无源光网络冗余保护及应用实现

余辰东

（中兴通讯股份有限公司上海研发中心，上海 201203）

无源光网络（PON）是采用点到多点（P2MP）结构的单纤双向光接入网，其典型拓扑结构为树型或星型：局端光线路终端（OLT）处于工中心位置，通过光分配网络（ODN）连接多个ONU设备（光网络单元），并通过ONU实现业务接入。PON网络有以下的显著特征。

（1）PON网络属于接入网范畴，向上提供SNI（业务网络接口）接口，实现业务向上转发；向下提供UNI（用户网络接口）接口，实现最终业务的接入。

（2）业务转发在下行方向（OLT到ONU），OLT发送信号通过光分路器（或分光器级联）广播到各个ONU。在上行方向（ONU到OLT），各个ONU根据OLT指定的时间发送信息。

（3）PON网络中的冗余保护包括SNI接口保护以及ODN保护：前者完成对OLT下特定业务的保护，后者完成ODN网络下特定链路和用户的保护。

（4）SNI/ODN状态监控以及主备端口/链路之间的快速切换是衡量PON网络的重要指标。

1 PON网络基本结构

PON网络基本结构本质上就是ODN采用点对多点的拓扑结构。按照其连接方式不同可以分为4种结构。

（1）星型网络：点对多点网络结构，利用一系列可以级联的分光器，实现对下行信号的均分以及上行信号的汇聚。分光器一般采用平衡的分光器，分光级数一般不超过3级。（2）树型网络：可认为是星型网络的拓展，从逻辑结构上是实现OLT设备的二级堆叠，节约上行链路资源：即一个OLT下联多个子OLT，每个子OLT再实现对ONU的星型连接。（3）总线型网络：点对多点网络的一种拓展，利用一系列串联的非平衡分光器，以便从光总线上检出OLT发送的信号，同时又能将每一个ONU发送的信号插入光总线，传送给OLT。这种方式由于非平衡分光器，在光总线中引入损耗，所以总的光预算比星型网络更为严格。（4）环型网络：点对多点网络的一种拓展，可看做是总线型结构的一种特例，即逻辑上等效于一个折叠的总线型结构。这种闭合的总线型结构某些情况下可提升网络可靠性。

2 PON网络冗余保护类型

PON网络接入用户数量巨大且业务量日益提升，因此PON网络安全性也日益重要。就PON网络中的冗余保护而言，可以分为上联口冗余保护两种和ODN光纤冗余保护。

上联网络冗余保护，是通过在PON OLT上联口进行聚合或主备配置，实现对PON OLT下业务的带宽扩容或保护。由于PON OLT和上层对接时使用标准以太网技术，因此以太网的聚合或保护技术都可以在PON设备上得到应用。上联网络保护本质上是对二层/三层数据业务的保护，与PON设备（OLT/ONU/ODN）内部网络拓扑无关。

ODN网络光纤冗余保护，是在OLT和ONU之间建立主干光纤/全链路光纤的冗余备份，实现对特定ONU的保护。由于总线型和环型拓扑本身就具备一定的保护能力，因此现有的线路保护主要是针对星型和树型拓扑结构。区别于传统SDH/PDH网络本身具备软件逻辑保护能力。ODN网络是对光信号的物理分路/汇聚，其本身并不提供逻辑判断和软件处理，因此其保护只能依赖ODN两端链路/端口状态检测和两端设软件逻辑的处理实现。

3 xPON线路保护类型

对于ODN本身，保护通常指在网络的某部分建立备用光通道。ITU-T G.938.5定义了APON/BPON的保护方式，由于各种PON技术在物理层的高度相似性，EPON沿用了G.983.5中的保护方式。GPON在ITU-TG.984.1建议中规定了面向PON结构的保护倒换技术。ITU-T标准中提供了4种类型结构的保护倒换，两种主干光纤保护（方案1、2），两种全链路保护（方案3、4）。对不同的光链路保护类型，EPON系统对光链路保护倒换的前3种方案：业务中断时间小于150 ms；方案4小于50 ms。对所有的光链路保护类型，GPON系统中业务中断时间小于50 ms。上述保护时间主要考虑话音业务情况，若帧丢失时间大于120 ms，则话音业务的呼叫连接会被断开，信号倒换以后还需要重新建立呼叫，对用户影响严重。

3.1 主干光纤保护

主干光纤保护方式针对OLT PON口到主分光器（一级分光器）之间的主干光纤进行保护。实际网络中分光器尽量部署靠近用户端，由于主干光纤覆盖范围较大，其被损坏概率也相应增加，针对这一段光纤的保护可以在成本相对可控的情况下大幅提升PON网络的可靠性。

主干光纤保护方式中，切换由OLT内部实现，无需进行ONU协商，不需要特殊的切换协议，因此做到成本最优。有如下两种方案。

方案1：OLT的两个PON口采用相同的PON MAC芯片，通过1:2电开关连接至两个光模块，实现两个PON口的保护。但无法对OLT PON线卡故障进行保护。这种方案工程中并没有得到实际应用。

