波長(zhǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)度TWDM光接入網(wǎng)中的生存性保證

胡新天，張治國(guó)，陳 雪

（1.中國(guó)移動(dòng)通信有限公司研究院 北京 100053；2.北京郵電大學(xué) 北京 100876）

1 引言

在過(guò)去20年中，全球網(wǎng)絡(luò)流量以150%～160%的平均速度逐年增長(zhǎng)[1]。按照網(wǎng)絡(luò)流量增長(zhǎng)的歷史規(guī)律，未來(lái)網(wǎng)絡(luò)流量依然會(huì)穩(wěn)定地持續(xù)增長(zhǎng)[2]。一方面，為滿足上述帶寬需求和提高成本效益的需求，接入網(wǎng)正向著更大容量、更廣覆蓋和更高效率的方向發(fā)展。10 Gbit/s無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（10-Gigabit-capable passive optical network，XG-PON）和10 Gbit/s以太網(wǎng)無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（10 Gbit/s ethernet PON，10G-EPON）將下行速率提升至10 Gbit/s，上行速率提升到2.5 Gbit/s和最大10 Gbit/s，分支比提升到最大1∶256和1∶64。ITU-T G.989[3]中的時(shí)分和波分復(fù)用（time and wavelength division multiplexing，TWDM）PON吸取密集波分復(fù)用（dense WDM，DWDM）PON的大容量和TDM PON的高資源利用率優(yōu)勢(shì)，具備10 Gbit/s以上速率。同時(shí)，TWDM PON[4]可以動(dòng)態(tài)調(diào)度波長(zhǎng)和時(shí)隙兩維資源，將空閑資源調(diào)度給有需求的用戶使用，充分利用已有的和新增的網(wǎng)絡(luò)資源，提高成本效益。

另一方面，隨著接入網(wǎng)絡(luò)容量和覆蓋范圍的增加，生存性保證變得更加重要。一旦骨干光纖發(fā)生斷纖故障，更多用戶會(huì)受到故障的影響，故障后造成的影響十分惡劣。ITU-T G.984.1[5]中描述了4種傳統(tǒng)樹(shù)型TDM PON的生存性保證方案。在DWDM PON中可以使用1∶1或1∶N共享保護(hù)通過(guò)在相鄰光網(wǎng)絡(luò)單元（optical network unit，ONU）間建立迂回路由對(duì)ONU和陣列波導(dǎo)光柵（arrayed waveguide grating，AWG）間的分配線光纖進(jìn)行保護(hù)[6,7]。考慮到PON的樹(shù)型拓?fù)洳焕趯?shí)現(xiàn)有成本效益的生存性保證，越來(lái)越多的方案開(kāi)始考慮在接入網(wǎng)中引入環(huán)型主干光纖[8～10]。

現(xiàn)有生存性保證方案[11,12]大多針對(duì)波長(zhǎng)靜態(tài)配置網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，在具備動(dòng)態(tài)波長(zhǎng)調(diào)度能力的光接入網(wǎng)[13,14]中應(yīng)用會(huì)造成故障定位難的問(wèn)題。這是因?yàn)樵诓ㄩL(zhǎng)靜態(tài)配置網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)唯一的一些ONU，設(shè)備只需判斷哪些波長(zhǎng)的接收信號(hào)發(fā)生了故障就可以準(zhǔn)確地定位故障。然而，對(duì)于波長(zhǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)度網(wǎng)絡(luò)，波長(zhǎng)和ONU間沒(méi)有直接對(duì)應(yīng)關(guān)系。此外，業(yè)內(nèi)缺少結(jié)合靈活光接入網(wǎng)動(dòng)態(tài)波長(zhǎng)調(diào)度能力的生存性保證方案。在設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)生存性保證方案時(shí)，還需要綜合定量分析方案的成本和生存性兩個(gè)相互制約的因素，提出具有最佳成本效益的方案。

為了解決上述問(wèn)題，本文提出了具有成本效益的利用控制信道定位故障的和基于動(dòng)態(tài)波長(zhǎng)調(diào)度的生存性保證方案，并對(duì)所提方案進(jìn)行了全網(wǎng)生存性和成本的綜合定量分析。所提方案利用光纖環(huán)對(duì)故障后造成影響最大的主干光纖進(jìn)行保護(hù)，利用控制信道定位和檢測(cè)故障，通過(guò)中心站和遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)分別切換起保護(hù)作用的光開(kāi)關(guān)完成保護(hù)倒換。同時(shí)，所提方案利用波長(zhǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)度能力轉(zhuǎn)移故障中心站業(yè)務(wù)線卡的業(yè)務(wù)。

