一种基于OLT和ONU相互协作的ONU故障管理机制

杨富民+花纯征+刘军伟+梁永进

摘要：ONU（光网络单元）的异常上行光信号干扰是PON（无源光网络）中常见且难以彻底避免的问题，在PON系统传输距离延伸之后，这个问题更加严重威胁着PON的稳定运行。为解决这个问题，该文设计了一种新的PON系统ONU故障诊断模型，并提出了一种基于OLT和ONU相互协作的ONU故障管理机制。通过从ONU硬件故障和软件故障两个方面的分析可知，该文提出的ONU故障管理机制很好地解决了现有的ONU故障管理的问题，提高了故障管理的准确性和及时性。

关键词：无源光网络；光网络单元；干扰；故障管理

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）34-0063-03

Abstract： Abnormal uplink optical signal interference of ONU （Optical Network Unit）is a common problem in PON （passive optical network）， which is difficult to be avoided completely. After the PON system transmission distance is extended， this problem is more serious threat to the stable operation of PON. In order to solve this problem， a new fault diagnosis model of ONU for PON system is designed， and an ONU fault management mechanism is proposed. Through the analysis of ONU hardware failure and software failure， the ONU fault management mechanism proposed in this paper solves the ONU fault management problem and improves the accuracy and timeliness of fault management.

Key words： PON； ONU； Interference； fault management

1 背景

PON 技术具有节省光路资源、动态分配带宽等诸多优点，但是，传统的PON系统的传输距离一般局限在20KM以内[1-2]。但是在农村和偏远地区，要求PON系统的传输距离远远大于20KM。当前已有研究中，针对GEPON系统，采用再生GEPON信号技术提高GEPON系统的传输距离到80km，满足了农村和偏远地区的传输距离要求[3]。PON技术可以提高光纤资源的利用率，但是在上行链路中容易受到干扰，影响PON系统的稳定运行。尤其是PON传输距离延伸之后，这个问题更加严重威胁着PON的稳定运行。

为解决这个问题，当前已有一些研究成果[4-5]。但是，当前已有研究基于现有协议模型，将OLT和ONU分為两个相互独立的实体进行故障诊断，影响ONU故障管理的准确性和及时性。基于此，本文设计了一种新的PON系统ONU故障诊断模型，并提出了一种基于OLT和ONU相互协作的ONU故障管理机制。该机制通过在OLT和ONU的OAM层和多点控制协议（MPCP）层部署Agent，实现OLT和ONU的相互协作，生成发光时长模型，并由OLT和ONU相互协作进行更新。基于发光时长模型，OLT和ONU分别进行主动控制和自动控制，提高了故障管理的准确性和及时性。

2 问题分析

PON 技术具有节省光路资源、动态分配带宽等诸多优点，但是，ONU的发光异常，容易导致其他ONU上行信号受到干扰，影响PON系统的稳定运行。导致ONU发光异常的主要原因是ONU（光网络单元）的软件故障或者硬件故障，导致ONU不能在允许的时间范围内进行发光。另一方面，在PON系统传输距离延伸之后，ONU上行数据经过OEO-GEPON设备后连接到OLT，使得OLT与ONU的发光信号协商更容易出现问题。在发生PON上行链路干扰故障时，ONU会出现长时间发光、不在OLT指定的时间限制内发光、短时发光或任意发光等几种故障症状。

从上述现象可知，为了有效解决ONU故障导致的PON系统运行问题，需要收集故障和症状特征，并分析其之间的关系，从而建立故障和症状特征之间的关联关系，解决GEPON系统的上行链路受干扰的问题。另外，该解决问题的方法既相对容易实现，而且可保证结果的可靠性。所以，为提高本文提出的ONU故障管理机制的可用性和有效性，本文基于现有的EPON协议参考模型，进行优化和调整后提出新的ONU故障诊断模型。

3 ONU故障诊断模型

3.1 模型基础架构

现有的EPON协议的参考模型中数据链路层如下图1所示。与本文研究比较相关的是OAM 子层、多点MAC控制子层[6]。其中，OAM 子层是指负责网络的运营和维护的子层，主要实现PON网络的实时监控和维护工作。多点MAC控制子层是指负责网络接入控制的子层，主要按照多点控制协议（MPCP），实现OLT下的所有ONU的光路资源分配等功能。其中， 在IEEE 802.3 标准中定义了多点控制协议（MPCP） [7]。

3.2 ONU故障管理模型

从ONU故障原因和症状分析可知，OLT和ONU之间的控制消息受到影响和ONU发光故障是导致ONU上行链路干扰的主要原因。所以，本文提出的ONU故障管理模型优化思路为： 基于OLT与ONU间进行协作， 提高OLT和ONU之间的控制消息的可靠性和稳定性。基于此，本文提出的ONU故障管理模型需要满足下面几个目标： 1）当OLT和ONU的光路受到干扰时，也可以对ONU进行控制。2）OLT与ONU支持远程管理协议。 3）在ONU出现故障时，可以通过打开和关闭发光器的方式、打开和关闭电源的方式进行远程控制ONU。 4）基于决策树、支持向量机等算法，实现自动化检测并告警，定位到具体的故障ONU。

