低开销混合式保护的波分/时分混合无源的技术探
0引言
随着网络流量的急剧增加，现有基于时分复用的无源光网络(Time Division Multiplexing Passive Optical Network， TDMPON难以满足用户对带宽的需求[1-2]，因此FSAN(Full Service Access Network标准组织在2011年启动(Next Generation Passive Optical Network 2， NGPON2的标准研发，对 NGPON2 的需求，架构以及可能的技术方案进行了系统讨论。波分/时分混合无源光网络(Wave Division Multiplexing/Time Division Multiplexing Passive Optical Network， WDM/TDMPON技术比较成熟，综合了波分复用(Wave Division Multiplexing， WDM高带宽和时分复用(Time Division Multiplexing， TDM低成本的优点，分光比大、资源调度灵活且过渡平滑，对原有网络影响比较小，通过合理的波长规划，能保证WDM/TDMPON技术与现有PON技术在同一个光分配网(Optical Distribution Network， ODN中共存，成为下一代无源光网络演进的方向[3-4]。因此，在综合考虑需求符合度、技术成熟度、成本和功耗等各项因素后，在众多候选技术中FSAN 组织选择了WDM/TDMPON作为主要技术方案。而WDM/TDMPON由于承载业务多、覆盖范围广，若网络发生故障将造成海量数据丢失，因此设计一个高可靠的WDM/TDMPON保护结构具有重要意义[5-6]。
按照保护资源的配置方式可将PON的保护技术分为备份保护、分组保护和环网保护。针对下一代混合PON，文献[7]提出一种对光线路终端(Optical Line Terminal， OLT设置1+1全备份保护结构，通过监视上行信号，实现了快速保护倒换，但全备份成本高，开销大。文献[8]提出一种分组保护结构，将两个第二层远端节点(Remote Node， RN相连形成一个保护组保护配线光纤(Distribution Fiber， DF，相对于1+1全备份保护节约了资源，但其要求RN节点个数为偶数，且跨接光纤的故障保护有局限性。文献[9]提出一种环网保护，将多个PON系统的第一层RN节点互连成环形结构，并为多个OLT提供共享备份OLT，共享保护能很大程度上减少参与保护倒换的网元个数，但多个PON系统互连需要较长的备用光纤，资源开销较高，同时带来较长的保护倒换时间。
按照控制方式的不同又可将PON的保护技术分为集中式和分布式。集中式指故障后，保护倒换操作由OLT集中控制完成;分布式指故障后由RN或光网络单元(Optical Network Unit， ONU分散地执行保护操作。文献[10]提出一种分布式保护结构，在TDM部分的保护环中以一个故障状态为基准状态，减少了参与保护倒换的元器件数量，但 DF发生故障时，所有DF都参与保护倒换，仍造成保护资源浪费。文献[11]提出一种集中式保护结构，通过在OLT中设置的备份收发单元的保护调谐实现了局部故障当地恢复，减小了故障的影响范围，但需要最后一公里光纤(Last Mile Fiber， LMF一起参与保护倒换，造成保护资源浪费。文献[12]提出集中式智能保护倒换机制，在OLT中采用数字逻辑判定单元控制光开关保护倒换，网络结构简单且网元成本低，但保护倒换时需要所有的DF参与，资源浪费大。集中式保护要求OLT更复杂，但能有效地简化系统其他元器件的结构，降低成本开销;分布式能够有效地减少故障影响范围，提高保护倒换速度。
可见，当前WDM/TDMPON的保护技术，保护倒换过程中涉及到的网元数量普遍过多，故障影响范围较大，易造成网络保护资源浪费，增大了保护开销。
因此，为了实现光纤故障的全保护且尽可能减少参与保护倒换的网元个数，本文综合集中式和分布式优点，提出一种低开销的混合式保护结构。该结构在OLT中设计逻辑判定、备份收发、保护路控制等不同功能单元，在WDM部分实现了只有故障部分倒换到对应保护备份上的集中式智能保护;并且在ONU中仅采用一个功率监视1保护的网络结构
