PON系統中的PON保護倒換技術研究

沈 宜

(武漢郵電科學研究院，湖北 武漢 430074)

1 PON系統簡介

無源光網絡(Passive Optical Network，PON)是1種純介質網絡，避免了外部設備的電磁干擾和雷電影響，減少了線路和外部設備的故障率，提高了系統可靠性，同時節省了維護成本，是電信維護部門長期期待的技術。

如圖1所示，PON中最主要的3部分包括位于局端的光線路終端(Optical Line Terminal，OLT)、終端光網絡單元(Optical Network Unit，ONU)以及光配線網(Optical Distribution Network，ODN)。PON“無源”是指 ODN全部由光分路器(Splitter)等無源器件組成，不含有任何電子器件及電源。

圖1 PON網絡系統

隨著大量用戶使用光纖接入，用戶對寬帶接入持續無中斷性的要求也越來越高。本文研究的PON保護倒換方式能夠在主用的PON口檢測到PON口光信號異常、單板離線等告警后，觸發倒換，且倒換完成后恢復業務。

現有PON保護倒換技術的主要不足之處在于倒換后業務恢復時間過長，本文設計的PON保護倒換方案可以滿足A、B類保護業務中斷時間小于150 ms，C類保護業務中斷時間小于50 ms。

2 PON保護倒換技術概述

2.1 PON 保護機制[1－2]

由于PON系統線路速率極大提高，且都分布在戶外，容易受到損壞，因此網絡保護顯得更為重要。為了提高PON系統的可靠性，目前按保護模式分有A、B、C、D 4類保護方案。其中，A類保護類型的OLT的2個PON口采用1個PON MAC芯片，通過1∶2電開關連接至2個光模塊，實現2個PON口的保護，該類只適用于同一PON板內的PON口間保護。C類和D類保護類型雖提供了全網的保護，使得系統的可靠性最好，但由于保護成本太高，只有特別高端的用戶才能承受，所以在實際的工程中幾乎沒有用到?？紤]到接入成本和實用性，B類保護更經濟實用，B類保護中OLT的2個PON口分別采用獨立的PON MAC芯片和光模塊，實現2個PON口的保護，適用同一OLT的任意2個PON口間保護。

從配置和業務處理上來分類，PON保護可以分為1∶1保護、1+1保護、1∶N保護和1+N保護幾種類型。其中，1∶1是指OLT設備上任意2個PON口之間進行一對一的保護，它們之間是互為主備的關系。1+1是指發端在主備2個信道上發同樣的信息(并發)，收端在正常情況下選收主用信道上的業務，因為主備信道上的業務一模一樣，均為主用業務，所以在主用信道損壞時，通過切換選收備用信道而使主用業務得以恢復。此種倒換方式又叫做單端倒換(僅收端切換)，倒換速度快，但信道利用率低。1∶N并不是嚴格意義的1∶N保護，而是指配置的時候指定1個PON口作為N個PON口的保護，但是實際發生切換的時候，只能是N個中的1個PON口切換。而且一旦切換后，這個保護就失效了，除非再切換回主PON口，備用PON口才能再作為保護PON口。

從保護組成員所在的單盤來分類可以分為盤內保護和盤間保護。

2.2 PON 倒換機制

對于OLT和ONU設備而言，當檢測到故障時，應連續檢測5 ms，如該故障一直存在則正式確認該物理層失效事件[2－3]。如5 ms內該物理層故障得到恢復，則不確認該物理層失效事件。對于不同的保護類型，OLT和ONU啟動光鏈路保護的倒換機制分別為:

1)類型a的倒換機制

當OLT在5 ms內檢測到主干光鏈路發生上述物理層觸發事件時，則OLT立即啟動PON口的倒換;當OLT在5 ms內檢測到分支光鏈路發生上述物理層觸發事件時，則OLT不啟動PON的倒換。ONU無倒換功能。

2)類型b的倒換機制

如果OLT在5 ms內檢測到特定PON口下所有處于激活狀態的ONU的光鏈路發生上述物理層觸發事件時，則OLT立即啟動PON口的倒換;當特定PON口下存在2個或者2個以上ONU時，如果OLT在5 ms內僅檢測到其中1個ONU發生上述物理層觸發事件，則OLT不啟動PON的倒換。ONU無倒換功能。

