在受保护的无源光网络中的无关于均衡延迟的保护切换

摘要

在受保护的无源光网络中的无关于均衡延迟的保护切换。本发明公开了用于操作无源光网络中的光网络终端（ONT）的系统、方法和装置，包括维持在无源光网络中的操作状态，估算上行信道，调整均衡延迟和物理层帧偏移值，以及一旦检测到故障情况即从备用操作模式切换到主操作模式。

说明书

相关申请的交叉引用

本专利申请要求于2011年12月9日所提交的标题为 “EQUALIZATION DELAY AGNOSTIC PROTECTION SWITCHING IN PROTECTED PASSIVE OPTICAL NETWORKS”的第61/569,209号美国临 时申请的权益。前述专利申请的全部内容通过引用被并入，作为本申请的 公开的一部分。

技术领域

本专利文件涉及用于操作无源光网络的系统、设备和技术。

背景

无源光网络（PON）是一种基于点对多点（P2MP）拓扑的光网络体 系结构，其中使用单个光纤和多个无源支路点来提供数据通信服务。PON 系统能够帮助用户接入服务供应商通信设备，以访问互联网络中的电信资 源、信息资源、娱乐资源以及其他资源。PON系统能够包括被称作光线路 终端（OLT）的中心节点，其能够经由无源分布式光网络（ODN）与被称 作光网络单元（ONU）的单个或多个用户节点相连。OLT能够被设置在接 入供应商的通信设备（中央办公室）。ONU能够被设置在接入用户的居所 处，或者被设置为靠近接入用户的居所。

在一些部署中，为了确保不破坏或最低程度地中断对用户居所的数据 服务，可使用主ONT和备用ONT。在使用了主ONT和备用ONT的配置 中，在（例如，一旦主ONT发生故障）执行从主ONT到备用ONT的切 换时，有益的是以最低程度的中断和开销从主ONT切换至备用ONT。

需要用于无关于开销任务（比如均衡延迟的估算）的被改进的保护切 换的技术。

概述

本专利文件特别提出了一些系统、设备和技术，其在一方面对于受保 护的无源光网络（PON）中的保护切换而言是有用的，所述保护切换无关 于均衡延迟（或者独立于均衡延迟）。

在一方面，披露了用于操作无源光网络（PON）中的光网络终端（ONT） 的方法、装置和计算机程序产品。ONT包括：用于维持无源光网络中的操 作状态的模块，用于估算上行信道的模块，用于调整均衡延迟和物理层帧 偏移值的模块，以及用于从备用模式切换到主操作模式的模块。

这一方面和其他的方面及其实现在附图、说明书和权利要求中以更多 细节进行了描述。

附图简述

图1是B类受保护的PON接入网络的一个例子的框图。

图2是设置在PON接入网络中的测距的均衡延迟的方法的图形化表 示。

图3是重新使用主测距信息的备用光线路终端的图形化表示。

图4是操作PON中的ONT的过程的流程图表示。

图5是在PON中可操作的ONT的一部分的框图表示。

详细描述

本专利文件公开了执行无关于均衡延迟（独立于均衡延迟的）、受保 护的无源光网络（PON）中的保护切换的技术。

PON系统能够使用光纤将用户居所连接到供应商通信设备。PON光 传递/数据网络（ODN）能够包括点对多点（P2MP）光纤基础设施，其中 能够由分光器代表的无源支路点是其他类似的无源光设备。这些无源ODN 设备能够被部署在街道通话间、密闭间、地下公共设施孔、电缆过孔和其 他设施中，并且不需要电源以及极少维护。PON ODN能够使用单链光纤 附接到光线路终端（OLT），也被称作光网络终端（ONT）。

PON ODN能够利用波分复用双工或多路复用方法在下行（从OLT到 用户）与上行（从用户到OLT）传输之间进行区分，即，下行和上行光信 号能够在不同标准的波长上携带。在下行方向上使用时分多路复用（TDM） 的方法而在上行方向上使用时分多址（TDMA）的方法，能够实现在同一 ODN上支持多个用户（ONU）。

比如以太网PON（EPON）、宽频带PON（BPON）、千兆比特PON （G-PON）、10千兆比特/秒EPON（10G-PON）、以及X千兆比特/秒PON （XG-PON）的基于标准的PON系统能够基于一个或多个参数来区分，所 述参数例如是标称传输率、光层参数、或链路层的协议和格式。这些基于 标准的PON系统能够共享TDMA方法，其还能够共享TDMA方法中的相 关的弱点。

