一种智慧校园应用场景下的可自愈TDM-PON 结构

（成都师范学院 网络与信息中心，四川 成都 611130）

智慧校园体系构架中包含感知层、网络层、数据层等层次结构[1].业内专家的基本共识是其中的网络层必须以高速网络为支撑，能实现随时随地的高速接入、及时可靠的传输各种数据[2].这要求其应具备完善的数据传输保护与恢复机制，同时还应满足学校一些实际应用场景的需求，比如应支持虚拟专用网的能力等.

无源光网络（PON）“可以灵活地以树形、环形或混合型等拓扑结构组网，具有带宽高、传输距离远、与以太网有很好的兼容性，支持平滑演进等特点，能快速部署千兆业务.光配线网没有有源器件，建网及运维成本低，能简化校园网络建设工程”[3]，是能满足智慧校园网络层需求且适应未来网络发展的一种技术.PON 的数据传输经常采用时分复用（TDM）机制，为了改善可靠性，其中包括自动保护倒换（APS）的光层保护方案是用于处理光纤和ONU 的故障的.ITU-T G.984.1 建议了TDM-PON 可能的保护方案①中华人民共和国通信行业标准“接入网技术要求—吉比特的无源光网络（GPON）第1 部分：总体要求”.，主要是加倍光纤和ONU/OLT 设备.由于要求很多的冗余器件和连到每个ONU 的备份光纤，这些方案都不是成本最佳的.主流的PON 保护方案具有集中性，依赖OLT 检测及恢复配线光纤断或ONU 设备故障.在OLT 这种集中处理是漫长、复杂的过程，且每个ONU 需要作很多改变.

为了支持虚拟专网能力，有人提出了基于环的PON 结构[4-6].由此带来的问题是对环内的节点和链路故障的影响巨大，故设计一个可自愈、基于环的PON 结构是非常重要的.该结构主要针对现在基于树状PON 的某些限制，包括支持专网能力和提供一个全分布、成本有效的APS 方案，此方案能保护节点（ONU）和配线/主干馈线光纤的故障，且能恢复所有的网络流量，包括上行、下行和LAN数据.此外，APS 方案也能保护包括配线/主干馈线光纤断和节点故障的同时发生双重故障的组合.简单自愈环的PON 结构的主要特色是在ONU 间支持一个全分布式的控制平面，一方面用于控制ONU 间的通信，另一方面利用控制平面可实现一个全分布式的故障检测和恢复机制.

1 基于环的TDM-PON 结构研究

图1 描述了简单自愈环的TDM-PON 结构，其中实线表示正常状态的结构，而虚线表示冗余的保护器件.保护结构除如下描述之外与正常状态的结构完全相同：（1）一个冗余的短配线光纤环和一个主干光纤；（2）OLT 处一个冗余的收发器对；（3）一个连到每个ONU 的APS 模块.

图1 简单自愈环的TDM-PON 结构

1.1 正常状态工作

仅看图1 中的实线，一个OLT 经10～20 km 主干馈线光纤连到N 个ONU，一个3 口光环形器和一个短的配线光纤环.为了覆盖与传统基于树状结构覆盖相同的本地接入域，在干线端点的小环假设具有1～2 km 直径.一组ONU 通过闭环内的点到点链路来连接，且链路是单向的：下行和上行信号（组合信号）仅在一个方向传输.

图2 表示了一个详细的ONU 结构.每个ONU 用一个n:（1-n）的1×2 无源星形耦合器来连到环（A 点输入信号），发送数据经2×1 CWDM 组合器输出口进环（E 点输出信号）.注意的是在每个ONU，除维持传统的收发器外（一个λup 上行发送器和一个λd 下行接收器），这种方式还需要一个调谐到λup 额外的接收器.有关正常状态的工作细节，参考文献[4].

