（成都師范學(xué)院 網(wǎng)絡(luò)與信息中心，四川 成都 611130）

智慧校園體系構(gòu)架中包含感知層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層等層次結(jié)構(gòu)[1].業(yè)內(nèi)專家的基本共識是其中的網(wǎng)絡(luò)層必須以高速網(wǎng)絡(luò)為支撐，能實現(xiàn)隨時隨地的高速接入、及時可靠的傳輸各種數(shù)據(jù)[2].這要求其應(yīng)具備完善的數(shù)據(jù)傳輸保護(hù)與恢復(fù)機(jī)制，同時還應(yīng)滿足學(xué)校一些實際應(yīng)用場景的需求，比如應(yīng)支持虛擬專用網(wǎng)的能力等.

無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）“可以靈活地以樹形、環(huán)形或混合型等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組網(wǎng)，具有帶寬高、傳輸距離遠(yuǎn)、與以太網(wǎng)有很好的兼容性，支持平滑演進(jìn)等特點，能快速部署千兆業(yè)務(wù).光配線網(wǎng)沒有有源器件，建網(wǎng)及運(yùn)維成本低，能簡化校園網(wǎng)絡(luò)建設(shè)工程”[3]，是能滿足智慧校園網(wǎng)絡(luò)層需求且適應(yīng)未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的一種技術(shù).PON 的數(shù)據(jù)傳輸經(jīng)常采用時分復(fù)用（TDM）機(jī)制，為了改善可靠性，其中包括自動保護(hù)倒換（APS）的光層保護(hù)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(hù)方案①中華人民共和國通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“接入網(wǎng)技術(shù)要求—吉比特的無源光網(wǎng)絡(luò)（GPON）第1 部分：總體要求”.，主要是加倍光纖和ONU/OLT 設(shè)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(hù)方案具有集中性，依賴OLT 檢測及恢復(fù)配線光纖斷或ONU 設(shè)備故障.在OLT 這種集中處理是漫長、復(fù)雜的過程，且每個ONU 需要作很多改變.

為了支持虛擬專網(wǎng)能力，有人提出了基于環(huán)的PON 結(jié)構(gòu)[4-6].由此帶來的問題是對環(huán)內(nèi)的節(jié)點和鏈路故障的影響巨大，故設(shè)計一個可自愈、基于環(huán)的PON 結(jié)構(gòu)是非常重要的.該結(jié)構(gòu)主要針對現(xiàn)在基于樹狀PON 的某些限制，包括支持專網(wǎng)能力和提供一個全分布、成本有效的APS 方案，此方案能保護(hù)節(jié)點（ONU）和配線/主干饋線光纖的故障，且能恢復(fù)所有的網(wǎng)絡(luò)流量，包括上行、下行和LAN數(shù)據(jù).此外，APS 方案也能保護(hù)包括配線/主干饋線光纖斷和節(jié)點故障的同時發(fā)生雙重故障的組合.簡單自愈環(huán)的PON 結(jié)構(gòu)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(xiàn)一個全分布式的故障檢測和恢復(fù)機(jī)制.

1 基于環(huán)的TDM-PON 結(jié)構(gòu)研究

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

圖1 簡單自愈環(huán)的TDM-PON 結(jié)構(gòu)

1.1 正常狀態(tài)工作

僅看圖1 中的實線，一個OLT 經(jīng)10～20 km 主干饋線光纖連到N 個ONU，一個3 口光環(huán)形器和一個短的配線光纖環(huán).為了覆蓋與傳統(tǒng)基于樹狀結(jié)構(gòu)覆蓋相同的本地接入域，在干線端點的小環(huán)假設(shè)具有1～2 km 直徑.一組ONU 通過閉環(huán)內(nèi)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(xì)的ONU 結(jié)構(gòu).每個ONU 用一個n:（1-n）的1×2 無源星形耦合器來連到環(huán)（A 點輸入信號），發(fā)送數(shù)據(jù)經(jīng)2×1 CWDM 組合器輸出口進(jìn)環(huán)（E 點輸出信號）.注意的是在每個ONU，除維持傳統(tǒng)的收發(fā)器外（一個λup 上行發(fā)送器和一個λd 下行接收器），這種方式還需要一個調(diào)諧到λup 額外的接收器.有關(guān)正常狀態(tài)的工作細(xì)節(jié)，參考文獻(xiàn)[4].