2 生存性保證方案

圖1是一種波長(zhǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)度TWDM光接入網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的示意[15]。該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由中心站（central office,CO）、遠(yuǎn)端節(jié) 點(diǎn) （remote node，RN）、ONU、DWDM光 纖 環(huán) 和TWDM/TDM光纖樹(shù)組成。中心站和遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)通過(guò)雙向傳輸?shù)墓饫w環(huán)連接在一起。遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)和ONU通過(guò)光纖樹(shù)相連。光纖環(huán)上運(yùn)行多個(gè)工作波長(zhǎng)。中心站利用控制波長(zhǎng)（λcu、λcd）控制遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)地選擇上下路業(yè)務(wù)波長(zhǎng)（λ1u、λ1d、λ2u、λ2d）。網(wǎng)絡(luò)的環(huán)樹(shù)型拓?fù)浔阌谟谐杀拘б娴貙?shí)施生存性保證。下面以圖1所示網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為例，具體介紹所提的生存性保證方案。

2.1 光纖環(huán)單點(diǎn)故障

網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行時(shí)，下行業(yè)務(wù)沿環(huán)逆時(shí)針傳輸?shù)礁鬟h(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)，而上行業(yè)務(wù)沿環(huán)順時(shí)針傳輸。中心站通過(guò)控制波長(zhǎng)與各遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)周期性地交互。對(duì)于故障保護(hù)，一方面中心站通過(guò)交互判斷各遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)是否依然在線正常工作；另一方面遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)通過(guò)交互確認(rèn)與中心站間的連接是否依然正常。

圖1 波長(zhǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)度TWDM光接入網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意

當(dāng)任意兩個(gè)遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)間的光纖斷開(kāi)時(shí)，故障下游節(jié)點(diǎn)（沿光纖環(huán)逆時(shí)針?lè)较虮裙收宵c(diǎn)距離中心站遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)）無(wú)法通過(guò)原有連接與中心站進(jìn)行上下行業(yè)務(wù)傳輸。如圖2所示，網(wǎng)絡(luò)中有N個(gè)遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)。當(dāng)遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)i（i

上述故障檢測(cè)和定位方法是將n個(gè)相鄰遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)的控制信道故障判定為光纖環(huán)單點(diǎn)故障。事實(shí)上，n個(gè)相鄰遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)的控制信道故障也可能由n個(gè)相鄰遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)中的從控制器同時(shí)故障造成。但是該故障出現(xiàn)的概率極低（小于1.04×10-12），與光纖環(huán)單點(diǎn)故障出現(xiàn)的概率（1.37×10-5/km[16～18]）相比，可以忽略不計(jì)。

如圖3所示，在故障發(fā)生后，通過(guò)遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)自主切換保護(hù)光開(kāi)關(guān)和中心站切換本地保護(hù)光開(kāi)關(guān)，使單纖雙向環(huán)變成兩根雙向光纖樹(shù)。故障發(fā)生前，各遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)沿一側(cè)城域匯聚環(huán)纖與中心站進(jìn)行雙向通信。故障發(fā)生后，故障點(diǎn)上游遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)仍沿原光纖與中心站進(jìn)行雙向通信，而故障點(diǎn)下游遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)經(jīng)倒換操作后沿光纖環(huán)另一側(cè)與中心站進(jìn)行雙向通信。

圖2 光纖環(huán)單點(diǎn)故障監(jiān)測(cè)和定位

圖3 光纖環(huán)單點(diǎn)故障倒換操作的基本思路

中心站執(zhí)行倒換操作后，對(duì)受故障影響的遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)i+1到N進(jìn)行逐個(gè)測(cè)距。完成測(cè)距后，中心站重新啟動(dòng)動(dòng)態(tài)資源分配機(jī)制和算法，恢復(fù)上下行業(yè)務(wù)傳輸。故障修復(fù)以后，網(wǎng)管系統(tǒng)下達(dá)修復(fù)還原命令，中心站控制網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)到正常的單纖雙向環(huán)工作狀態(tài)。