1.1网络总体结构
所提结构包括WDM部分和TDM部分，在WDM部分为树形备份结构，采用OLT集中式控制保护，有效地简化了RN和ONU，OLT与RN通过馈入光纤(Feeder Fiber， FF相连接;TDM部分采用交叉总线形结构，利用此结构可以很好地减少故障影响范围，实现快速的分布式自保护倒换。具体如图1。
器，实现了局部故障当地恢复的分布式保护，有效地降低了网络的保护资源开销。
OLT中一般包括收发、功率监视、故障管理等三个功能单元。为了实现全保护倒换功能，本结构新设计了逻辑判定和备份收发单元，并提出一种新的功能单元——保护路控制单元。OLT中的各个单元相互连接通信以实现集中式保护倒换，如图2所示。结构中采用的阵列波导光栅(Arrayed Waveguide Grating， AWG都具有相同的自由频谱范围。
从本结构中可以看到，备份收发单元所调谐到的一个(或多个保护波长，可以只通过故障部分对应的备份光纤恢复。相对于传统故障保护，所提结构实现了只有故障部分倒换到对应的保护备份上的快速保护，极大地节省了保护资源的开销。
1.2核心功能单元基本结构
备份收发模块包括m个备份收发单元PTRx，PTRx包括可调谐激光器TL，接收器Rx，可调谐滤波器TF，光循环器Circulator，基本结构如图3所示。备份收发单元发出的下行信号经光耦合器OC2耦合后，传到保护路控制单元。从保护路控制单元来的上行信号经过Circulator的分离，传向TF。备份收发单元数量为m，理论上m可以为1到n之间的任意整数，但其实m≤n时即可满足网络的生存性，同时还能保证高效的冗余率，因此m可以设为允许同时发生故障的ONU组的最大数。
保护路控制单元包括一个1(2光开关OS2和一个异或逻辑器件XOR，XOR根据OS2的状态和逻辑判定单元的输出信号控制OS2倒换，基本结构如图4所示。备份收发单元的输出信号发送到OS2的端口3，OS2的端口1连接到光耦合器OC1，OC1将来自OS1和OS2的信号进行耦合，通过馈入光纤(FF保护光纤FF*连接到RN中的AWG。
逻辑判定单元由两部分组成，OLT中Rx发送的电信号同时给这两部分，其基本结构如图5所示。第一部分L1包括N个非逻辑门和一个N输入与逻辑门，第二部分L2为一个N输入与非逻辑门。L1控制光开关OS1(横向连接或者交叉连接，L2控制光开关OS2(12连接或者13连接。
当Rx和对应的监视器都检测不到上行功率时，表明相应的ONU组整体掉线，此时光开关OS2依然倒换，但故障管理单元根据接收到的工作路径和保护路径上的逻辑信号，通知备份收发单元是否执行保护调谐，此时不通知备份收发单元调节到掉线ONU组对应的波长。
2保护的工作原理
2.1正常工作模式
正常工作模式下，下行信号只通过工作路径(FF和DFi进行传输，OLT中OS1横向连接，OS2置于端口2位置，如图1所示。下行信号在每个ONU 组处经2×2 OC分成两部分，分别广播给各个ONU。工作路径(图1中实线和保护路径(图1中虚线分别将ONU串联起来形成一个类似环的交叉总线形结构，正常情况下 ONU只从工作光纤上接收数据。上行方向上，各上行数据通过工作光纤发送到2×2 OC处，分成两部分：一部分通过工作路径及OS1发送到OLT中的各个Rx，另一部分通过保护路径传到1×2 OC1处再分为两部分，一部分发送到功率监视单元，另一部分经过OS2发往备份收发单元。
2.2故障保护模式
光纤故障可分为以下5种情况进行讨论。
情况1FF发生故障时。
此时OLT收发单元检测不到所有ONU组的上行信号，所有的Rx输出都为逻辑信号“0”，L1输出逻辑信号“1”，控制OS1倒换到交叉连接状态，此时整个网络倒换到保护路径上传输，实现数据业务的恢复，备份收发单元不进行保护调谐。 [本文由WWw. 提供，专业写作毕业论文和教学教育职称论文，欢迎光临]
情况2当任意一条工作DF发生故障时。
此时，收发单元中对应的Rx检测不到上行信号，产生逻辑信号“0”到逻辑判定单元和故障管理单元。同时，监视相同信道的功率监视器能够检测到光信号，产生逻辑信号“1”给故障管理单元。故障管理单元根据接收到的逻辑信号，通知备份收发单元调节到相应的波长上。
