低時延無源光網絡的現網兼容機制探討

摘要：ITU-T 50G-PON標準制定了低時延需求和功能。正在規(guī)模部署的XG（S）-PON也在討論增加相應的低時延特性，但需要考慮兼容現網中不支持低時延特性的ONU。本文以XG（S）-PON為例，提供一種低時延無源光網絡的現網兼容機制，使得在部署低時延無源光網絡時，現網中非低時延ONU可以繼續(xù)應用。

關鍵詞：低時延無源光網絡;現網ONU;部署;兼容現網

一、低時延無源光網絡標準化及應用情況

ITU-T 50G-PON于2021年9月初步完成標準化，可以承載5G前傳、高級視頻傳輸等低時延業(yè)務[1]，定義了專用激活波長（DAW， Dedicated Activation Wavelength）[2]以消除ONU激活過程中安靜窗口帶來的時延影響，定義了支持低時延特性的動態(tài)帶寬分配（DBA ， Dynamic Bandwidth Assignment）框架[2]，以支持承載低時延業(yè)務。

ITU-T XG（S）-PON標準[3-5]早于50G-PON成熟，目前相對應的10G PON產品開始進入規(guī)模部署階段。在50G-PON標準化過程中，業(yè)界同時在討論將50G-PON的低時延技術應用到XG（S）-PON，設備廠商研制了低時延XG（S）-PON設備，運營商開展了低時延XG（S）-PON測試和試點，獲得了良好的效果[6]。目前低時延XG（S）-PON的標準化討論主要參考50G-PON標準，其中，需通過專用激活波長進行激活，以避免在上行業(yè)務波長上開放安靜窗口。隨著標準化的完善，將要部署的低時延XG（S）-PON面臨的問題是，不支持專用激活波長的現網XG（S）-PON ONU，包括已經部署的和即將部署的，是否可以繼續(xù)在低時延XG（S）-PON網絡中應用，這涉及到保護運營商的前期投資和XG（S）-PON現網用戶的權益。

本文以XG（S）-PON為例，通過分析現網XG（S）-PON、低時延XG（S）-PON的技術特征，提出一種低時延無源光網絡的現網兼容機制，既可以用于XG（S）-PON，也可以用于其他無源光網絡，使得現網ONU可以在低時延無源光網絡中繼續(xù)工作。

二、現網和低時延XG（S）-PON的工作機制

這部分闡述現網和低時延XG（S）-PON的工作機制，主要是現網和低時延XG（S）-PON的激活機制，為后續(xù)分析低時延XG（S）-PON兼容現網存在的問題以及尋找相應的解決方法做準備。

（一）現網XG（S）-PON工作機制

現網XG（S）-PON架構如圖 1所示。OLT（Optical Line Terminal，光線路終端）通過點到多點ODN連接多個ONU（Optical Network Unit，光網絡單元），OLT需要獲取ONU的SN（Serial Number，序列號）信息并根據SN信息分配ONU-ID以建立初始通信，OLT還需要對ONU進行測距并將測距結果配置給ONU以消除與各ONU之間的光纖距離差異，這些操作通過激活機制來實現。XG（S）-PON OLT和ONU之間采用一對上下行波長，即下行業(yè)務波長（1575-1580nm）和上行業(yè)務波長（1260-1280nm）[4-5]，激活機制在這對波長上進行。

激活機制包括完整激活機制和快速激活機制，下面分別進行闡述。

1.完整激活機制

在現網XG（S）-PON中，ONU初次接入網絡時，一般需要完整激活過程，包括OLT獲取ONU的SN信息并根據SN信息分配ONU-ID和OLT對ONU進行測距并將測距結果配置給ONU[3-4]。如圖 2所示，完整激活流程一般為：

（1）OLT在上行業(yè)務波長打開預定長度的安靜窗口，廣播發(fā)送SN請求消息。

開放安靜窗口，是為了保證ONU發(fā)送的SN響應消息和測距響應消息不與其它正常工作ONU的上行信息沖突。在安靜窗口內，其它正常工作ONU不會獲得上行帶寬而停止上行信息發(fā)送。

