文章在分析無源光網(wǎng)絡(luò)及其主干保護系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，為了提高保護倒換的效率，提出了一種無源光網(wǎng)絡(luò)主干保護系統(tǒng)中的提前測距方法。該方法主要通過主用OLT 在主用通道上測距，備用OLT 在備用通道上被動偵聽測距響應(yīng)及其到達時間。通過測距信息、測距響應(yīng)及到達時間便可計算出備用通道的測距結(jié)果。文章還提出了提前測距方法在無源光網(wǎng)絡(luò)主干保護系統(tǒng)的實際應(yīng)用中所涉及的主備OLT 之間的信息交換和時間同步、測距過程發(fā)起、測距結(jié)果更新等具體措施。

　　關(guān)鍵詞：無源光網(wǎng)絡(luò)；主干保護；提前測距

　　1 無源光網(wǎng)絡(luò)及測距技術(shù)

　　無源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常由光線路終端(OLT)、光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)和光分配網(wǎng)絡(luò)(ODN)組成。其中ODN 通常為點到多點結(jié)構(gòu)，主干光纖通過分光器連接多個分支光纖，而一個OLT 則通過ODN 連接多個ONU。即OLT 連接ODN 的主干光纖，ONU 連接ODN的分支光纖，如圖1 所示。

　　無源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在上行方向上（即從ONU 到OLT）采用時分復(fù)用(TDMA) 的接入方式。在實際工程部署過程中，各個ONU 與OLT 之間的光纖長度一般也并非完全相同，各個ONU 發(fā)送的信號到達OLT 所需的時間也有可能不同，因此各個ONU 的上行發(fā)送時間起點存在差別，發(fā)送的信號可能在分光器處發(fā)生碰撞。無源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用測距技術(shù)，通過測量OLT 和ONU 之間的邏輯距離，并根據(jù)邏輯距離來調(diào)整ONU 的上行發(fā)送時間，使得各個ONU 與OLT 的邏輯距離顯得一樣長，而且使上行發(fā)送時間起點一致，從而避免了TDMA 接入時多個上行ONU 信號在分光器處發(fā)生碰撞。

　　無源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的測距基本原理如圖2 所示，OLT 在T 1 時刻向ONU發(fā)送測距請求，ONU 收到測距請求后再經(jīng)過一定的響應(yīng)時間、必要延遲后，則向OLT 發(fā)送測距響應(yīng)，OLT 在T 2 時刻收到ONU 發(fā)送的測距響應(yīng)。T 2 和T 1 之間的時間差包含下行傳輸延遲、ONU 響應(yīng)時間、ONU 必要延遲、上行傳輸延遲，因此通過這些參數(shù)可以計算出OLT 和ONU 之間的測距結(jié)果。

　　在國際電信聯(lián)盟遠程通信標準化組織(ITU-T) GPON/XG-PON1[1] 系統(tǒng)中，測距結(jié)果表現(xiàn)為環(huán)路延遲(RTD)，它由下行傳輸延遲、ONU 響應(yīng)時間、上行傳輸延遲組成，見公式(1)。

　　RTD=T 2 -T 1 -T rd(1)

　　在美國電氣和電子工程師協(xié)會(IEEE) EPON/10GEPON[2] 系統(tǒng)中，測距結(jié)果表現(xiàn)為環(huán)路時間(RTT)，它由下行傳輸延遲和上行傳輸延遲組成，見公式(2)。

　　RTT=T 2 -T 1 -T resp-T rd (2)

　　2 無源光網(wǎng)絡(luò)主干保護技術(shù)