图2 ONU 的结构

1.2 保护状态工作

APS 模块是自愈机制的基本构建块，它执行故障检测和自动倒换处理，APS 模块连到工作和保护的输入（I 点）及工作和保护的输出（O点）光纤，如图2 所示.每个APS 模块安装一个商用低成本4×4 双向光交换（OS），它能从任一个输入口交换到任一个输出口.它也包括两个检测电路，每个电路由一个1×2 CWDM 滤波器，两个PIN 检测器和一个配置OS 的控制电路组成.第一个检测电路用于检测经分接很少部分（约1%）输入组合信号的输入上行和下行信号，第二个检测电路用于检测经分接很少部分（约1%）输出组合信号的输出上行和下行信号.从图1 可以看到，在正常工作模式中，组合信号（下行和上行信号）分别经口2-5，8-3 在输入和输出工作光纤（working fibers）上传送.

通常我们将故障情况分为三类，即主干链路故障、一般配线链路故障和一般节点（ONU）故障.在这里，一般配线链路定义为连接两个相邻ONU 的配线光纤段.所有连接相邻ONU 链路除如下两种情况外是一般配线链路，它们需要不同的检测和恢复机制：（1）连接第一个ONU（ONU1）和环行器的配线光纤段，这个链路称为第一链路；（2）连接最后一个ONU（ONUN）和环行器的配线光纤段，这个链路称为最后链路.在这里，一般节点定义为环上的任一节点.所有沿环分布的节点除最后一个ONU 外都是一般节点，它们仅需要不同的发现机制.主干连接处的全部链路和节点包括主干、第一和最后链路、第一个和最后一个ONU.

在一般链路的故障情况中，受影响节点的第一个控制电路（ONU 的检测和管理故障）配置OS，以至于输入信号经受影响ONU 的OS 口1-5，从输入工作光纤倒换至保护光纤.在一般节点故障情况中，输入信号完全旁路故障节点并传送到下一个节点.这通过经口2-6-7-4，将输入信号直接交换到故障节点的输出保护光纤来实现.

2 自愈环TDM-PON 故障检测及恢复的实现

我们以EPON 为例来说明.所提的分布式方案利用一个TDMA 仲裁方式和OLT 执行仲裁处理.假设是一个基于周期的上行链路，周期的大小或者固定，或者限制在某些下和上边界间的可变长度，以适应动态上行流量的状态.在一给定周期的期间，每个ONU 发送它的控制（REPORT）消息（在它的分配时隙中），沿环从一个节点到下一个节点，在沿环一周后，最后由源ONU 将其去除.由于REPORT 消息在每个节点处理和再发送，ONU 彼此能直接通信它们的状态，交换信令和控制消息信息.

在正常工作状态下，REPORT 消息典型地包含根据当前ONU 的缓存占用率，要求下一个时隙的尺寸.在节点或者链路故障的事件中，REPORT 消息典型地包含到OLT 和涉及恢复处理的远端节点特定的指令.

由于上行信号总是出现在环和主干上（周期的控制消息总是传输，与是否存在LAN/WAN数据无关），一般的故障检测情况（一般配线链路和节点故障）将主要仅检测上行信号的有无.于是，全部ONU 连续地监视输入和输出光纤中上行信号的状态.如果给定一个ONUN的第一个控制电路检测出在输入工作光纤上无上行信号，一个一般配线链路假设是互连ONUN-1和ONUN的故障.另一方面，如果给定一个ONUN的第一个控制电路检测出在输入工作光纤上有上行信号，而第二个控制电路检测出在它的输出工作光纤上无相同的信号（经处理后，由ONUN再生和再发送），一个节点（ONUN）故障确定.所以一个节点故障由同一节点经连到该节点的APS 模块上安装的两个控制电路检出.然而，管理故障委托给下一个环上节点（ONUN+1）.除最后一个节点需要不同的机制外，环上每个节点的检测和恢复机制是相同的.另一方面，连接OLT，ONU1和ONUN的三种特殊链路（干线光纤链路、第一和最后配线光纤链路）需要各自不同的故障检测机制.如表1 所示，第一个ONU检测和管理全部三类故障情况，每一类需要监视下行和上行信号.于是，仅ONU1需要监视下行和上行信号.