方案2：OLT的两个PON口分别采用独立的PON MAC芯片和光模块，实现两个PON口的保护。可以实现OLT同一PON板内以及PON板间的PON口保护。该方案保护如图1所示。

图1 主干光纤保护方式

这种方式中备用OLT PON端口处于冷备用状态，即备用OLT PON口的光模块发射机关闭，在切换过程中，由于冷备份光模块被激活到正常工作状态需要一段较长时间的导致不可避免的信号损失。保护倒换过程中，由OLT检测链路保护、OLT PON端口状态，并完成倒换。OLT主用PON口的业务信息同步备份到备用PON端口，维持下接ONU的业务属性不变。此方式中主干光纤的故障影响率下降50%，系统存活率提升一倍。

3.2 光纤全线路保护

主干光纤保护方式实现从OLT到分光器之间的线路保护，但无法防止从分光器到ONU用户之间的支路线路的故障。针对重要用户（ONU），需要考虑光纤全线路保护方式：OLT和ONU均配置主备两个PON模块；主干光纤敷设主备两条光纤线路，设置两套分光器；对每个ONU敷设两条支路光纤，分别从不同的分光器中引出。具体有如下两种方案：

方案3，OLT双PON口，ONU双光模块（采用一个PON MAC和两个光模块，备用光模块处于冷备用状态），主干光纤、光分路器和分支光纤均双路冗余。OLT主备光模块采用热备份方式。相关器件故障影响率下降50%，系统存活率均提升100%。

OLT主备PON接口均处于热备份工作状态。在切换过程中，信号损失较小。OLT主用PON端口的业务信息同步备份到备用PON端口，维持ONU的业务属性不变。ONU和OLT均检测链路状态，并根据链路状态决定是否切换，因此需要切换协议支持。

方案4，在方案3基础上进行了强化，如图2所示：ONU具有2个独立PON口（分别包含PON MAC芯片和光模块等）且分别注册到OLT的两个PON口上。ONU的两个PON口均处于热备份工作状态。

图2 全光纤保护方式（方案4）

通过上述强化保护，PON区间任意点故障都可以用备份设备来切换，是一种完全双重化的保护结构。主干光纤、分路器、OLT和ONU的故障系统影响率均下降50%，每部分系统存活率均提升100%，总体提升率和网络组成节点有关。在这种方案下，多个失效同时方式的情况下系统也能得到有效的恢复。与前面3种相比，这种方案自愈能力最强，然而这类防护结构所用的元器件多，成本高，同时需要切换协议和比较复杂的管理。

4 xPON线路保护的工程应用

4.1 保护方式的选择

工程中使用xPON线路保护提升了线路安全性，这种方式需要部署更多光纤，占用更多PON口资源。从成本和资源角度考虑对所有ONU进行保护，将导致OLT在相同情况下，接入ONU/用户数量减少50%。若考虑采用全保护，支路光纤的投资将翻倍，同时更为重要的是由于ONU具有两个独立的PON口，以及相应的软件逻辑判断，将导致ONU的成本上升，从而导致全保护方式下线路/ONU成本的效益下降。因此在XPON线路保护主要是对特定ONU/用户提供冗余线路的保护，保护方式主要采用主干光纤保护方式。

xPON线路护方式中需要注意相同PON线卡的不同PON口可能处于同一硬件模块控制。因此需要考虑PON线卡硬件可靠性，工程应用中建议采用不同PON线卡间的冗余保护。

4.2 光纤部署应用

xPON线路保护中对于光纤工程部署具体的实施方法如下。

（1）不同光纤承载不同光通道，但主用和备用光纤在同一光缆中，即同缆分纤方式。这种方式最简单经济，但不能保护光缆切断故障。

（2）不同光纤承载不同光通道，主用和备用光纤在不同光缆内，但置于同一管道或路由上。这种方式可以防止普通光缆切断故障，但不能防止大型故障（大型机械的施工事故等）。

（3）不同光纤承载不同光通道，主用和备用光纤不仅不同缆，而且管道或路由也不同。这种方式提供最大程度的保护，但经济代价也最高。

在PON系统中为实现PON设备的自动功率控制（AGC）的简化实现和时钟数据恢复（CDR）的精确可控，需要减小分光器对不同支路光纤的影响，因此使用光功率均分的平衡分光器。主干光纤保护方式使用2：N的光均分器，考虑PON设备的快速倒换需要，建议主干光纤使用等长光纤。否则在切换过程中，由于主备用光纤的物理距离不同导致ONU需要重新测试，所以这种保护结构在系统出现故障时无法实现小于50ms的保护倒换时间。

4.3 xPON线路倒换应用

xPON的保护倒换支持自动倒换和强制倒换。自动倒换是指系统自身检测出故障并触发保护倒换操作，例如系统检测到信号丢失，帧丢失、信号劣化等条件，即执行保护倒换操作。强制倒换是由网络管理者根据网络管理事件的需求来激活倒换操作，例如光纤的预选路、光链路系统维护、测试需求等条件下可以实施强制倒换。