（2）若有ONU待激活，則該ONU在接收到SN請求消息后，向OLT發(fā)送包括自身SN的響應消息。

（3）OLT接收到ONU的SN響應消息，確定當前有ONU需要激活，則根據接收到的SN信息向該ONU分配ONU-ID。

（4）OLT再次在上行業(yè)務波長打開預定長度的安靜窗口，向該ONU發(fā)送測距請求消息。

（5）該ONU接收到測距請求消息后，向OLT發(fā)送測距響應消息。

（6）OLT接收到測距響應消息，根據測距請求消息、測距響應消息的時間差，可以計算得到雙向傳輸時間，再結合系統(tǒng)設置的OLT和ONU之間的最遠距離，可計算得出ONU所需的均衡時延，并向該ONU發(fā)送均衡時延，完成測距。

均衡時延是表示當ONU收到OLT分配的上行帶寬時，需等待均衡時延所對應的時間后才在上行帶寬內向OLT發(fā)送上行信息，其實質上用以消除OLT與各ONU之間的光纖距離差異。

（7）OLT給該ONU分配上行帶寬。

（8）該ONU根據接收到的ONU-ID、均衡時延、上行帶寬進行自身狀態(tài)的配置，完成激活，從而可開始根據上行帶寬向OLT發(fā)送上行信息。

2. 快速激活機制

現網XG（S）-PON中，如果OLT提前獲取了ONU的SN信息和均衡時延，可以采用快速激活機制進行ONU激活，省卻獲取SN信息過程和測距過程。如圖 3所示，快速激活過程一般為：

（1）OLT根據提前獲取的SN信息向ONU分配ONU-ID。

（2）OLT把提前獲取的均衡時延發(fā)送給該ONU。

（3）OLT給該ONU分配上行帶寬。

（4）該ONU根據接收到的ONU-ID、均衡時延、上行帶寬進行自身狀態(tài)的配置，完成激活，從而可開始根據上行帶寬向OLT發(fā)送上行信息。

（二）低時延XG（S）-PON工作機制

50G-PON的專用激活波長有多種實現方式[2]，可以是一個上行波長，也可以是一對上下行波長，50G-PON可以單獨完成專用激活波長功能，也可以與遺留系統(tǒng)（例如GPON系統(tǒng)或者XG（S）-PON系統(tǒng)）配合完成專用激活波長功能。

低時延XG（S）-PON雖然未完全標準化，但是可以沿用50G-PON的專用激活波長功能。為了簡化起見，僅在XG（S）-PON系統(tǒng)中增加一個上行專用激活波長，與GPON共存時可以采用GPON上行波長（1290-1330nm），也可以采用完全新定義的波長（例如1420-1450nm）[7]。基于上行專用激活波長的低時延XG（S）-PON架構如圖 4所示。

低時延XG（S）-PON激活機制與現網XG（S）-PON類似，只不過OLT在上行專用激活波長上開放安靜窗口，ONU在上行專用激活波長上向OLT發(fā)送SN響應和測距響應，使得激活過程與其他正常工作ONU在上行業(yè)務波長上發(fā)送信息彼此不沖突。低時延XG（S）-PON激活機制也包括完整激活機制和快速激活機制，由于本文中低時延XG（S）-PON激活機制用于配合兼容現網ONU，因此為了簡化描述，重點介紹低時延XG（S）-PON完整激活機制，如圖 5所示，其過程一般為：

（1）OLT在上行專用激活波長打開預定長度的安靜窗口，廣播發(fā)送SN請求消息。

如果上行專用激活波長不用于傳輸上行信息，則不需要開放安靜窗口，否則，開放安靜窗口是為了保證ONU的SN響應消息和測距響應消息不與其它正常工作ONU的上行信息沖突，在安靜窗口內，其它正常工作ONU不會獲得上行帶寬而停止上行信息發(fā)送。