表1 ONU1 故障检测

恢复处理经三个共同运行网络节点的参与来实现，包括受影响节点（ONUN），OLT 和或者ONUN-1（一个链路故障情况）或者ONUN+1（一个节点故障情况）.

2.1 一般链路的恢复

成功完成一给定的一般链路恢复处理包含如下步骤：

（1）一旦受影响节点（例如ONUN）检测一给定的光纤断，为避免假的故障检测，它等待一预定的暂停时间；

（2）然后，ONUN同时执行如下三个功能：i）停止上行（LAN/MAN）流量的传输；ii）倒换到输入保护光纤；iii）用一故障指示告警消息泛洪网络（floods network），它包括到ONUN-1（倒换它的传输从输出工作光纤到输出保护光纤）和OLT（停止下行传输）两者特定的指令；

（3）ONUN保持用一故障指示告警消息泛洪网络，等待它的故障帧经ONUN-1的输出保护光纤返回到它；

（4）环上的每个ONU 接收故障消息后，停止所有上行流量传输，类似OLT 停止下行流量传输；

（5）一旦ONUN接收到返回它的故障帧（假设ONUN-1己经倒换到输出保护光纤），它开始用第二个请求下行同步帧的消息泛洪OLT；

（6）一旦OLT 接收到从ONUN来的同步请求，它重新开始下行传输；

（7）一旦ONUN接收到OLT 来的同步帧，它通过发送它的正常REPPORT 控制消息到其它所有的ONU 来开始一个新的周期，到此恢复处理己经完成；然后，所有的ONU 顺序地发送它们的REPORT，一旦所有的REPORT 交换后，开始新周期的DBA 计算，能计算新的授权及重新开始正常工作.

2.2 一般节点的恢复

一给定的一般节点故障的恢复处理包含如下步骤：

（1）一旦连到一给定节点（例如ONUN）的APS 模块检测出它的故障，然后它配置OS 到旁路模式，直接地将输入信号经口2-6-7-4 交换到输出保护光纤.由于故障，ONUN不能发送任何数据到它相邻的节点（ONUN+1）或广播故障指示告警消息.

（2）当ONUN的APS 模块开始交换处理时，ONUN+1在它的输入工作光纤上，将检测不到上行信号，并错误确定为它和ONUN间的配线光纤断.

（3）然后，ONUN+1开始一般链路的恢复处理（上面3.1 列出的7 个步骤）.

（4）再后，ONUN+1开始同时执行如下三个功能：i）停止上行流量的传输；ii）倒换到输入保护光纤；iii）用一故障指示告警消息泛洪网络（floods network），它包括到ONUN-1（倒换它的传输从输出工作光纤到输出保护光纤）和OLT（停止下行传输）两者特定的指令.

（5）ONUN+1保持用一故障指示告警消息泛洪网络，等待它的故障帧经ONUN的输出保护光纤返回到它.

（6）ONUN不能接收或处理ONUN+1的请求消息.然而，ONUN的控制电路己再配置OS 成旁路模式（交换到输出保护光纤），即ONUN的APS 模块间接地实现消息.

（7）一旦ONUN+1倒换到输入保护光纤，ONUN倒换到输出保护光纤（即ONUN被旁路），ONUN+1接收到返回它的故障消息（假设现在ONUN+1的故障已恢复）.

（8）ONUN+1继续3.1 列出的步骤5-6-7.现在确认ONUN故障恢复（旁路）.换句话说，当ONUN故障时，ONUN+1从事恢复处理的管理.

值得注意的是OLT 在一般链路和节点故障的检测和恢复处理中所承担的角色只限于：（a）接收和处理故障指示请求帧，以停止下行传输；（b）再开始同步帧.

2.3 特殊链路和节点的恢复

三个特殊链路（主干光纤链路、第一和最后配线光纤链路）中每一个的恢复机制几乎是相同的，在每种情况需要连接的三个节点（OLT，ONU1，ONUN）共同参与，所有涉及的每一方必须倒换到保护光纤.要注意的是除OLT 现在的角色已扩展到包含除倒换它的传输到主干保护光纤外，一个一般链路故障恢复的七个步骤也应用于每种情况.这意味着现在由ONU1泛洪的故障指示告警消息必须包括一个到OLT 附加的指令，倒换它的传输到主干保护光纤.

