)務(wù)割接，顯著提升效率和降低風(fēng)險(xiǎn)。

總之，合理的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)在成本和性能之間尋找平衡，過于追求性能，將導(dǎo)致成本的無限增加和資源的無效占用；過于強(qiáng)調(diào)成本，對性能的忽視則會(huì)導(dǎo)致業(yè)務(wù)體驗(yàn)和網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定的下降。因此平衡的網(wǎng)絡(luò)是對有限資源的高效使用，保證在合理成本下提升性能和體驗(yàn)。

[1] YD/T 1475-2006. 接入網(wǎng)技術(shù)要求—基于以太網(wǎng)方式的無源光網(wǎng)絡(luò)(EPON)[S].

[2] YD/T1949-2009. 接入網(wǎng)技術(shù)要求—吉比特的無源光網(wǎng)絡(luò)(GPON)[S].

[3] Q／GDW 553.1-2010, 基于以太網(wǎng)方式的無源光網(wǎng)絡(luò)(EPON)系統(tǒng) 第1部分：技術(shù)條件[S].