在中心站集中進(jìn)行生存性保證，可以減少功率檢測(cè)模塊的數(shù)量。中心站還可以收集掌握全網(wǎng)工作狀況，避免發(fā)生錯(cuò)誤倒換，擴(kuò)大故障影響，也便于后續(xù)進(jìn)行故障修復(fù)。利用獨(dú)立的控制波長(zhǎng)進(jìn)行故障檢測(cè)和定位，可以解決由于波長(zhǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)度帶來(lái)的難于在中心站利用傳統(tǒng)的根據(jù)接收到的業(yè)務(wù)信號(hào)，以信號(hào)丟失、信號(hào)失效、信號(hào)質(zhì)量下降為依據(jù)的方法進(jìn)行定位的問(wèn)題，降低故障檢測(cè)定位的復(fù)雜度，減少對(duì)器件的要求。利用已有的低速率控制信道實(shí)施，也不需要付出較多額外成本。

2.2 中心站業(yè)務(wù)線卡故障

網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行時(shí)，中心站控制處于工作狀態(tài)的業(yè)務(wù)線卡處理需要收發(fā)的數(shù)據(jù)。一旦處于工作狀態(tài)的業(yè)務(wù)線卡發(fā)生故障，故障線卡將無(wú)法響應(yīng)中心站控制單元的操作或者主動(dòng)向控制單元報(bào)告發(fā)生的故障。中心站根據(jù)上述現(xiàn)象判斷業(yè)務(wù)線卡發(fā)生故障。

中心站檢測(cè)到業(yè)務(wù)線卡故障后，在動(dòng)態(tài)分配波長(zhǎng)和時(shí)隙時(shí)，不再使用故障業(yè)務(wù)線卡的上下行波長(zhǎng)，將準(zhǔn)備發(fā)往該線卡的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到其他線卡。具體地，中心站只需要在動(dòng)態(tài)分配波長(zhǎng)和時(shí)隙時(shí)，將故障業(yè)務(wù)線卡的工作波長(zhǎng)從可用波長(zhǎng)中剔除。而動(dòng)態(tài)波長(zhǎng)、時(shí)隙分配機(jī)制和算法的其他部分、中心站的其他功能和網(wǎng)絡(luò)其他網(wǎng)元，依然按照正常工作狀態(tài)運(yùn)行。當(dāng)故障排除后，修復(fù)的業(yè)務(wù)線卡重新加入波長(zhǎng)和時(shí)隙的動(dòng)態(tài)分配中。

3 生存性成本分析

單純追求成本，無(wú)保護(hù)方案的成本必然最低。而單純追求生存性，受保護(hù)位置越多的方案生存性越好。實(shí)際上，成本和生存性是兩個(gè)相互矛盾的因素，所以在設(shè)計(jì)生存性保證方案時(shí)應(yīng)當(dāng)綜合考慮成本和生存性，找到成本效益最高的方案。本節(jié)將對(duì)比兩種生存性保證方案：無(wú)保護(hù)方案和環(huán)型樹(shù)主干光纖保護(hù)方案。無(wú)保護(hù)方案去除所提方案中用于保護(hù)的備份中心站和光開(kāi)關(guān)。環(huán)型樹(shù)主干光纖保護(hù)方案在所提方案的基礎(chǔ)上增加了保護(hù)光纖和光開(kāi)關(guān)，對(duì)樹(shù)主干光纖進(jìn)行保護(hù)。

定義網(wǎng)絡(luò)生存性成本比是相對(duì)生存性與相對(duì)成本之比：

生存性成本比越高，生存性保證方案的成本效益越好。其中，方案i的相對(duì)成本和相對(duì)生存性分別為：

Costi和Si(m)是方案i（i=1,2,3）的總成本和m點(diǎn)故障生存性。無(wú)保護(hù)方案、所提方案和環(huán)型樹(shù)主干光纖保護(hù)方案分別對(duì)應(yīng)方案1、方案2和方案3。

設(shè)Cx為設(shè)備或器件x的成本，NLC是中心站的業(yè)務(wù)線卡數(shù)，NRN是遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)數(shù)，NTDM-Tree是每個(gè)遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)下TDM分支的個(gè)數(shù)，NONU是每個(gè)TDM分支上的ONU數(shù)，NOA是光纖環(huán)上的光放大器數(shù)，LR、LT、LS和LC分別是光纖環(huán)、樹(shù)主干光纖、樹(shù)分支光纖和用于保護(hù)的光纖長(zhǎng)度。則無(wú)保護(hù)方案、所提方案和環(huán)型樹(shù)主干光纖保護(hù)方案的總成本依次為：

m點(diǎn)故障生存性指m點(diǎn)發(fā)生故障后，網(wǎng)絡(luò)平均殘余通信容量占全網(wǎng)正常通信容量的比例[19,20]，即：