然而，在第一链路故障情况中，ONU1仅能与OLT 通信，但是在其它两种情况（主干和最后链路故障）中，完全不能与OLT 通信.于是，在后两种情况，必须有另一种机制指令OLT 停止下行传输和倒换它的传输到保护光纤.要注意的是第一链路断不会停止到OLT 的上行信号流，但是在后两种情况的链路断会停止到OLT 的上行信号流.总之，有三种特殊故障情况会停止到OLT 的上行信号流，也就是最后链路故障，主干故障和最后一个ONU 故障.在所有这些情况中，OLT 能独立地检测无上行信号，自动停止下行传输和倒换它的传输到主干保护光纤.于是，OLT 必须依赖ONU1的请求倒换它的传输到主干保护光纤的特殊情况仅是第一链路故障.

第一链路故障：

（1）ONU1APS 模块的控制电路检测出无下行和上行信号，于是识别为第一链路故障（见表1）；

（2）然后，ONU1同时执行如下三个功能：i）停止上行流量的传输；ii）倒换到输入保护光纤；iii）用一故障指示告警消息泛洪网络，它包括到ONUN（倒换它的传输从输出工作光纤到输出保护光纤）和OLT（停止下行传输和倒换它的传输到主干保护光纤）特定的指令.

（3）一旦所有涉及的每一方（OLT，ONU1，ONUN）倒换到保护光纤，与OLT 的上行和下行信号通道恢复.对其它两个特殊链路（主干和最后链路）故障的每个恢复处理，除步骤（2）iii）ONU1单独发送请求到ONUN外，与第一链路故障相同.目前还缺少到OLT 扩展指令的实现，应是由OLT 自动地完成.

最后一个ONU（ONUN）故障：

这个节点的恢复处理等同一个特殊链路故障.这是因为，如一个一般节点故障情况，ONUN故障由ONU1参与恢复处理的管理.当ONUN故障时，ONU1检测出无上行信号及有下行信号，于是设定故障是一个最后链路故障（见表1）.然后，ONU1用一故障指示告警消息泛洪网络，它包括仅到ONUN的特殊指令（倒换它的传输从输出工作光纤到输出保护光纤）.OLT 检测出无上行信号，自动停止下行传输并倒换它的传输到保护光纤.虽然由于本身的故障，ONUN不能接收和处理这个消息，然而如上述，ONUN的APS 模块间接地实现该消息.这是因为当ONUN的APS 模块检测出它的故障，再配置OS 至它的旁路模式，将输入信号直接交换到输出保护光纤.

3 结语

针对当前基于树状的PON 结构的某些限制和不足，如受限的光功率预算，支持专用虚拟网能力、网络保护能力不足等，借鉴已大量在MAN/WAN 应用的SDH、OTN 等光环网的组网优势，提出了改善传统PON 性能的创新思路——基于环的TDM-PON.然而，由于是环结构，环内的节点和链路故障的影响是巨大的，设计一个可自愈的基于环的PON 结构是非常重要的，也是实际为智慧校园网络建设所用的关键.

为此，设计了一个简单自愈环的TDM-PON结构，其主要思路是在环中ONU 之间构建一个全分布式的控制结构.该结构既用于控制ONU之间的通信，也用于实现一个全分布式的故障检测和恢复机制.在该方案中，ONU 交换信令和控制信息，包括节点和配线/主干馈线光纤的状态，它们的队列状态和传输要求.提出的APS 方案能保护节点（ONU）和配线/主干馈线光纤的故障，能恢复所有的网络流量，包括上行、下行和LAN 数据.恢复时间远小于当前的集中式PON 的恢复时间，为当前PON 不理想的保护方案提供了新的解决思路，将有可能成为智慧校园网络层技术路线的候选方案.