（2）若有ONU待激活，則該ONU在接收到SN請求消息后，在上行專用激活波長上向OLT發(fā)送包括自身SN的響應消息。

（3）OLT接收到ONU的SN響應消息，確定當前有ONU需要激活，則根據收到的SN信息向該ONU分配ONU-ID。

（4）OLT再次在上行專用激活波長打開預定長度的安靜窗口，向該ONU發(fā)送測距請求消息。

（5）該ONU接收到測距請求消息后，在上行專用激活波長上向OLT發(fā)送測距響應消息。

（6）OLT接收到測距響應消息，根據測距請求消息、測距響應消息的時間差，可以計算得到雙向傳輸時間，再結合系統(tǒng)設置的OLT和ONU之間的最遠距離、上行專用激活波長和上行業(yè)務波長所對應折射率，可計算得出ONU在上行業(yè)務波長上的均衡時延，并向該ONU發(fā)送均衡時延，完成測距。

均衡時延是表示當ONU收到OLT分配的上行帶寬時，需等待均衡時延所對應的時間后才在上行帶寬內向OLT發(fā)送上行信息，其實質上用以消除OLT與各ONU之間的光纖距離差異。

（7） OLT給該ONU在上行業(yè)務波長上分配上行帶寬。

（8）該ONU根據接收到的ONU-ID、均衡時延、上行帶寬進行自身狀態(tài)的配置，完成激活，從而可開始根據上行帶寬在上行業(yè)務波長上向OLT發(fā)送信息。

三、兼容現網的低時延XG（S）-PON部署問題分析

在低時延XG（S）-PON的推廣過程中，為兼顧現有網絡設備和成本，通常無法完全使用低時延ONU構建無源光網絡，而是會在較長時間內，仍然有低時延ONU和現網ONU共存的場景。

低時延XG（S）-PON網絡中，低時延ONU除通過業(yè)務波長與OLT連接外，還通過專用激活波長與OLT連接。專用激活波長不同于業(yè)務波長，二者中的信息傳遞互不影響。而現網中已經存在或者即將部署的非低時延ONU是不支持專用激活波長的，這些ONU不支持低時延。因此，現網ONU在低時延XG（S）-PON網絡中的應用是存在較大困難的。

（一）現網ONU在低時延XG（S）-PON中應用的場景

現網ONU在低時延XG（S）-PON中的應用主要有以下幾種場景：

（1）將現網XG（S）-PON網絡升級成低時延XG（S）-PON網絡，一般為更換現網XG（S）-PON OLT為低時延XG（S）-PON OLT，包括支持專用激活波長。現網ONU需要能夠繼續(xù)工作;

（2）在低時延XG（S）-PON網絡中，將現網ONU更換為另一個現網ONU;

（3）在低時延XG（S）-PON網絡中，增加一個現網ONU;

（4）在低時延XG（S）-PON網絡中，現網ONU因為維護等原因先離線再上線。

其中，場景（1）和（4）類似，都是相當于現網ONU離線后再上線，OLT可以保存現網ONU的SN信息和均衡時延。如果現網ONU離線時間不長，可以采用快速激活機制恢復上線。但是如果離線時間太長，保存的均衡時延和事實的均衡實現之間可能出現較大變化，采用快速激活機制可能會影響其他正常工作的ONU，這種情況下需考慮采用其他激活機制。

場景（2）和（3）類似，新更換或者新增加的現網ONU都未與OLT建立過聯系，OLT未獲取過這些現網ONU的SN信息和均衡時延，無法直接采用快速激活機制，需要通過其他機制實現ONU的SN信息交互以及OLT對ONU進行測距。

（二）現網ONU在低時延XG（S）-PON中應用的問題分析

現網ONU不支持低時延特性，不支持專用激活波長，不能使用上行業(yè)務波長進行激活，如果其在低時延XG（S）-PON網絡中應用，不能采用完整激活機制，但是可以考慮采用快速激活機制。其中場景（a）和（d）中現網ONU一般可以采用快速激活機制，但是如果現網ONU離線時間過長則也不能采用快速激活機制。

如果現網ONU采用快速激活機制，則需要OLT能夠提前獲取到ONU的SN信息以及均衡時延。場景（2）和（3）、以及場景（1）和（4）的部分情況中，現網ONU和OLT之間缺少信息交互通道。

為了建立現網ONU和OLT之間的信息交互通道，可以考慮重用其他ONU與OLT建立的信息交互通道，例如，場景（2）中正在工作的現網ONU，再如所有低時延ONU具備與OLT信息交互的通道，因此，可以通過正在工作的現網ONU或者低時延ONU向OLT發(fā)送待加入網絡的現網ONU的SN信息，并重用正在工作的現網ONU、低時延ONU完成測距后的均衡時延，為了描述方面，將這些正在工作的現網ONU、低時延ONU為代理ONU。