3)類型c(d)的倒換機制

當OLT檢測到特定PON口下任何一個處于激活狀態的ONU的上行光鏈路發生觸發事件時，OLT則立即通過主用光鏈路向所有ONU發送擴展OAM消息，命令ONU倒換到備用光鏈路，然后停止向該ONU發送下行光信號，并將該ONU的流量倒換到備用PON口上。當OLT接收到來自某一個ONU發來的PON_IF Switch事件通告消息后，則確認該ONU已倒換到備用PON口。當ONU檢測到下行光鏈路發生觸發事件時，ONU立即倒換到備用光模塊接口并利用其“狀態保持”功能迅速建立與OLT備用PON口之間的MPCP和OAM同步。在完成MPCP和OAM同步后，ONU通過新主用鏈路向OLT發送PON_IF Switch事件通告消息。

3 PON保護倒換功能實現

3.1 增加和刪除保護組

系統軟件和圖形網管提供界面來增加或者刪除保護組，并且配置保護組的屬性，如保護組內成員的個數;保護組的模式(全保護和主干保護)。網管和主控盤軟件有必要的差錯檢查，不允許不同類型PON口之間配置成保護組。EPON的PON口不能和GPON的PON口配置成保護組。

在配置保護組時，首先要指定1個主端口，可以選擇是否保留主端口配置作為保護組配置。1個保護組有且僅有1個主端口。除了指定主端口外，在配置保護組時，還要指定若干成員端口。對于1∶1保護，成員端口最多只能有1個。若選擇不保留主端口配置，則刪除所有PON口的配置。也可以將原PON口或者其他PON口的配置重新導入到保護組中，或重新配置保護組的配置。在刪除保護組的時候，可以選擇將原保護組配置保留在主端口上，或者全部刪除。

3.2 強制切換和自動切換

可以使用系統軟件和圖形網管來強制主用、備用PON口間進行切換。

自動切換默認的觸發條件有:輸入光信號丟失(LOS);輸入通道信道劣化(門限和策略可以配置);盤不在位或者PON MAC芯片損壞。

線卡負責監控是否發生了網管配置的倒換觸發條件中的事件。倒換條件有:

1)監控是否發生了輸入光信號丟失的事件，線卡還要支持軟件檢測方式來檢測PON口下所有的ONU都掉注冊;

2)發生了誤碼率越限的事件(軟件不斷檢測誤碼率是否越限，例如CRC錯誤越限，或者配置芯片發生這個事件后產生中斷);

3)光功率越限;

4)線卡被拔出(由主控盤檢測)。

一旦線卡檢測到發生了倒換觸發條件，線卡硬件或者軟件就需要向主控盤發送1條消息，表示工作線路發生故障，需要倒換，倒換由主控盤的CPU或者CPLD主導完成。發生倒換后，主控盤要上報事件給網管。

3.3 狀態的查詢和上報功能

通過系統軟件和圖像網管可以查詢保護組內每1個PON MAC的工作狀態，即處于active狀態還是standby狀態。對于全保護模式，還要查詢每1個PON MAC下，實際注冊的ONU信息。無論是ONU還是OLT發生倒換事件，倒換成功或者失敗，系統都主動上報網管。如果是主控盤主導的倒換，則在倒換成功或者失敗由主控盤來上報網管。如果是線卡自動主導的倒換，則倒換成功或者失敗要由線卡上報給主控盤再上報給網管。用1個統一的協議，在顯示的時候，分全保護和主干保護來顯示。

4 PON保護倒換技術要點

為保證保護倒換后業務的平滑過渡，PON保護組中初始配置需要同步下發，以及保護組運行過程中的動態數據也需要同步。初始化配置指在保護組中主端口上的靜態業務配置信息，如SN認證信息、授權信息VLAN、帶寬、語音配置、TDM業務配置、組播配置等。動態數據包括MAC地址學習表、組播成組信息、DHCP/PPPOE綁定表、密鑰信息等。

4.1 初始配置同步

盤內的OLT配置由同一個CPU來管理，因此對于初始化配置的同步，必須讓線卡軟件允許同一個ONU在保護組內的2個端口上同時授權。保護組初始化時的配置同步關鍵有如下2點:

1)預注冊時，所有在主端口上注冊的鏈路同時被靜態地寫到成員端口所在的芯片中，并且發送Link Discovery事件，讓ONU配置模塊認為在成員PON口上有鏈路注冊，于是ONU配置模塊更新ONU在線狀態結構。主PON口模塊還應向成員PON口模塊同步配置狀態信息，以避免配置重復下發影響業務。