自动倒换是工程应用中的默认配置：当前工作口检测到相关告警后倒换到备用PON口。实际应用中PON口保护根据倒换后的PON口动作，分为可恢复和不可以恢复模式。

不可恢复模式：PON口完成倒换后，若原工作口恢复，业务不会再次倒换，保留在当前的工作口上；可恢复模式：PON口完成倒换后，若原工作口恢复，那么业务自动到会原工作口。这种模式主要是出于运维的统一规划，方便维护管理。可恢复模式下需要设置恢复等待时间（发现工作口告警消失到恢复的等待时间ztesmcc，在此时间内禁止倒回。）确保PON线路不会出现频繁倒换。

5 特殊保护方式实现与应用

对于电信级别用户一般采用星型（树型）组网，并通过ODN网络的冗余配置实现保护。在企业专用网络中，由于考虑到承载行业业务的特殊性，会采用一些特殊组网方式。电力EPON标准中定义了一种“手拉手”全保护方式，组网如图3所示：双OLT，双PON口，ONU双光模块，光分路器和主干/支路光纤均双路冗余。“手拉手”结构与电力配网输电线路结构类似，包括PON线路保护，上层路由保护，接入层保护。上层路由保护可由BFD（双向转发检测）机制完成，PON线路跨网元保护只是其中一个环节。

图3 电力EPON标准中定义的手拉手保护图

电力系统中ONU下挂电力监测终端，主站或子站通过路由器连接两个OLT，要求PON系统保证主站或子站和监测终端之间链路畅通，在OLT/光纤中断的情况能自动实现链路保护，不影响业务的持续。双PON口ONU，分别连接两台OLT。ONU接入业务在OLT上实现汇聚，两台OLT分别通过各自上联口连接至业务主站，两台OLT部署相同业务的上联口之间为主备关系。当链路中断时，系统自动完成在不同OLT上联口之间的切换。

这种组网结构中主备用OLT均处于工作状态，主用OLT业务信息能够同步到备用OLT。保护倒换过程中ONU业务属性不变；ONU主备用PON端口均处于工作状态，ONU同时在两个PON口上完成注册发现。PON口保护倒换过程中备用PON不进行ONU的初始化配置和业务属性配置。ONU检测链路状态，并根据链路状态决定是否倒换，ONU自动切换到备用OLT并进行扩展OAM事件通告，倒换过程中ONU能维持本地业务属性不变。为实现快速切换，ONU在PON保护切换后，应在当前工作PON口主动发起请求包到上联的服务器或者业务路由器。

当OLT上联口检测到物理状态异常或者检测到远端路由失败时，主动闭塞该上联口或者上行业务对应的ONU连接的OLT PON口。此时ONU侧可以检测到本地PON口告警，由ONU实现将原工作PON口运行的业务切换到另外一个PON口运行，从而达到保护切换。由上述可知这种冗余保护基于OLT检测上联口和路由状态来实现的。

工程应用中OLT检测上联口和路由的方案，可通过端口物理状态检测和上联路由检测实现，前者适用于直连业务服务器，后者适用跨设备连接。同时为避免手拉手的两台OLT同时挂接在同一台交换机或者路由器上导致的业务环路，需要在交换机上对连接两台OLT设备的端口做端口隔离处理。

6 结束语

当前用户业务感知和网络服务质量日益敏感和重要，这一趋势由于PON网络提供和承载的业务的高带宽、高并发的特性而显得更加明显。PON网络的冗余保护应在全链路/全网络的规划和设计时就加以考虑，网络保护应是全网的概念，需要网络各个部分的参与和有机对接：上联网络的冗余保护实现对特定业务的均衡和保护，ODN的冗余保护实现对特定ONU/用户的保护，通过端到端全程的冗余保护实现业务安全性的提升。

任何冗余保护都以占用有限的网络/PON口资源为代价，PON线路保护并不追求提供不中断业务的可靠性，而是尽量缩短故障的抢修时间，提升客户满意度。例如在没有保护的情况下，线路故障至少需要几个小时才能定位并恢复业务，若有保护功能，自动恢复业务则仅需几分钟就可以实现。同样PON线路保护功能也完全可以应用于PON口业务割接，显著提升效率和降低风险。

总之，合理的网络应在成本和性能之间寻找平衡，过于追求性能，将导致成本的无限增加和资源的无效占用；过于强调成本，对性能的忽视则会导致业务体验和网络稳定的下降。因此平衡的网络是对有限资源的高效使用，保证在合理成本下提升性能和体验。

[1] YD/T 1475-2006. 接入网技术要求—基于以太网方式的无源光网络(EPON)[S].

[2] YD/T1949-2009. 接入网技术要求—吉比特的无源光网络(GPON)[S].

[3] Q／GDW 553.1-2010, 基于以太网方式的无源光网络(EPON)系统 第1部分：技术条件[S].