在TDMA技术中，附接到其给定ODN基础设施的所有ONU能够在 相同波长上执行上行传输，其可能导致ONU彼此干扰，除非ONU遵守严 格的接入程序。对于每个基于标准的PON系统，各自的标准能够定义多 种接入协议，其中包括程序和数据结构，通过这些协议OLT能够给各个 ONU分配精确的传输时隙。这些分配尝试阻止在上行传输中不同ONU之 间的干扰，然而通过使用可能的传输时间漂移，适当的保护时隙用于进行 调整。保护时间还缓解了由于在每个ONU与OLT之间光纤介质的长度的 差异造成的、通过光学介质的不同传播延迟所导致的任何可能的干扰。

例如，众所周知的是，光在光纤中行进的速度比光在真空中的速度慢 大约30%。因此，光在玻璃（光纤介质）中以近似200,000公里/秒行进。 换句话说，光在光纤中以每微秒近似0.2公里的速度行进。因此，在发射 器和接收器之间的最大距离为40km的光纤网络中，端到端的传播延迟为 最高200微秒。换而言之，在这样一个网络中，不同的发射器节点之间可 能有±100微秒的延迟。为了成功减轻在网络中的各种不同的发射器/接收 器节点中的本地时钟值之间的差别，OLT应考虑这样的传播延迟。

因此，在光网络中的发射器/接收器的物理配置能够影响在该网络中的 传播延迟，并因此影响操作的物理参数。各种不同的标准组织（例如，IEEE 和ITU）已经定义了基于OLT和ONU的布置的确定的保护体系结构。一 些示例体系结构包括：A类、B类、B类双重归属、C类、D类，等等。

在B类受保护的PON接入网络中，第一级分光器在面向网络一侧具 有2个端口，因此允许OLT的和在OLT与第一级分光器的面向网络的端 子之间的馈送光纤的“双重归属”或者复制。在连接到给定PON树的两 个OLT（或OLT叶片）之中，一个OLT被指定为主OLT，而另一个OLT 被指定为备用OLT，其用于在主OLT故障时代替或取代主OLT。当主OLT 工作时，备用OLT可不进行下行传输，但是可保持通电，并且监听上行传 输。在主OLT或主馈送缆发生故障的情况下，备用OLT接管PON树的控 制，并且继续为对向(subtend)ONU服务。

为了PON系统正常操作，ONU能够关于工作中的OLT进行“测距”。 也就是说，能够测量在OLT和每个ONU之间的逻辑距离，并且将相应的 均衡延迟传递给每个单独的ONU。一旦ONU得知并且遵照其所分配的均 衡延迟，则这些ONU就好像出现在距OLT相同的逻辑距离处，因此使得 其上行传输以共同的上行帧参考（frame reference）被对准。

在一些实现中，备用OLT可驻留在与主OLT相同的设施（例如，网 络运营商的中央办公室处），并因此可在其自身和其所服务的ONU之间具 有相同的光纤长度。换句话说，到/来自备用OLT的传播延迟可以（几乎） 与来自主OLT的传播延迟一致。在这种情况下，当主OLT发生故障之后 备用OLT进行接管时，光网络的性能不会受到不利的影响。

然而，一般来说，备用OLT可被设置在与主OLT不同的位置处，或 者在备用OLT和所服务的ONU之间的光纤的长度可不同于主OLT和所服 务的ONU之间的光纤长度。因此，为了无缝地切换，在一些实施方式中， 为了在保护切换的情况下正确测量ONU关于备用OLT的距离，备用OLT 需要在切换事件发生之前预先对ONU测距，或者在切换事件发生之后重 新对ONU测距。

本文件提供的技术是，在发生切换事件的过程中，使得ONU能够保 持实质上被测距。因此，一方面，备用OLT可依赖于ONU对经由主路径 所获得的均衡延迟的了解立即恢复正常的操作，而同时有选择地执行受限 的一组维护操作。

在理想情况下（例如，独一无二的固定的下行和上行波长、无散射、 无温度漂移、固定的ONU处理时间、零序列化/去序列化延迟），在主路径 （到/来自主OLT）所计算的一组均衡延迟（EqD）可保持对于备用路径（到 /来自备用OLT）有效。

