家庭宽带业务不中断的组网方式探讨

1 研究背景

工业和信息化部于2013 年12 月授予中国移动通信集团固定通信业务牌照，经过6 年的发展，中国移动固网宽带用户达到1.57 亿户，市场份额达40.87%，中国移动已经全面超越竞争对手，成为国内最大的固网宽带业务运营商。家庭宽带从规模发展迈向高质量发展，那么家宽网络质量和故障维修服务满意度就成为了重要竞争领域。

目前家庭宽带运维质量情况与目标存在较大差距。以某公司为例，2018 年家宽用户数为7.95 万户，全年家宽用户故障11 952 起，年均故障率为15.03%；其中因光缆、跳纤等中断故障4 901 起，占比41.00%，2018 年家宽故障平均修复时长4.8小时。用户侧光缆、光交箱数量多，光缆纤芯质量，市政施工频繁等诸多因素是造成家庭宽带故障率高、修复时长偏长的主要原因。因此，如何有效降低家庭宽带业务故障率、提升用户使用感知，在家宽网络质量和故障维修服务满意度方面赶超竞争对手，是目前摆在移动运维人员面前亟待解决的首要问题。

2 现网家宽业务组网方式

目前，中国移动采用CMNET 城域网和PON 网络组建家庭宽带城域网。CMNET 从网络结构上可以分为接入层、汇聚层、核心层和业务控制层。PON 网络拥有更远的传输距离（20km）、更高的带宽（千兆级、万兆级）、单芯传输以及分光特性（最大可支持1:128），通过将局端设备（OLT）与多个用户端设备（ONU/ONT）利用光缆、光分/合路器等无源设备器件连接起来组成光分配网（ODN）。根据目前互联网和物联网的发展情况，10G-EPON 已在运营商中部署，以满足家庭宽带用户不断增长的带宽使用需求。

PON 网络上行链路采用TDMA 方式传输，下行链路采用广播方式，在一根光纤上同时传输上下行信号、并通过分光器将下行信号分配给各ONU、同时将各ONU 的上行信号进行复接的点对多点通信。具有节约光缆资源、易于维护、组网结构灵活，网络容量大、兼容性强、业务支持能力强等诸多优点。

光线路终端上行方向以裸纤或光网络OTN 等方式连接至BRAS 从而连接互联网CMNET，下行方向通过城域网接入网光缆接入小区光交箱，整个过程可进行多级分光。但是目前运营商在PON 网络的建设上绝大部分采用单链，这种组网方式使得网络保护上存在缺陷。另外光交箱、分光器等哑资源使得传输设备的保护相对较弱。由于城市发展、城区整改、建设、绿化等频繁施工，致使运营商接入层的故障发生几率较大，哑设备维护不好定位，末端光缆错综复杂致使网络修复时间得不到保障。

3 家宽业务不中断组网方式探讨

针对以上问题，来探讨一种家宽业务不中断的组网方式，目前，城域传送网承载着4G/5G、集家客等各类业务的接入、转发，普遍采用的组网方式是环形组网。任何一个节点至少2 个传输方向，通过1+1 和1:1 保护方式保护链路上的业务，并在保护链路上传递自动保护倒换(APS)协议，业务源节点和宿节点根据协议状态和倒换状态，进行业务倒换或倒回。

1:1 保护和1+1 保护原理基本相同，都是在从业务源节点至业务宿节点之间的环形网络上的两个方向上对业务进行保护。区别在于1:1 保护方式为“单发单收”，而1+1 保护方式则为“双发选收”。通过部署1+1/1:1 保护，基本可以实现在网络出现单点故障（不包括业务原宿故障）时，业务不发生中断，是一种非常成熟且应用广泛的电信级保护技术。