四、低時延XG（S）-PON的現網兼容機制

綜合以上分析，可以由代理ONU在相應分支光纖上完成激活，待加入網絡的現網ONU通過代理ONU與OLT交互SN信息和均衡時延，OLT保存待加入網絡的現網ONU的SN信息及代理ONU的均衡時延，再將代理ONU替換為待加入網絡的現網ONU，OLT按照快速激活流程激活待加入網絡的現網ONU。為了區(qū)分現有激活機制，通過代理ONU進行的激活機制稱為代理激活機制。下面詳細描述代理激活機制。

（1）代理ONU已經完成激活，OLT給代理ONU在上行業(yè)務波長上分配上行帶寬。

（2）代理ONU將待加入網絡的現網ONU的SN信息發(fā)送給OLT，OLT保存待加入網絡的現網ONU的SN信息和代理ONU的均衡時延。

（3）將代理ONU替換為待加入網絡的現網ONU。

（4）OLT根據保存的SN信息向待加入網絡的現網ONU分配ONU-ID。

（5）OLT將保存的均衡時延發(fā)送給待加入網絡的現網ONU。

（6）OLT給待加入網絡的現網ONU在上行業(yè)務波長分配上行帶寬。

（7）待加入網絡的現網ONU根據接收到的ONU-ID、均衡時延、上行帶寬進行自身狀態(tài)的配置，完成激活，從而可開始根據上行業(yè)務波長上的上行帶寬向OLT發(fā)送信息。

（一）代理激活機制

1.當代理ONU為正在工作的現網ONU時，如圖 6所示，具體代理激活過程為：

2.當代理ONU為低時延ONU時，如圖 7所示，具體代理激活過程為：

（1）OLT在上行專用激活波長打開預定長度的安靜窗口，廣播發(fā)送SN請求消息。

如果上行專用激活波長不用于傳輸業(yè)務，則不需要開放安靜窗口，否則，開放安靜窗口，是為了保證ONU的SN響應消息和測距響應消息不與其它正常工作ONU的上行信息沖突，在安靜窗口內，其它正常工作ONU不會獲得上行帶寬而停止上行信息上傳。

（2）代理ONU在接收到SN請求消息后，在上行專用激活波長上向OLT發(fā)送包括自身SN的響應消息。

（3）OLT接收到代理ONU的SN響應消息，則根據收到的SN信息向代理ONU分配ONU-ID。

（4）OLT再次在上行專用激活波長打開預定長度的安靜窗口，向代理ONU發(fā)送測距請求消息。

（5）代理ONU接收到測距請求消息后，在上行專用激活波長上向OLT發(fā)送測距響應消息。

（6）OLT接收到測距響應消息，根據測距請求消息、測距響應消息的時間差，可以計算得到雙向傳輸時間，再結合系統(tǒng)設置的OLT和ONU之間的最遠距離、上行專用激活波長和上行業(yè)務波長所對應折射率，可計算得出代理ONU在上行業(yè)務波長上的均衡時延，并向代理ONU下發(fā)均衡時延，完成測距。

均衡時延是表示當ONU收到OLT分配的上行帶寬時，需等待均衡時延所對應的時間后才在上行帶寬內向OLT發(fā)送上行信息，其實質上用以消除OLT與各ONU之間的光纖距離差異。

（7）OLT給代理ONU在上行業(yè)務波長上分配上行帶寬。

（8）代理ONU根據接收到的ONU-ID、均衡時延、上行帶寬進行自身狀態(tài)的配置，完成激活，從而可開始根據上行帶寬在上行業(yè)務波長上向OLT發(fā)送信息。

（9）在OLT分配的上行帶寬內，代理ONU將待加入網絡的現網ONU的SN信息發(fā)送給OLT，OLT保存待加入網絡的現網ONU的SN信息和代理ONU的均衡時延。