参考图1，其描绘了ODN 100。在一些配置中，双重归属的ODN 100 包括两个点对多点OLT 102、104，其具有不同的中继段（馈送光纤110） 并且共享由2xN个分光器106和许多分别连接到ONU 108的引入光纤 （drop fiber）112所组成的分布部分。在这种配置中，任何多级分光可以 由在第一级分光器和ONU 108之间的等效引入光纤来代表。OLT 102、104 是两个OLT（例如，在一些实现中是相同的模块），并且每个OLT能够在 主操作模式和备用操作模式之间进行切换。在操作中，OLT 102、104中的 一个OLT（例如，OLT 102）能够为主OLT，而同时另一个OLT（例如， OLT 104）能够为备用OLT。因此，ODN 100包括OLT（102或104），其 中OLT包括：操作状态模块，其维持ODN 100中的操作状态；上行估算 模块，其估算上行信道；延迟调整模块，其调整均衡延迟和物理层帧偏移 值；以及，备用模块，其在所述一个OLT最初作为备用OLT工作而同时 另一个OLT最初作为主OLT工作时从备用操作模式切换到主操作模式。

假设主馈送光纤的有效光纤长度为F0，而备用馈送光纤的有效光纤长 度为F1。假设引入光纤的有效光纤长度为D1、…、DN。ODN的分光器 和其他无源元件的有效光纤长度是可忽略不计的。假设P1、…、PN表示 ONU响应时间。

ODN被构造成使得保持以下条件：

Rmin≤MAX{F0，F1}+MAXi(Di)≤Rmax                方程（1）。

此处Rmin和Rmax是众所周知的ODN设计参数（在许多情况下，Rmin =0km，Rmax=20km）。

参考图2，其描绘了示图200，其中PON的各种不同的元件的距离表 示在纵轴204上，而时间表示在横轴202上，在测距过程中，OLT选择关 于下行PHY帧的上行PHY帧偏移（该参数还被称为零距离均衡延迟）， 并且测量每个ONU的往返行进时间。该往返行进时间由往返行进传播延 迟和ONU响应时间组成。一旦往返行进时间可用，OLT计算单独的均衡 延迟（也就是，上行PHY帧开始处的ONU视角与OLT所选择的偏移精 准对齐的额外的必要延迟）并将其传送给ONU。对于所有的ONU，调整 后的往返行进时间（由往返行进传播延迟、ONU响应时间、和均衡延迟组 成）等于所选择的PHY帧偏移。

所选择的上行PHY帧偏移，Tmax，至少应当等于在系统中的ONU 之间的最大往返行进时间，并且实际上不需要超出基于网络设计参数的上 限：

Tmax≤Rmax(n1+n2)/c+Pmax                           方程（2）

此处，n1和n2是关于上行和下行波长的折射率，c是光速，并且Pmax 是根据标准确立的最大ONU响应时间。

Tmax的选择等价于选择具有零响应时间的、假设最远程的ONU的引 入光纤的长度，D*：

Tmax=(F0+D*)(n1+n2)/c                            方程（3）

一旦测量了关于给定ONU的往返行进时间，则均衡延迟能够通过从 上行PHY偏移中减去往返行进时间来得到：

EqDi=Tmax-[(F0+Di)(n1+n2)/c+Pi]                  方程（4）

在系统中所有的ONU被测距之后，通过在带宽映射中将上行传输与 共同的上行PHY帧参考相关联，OLT可以排定在每个PHY帧内的上行传 输。

参考图3，显示了示图300，该示图示出了备用OLT如何能够重新使 用主OLT的测距信息。现在考虑双重归属的系统，其中主OLT具有长度 为F0的馈送光纤，而备用OLT具有长度为F1的馈送光纤。在理想情况下 （在切换时n1、n2、Pi保持恒定），即使上行PHY帧偏移改变，关于所有 ONU的受到调整的往返行进时间保持彼此相等。

Tmax’=EqDi+[(F1+Di)(n1+n2)/c+Pi]；]             方程（5）

Tmax’–Tmax=(F1–F0)(n1+n2)/c]                  方程（6）

因此在理想条件下，备用OLT可重新使用由主OLT计算并传送给 ONU的均衡延迟，而不执行其本身的测距并且甚至不知道主EqD值。通 过将上行传输与共同的上行PHY帧参考相关联，备用OLT可按通常的方 式构造带宽映射。然而，备用OLT应当准备好检测在任意时间的上行突发 (burst)，因为在切换之后上行PHY帧偏移不是一开始就已知的。

参考方程（6），在一些实施方式中，由备用OLT使用的上行PHY帧 偏移与由主OLT使用的上行PHY帧偏移之间的差可以仅仅是其各自的光 纤引入的折射率与光纤引入到分光器的长度的差的函数。换句话说，由备 用OLT使用的Tmax值可根据由主OLT使用的Tmax值调整，而备用OLT 不需要关于到ONU的光纤引入长度的额外信息。