圖2 ONU 的結(jié)構(gòu)

1.2 保護(hù)狀態(tài)工作

APS 模塊是自愈機(jī)制的基本構(gòu)建塊，它執(zhí)行故障檢測和自動倒換處理，APS 模塊連到工作和保護(hù)的輸入（I 點）及工作和保護(hù)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(jīng)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(jīng)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(jīng)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(jié)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(fù)機(jī)制：（1）連接第一個ONU（ONU1）和環(huán)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(huán)行器的配線光纖段，這個鏈路稱為最后鏈路.在這里，一般節(jié)點定義為環(huán)上的任一節(jié)點.所有沿環(huán)分布的節(jié)點除最后一個ONU 外都是一般節(jié)點，它們僅需要不同的發(fā)現(xiàn)機(jī)制.主干連接處的全部鏈路和節(jié)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(jié)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(jīng)受影響ONU 的OS 口1-5，從輸入工作光纖倒換至保護(hù)光纖.在一般節(jié)點故障情況中，輸入信號完全旁路故障節(jié)點并傳送到下一個節(jié)點.這通過經(jīng)口2-6-7-4，將輸入信號直接交換到故障節(jié)點的輸出保護(hù)光纖來實現(xiàn).

2 自愈環(huán)TDM-PON 故障檢測及恢復(fù)的實現(xiàn)

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(zhí)行仲裁處理.假設(shè)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(yīng)動態(tài)上行流量的狀態(tài).在一給定周期的期間，每個ONU 發(fā)送它的控制（REPORT）消息（在它的分配時隙中），沿環(huán)從一個節(jié)點到下一個節(jié)點，在沿環(huán)一周后，最后由源ONU 將其去除.由于REPORT 消息在每個節(jié)點處理和再發(fā)送，ONU 彼此能直接通信它們的狀態(tài)，交換信令和控制消息信息.

在正常工作狀態(tài)下，REPORT 消息典型地包含根據(jù)當(dāng)前ONU 的緩存占用率，要求下一個時隙的尺寸.在節(jié)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(fù)處理的遠(yuǎn)端節(jié)點特定的指令.

由于上行信號總是出現(xiàn)在環(huán)和主干上（周期的控制消息總是傳輸，與是否存在LAN/WAN數(shù)據(jù)無關(guān)），一般的故障檢測情況（一般配線鏈路和節(jié)點故障）將主要僅檢測上行信號的有無.于是，全部ONU 連續(xù)地監(jiān)視輸入和輸出光纖中上行信號的狀態(tài).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(shè)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(jīng)處理后，由ONUN再生和再發(fā)送），一個節(jié)點（ONUN）故障確定.所以一個節(jié)點故障由同一節(jié)點經(jīng)連到該節(jié)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(huán)上節(jié)點（ONUN+1）.除最后一個節(jié)點需要不同的機(jī)制外，環(huán)上每個節(jié)點的檢測和恢復(fù)機(jī)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(jī)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(jiān)視下行和上行信號.于是，僅ONU1需要監(jiān)視下行和上行信號.

表1 ONU1 故障檢測

恢復(fù)處理經(jīng)三個共同運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的參與來實現(xiàn)，包括受影響節(jié)點（ONUN），OLT 和或者ONUN-1（一個鏈路故障情況）或者ONUN+1（一個節(jié)點故障情況）.

2.1 一般鏈路的恢復(fù)

成功完成一給定的一般鏈路恢復(fù)處理包含如下步驟：

（1）一旦受影響節(jié)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(yù)定的暫停時間；

（2）然后，ONUN同時執(zhí)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(hù)光纖；iii）用一故障指示告警消息泛洪網(wǎng)絡(luò)（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(hù)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(wǎng)絡(luò)，等待它的故障幀經(jīng)ONUN-1的輸出保護(hù)光纖返回到它；

（4）環(huán)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(shè)ONUN-1己經(jīng)倒換到輸出保護(hù)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(fā)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(fù)處理己經(jīng)完成；然后，所有的ONU 順序地發(fā)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(quán)及重新開始正常工作.

2.2 一般節(jié)點的恢復(fù)

一給定的一般節(jié)點故障的恢復(fù)處理包含如下步驟：

（1）一旦連到一給定節(jié)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(jīng)口2-6-7-4 交換到輸出保護(hù)光纖.由于故障，ONUN不能發(fā)送任何數(shù)據(jù)到它相鄰的節(jié)點（ONUN+1）或廣播故障指示告警消息.

（2）當(dāng)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(fù)處理（上面3.1 列出的7 個步驟）.

（4）再后，ONUN+1開始同時執(zhí)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(hù)光纖；iii）用一故障指示告警消息泛洪網(wǎng)絡(luò)（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(hù)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(wǎng)絡(luò)，等待它的故障幀經(jīng)ONUN的輸出保護(hù)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(hù)光纖），即ONUN的APS 模塊間接地實現(xiàn)消息.