其中，C(0)是全網(wǎng)無(wú)故障正常通信時(shí)的通信容量，C(m)是全網(wǎng)中指定的m點(diǎn)發(fā)生故障后的殘余通信容量是全網(wǎng)所有m點(diǎn)故障情形下的平均殘余通信容量。

表1是不同方案在不同數(shù)量故障點(diǎn)情況下的相對(duì)生存性和相對(duì)成本。在計(jì)算中，中心站的業(yè)務(wù)線卡為8個(gè)，遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)為8個(gè)，ONU總數(shù)為1 024個(gè)，光放大器為4個(gè)，光纖環(huán)長(zhǎng)是100 km，樹(shù)主干光纖取19.5 km，樹(shù)分支光纖取0.5 km，用于保護(hù)的光纖長(zhǎng)度是19.5 km。根據(jù)參考文獻(xiàn)[21]確定不同設(shè)備或器件的成本Cx，其中歐洲的光纖鋪設(shè)成本遠(yuǎn)高于亞洲。光纖的平均故障率取1.37×10-5/km[22]。從表1可以看出，與無(wú)保護(hù)相比，所提方案在歐洲多點(diǎn)故障場(chǎng)景下只需付出1%的生存性保證成本，就能帶來(lái)54%的生存性提高。

表1 相對(duì)生存性和相對(duì)成本

圖4是各種方案單點(diǎn)故障下的生存性成本比。可以看出，所提方案在亞洲和歐洲的成本效益都是最高的，而且在歐洲的成本效益更高。環(huán)型樹(shù)主干光纖保護(hù)方案在歐洲的成本效益最低。造成上述現(xiàn)象的原因是，所提方案利用光纖環(huán)進(jìn)行生存性保證，未增加冷備份保護(hù)光纖，成本增加相對(duì)少，而所提方案針對(duì)故障影響最大的主干光纖環(huán)進(jìn)行保護(hù)，帶來(lái)的生存性提高又大于付出的成本，所以生存性成本比大于其他生存性提升小于或等于成本的方案的生存性成本比。對(duì)于歐洲場(chǎng)景，由于光纖鋪設(shè)成本是網(wǎng)絡(luò)總成本的主要組成部分，所提方案付出的光開(kāi)關(guān)等額外成本相對(duì)于巨額的光纖成本只占總成本的1%，又由于歐洲和亞洲的生存性不變，所以所提方案在歐洲的成本效益更高；環(huán)型樹(shù)主干光纖保護(hù)方案保護(hù)的位置多，成本付出最多。特別是在歐洲場(chǎng)景，該方案需要增加156 km的備份光纖，而歐洲的光纖成本非常高。另外，在ONU總數(shù)為1 024個(gè)時(shí)，單點(diǎn)故障主要發(fā)生在樹(shù)分支光纖，該方案的生存性優(yōu)勢(shì)又沒(méi)有充分顯現(xiàn)出來(lái)。

圖4 單點(diǎn)故障下各種方案的生存性成本比

綜上，所提方案針對(duì)故障影響最大的主干光纖環(huán)進(jìn)行保護(hù)，并且利用光纖環(huán)進(jìn)行生存性保證，未增加冷備份保護(hù)光纖。所提方案最優(yōu)時(shí)只需付出1%的生存性保證成本，就能帶來(lái)54%的生存性提高。與其他方案相比，在最經(jīng)常出現(xiàn)的單點(diǎn)故障下，所提方案具備最高的成本效益。

4 保護(hù)倒換時(shí)間

定義保護(hù)倒換時(shí)間為從故障發(fā)生到受故障影響的ONU再次根據(jù)帶寬授權(quán)發(fā)送業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)之間的時(shí)間。所提生存性保證方案的保護(hù)倒換時(shí)間由以下時(shí)延組成。

