基于FTTH的以太无源光网络的保护技术

胡积宝

随着网络业务量的不断提高，光接入网的带宽成为制约网络发展的重要因素。EPON（以太无源光网络）凭借下行点对多点，上行多点对点的拓扑结构解决了光接入网带宽问题［1］。由于EPON接入网承载数百用户的高速率汇聚数据，单个网络元件的故障就会引起一系列的问题。因此，提高EPON的生存能力是确保光接入网数据正常传输的必然要求。网络生存机制包括保护和恢复两项技术，骨干网的生存性技术已得到长足发展，但接入网的生存性技术尚未引起人们广泛关注［2］。

本文首先对基于FTTH的以太无源光网络技术进行介绍，然后对PON的四种保护机制进行研究，最后提出一种新的保护技术，这种技术无需增加冗余设备即可提高接入网的故障保护性能。

1 基于FTTH的以太无源光网络

FTTH（光纤到户）是一项数据传输技术，它直接将光纤引到家庭，FTTH是光纤通信技术发展到一定程度时的产物。这种技术能够带来极大的数据传输带宽，同时增强了数据格式、传输波长和网络协议的透明性。PON（无源光网络）技术采用的是一种点到多点的光网络拓扑，主要由光线路终端、光网络终端和光分配网等无源器件构成，其中不包含任何有源器件。PON与不同的技术相结合形成了APON、GPON和EPON等三项技术标准。其中EPON是最具代表性的商用技术。

基于FTTH的EPON网络由光纤连接服务中心和无源耦合器组成。为了节约使用光纤，无源耦合器一般放置在离用户驻地不超过1km的地方。每个用户都有一个专用的较短光纤来同时共享长约19km的长距离骨干光纤［3］。

图1 FTTH EPON的组成结构

如图1所示，FTTH EPON中所有的传输都在OLT（光线路终端）和ONU（光网络单元）之间进行。从OLT到ONU的下行传输是点对多点的，上行方向的传输则是多点对点，OLT设置在中心局。

在下行方向，EPON是以广播的方式来发送选路的。OLT用整个广播信道的带宽来发送802.3以太帧给各个ONU。每个ONU提取包含各自唯一的MAC地址的数据包。在上行方向，多个ONU共享传输信道。这样，每个ONU在专用的时隙中进行传输，OLT则从多个ONU收到无冲突的持续数据帧［4］。

为了协调上行传输，OLT通过GATE帧为每个ONU分配一个适当的时隙／传输窗口（TW）。每个ONU只允许在分配时隙内进行传输。ONU用一个缓冲区来存储以太帧，当TW到来时，所存储的以太帧开始传输。传输数据中包含REPORT消息，ONU在每个传输周期内通过REPORT消息告知OLT在TW内的带宽需求。两个ONU的传输时隙之间需设置引导时间，如激光器打开和关闭的时间、接受恢复时间、环路延迟时间等。一旦上行收到一个REPORT帧，OLT就会通过动态带宽分配（DBA）方式来计算带宽分配。

2 PON的四种保护机制

由于多个ONU共享一个OLT，一旦两者之间的光纤发生故障，就会对PON产生影响。ITU－T G.983.1对PON的保护提出了以下四种体系结构［5，6］。图2显示了PON四种保护类型的恢复区域。

图2 PON的四种保护类型的恢复区域

2.1 保护类型a

保护类型a仅仅备份OLT到1：N分路器之间的干路光纤。PON接口若检测到干路故障，传输路径切换到备用空闲的光纤上，在切换过程中，信号或帧的丢失是不可避免的［7］。OLT和ONU之间所有相连接的ONU必须同步。

2.2 保护类型b

保护类型b备份了OLT的PON接口和干路光纤。这种类型能应对PON接口的故障和干路光纤的中断，分路器在OLT侧有输入输出两个端口，能够减少ONU侧的重复铺设成本，但系统空闲的PON模块是需要冷备份的［8］。

2.3 保护类型c

保护类型c备份光分配网络ODN到PON接口的每个部分，任意一点出现故障都可以通过切换备份单元完成故障恢复。备份的器件和线路在OLT侧和ONU侧均处于热备份状态，但是这种结构的成本需要很高的成本［9］。

2.4 保护类型d

ONU的室内布线备份与否取决于用户的不同需求，有些ONU也许需要备份结构，保护类型d即是对ONU侧的局部备份。

3 新的保护类型

3.1 新保护类型的提出

ITU－T G.983.1提出的四种保护机制中，类型c相比其他三种方案具有更高的可靠性和灵活性。它提供了1＋1的保护模式并能恢复PON中任意一点发生的故障。但保护类型c需要过多的网络冗余设备，造成网络运营成本增高［10］。因此，FTTH EPON的保护机制既要具备类型c的优势，又不能是以提高网络运营成本为代价。