为了实现上述ONU故障管理模型目标，本文提出的ONU故障管理模型如下图2所示。在OAM 子层，增加OLT OAM Agent和ONU OAM Agent，其中，ONU OAM Agent从业务、发光、电源，三个方面，对ONU进行自主控制；实现故障的自诊断、自管理。OLT OAM Agent从业务、发光、电源，三个方面，对ONU进行主动控制；实现故障的远程诊断、远程管理。在多点MAC控制子层，增加OLT MPCP Agent和ONU MPCP Agent，其中，OLT MPCP Agent基于OAM Agent的主动管理能力，将发现的问题和采取的行动发送给MPCP层，有助于MPCE层进行数据的发送和接收。ONU MPCP Agent基于OAM Agent的自主管理能力，将发现的问题和采取的行动发送给MPCP层，有助于MPCE层进行数据的发送和接收。

基于ONU故障管理模型，OLT 和ONU相互协作，完成ONU的发现、注册、测距、定时、上行动态带宽分配等工作。在OLT 侧：OLT不但实现 对ONU 进行发现、注册、认证、测距、定时等功能，并且基于历史信息，挖掘各ONU的业务特点，有助于确定MPCP（多点控制协议）的时间分配。例如，当业务突然异常时，可以对发光时间进行调整。如业务无异常，但发光时间变化，需要启动故障诊断算法进行故障诊断。在ONU侧：主要完成业务上报、发光时长调整、定时向 OLT报告拥塞状态等功能。如业务需要调整，发送消息给OLT侧，请求调整发光时长。

4 基于ONU故障管理模型的故障管理机制

4.1 基于ONU故障管理模型的故障管理机制

基于ONU故障管理模型的故障管理机制分为2个级别。第一个级别是ONU侧Agent的自主故障管理机制，第二个级别是OLT侧Agent的主动故障管理机制。下面分别进行介绍。

1） ONU侧Agent的自主故障管理机制：ONU根据发光时长模型，自主确定是否在时限内发光。如不在其允许的发光时间内发光，ONU自主关闭发光器。如果关闭发光器失败，ONU关闭发光器电源。

2） OLT侧Agent的主动故障管理机制：首先，OLT根据发光时长模型，主动确定相连接的ONU是否在时限内发光。如某个或某些ONU不在其允许的发光时间内发光，主动发送关闭发光器信息给相关的ONU，并检测ONU是否关闭发光器，，如没有，则下发相关ONU关闭电源的信息。

从上述分析可知， 发光控制机制是故障诊断的关键，下面进行介绍。

4.2 发光控制机制

OLT对ONU的发光控制可分为静态带宽分配、动态带宽分配（DBA）2种。静态带宽分配即固定带宽分配，虽然简单，但是带宽资源利用率较低。DBA可以根据各个ONU业务的需求和OLT资源情况，动态地进行对光路资源进行调整，从而提高了带宽资源利用率。所以，现有场景中，发光控制以DBA为主。

本文在现有基础上，通过OLT侧Agent和ONU侧Agent的协作，提出一种基于ONU故障管理模型的发光控制机制，如图3所示。该机制主要包括下面五个过程：1）业务调整请求：当ONU的业务调整时，ONU侧OAM层的Agent向OLT侧OAM层的Agent提交业务调整信息；2）业务调整：OLT侧OAM层的Agent向MPCP层的Agent提出发光时长调整请求；3）发光时长调整：OLT侧MPCP层的Agent基于发光时长调整信息，请求对发光时长模型进行创建和更新；4）发光时长模型创建和更新：基于新需求，创建或更新现有的发光时长模型；5）发光时长控制：ONU侧MPCP层Agent接收OLT侧MPCP层Agent的发光控制指令，按照分配的时限进行发光。

4.3 ONU故障管理机制性能分析

下面从ONU硬件故障和软件故障两个方面，对基于ONU故障管理模型的故障管理机制进行分析。

在ONU硬件故障方面：硬件故障一般是由于ONU硬件出现故障，光发射机打开后无法关闭导致。本文提出的故障管理机制，可以通过关闭发光器、关闭电源的措施，有效解决长发光、漏光、加电启动或复位的问题。在ONU软件故障方面：软件故障一般是因为时钟不准或ONU对光模块的开关操作时间过长、ONU 与OLT时钟存在偏差或硬件参数配置错误导致。本文提出的故障管理机制，可以通过ONU和OLT在OAM層的协商，更加有效地确保时钟一致，有效解决了时钟偏差等问题。

5 结束语

PON 技术具有节省光路资源、动态分配带宽等诸多优点。但是，PON系统的上行链路易受到干扰，导致PON 链路遭到破坏进而崩溃，严重威胁到PON的稳定和安全。在PON系统传输距离延伸之后，这个问题更加严重威胁着PON的稳定运行。本文提出一种基于OLT和ONU相互协作的ONU故障管理机制。通过从ONU硬件故障和软件故障两个方面，对基于ONU故障管理模型的故障管理机制进行分析可知，本文提出的ONU故障管理机制很好地解决了现有ONU故障管理的问题，提高了故障管理的准确性和及时性。

参考文献：

[1] 张欧. 光缆线路的故障分析及障碍处理[J]. 中国管理信息化， 2015（18）：84-85.

[2] 顾林君， 沈元隆. 下一代无源光网络技术[J]. 通信技术， 2010（9）：95-97.

[3] 程洪. GEPON系统的长距离传输技术方案探讨[J]. 电子世界， 2015（23）：160-161.

[4] 于金辉， 余辰东. PON网络中的ONU 干扰问题研究[J]. 光通信研究， 2015（4）：19-21.

[5] 余辰东. PON网络中的ONU 干扰问题研究[J]. 光通信研究， 2017（1）：23-26.

[6] 张鹏， 阎阔. FTTX PON技术与应用[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2010.

[7] 王宏伟， 陈明华， 谢世钟. 智能电网用电信息采集系统EPON DBA 算法研究[J]. 光通信技术， 2014（2）：16-18.