　　為了提高無源光網(wǎng)絡(luò)的生存性和可靠性，ITU-T G.984.1[1]定義了一種Type B 保護方式，即主干保護系統(tǒng)，如圖3 所示。主干保護系統(tǒng)對OLT和分光器之間的主干光纖進行保護，并提供兩條互為冗余的主干光纖及兩個相應(yīng)的OLT：一條主干光纖及相應(yīng)的OLT 處于正常工作狀態(tài)，該OLT稱為主用OLT；另一條主干光纖及相應(yīng)的OLT 處于備用狀態(tài)，該OLT 稱為備用OLT。當主用主干光纖或者主用OLT 出現(xiàn)故障時，無源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)則會進行保護倒換，備用主干光纖及備用OLT 成為主用主干光纖和主用OLT。因主干保護系統(tǒng)的性價比較高，得到運營商的關(guān)注較多，并且實際部署也較多。

　　在主干光纖保護系統(tǒng)中，主用OLT 和ONU 之間的通道稱為主用通道，備用OLT 和ONU 之間的通道稱為備用通道。由于主用通道和備用通道存在距離和特性上的差別，主用OLT 和備用OLT 之間也存在工作特性的差別，因此發(fā)生保護倒換后，一般需要調(diào)整或者重新計算各個ONU的測距結(jié)果。該過程涉及到復(fù)雜的帶寬分配以及沖突解決等問題，所需時間往往較長，較難保證無源光網(wǎng)絡(luò)所承載業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量(QoS)。另一方面，由于主用OLT 和備用OLT 下行采用相同波長，在主用OLT 正常工作的情況下，備用OLT 下行不能發(fā)送信號，因此備用OLT 則無法按照測距的基本原理對各個ONU 動態(tài)實時地進行測距。

　　3 主干保護系統(tǒng)中的提前測距

　　在無源光網(wǎng)絡(luò)主干保護系統(tǒng)中，雖然備用OLT 在下行方向不能發(fā)光，但是在上行方向與主用OLT 同樣采用相同的波長，可以被動接收ONU發(fā)送的光信號，并可以解析出相應(yīng)的消息和數(shù)據(jù)。文章利用該特點，提出了一種對備用通道進行提前測距的方法，通過備用OLT 主動偵聽上行光信號、解析上行消息和數(shù)據(jù)，并與主用OLT 互相配合，計算出備用OLT 和各個ONU 之間備用通道的測距結(jié)果。提前測距的基本原理如圖4 和圖5 所示。下面以ITU-T GPON/XG-PON1 為例描述備用通道的提前測距過程：

　　(1) 在T 1 時刻，主用OLT 向ONU發(fā)送測距請求。

　　(2) ONU 收到測距請求后，經(jīng)過一定的響應(yīng)時間及必要延遲后，在上行方向發(fā)送測距響應(yīng)。

　　(3) 在T 2 時刻，主用OLT 收到ONU 發(fā)送的測距響應(yīng)，并計算出主用通道的測距結(jié)果，見公式(3)。

　　(4) 在T 3 時刻，備用OLT 收到ONU 發(fā)送的測距響應(yīng)。由圖4 和圖5可以看出，上行方向ONU 發(fā)送的測距響應(yīng)到達備用OLT 和主用OLT 之間的時差為T 3 -T 2，考慮上下行波長的差別，下行方向主用OLT、備用OLT 與ONU 之間的傳輸延時之差為n D /n U ×(T 3 -T 2)，因此備用通道的測距結(jié)果見公式(4)。

　　按照同樣的過程可以計算出，IEEE EPON/10GEPON 中備用通道的測距結(jié)果如公式(5)。

　　公式(4)、(5)中n D 為下行波長折射參數(shù)，n U 為上行波長折射參數(shù)。在ITU-T GPON/IEEE EPON 系統(tǒng)中n D =n 1490 =1.4682，n U =n 1310 =1.4677，在ITU-T XG-PON1/IEEE 10GEPON 系統(tǒng)中，n D=n 1577 =1.4686，n U= n 1270 =1.4677。主用OLT 或者備用OLT 獲得備用通道的測距結(jié)果之后，可以將該測距結(jié)果更新到ONU 中，或者保存在備用OLT 中，發(fā)生保護倒換后ONU 或者新成為主用的OLT 可以直接利用該測距結(jié)果而無需對ONU 進行重新測距，這樣則可以節(jié)省保護倒換的時間并提高保護倒換效率。