（1）故障監(jiān)測(cè)時(shí)間Tdetection

Tdetection為從故障發(fā)生到中心站和距中心站最遠(yuǎn)的受故障影響的遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)都檢測(cè)到故障的時(shí)間。設(shè)故障發(fā)生在光纖環(huán)逆時(shí)針距中心站Lfailure處，光纖環(huán)總長(zhǎng)LR，資源調(diào)度周期為T(mén)cycle。假定中心站和遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)連續(xù)3個(gè)周期收不到正常的連接狀態(tài)信息時(shí)，判斷網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生了故障。光纖環(huán)逆時(shí)針距中心站LRkm處有一個(gè)遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)。

若故障發(fā)生時(shí)，當(dāng)前周期控制信道上的控制信息剛好已通過(guò)故障點(diǎn)，中心站和遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)需要通過(guò)下一周期的控制信息獲知發(fā)生了故障，則此時(shí)故障監(jiān)測(cè)時(shí)間為上限時(shí)間：

其中，cfiber為光在光纖中的傳播速度，LR-Lfailure為與中心站傳輸距離最遠(yuǎn)的受故障影響遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)與故障點(diǎn)間的距離。若故障發(fā)生時(shí)，連接狀態(tài)信息正要通過(guò)故障點(diǎn)，卻因故障被阻斷，則故障監(jiān)測(cè)的下限時(shí)間為：

（2）光開(kāi)關(guān)切換時(shí)間Tos

Tos為光開(kāi)關(guān)執(zhí)行倒換操作的時(shí)間。此時(shí)間由光開(kāi)關(guān)的自身性能決定。

（3）遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)測(cè)距時(shí)間Tranging_RN

Tranging_RN為從光開(kāi)關(guān)完成倒換到中心站完成對(duì)所有受故障影響遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)重新測(cè)距的時(shí)間。若光開(kāi)關(guān)倒換完成時(shí)，中心站剛好錯(cuò)過(guò)在當(dāng)前周期發(fā)起對(duì)遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)測(cè)距的機(jī)會(huì)或遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)未響應(yīng)當(dāng)前周期的測(cè)距請(qǐng)求（因距離故障點(diǎn)遠(yuǎn)，比中心站晚檢測(cè)到故障。考慮環(huán)長(zhǎng)100 km，遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)最多晚一個(gè)周期響應(yīng)測(cè)距請(qǐng)求），則此時(shí)的遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)測(cè)距時(shí)間為上限時(shí)間：

其中，Nfailure_RN為受故障影響的遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)數(shù)，2×LR/cfiber為每個(gè)遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)測(cè)距所需的時(shí)間。該時(shí)間忽略處理時(shí)延，并且考慮需要按最遠(yuǎn)傳輸距離為每個(gè)遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)開(kāi)窗。若光開(kāi)關(guān)倒換完成時(shí)，中心站剛好可以在當(dāng)前周期發(fā)起對(duì)遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)的測(cè)距，遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)也能響應(yīng)測(cè)距請(qǐng)求，則此時(shí)遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)測(cè)距的下限時(shí)間為：

（4）業(yè)務(wù)恢復(fù)時(shí)間Trecovery

Trecovery為從中心站完成遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)測(cè)距到ONU再次根據(jù)帶寬授權(quán)發(fā)送業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)之間的時(shí)間。在這段時(shí)間，中心站首先需要為遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)計(jì)算均衡時(shí)延，然后根據(jù)遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)均衡時(shí)延的調(diào)整值，為ONU計(jì)算均衡時(shí)延，最后向遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)和ONU通知均衡時(shí)延。所以，忽略處理時(shí)延，業(yè)務(wù)恢復(fù)時(shí)間的上限為：

其中，LA是從遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)到ONU的最遠(yuǎn)傳輸距離。業(yè)務(wù)恢復(fù)時(shí)間的下限為：

（5）處理時(shí)間

網(wǎng)絡(luò)中的處理時(shí)間包括中心站監(jiān)測(cè)到故障后判斷故障類(lèi)型的時(shí)間、中心站計(jì)算均衡時(shí)延的時(shí)間、遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)和ONU處理中心站測(cè)距和帶寬授權(quán)信息的時(shí)間。處理時(shí)延通常只有幾或幾十微秒，對(duì)毫秒量級(jí)的保護(hù)倒換時(shí)間影響不大。因此為了使分析更加簡(jiǎn)潔，在本節(jié)的保護(hù)倒換時(shí)間分析和計(jì)算中不考慮處理時(shí)間。