L1经过逻辑运算输出逻辑信号“0”，OS1不进行倒换;L2输出逻辑信号为“1”，发往保护路控制单元中XOR的端口2。XOR的端口1连接到OS2，当OS2倒换在端口1上时发送逻辑信号“1”到XOR的端口1，否则发送“0”。此时XOR端口1接收到的逻辑信号为“0”，因此XOR输出逻辑信号“1”，OS2倒换到端口1上。此时备份收发单元的下行信号可通过相应的保护路径发送到对应的故障ONU组，使得只有故障ONU组倒换到相应的保护光纤上，实现了低保护开销的故障恢复。
同时，若其他的一条或多条(故障数小于m工作DF再发生故障，各单元执行相应的操作，仍然能够实现只有故障的ONU组倒换到相应的保护光纤上。此时，L1输出逻辑信号为“0”，OS1不进行倒换，L2输出逻辑信号为“1”发送到XOR的端口2，而此时OS2处于端口1状态，因此发送到XOR端口1的为逻辑信号 “1”，因此XOR的输出为逻辑信号“0”，OS2将维持在端口1的状态上。这时，备份收发单元发出的保护数据可发送到RN节点，解复用后仍可实现只是故障的ONU组倒换到相应的保护备份上，实现低开销的故障恢复。
情况3当两条或者多条(故障数小于m工作DF同时发生故障时。
此时的恢复步骤与单故障时类似。OLT收发单元中多个Rx接收不到信号，逻辑判定单元对OS1和OS2执行相应的控制，依然可以实现只有故障的ONU组倒换到相应的保护备份上，实现低开销的故障恢复。
若其他的一条或者多条(故障数小于m工作DF再发生故障，各单元执行相应的操作，仍然能够实现只有故障的ONU组倒换到对应的保护光纤上，其过程与情况2所述类似。
情况4当同时故障的DF数大于m时。
当故障管理单元检测到故障DF数大于m时，故障管理单元直接发送逻辑信号“1”到OS1，控制OS1倒换到交叉状态(图2中为避免杂乱，未画出，且备份收发单元不进行保护调谐。
逻辑判定单元L1的逻辑表达式为：
L1=w1·w2·…·wj·…·wn(1
L2的逻辑表达式为：
L2=w1·w2·…·wj·…·wn(2
其中：wj(j=1，2，…，n为OLT中各个接收器发出的逻辑信号。
异或逻辑器件XOR的表达式为：
S=SL2⊕SOS21(3
S表示XOR的输出信号，SL2表示逻辑判定单元第二部分的输出信号，SOS21表示OS2是否连接在端口1上。
情况5LMF发生故障时。
ONU基本结构如图6所示。ONU内部包括三个耦合器Tap，一个功率监视器，光电检测器PD，反射式半导体光放大器(Reflective Semiconductor Optical Amplifier， RSOA。工作路径中信号按顺时针方向传输，Tap1将信号分为两部分：一部分通过Tap3传到PD，另一部分继续顺时针向下传输。上行方向，RSOA将下行波长重调制发回Tap3并分为两部分：一部分在Tap1处将ONU的上行信号耦合进上行波长中逆时针传输，另一部分传到OS。功率监视器根据PD的输出信号，控制OS的倒换。
LMF发生故障时，PD接收不到下行信号，功率监视器M发送一个逻辑信号控制开关OS倒换，这时ONU将切换到保护光纤LMF*实现数据恢复，故障点后所有的ONU将自行倒换到保护光纤上按照顺时针方向传输上行信号，实现数据业务的恢复。
3性能分析
3.1故障恢复时间
故障恢复时间Tr主要包括4个部分：故障检测时间Td，故障定位时间Tl，保护倒换时间Tp，网络重同步时间Tsyn[11]。根据文中所述的工作原理，可分别对故障恢复时间的4个组成部分进行计算，从而实现对故障恢复时间的定量分析，计算中涉及到的参数如表1。
在对故障恢复时间计算时需注意以下几点：
1由于数字逻辑判定单元的反应时间非常短，远小于毫秒级，因此该时间可忽略。
2对Td和Tl计算时，由于本结构中根据数字逻辑电路的状态判定网络是否故障，因此在逻辑判定单元进行故障判定时已提前进行故障检测与定位，故这段时间可不另作计算。
3保护路径的往返时延可以与工作路径同时测量得到。