　　4 提前測距在主干保護系統(tǒng)中的實際應(yīng)用

　　文章提出的無源光網(wǎng)絡(luò)主干保護系統(tǒng)中提前測距方法，在實際應(yīng)用中還需考慮一些問題。

　　(1) 提前測距過程的發(fā)起與協(xié)調(diào)

　　文章中無源光網(wǎng)絡(luò)主干保護系統(tǒng)中的提前測距過程是由備用OLT和主用OLT 互相配合完成的，在實際應(yīng)用中需要發(fā)起提前測距的過程，可以通過以下一些方式實現(xiàn)：

　　.由主用OLT 發(fā)起提前測距過程，并通知備用OLT 啟動提前測距過程，同時向ONU 發(fā)送測距請求。

　　.由備用OLT 發(fā)起提前測距過程，并通知主用OLT 啟動提前測距過程，同時主用OLT 則會向ONU 發(fā)送測距請求。

　　.由網(wǎng)元管理系統(tǒng)(EMS)/網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)(NMS) 發(fā)起提前測距過程，并通知主用OLT 和備用OLT 啟動提前測距過程，同時主用OLT 向ONU 發(fā)送測距請求。

　　當由主用OLT 計算測距結(jié)果時，主用OLT 主動向備用OLT 獲取信息（如T 3），并在計算完成后向備用OLT發(fā)送信息（如RTD 備用）；當由備用OLT計算測距結(jié)果時，備用OLT 主動向主用OLT 獲取信息（如RTD 主用、T 2），并在計算完成后向主用OLT 發(fā)送信息（如RTD 備用）；當由第三方計算測距結(jié)果時，由第三方主動協(xié)調(diào)主用OLT和備用OLT 之間的信息交換（包括RTD 主用、T 2、RTD 備用、T 3）。

　　(2) 主用OLT 和備用ONU 間的信息交換主用OLT 和備用OLT 之間應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)信息交換，例如，公式(4)、(5)中的T 2、T 3 分別在主用OLT 和備用OLT 中記錄，它們在同一個等式中用于計算，并需要主用OLT 和備用OLT互相交流T 2、T 3；再如主用OLT 和備用OLT 在完成備用通道測距后還需交換測距結(jié)果。主用OLT 和備用OLT 之間的信息交換可以通過以下方式實現(xiàn)：

　　.若主用OLT 和備用OLT 之間存在直接的通信通道，則可以定義相應(yīng)的消息接口以實現(xiàn)交換相關(guān)信息。

　　.若主用OLT 和備用OLT 之間不存在直接的通信通道，則可以通過其他設(shè)備或者系統(tǒng)（例如網(wǎng)管系統(tǒng)）來協(xié)調(diào)實現(xiàn)主用OLT 和備用OLT 之間的信息交換。例如，網(wǎng)管系統(tǒng)可以先從一個OLT 讀出相應(yīng)的信息再發(fā)送給另外一個OLT。

　　(3) 主用OLT 和備用OLT 間的時間同步

　　在備用通道的測距結(jié)果計算過程中，由于需要計算測距響應(yīng)到達主用OLT 和備用OLT 的時間之差，而測距響應(yīng)的到達時間是主用OLT 和備用OLT 分別記錄的，因此主用OLT 和備用OLT 之間的時間應(yīng)該同步。