下面，我们借鉴传输网络的环形组网方式利运营商4G/5G 网络的大规模优质覆盖，提出一种有线+无线的家庭宽带环形接入网保护结构。

3.1 组网结构及保护机制

图1 家宽接入侧环形组网示意图

在图1 中，用户终端访问互联网业务具备两个路由，正常情况下，业务经过BRAS、OLT 至光交箱、分光器，利用光纤传输至用户终端；当此条链路发生故障时，用户侧终端将业务切换至无线路由，同时上行方向的BRAS 将业务切换至另一方向，使业务改由经4G/5G 网络，采用无线方式传输至用户终端。

为实现业务自动切换，用户侧需放置一台具备有线/无线收发、路由选择功能的智能选路终端，该终端能够使用4G 或5G 无线信号。正常情况下，用户通过智能选路终端，经过OLT 设备访问互联网。当OLT 至用户终端的光缆阻断或设备故障，进而导致业务故障时，触发倒换机制，智能选路终端通过链路优先级自动将业务切换至4G/5G 模式，并由附近基站为用户提供互联网访问服务。

3.2 链路倒换分析

3.2.1 智能选路终端功能配置

智能选路终端作为关键设备，需要具备有线光路接口和无线接口、用户侧业务接口、故障监测与路由选择等功能端口。其内部逻辑模块示意图如图2。

图2 智能选路终端功能模块示意图

1）光路接口具备单纤收发一体端口，端口可与ODN 纤芯直连，为用户提供PON 网络传输。

2）4/5G 接口具备接收附近4/5G 基站信号，可以实现4/5G 无线信号与光信号转化。

3）故障检测模块具备故障检测实现链路倒换，与主控单元相互通信，通过智能选路终端配置页面为其配置链路测试IP 地址。

4）主控模块是智能选路终端的中枢系统，可以接收故障检测模块的信号。经过设定的信号算法得出链路状态情况，并向链路控制模块发出链路控制信号。

5）链路控制模块控制链路路由，当其收到主控模块发出的链路控制信号时，其可以根据信号要求进行链路路由控制，以实现链路路由切换。

6）内存模块储存配置信息以及用户账号、密码、链路测试地址等信息。

7）有线接口为用户提供包括互联网访问、互联网电视、IPTV、IMS 语音电话等服务。

8）无线接口直连无线发射天线，可为用户提供高带宽、广覆盖的无线WIFI 信号，为手机、电脑等终端提供无线访问接口。

3.2.2 业务倒换机制分析

当智能选路终端接通电源后，首先加载配置数据。数据加载成功后，故障检测模块每隔50ms 向链路测试地址发送ICMP 报文，实时监测链路通信状态。当链路正常时，故障检测模块通过ICMP 报文判断自己能够访问链路测试地址，则证明PON 网络业务正常，其向主控模块发出链路状态正常信号，主控模块收到链路状态信号后向链路控制模块发出链路控制信号，链路控制模块根据接收到的链路控制信号进行链路路由控制。此时用户使用PON 网络访问互联网业务，用户访问路由为：客户端→链路控制模块→故障检测模块→ODN →PON口→OLT →BRAS →互联网。

当PON 网络出现故障时，故障检测模块通过ICMP 报文检测到无法访问链路测试设备的IP 地址时，就向主控单元发送链路故障信号，主控单元接收到链路故障信号后，为避免链路瞬断等造成故障检测模块发送误报告的情况，在收到第一个链路故障信号后开始计时，当该信号持续接收15s 则确定为PON 网络链路故障。此时主控模块立即向链路控制模块发送链路倒换指令，链路控制模块收到链路倒换指令后对链路进行倒换操作，将业务信号倒换至4/5G 接口传输。此时用户业务直接由4/5G 基站开始承载。用户访问互联网路径变为：客户端→链路控制模块→4/5G 接口模块→4/5G 基站→传输网络→互联网。

这里需要说明，为避免因链路瞬断导致链路控制模块发出链路倒换指令，从而使链路处于频繁倒换状态，主控模块需在接收到故障检测模块连续15s 发出的链路变化信号才会向链路控制模块发送倒换指令。