（7）一旦ONUN+1倒換到輸入保護(hù)光纖，ONUN倒換到輸出保護(hù)光纖（即ONUN被旁路），ONUN+1接收到返回它的故障消息（假設(shè)現(xiàn)在ONUN+1的故障已恢復(fù)）.

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

值得注意的是OLT 在一般鏈路和節(jié)點故障的檢測和恢復(fù)處理中所承擔(dān)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(jié)點的恢復(fù)

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(fù)機(jī)制幾乎是相同的，在每種情況需要連接的三個節(jié)點（OLT，ONU1，ONUN）共同參與，所有涉及的每一方必須倒換到保護(hù)光纖.要注意的是除OLT 現(xiàn)在的角色已擴(kuò)展到包含除倒換它的傳輸?shù)街鞲杀Ｗo(hù)光纖外，一個一般鏈路故障恢復(fù)的七個步驟也應(yīng)用于每種情況.這意味著現(xiàn)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?shù)街鞲杀Ｗo(hù)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(jī)制指令OLT 停止下行傳輸和倒換它的傳輸?shù)奖Ｗo(hù)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(dú)立地檢測無上行信號，自動停止下行傳輸和倒換它的傳輸?shù)街鞲杀Ｗo(hù)光纖.于是，OLT 必須依賴ONU1的請求倒換它的傳輸?shù)街鞲杀Ｗo(hù)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(zhí)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(hù)光纖；iii）用一故障指示告警消息泛洪網(wǎng)絡(luò)，它包括到ONUN（倒換它的傳輸從輸出工作光纖到輸出保護(hù)光纖）和OLT（停止下行傳輸和倒換它的傳輸?shù)街鞲杀Ｗo(hù)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(hù)光纖，與OLT 的上行和下行信號通道恢復(fù).對其它兩個特殊鏈路（主干和最后鏈路）故障的每個恢復(fù)處理，除步驟（2）iii）ONU1單獨(dú)發(fā)送請求到ONUN外，與第一鏈路故障相同.目前還缺少到OLT 擴(kuò)展指令的實現(xiàn)，應(yīng)是由OLT 自動地完成.

最后一個ONU（ONUN）故障：

這個節(jié)點的恢復(fù)處理等同一個特殊鏈路故障.這是因為，如一個一般節(jié)點故障情況，ONUN故障由ONU1參與恢復(fù)處理的管理.當(dāng)ONUN故障時，ONU1檢測出無上行信號及有下行信號，于是設(shè)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(wǎng)絡(luò)，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(hù)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?shù)奖Ｗo(hù)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(xiàn)該消息.這是因為當(dāng)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(hù)光纖.

3 結(jié)語

針對當(dāng)前基于樹狀的PON 結(jié)構(gòu)的某些限制和不足，如受限的光功率預(yù)算，支持專用虛擬網(wǎng)能力、網(wǎng)絡(luò)保護(hù)能力不足等，借鑒已大量在MAN/WAN 應(yīng)用的SDH、OTN 等光環(huán)網(wǎng)的組網(wǎng)優(yōu)勢，提出了改善傳統(tǒng)PON 性能的創(chuàng)新思路——基于環(huán)的TDM-PON.然而，由于是環(huán)結(jié)構(gòu)，環(huán)內(nèi)的節(jié)點和鏈路故障的影響是巨大的，設(shè)計一個可自愈的基于環(huán)的PON 結(jié)構(gòu)是非常重要的，也是實際為智慧校園網(wǎng)絡(luò)建設(shè)所用的關(guān)鍵.

為此，設(shè)計了一個簡單自愈環(huán)的TDM-PON結(jié)構(gòu)，其主要思路是在環(huán)中ONU 之間構(gòu)建一個全分布式的控制結(jié)構(gòu).該結(jié)構(gòu)既用于控制ONU之間的通信，也用于實現(xiàn)一個全分布式的故障檢測和恢復(fù)機(jī)制.在該方案中，ONU 交換信令和控制信息，包括節(jié)點和配線/主干饋線光纖的狀態(tài)，它們的隊列狀態(tài)和傳輸要求.提出的APS 方案能保護(hù)節(jié)點（ONU）和配線/主干饋線光纖的故障，能恢復(fù)所有的網(wǎng)絡(luò)流量，包括上行、下行和LAN 數(shù)據(jù).恢復(fù)時間遠(yuǎn)小于當(dāng)前的集中式PON 的恢復(fù)時間，為當(dāng)前PON 不理想的保護(hù)方案提供了新的解決思路，將有可能成為智慧校園網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)路線的候選方案.