綜上，保護(hù)倒換時(shí)間的上下限分別為：

本文在LR取100 km，LA取20 km，Lfailure從12.5 km變化到100 km，Nfailure_RN從8個(gè)變化到1個(gè)，TOS取最差值20 ms，Tcycle為2 ms，cfiber為200 km/ms的條件下，對(duì)所提生存性保證方案的保護(hù)倒換時(shí)間進(jìn)行了計(jì)算。

從圖5可以看出，全網(wǎng)的保護(hù)倒換時(shí)間最大為41 ms，滿足標(biāo)準(zhǔn)的50 ms保護(hù)倒換時(shí)間要求。隨著故障位置逆時(shí)針?lè)较蚺c中心站的距離越來(lái)越遠(yuǎn)，保護(hù)倒換時(shí)間逐漸下降。造成上述趨勢(shì)的原因是：首先，由于光開(kāi)關(guān)切換時(shí)間固定，保護(hù)倒換時(shí)間主要受故障監(jiān)測(cè)時(shí)間、遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)測(cè)距時(shí)間和業(yè)務(wù)恢復(fù)時(shí)間的影響。然后，對(duì)于遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)測(cè)距時(shí)間，故障位置越遠(yuǎn)，受故障影響的遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)越少，用于遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)測(cè)距的時(shí)間也越短；對(duì)于業(yè)務(wù)恢復(fù)時(shí)間，隨著故障位置逆時(shí)針?lè)较蚺c中心站的距離越來(lái)越遠(yuǎn)，保護(hù)倒換后，中心站與受故障影響的遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)反而更近，控制信息在光纖中的傳播時(shí)延下降；對(duì)于故障監(jiān)測(cè)時(shí)間，因?yàn)橹行恼竞腿窟h(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)都需要發(fā)現(xiàn)故障，所以故障監(jiān)測(cè)時(shí)間取最后發(fā)現(xiàn)故障設(shè)備的故障監(jiān)測(cè)時(shí)間。故障位置遠(yuǎn)時(shí)，中心站發(fā)現(xiàn)故障的時(shí)間長(zhǎng)，而故障位置近時(shí)遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)故障的時(shí)間長(zhǎng)。因此，實(shí)際上故障監(jiān)測(cè)時(shí)間隨故障位置變遠(yuǎn)而先變小再變大。綜上，遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)測(cè)距時(shí)間和業(yè)務(wù)恢復(fù)時(shí)間呈現(xiàn)變小趨勢(shì)，而故障監(jiān)測(cè)時(shí)間先變小再變大。又因?yàn)檫h(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)測(cè)距時(shí)間和業(yè)務(wù)恢復(fù)時(shí)間的下降幅度比故障監(jiān)測(cè)時(shí)間的變化幅度大，所以保護(hù)倒換時(shí)間最終呈現(xiàn)出故障位置越遠(yuǎn)保護(hù)倒換時(shí)間越小的變化規(guī)律。

圖5 不同故障位置下保護(hù)倒換時(shí)間的上下限

5 結(jié)束語(yǔ)

本文所提生存性保證方案，利用控制信道定位和檢測(cè)故障，通過(guò)中心站和遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)分別切換保護(hù)光開(kāi)關(guān)完成保護(hù)倒換，利用波長(zhǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)度能力轉(zhuǎn)移故障中心站業(yè)務(wù)線卡的業(yè)務(wù)。所提方案能降低故障檢測(cè)定位的復(fù)雜度，不借助備份實(shí)現(xiàn)對(duì)中心站業(yè)務(wù)線卡的生存性保證，降低為采取生存性保證付出的成本。所提方案還針對(duì)故障影響最大的主干光纖進(jìn)行保護(hù)，并且利用光纖環(huán)進(jìn)行生存性保證，不需要增加備份保護(hù)光纖。本文進(jìn)行了全網(wǎng)生存性和成本的綜合定量分析。分析計(jì)算表明，所提方案最優(yōu)時(shí)只需付出1%的生存性保證成本，就能帶來(lái)54%的生存性提高。與其他方案相比，所提方案具備最高的成本效益，所提方案的保護(hù)倒換能控制在50 ms內(nèi)完成。

1 Duser M.A review of past,present and future optical networks optics is driving structural change.Proceedings of Optical Fiber Communication Conference and Exposition and the National Fiber Optic Engineers Conference(OFC/NFOEC),Los Angeles,USA,2011