3.3 流量云平台与一体化告警监测设备

为了实现智能选路终端的无线接入能力，智能选路终端需要配备SIM 卡。用户在开通宽带业务时，将得到一张与智能选路终端适配的SIM 卡，开通宽带业务时将同步开通该SIM 卡，并将卡信息注册至家宽“流量云平台”。

流量云平台是利用运营商4G/5G 网络，基于用户信息创建的虚拟业务转发和管理平台，实现了家宽用户链路故障时，用户切换至无线侧的业务接入和转发、流量计费等功能。

流量云平台将家宽SIM 卡用户与大网4G/5G 用户分离开来，单独进行业务计费，并对用户流量进行监控，当某用户在15 分钟内流量计费超过200M时，则向监控接口发送信息，由监控设备完成告警发送等相关操作。

监控设备是一套独立于4G 网管系统和PON 网管系统的设备，完成与流量云平台的对接，并负责接收计费信号、下发告警信息，并支持实时统计查询等功能。

当监控设备收到流量云平台发送的某用户流量越限信息后，能够自动查询定位与该SIM 卡对应的家宽用户信息，生成家宽故障告警，并接入运营商服务平台下发工单，通知维护人员处理故障。故障恢复后，监控设备收到流量云平台发送的该用户流量回落信息，清除告警，并接入运营商服务平台，发送家宽故障恢复信息。此外，监控设备还应支持数据查询与统计、数据备份等功能。

3.4 倒换性能与业务质量

上文提到，智能选路终端中的故障检测模块能够对光纤链路进行实时检测，并将检测结果反馈至主控模块，主控模块根据检测结果进行倒换或倒回动作。但是，现网中可能会出现因传输质量下降造成的互联网业务瞬断，因此，故障检测模块设置15S 的检测上报阈值，当主用光纤链路持续15S 以上中断时，再下发倒换操作命令；相应的，当主用光纤链路持续15S 以上可用时，再下发倒回操作命令。这样设置，避免了因链路瞬断造成的业务频繁切换，使业务更加稳定。

该组网方式中，无线路由部分使用了运营商4G/5G 信号，链路空闲时仍会发送信令，产生流量，为此，将流量云平台监控阈值设置为15 分钟内流量超过200M，防止监控设备发送无效告警信息。

这里需要说明，无线组网部分会占用一定传输网络带宽资源。在正常情况下，链路空闲时发送信令产生的流量很小，基本不会对传输网承载的其他业务（以4G 业务为主）产生流量冲击。另外，当业务切换至无线路由时，业务质量将受到4G 信号质量影响，与PON 网络无关。而目前运营商在城区内的4G 网络性能优异，除出现小范围地区内大量家庭宽带用户切换，正常情况下完全不影响家宽业务性能。因此，本方案在保证了家庭宽带业务“不中断”的同时，也不会对传输网络其他业务造成影响，这也正是本方案的亮点所在。

4 结语

本方案中，家庭宽带在业务层面的组网模式，利用原有光缆接入网络，利用智能选路终端、4G 网络搭建无线链路，组成环形网络，借鉴传输网络中环形组网模式，充分利用运营商4G 网络规模覆盖和优质信号，避免了物理链路成环带来的大规模投资和资源浪费，能够在出现物理链路故障时将业务自动切换至无线链路，保证家庭宽带业务不中断，是一种降本增效且可行性较大的方案。

综上所述，在现网家宽业务故障率高、修复难度较大等因素的背景下，采用本方案组建的家庭宽带组网方式，能够实现在接入侧物理链路出现故障时，家宽业务不中断，同时能够借助“流量云平台”、告警监控设备等方式进行业务监控与故障上报，实现网络智能化，达到提升用户使用感知，提高故障处理效率的目的。

随着国家建设“智慧城市”“千兆城市”的步伐不断加快，用户对家庭宽带业务的性能要求将不断提高，本方案能够在业务感知、服务质量方面提升家宽业务品质，助力运营商提供更加优质的家庭宽带业务。