此外，保护倒换时间Tp包括OS的保护倒换时间和TF的保护调谐时间，而FF发生故障时，由故障分析情况一可知，不需要TF进行保护调谐，此时的保护倒换时间为TOS;若故障发生后需要保护调谐，由于TF保护调谐过程中，TOS远小于Tt，故在此过程中，保护倒换时间为Tt。
可见，网络重同步时间Tsyn的计算是故障恢复时间计算的关键。网络的同步包括先测距再同步，通常测距过程包含在最后的同步步骤中。通过对网络同步的步骤分析可知，在执行保护操作后，OLT首先发送信息给ONU，通知ONU切换到保护路径，并让ONU使用保护路径上的均衡时延EqD，而这一步骤OLT可能要发N 次才能实现。ONU切换到保护路径后，同时将保护路径对应的EqD放入自己的EqD寄存器，并且在新的EqD时延后给OLT反馈信息。当OLT检测到这些信息都是有效信息时，OLT再次给ONU发送信息使其进入工作模式，同时ONU再次发送反馈确认信息。
依照上述的同步过程，同步的时间可表示为：
由上述计算可见，光纤故障可在1.5～2.4ms实现恢复，具有较短的保护倒换时间，能对系统提供高可靠的保护。
3.2系统可行性
为了验证所提结构的可行性，先对系统的功率预算进行计算;再对所提结构进行仿真，并根据仿真测得值进一步分析。结构中器件插入损耗的典型值[12]如表2所示，根据工作原理可求得光通路的功率预算。设FF为25km，DF为5km，LMF为2km。为了说明机构的额一般适用性，结构中使用马赫曾德尔调制器MZM对光源进行调制，且设定激光器输出持续波长光的功率为10dBm，下行方向上的EDFA增益为20dB，当RSOA的输入功率大于等于 -14.5dBm时，RSOA饱和增益输出功率为12.5dBm。
完成了上述的功率预算的计算，为了进一步分析所提结构的可行性，对所提结构进行仿真。
以单故障为例进行仿真，为此令m=1，只用PTRx1对网络提供共享保护。TDM部分只采用了一个ONU，此时逻辑判定单元的L1和L2都可简化为一个非逻辑门，如图7所示。
本仿真中上下行都采用伪随机比特序列PRBS产生的速率为2.5Gb/s，码长为27-1的非归零码NRZ进行调制。当下行的消光比(Extinction Ratio， ER太大时，RSOA不能将下行信号彻底“擦除”，对上行信号产生干扰，因此ER取值不能太大[12];又因为NRZ的调制方式需要较高的消光比，因此经过综合考虑，仿真中将系统ER设为10dB。仿真模式：正常工作模式(working、背靠背模式(BackToBack， BTB以及保护模式(protection，仿真中相关参数的设定如表3。
如图8为系统在正常工作模式和BTB模式下接收功率与误码率(BER的关系。其中正常工作模式为系统经过FF、DF和LMF传输的模式。从图中可知，在BTB模式下，当BER为10E-09时，下行(DS和上行(US的接收机灵敏度分别为-24.475dBm和-32.832dBm，而经过30km的传输后系统的下行和上行灵敏度分别为-23.635dBm和-31.585dBm
图9显示了网络中发生故障时系统在正常模式、BTB模式下以及保护模式下BER性能的比较。可知，系统经过30km的光纤传输后，其下行和上行的灵敏度分别为-24.475dBm和-31.585dBm，而系统在保护模式下，下行和上行的灵敏度分别为-23.761dBm和-31.768dBm。由图 8和图9中可知，系统的下行和上行在BTB模式和经过30km传输模式之间所产生的功率代价分别为0.8dB和1.25dB。下行方向的功率代价产生的主要原因是色散，而上行是对下行波长重调制，因此产生功率代价的主要原因是反向散射噪声。
此外，结合灵敏度及功率预算，可对系统的可行性作进一步的分析。由3.2节中的计算可知，下行方向上WDM部分的功率预算为24.8dB，TDM部分的功率预算为6.5dB，而下行的灵敏度为-24.475dBm，由此可计算得出下行方向上的功率余量近似为23.2dB，上行方向上的灵敏度为 -31.585dBm，同样可以计算得到，上行方向上的功率余量近似为24.3dB。由此可知，本网络具有较大的功率余量，能够很好地提高网络的覆盖范围。
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