2 Payne D.FTTP deployment options and economic challenges.Proceedings of European Conference and Exhibition on OpticalCommunication(ECOC),Vienna,Austria,2009

3 ITU-T G.989.1.40-Gigabit-Capable Passive Optical Networks(NG-PON2):General Requirements,2013

4 Luo Y,Zhou X,Effenberger F,et al.Time-and wavelengthdivision multiplexed passive optical network(TWDM-PON)for next-generation PON stage 2(NG-PON2).Journal of Lightwave Technology,2013,31(4):587～593

5 ITU-T G.984.1.Gigabit-Capable Passive Optical Networks(G-PON):General Characteristics,2008

6 Chan T J,Chan C K,Chen L K,et al.A self-protected architecture for wavelength-division-multiplexed passive optical networks.IEEE Photonics Technology Letters,2003,15(11):1660～1662

7 Wang Z,Sun X,Lin C,et al.A novel centrally controlled protection scheme for traffic restoration in WDM passive optical networks.IEEE Photonics Technology Letters,2005,17(3):717～719

8 Bock C,Arellano C,Prat J.Resilient single-fiber ring access network using coupler-based OADMs and RSOA-based ONUs.Proceedings of Optical Fiber Communication Conference and Exposition and the National Fiber Optic Engineers Conference(OFC/NFOEC),Anaheim,CA,USA,2006

9 Seol D M,Jung E S,Lee S S.Cost-effective protection in long-reach hybrid PON.Proceedings of European Conference and Exhibition on Optical Communication(ECOC),Torino,Italy,2010

10 Tsubokawa M.Reliability evaluation for distributed PONs with ring and tree topologies.Journal of Optical Communications and Networking,2012,4(10):790～798

11 Wang Z,Sun X,Lin C,et al.A novel centrally controlled protection scheme for traffic restoration in WDM passive optical networks.IEEE Photonics Technology Letters,2005,17(3):717～719

12 Cheng X,Wen Y J,Xu Z,et al.Survivable WDM-PON with self-protection and in-service fault localization capabilities.Optics Communications,2008,281(18):4606～4611

13 Wong E,Mueller M,Amann M C.Characterization of energy-efficient and colorless ONUs for future TWDM-PONs.Optics Express,2013,21(18):20747～20761

14 Ossieur P,Antony C,Naughton A,et al.Demonstration of a hybrid DWDM-TDMA PON using tunable external cavity lasers in the ONUs.Journal of Lightwave Technology,2011,29(24):3705～3718

15 Hu X,Chen X,Zhang Z,et al.Dynamic wavelength and bandwidth allocation in flexible TWDM optical access network.IEEE Communications Letters,2014,18(12):2113～2116

16 Fan P,Chen H,Chen M,et al.Self-protected scheme for wavelength reusable WDM passive optical networks.Proceedings of Optical Fiber Communication Conference and Exposition and the National Fiber Optic Engineers Conference(OFC/NFOEC),Los Angeles,CA,USA,2011

17 Esmail M A,Fathallah H.Fiber fault management and protection solution for ring-and-spur WDM/TDM long-reach PON.Proceedings of Global Telecommunications Conference(GLOBECOM),Houston,USA,2011

18 Wosinska L,Chen J,Larsen C P.Fiber access networks:reliability analysis and Swedish broadband market.IEICE Transactions on Communications,2009,E92-B(10):3006～3014

19 皇甫偉,容鵬,曾烈光.SDH自愈環(huán)生存性定量分析.電子學(xué)報(bào),2001,29(11):1558～1560 Huang P,Rong P,Zeng L G.Analysis of SDH self-healing ring survivability quantitative.Journal of Electronics,2001,29(11):1558～1560

20 陳虹,蘇厲,史國(guó)偉等.EPON接入網(wǎng)的生存性.清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004,44(7):933～937 Chen H,Su L,Shi G W,et al.The survivability of EPON access network.Journal of Tsinghua University(Natural Science Edition),2004,44(7):933～937

21 Chen J,Wosinska L,Machuca C M,et al.Cost vs.reliability performance study of fiber access network architectures.IEEE Communications Magazine,2010,48(2):56～65

22 Fan P,Chen H,Chen M,et al.Self-protected scheme for wavelength reusable WDM passive optical networks.Proceedings of Optical Fiber Communication Conference and Exposition and the National Fiber Optic Engineers Conference(OFC/NFOEC),Los Angeles,CA,USA,2011