（10）將代理ONU替換為待加入網絡的現網ONU。

（11）OLT根據將保存的SN信息，給待加入網絡的現網ONU分配ONU-ID。

（12）OLT將保存的均衡時延發(fā)送給待加入網絡的現網ONU。

（13）OLT在上行業(yè)務波長上給待加入網絡的現網ONU分配上行帶寬。

（14）待加入網絡的現網ONU根據接收到的ONU-ID、均衡時延、上行帶寬進行自身狀態(tài)的配置，完成激活，從而可開始根據上行業(yè)務波長上的上行帶寬向OLT發(fā)送信息。

（二）均衡時延的維護與更新

在代理激活過程中，現網ONU需要重用代理ONU的均衡時延，實際應用中，由于現網ONU和代理ONU在測距過程中的處理可能不完全一樣，例如ONU本地的響應時間不一樣，可能導致兩者實際的均衡時延存在誤差。

為了兼容均衡時延上的誤差，在現網ONU的代理激活過程中，OLT給現網ONU分配的上行帶寬需在前后預留足夠的保護間隔，以避免現網ONU發(fā)送的上行信息與其他ONU沖突。

另外，現網ONU完成激活后，后續(xù)可能會有離線再上線過程，在這個過程中現網ONU采用快速激活機制，現網ONU需重用之前的均衡時延，由于ODN網絡可能發(fā)生變化，現網ONU定期與OLT進行信息交互，比如，OLT發(fā)送上行帶寬，ONU響應該上行帶寬，OLT根據該信息交互，可以維持最新的均衡時延。如果現網ONU離線時間過長，ODN網絡可能發(fā)生較大變化，之前的均衡時延不能適用，因此需要采用代理激活機制進行激活。

（三）開通部署工具

在代理激活機制中，需要通過代理ONU將現網ONU的SN發(fā)送到OLT，另外還隱含了需要將現網ONU的SN信息輸入到代理ONU。如果代理ONU是正在工作的現網ONU，其不一定有該功能，也無法增加該功能。如果代理ONU是低時延ONU，則可以增加輸入現網ONU的SN信息的功能，當然這不是低時延ONU普遍需要的功能，而是僅僅需要用于代理ONU時才需要這個功能。

因此，考慮提供一種開通部署工具作為代理ONU，該工具是一個簡化的低時延ONU，可以與OLT進行完整激活，可以在該工具輸入現網ONU的SN信息，該工具還支持將現網ONU的SN信息發(fā)送到OLT。總體來講，開通部署工具更加通用，更加簡單便捷。

五、結束語

本文分析了現網ONU、低時延ONU的激活機制，以及在低時延XG（S）-PON中兼容現網ONU存在的問題，提出了基于代理ONU的代理激活機制，并進一步提供了一種開通部署工具，作為通用、便攜的代理ONU，專門用于現網ONU在低時延XG（S）-PON中的激活。

需要指出的是，本文的低時延無源光網絡現網兼容機制以XG（S）-PON為例子進行闡述，實際上對于其它無源光網絡也是適用的。例如，對于50G-PON，初始部署可以不支持低時延特性，等低時延需求非常明確后再逐步向低時延50G-PON演進部署，這個過程也可以采用本文提供的低時延無源光網絡的現網兼容機制。

作者單位：張偉良" " 袁立權" " 中興通訊股份有限公司

參" 考" 文" 獻

[1]“Higher speed passive optical networks - Requirements”， ITU-T G.9804.1， 2019.11

[2]“Higher Speed Passive Optical Networks： Common Transmission Convergence Layer Specification”， ITU-T G.9804.2， 2021.09

[3]“10-Gigabit-capable passive optical networks （XG-PON）： Transmission convergence （TC） layer specification”， ITU-T G.987.3， 2014.01

[4]“10-Gigabit-capable symmetric passive optical network （XGS-PON）”， ITU-T G.9807.1， 2016.06

[5]“10-Gigabit-capable passive optical networks （XG-PON）： Physical media dependent （PMD） layer specification”，ITU-T G.987.2，2016.02

[6]王新盛，“低時延增強，為光接入網提供確定性低時延”，中興通訊技術（簡訊），2021.07.21，https：//www.zte.com.cn/china/about/magazine/zte-technologies/2021/7-cn/3/2.html

[7] W. Zhang， et al.， “Discussion on band plan of dedicated activation wavelength”， ITU-T meeting， 2020.04.20