　　若主用OLT 和備用OLT 之間存在通信通道，則主用OLT 和備用OLT之間可以直接進行時間同步。主用OLT 和備用OLT 的時間也可以都同步于某個共同設(shè)備或系統(tǒng)。由于無源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是用戶接入設(shè)備，其上游還有匯聚交換設(shè)備或者系統(tǒng)，主用OLT 和備用OLT 的時間可以都同步于一個這樣的設(shè)備或者系統(tǒng)。另外無源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)一般都配置有相應(yīng)的網(wǎng)管系統(tǒng)，因此主用OLT 和備用OLT 的時間可以都同步于網(wǎng)管系統(tǒng)。主用OLT 和備用OLT 之間的時間同步，或者主用OLT 和備用OLT 與共同設(shè)備或者系統(tǒng)之間的時間同步可以通過IEEE 1588 協(xié)議[3] 實現(xiàn)。備用通道測距結(jié)果的計算誤差見表1。

　　其中，△ 表示IEEE 1588 時間同步機制本身的誤差，根據(jù)IEEE 1588協(xié)議，該誤差在亞微秒量級，由于該誤差僅存在與主用OLT 和備用OLT之間，因此該誤差對所有ONU 都是一樣的。假設(shè)△ ≈ 1 us，當主用OLT和備用OLT 之間可以直接通過IEEE 1588 進行時間同步，則備用通道測距結(jié)果的誤差為2 us；當主用OLT 和備用OLT 分別通過IEEE 1588 時間同步于第三方設(shè)備時，備用通道測距結(jié)果的誤差為4 us，都在無源光網(wǎng)絡(luò)主干保護系統(tǒng)的容忍范圍內(nèi)。

　　(4) 備用通道測距結(jié)果定期更新

　　主用OLT 和備用OLT 獲得備用通道測距結(jié)果后，保護倒換不一定會立即發(fā)生，隨著時間的遷移，ODN 可能會受外界因素的影響而發(fā)生變化，因此之前獲得的備用通道測距結(jié)果可能會慢慢變得不準確。因此在保護倒換發(fā)生之前，備用通道的測距結(jié)果需要進行定期更新。備用通道的測距結(jié)果可以通過以下幾種方式進行更新：

　　.主用通道的測距結(jié)果也并非一成不變，當主用OLT 檢測到主用通道的測距結(jié)果發(fā)生變化并必須更新時，備用通道的測距結(jié)果隨著更新。

　　.主用OLT 和備用OLT 互相配合并周期性地更新備用通道的測距結(jié)果，如果考慮到節(jié)能，更新的周期可以長一些，例如每天更新一次；如果希望備用通道的測距結(jié)果提高準確度，則可以將更新的周期設(shè)置的短一些，例如每小時更新一次。

　　.通過EMS/NMS 手工或者定期發(fā)起備用通道測距結(jié)果的更新。

　　5 結(jié)束語

　　文章所述的無源光網(wǎng)絡(luò)主干保護系統(tǒng)提前測距方法，可以在主用OLT 正常工作的情況下，通過備用OLT 偵聽上行信號、主用OLT 和備用OLT 互相配合來動態(tài)實時地完成備用OLT 對ONU 進行的測距，也就是說備用OLT 可以根據(jù)需要隨時對ONU進行提前測距，因此備用OLT 在保護倒換完成并成為主用OLT 時可利用事先完成的測距結(jié)果而無需對ONU重新進行測距，這樣能夠有效實現(xiàn)快速保護切換，進而能夠保證承載業(yè)務(wù)的QoS。文章所述的方法已經(jīng)分別被ITU-T G.sup51[4]和IEEE 1904.1[5]標準所采納。

　　6 參考文獻

　　[1] ITU-T Rec G.984.1. Gigabit-Capable Passive Optical Networks (GPON): General Characteristics[S].2008.

　　[2] IEEE Std 802.3. Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) Access Method and Physical Layer Specifications[S].2008.

　　[3] IEEE 1588. Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems[S].2002.

　　[4] ITU-T G.Sup51. PON Protection Supplement to ITU-T G-Series Recommendations[S].2012.

　　[5] IEEE P1904.1. Standard for Service Interoperable Ethernet Passive Optical Network [S].2009.