本文现提出一种新的保护类型，具体结构如图3所示，这种保护类型中没有冷备份设备，而是通过重新编排时隙来提供保护。这种新的保护类型中，工作正常OLT中的ONU的一半有效时隙分配给故障时OLT中的ONU，且故障时间内FTTH网络共享可用带宽。保护接口单元存储ONU的PON ID信息和距离范围之类的接口信息，并控制设置在中心局的保护光开关。

图3 新提出的保护类型结构

EPON网络中一旦检测到信号丢失，保护控制单元将确定故障OLT和负荷最小的OLT。GATE帧形成的较大的保护频带被分配给重新选定的OLT的ONU，从而容纳来自故障OLT的ONU的时隙。故障OLT下的ONU要与选定的OLT的ONU保护频带保持同步，这样信号就从故障OLT下的ONU切换到了所选的正常工作的OLT网络中。图4说明了保护类型的流程，该流程包括故障检测、同步及转换。

图4 故障EPON的数据倒换流程图

对于每个故障的OLT，只有两条服务链路下的64个ONU用户会面临时隙的重新编排。这确保了1号用户线拥有的最小带宽只有实际信道容量的一半。除此之外，如果3号OLT服务4用户线，下游就不能进行传播，因为下游总数据将会超过1号用户线信道容量的最大值，需要在下游进行包交换。

3.2 新保护类型的仿真

本文提出的这种保护方案是在有4个仅为32个ONU提供服务的OLT的环境下模拟的，假设所有的OLT有85%的带宽利用率。图5显示了当OLT逐个出现故障时EPON接入网的信道利用情况。表明为容纳故障OLT的开窗流量，信道的利用率会出现增长。当所有OLT都出现故障而没有正常工作OLT来提供服务时，信道的利用率将降为0。

图5 OLT发生故障时的带宽利用率情况

图6是OLT逐个失效时EPON接入网的带宽数值变化情况。当一个OLT故障，会有一个正常工作的OLT对其起支撑作用，将带宽平均分配到下面的两条链路中去，而不参加保护的OLT仍为其ONU提供1Gbps的带宽。这说明只要有一个OLT还正常工作，该保护体系结构都可以确保FTTH接入网络的正常通信。

图6 OLT发生故障时的带宽数值变化情况

3.3 仿真结果分析

本文所提出的新算法是通过重新编排时隙的方式来完成的，故障发生后的数据实时切换到正常工作的OLT的ONU，确保了数据传输的平滑切换。仿真结果表明，新编排的时隙完成了故障OLT的数据传输任务转交。图5、图6的带宽利用率和带宽大小变化情况说明，本文提出的新的保护类型是可行的，正常工作的OLT既能完成自身的数据传输任务，又能在接收到故障OLT的数据后完成转交的数据传输任务。与ITU－T G.983.1提出的四种保护类型相比，新提出的类型避免了切换光纤带来的数据帧丢失，同时不需要设备冷备份，有效控制了保护技术的运营成本。

4 小结

本文提出了一种新的EPON FTTH保护类型，当1个以上的OLT发生故障时，这种网络保护类型能有效确保FTTH EPON的生存性，而且避免了冗余设备的成本浪费。这种保护类型对接入网保护技术有一定的理论价值，同时对网络运营商实践操作有一定的工程价值。由于这种保护类型是基于小型接入网（本文仅为4个OLT），对于超过一定规模的接入网，其生存性机制就需要研究时隙分配之外的其他因素。

［1］Yu-mi Kim，Jung Yul Choi.Cost Effective Protection Architecture to Provide Diverse Protection Demands in Ethernet Passive Optical Network.Proceedings of ICCT，2003：721－724.

［2］陈晓峰，黄友埂，邹卫新.FTTH中ODN光通道预算控制策略研究［J］.光通信研究，2013（2）：29－31.

［3］马东超，鲍蕾蕾，陈 雪，等.一种应用于PON接入网的应用层组播优化方案［J］.计算机应用与软件，2012（9）：133－138.

［4］张坚平，陈 怡，张届新.面向FTTH 的应用通道关键技术及组网研究［J］.电信科学，2012（11）：126－131.

［5］ITU－T recommendation G.983.1，Broadband optical access systems based on passive optical networks PON）：1998.

［6］张 文，吴 娟.EPON体系结构及应用分析［J］.光通信技术，2006，30（10）：18－19.

［7］张继东，陶智勇.EPON的发展现状与关键技术［J］.光通信研究，2002，（1）：26－30.

［8］陈光武，杨菊花，范多旺.EPON 的性能分析及优化［J］.光电工程，2007，（7）：116－120.

［9］张中荃.接入网技术［M］.北京：人民邮电出版社，2003.

［10］赵飞，张文隽.FTTH语音业务接入IMS的技术研究［J］.电信科学，2011（9）：15－20.