2)預注冊完成后，線卡向主控盤上報保護組配置完成。主控盤向線卡下發一系列配置命令。主控盤將主端口上的配置信息復制到成員端口上(如ONU授權、SLA、OLT/ONU QinQ等)。在成員PON上，由于ONU配置模塊已經指示鏈路已注冊，并且3723中存在相應的靜態鏈路，這些配置即可開始配置。對于配置給3723的數據，如OLT QinQ和SLA，配置動作可以立即執行成功。對于配置給ONU的數據，如FE端口規則等，由于ONU實體并不存在，故在成員PON口上無法立即配置。但是ONU上的配置在主端口已經同時完成，倒換時利用ONU的Holdover功能保持到成員PON口繼續工作。

盤間的配置初始化和盤內的類似，有區別的地方在于配置是由不同線卡上的CPU分別管理，故配置同步需要通過板間私有協議通信來完成。主控盤在下發配置時，向主、備成員端口所在的槽位各發1份。

4.2 動態同步

動態同步指的是在數據改變時，從工作態的PON口將數據同步到備用態的PON口。這些數據可歸納如下:

1)鏈路上學習到的MAC地址;

2)組播成組信息;

3)DHCP/PPPoE綁定表;

4)動態保存在內存中的數據，如CPU學習到的ONU，IAD，MAC 等等。

如果是盤內的同步，則由Host CPU實時完成數據同步更新;如果是盤間的同步，則需要工作態槽位的CPU通過帶外通信將同步數據發送給備用態槽位的CPU，再由備用態槽位的CPU更新內存數據或寫EPON芯片。

4.3 業務恢復

執行PON口的主備倒換后，原備用PON口變為主用，且該PON口下所有的PON口相關配置以及ONU配置(如ONU的授權信息、業務配置等)應與原主用PON口相同。在完成PON口保護倒換后，在新主用PON口可用的情況下，所有業務可自動恢復。

對倒換中配置了E1業務的ONU，主控盤需要同時向E1業務盤通告ONU在原主用PON口的授權以及在新主用PON口下的E1業務配置和ONU在線狀態，以保證E1業務的自動恢復。

為實現倒換后語音業務的恢復，保證倒換前后ONU IAD私網IP地址保持不變，由主控盤在ONU授權時同時下發計算ONU私網IP使用的槽位號和PON口號。保護組使用第1個端口作參數下發，未配置保護組的以實際自身端口下發。

對于組播業務，主控盤的交換芯片、線卡的交換芯片和PON的芯片需處理MAC地址表。在PON口保護組倒換期間，由主控盤主動發IGMP QUERY報文，如間隔2 s，發送2 min。

對于數據業務，無須額外動作。

5 實驗仿真

本實驗在烽火通信股份有限公司研發的AN5516—01 GPON設備及圖形網管ANM2000的平臺上進行。以盤內PON保護類型b為例，進行自動保護倒換和強制保護倒換[3]。

實驗環境如圖2所示。使用2∶N光分路器，分別連接主用端口和備用端口，并使用儀表SmartBits600打數據業務流。

圖2 實驗連接圖

配置PON保護組(如圖3)，12號槽位下PON口1為主端口，PON口5為備用端口，需要注意的是盤內保護不允許同一芯片的PON口組成對。此時查詢PON口保護組狀態(如圖4)，可以看到配置的PON保護組已生效。模擬事故環境，拔掉PON口1的光纖，使系統產生斷纖告警(如圖5)觸發自動PON保護倒換，倒換后再次查詢PON口保護組狀態發現PON口的主、備狀態已經倒換成功(如圖6)。同時，始終觀測業務數據流的狀態，拔纖后業務流有瞬時中斷，而后迅速恢復正常。重復拔纖10次，抓包計算的業務流平均中斷時間為148.6 ms。此外，發現業務中斷時間也與PON口下掛ONU個數有一定聯系。

在圖形網管界面進行強制保護倒換，觀測業務流、查詢PON口保護組狀態，所得結果與自動保護倒換一致。

圖6 倒換后的PON口狀態

6 結束語

本文簡要概述了PON保護倒換的基本實現，其中數據同步和倒換后業務的快速恢復是關鍵。考慮到接入成本和實用性，b類保護更經濟實用。目前，PON保護倒換都有PON芯片支持。

[1]IEEE 802.3—2008，信息技術系統間通信和信息交換局域網和城域網特定要求第3部分:載波檢測多址存取采用沖突檢測(CSMA/CD)的存取方法和物理層規范[S].2008.

[2]ITU－TG.984.3，Gigabit－capable Passive Optical Networks(GPON):Transmission Layer Specification[S].2004.

[3]徐惠民.基于VxWorks的嵌入式系統及實驗[M].北京:北京郵電大學出版社，2006.