在实际的网络中，如果ONU保持主均衡延迟，则由备用OLT观察到 的受到调整的往返行进时间将不再是相同的。ONU以不同的折射率在通常 不同的波长上传输，并且响应时间可由于串行器/去串行器的相位随机化而 改变。然而，由这些效果所导致的总的相对漂移能够受到限制，并且将不 会超过几十比特时间。通过在带宽映射中的上行突发之间提供额外的保护 时间，备用OLT能够缓解漂移。此外，依赖于由特定PON系统的TC层 所提供的机制，备用OLT可再次获取测距信息，而没有与打开静默窗口相 关的服务中断。

在一些配置中，在转换之前，备用OLT经由离线管理信道获得ODN 设计参数以及主上行PHY偏移值（Tmax）。

在一些配置中，一旦切换，备用OLT以如下方式进行：

备用OLT确保对向ONU处于操作状态O5。在O5操作状态下，ONU 正常操作，并且遵照从OLT传送到ONU的传输排定表（准予）。在XG-PON 网络中，这通过被很好地形成的下行传输的特性来实现。在G-PON中， 可使用被单独定向的POPUP信息，除非广播修改的POPUP消息能够使得 POPUP状态下的ONU直接进入O5状态。

备用OLT通过形成带宽映射来排定上行传输，其中在单独的突发之间 的被延长的保护时间将上行传输关联到尚且未知的上行PHY帧参考。

备用OLT检测单独的上行传输，并且观察对向ONU的受到调整的往 返行进时间。该受到调整的往返行进时间通常可形成具有有界支持的分 布。

备用OLT选择最大的观察到的往返行进时间，作为临时的上行PHY 帧偏移。

备用OLT发布单独的相对的均衡延迟调整，从而以所选择的临时的上 行PHY帧偏移对准ONU。这通过在XG-PON中的可用的测距时间信息 来完成，并且需要修正在G-PON中的测距时间信息。可选择地，这通过 提供得到修正的物理层操作、管理和维护（PLOAM）信息发送信道功能 以了解有效的均衡延迟并且使用具有绝对语义的可用的测距时间信息来 完成。

通过发布广播相对均衡延迟调整，备用OLT可按所需值调整上行PHY 帧偏移。这具有XG-PON中的可用测距时间消息，并且需要在G-PON中 的测距_时间消息修正。

接下来，备用OLT恢复在带宽映射中的正常保护时间。

在随后的操作中，已变为服务OLT的备用OLT像平常一样管理服务， 包括发现和承认被新激活的ONU，为该ONU打开静默窗并且利用均衡延 迟计算执行测距。

图4描绘了在PON中操作ONT以提供主操作和备用操作的示例过程 的流程图400。在402，维持在PON中的操作状态。例如，正如以上所讨 论的，备用ONT可维持PON的各种操作参数。在404，估算上行信道。 正如之前所讨论的，上行信道的估算可包括测量备用OLT所对向的所有 ONU的往返行进延迟时间。在406，调整均衡延迟和物理层帧偏移值。在 408，一旦检测到故障情况（例如，由于主ONT停机所导致的切换故障） ONT从备用模式切换到主操作模式。

图5是ONT 500的框图表示，该ONT 500提供了备用操作模式和主 操作模式及在两种模式之间的切换。模块502用于维持无源光网络中的操 作状态。模块504用于估算上行信道。模块506用于调整均衡延迟和物理 层帧偏移值。模块508用于从备用模式切换到主操作模式。

应认识到，公开了若干种技术，其用于在当前主OLT故障之后备用 OLT进行接管以作为主OLT。在一些被公开的实施方式中，备用OLT能 够执行无关于均衡延迟的保护切换。还应认识到，备用OLT可能能够通过 以下方式来调整上行PHY帧偏移参数：最初使用被认为是先验的网络侧 的参数例如方程（6），并且随后在切换之后用作主OLT时执行测量。

在本文件中所描述的这些被公开的和其他的实施方式、模块和功能操 作（例如，操作状态模块、上行估算模块、延迟调整模块、备用模块、往 返行进延迟模块、PHY偏移值选择器模块、延迟调整发布器模块，等等） 能够以数字电子电路实现；或者能够以计算机软件、固件、或硬件实现， 包括在本文件中所公开的结构及其结构等价物；或者是以它们中的一个或 多个的组合来实现。这些被公开的和其他的实施方式能够被实现为一个或 多个计算机程序产品，即，在计算机可读介质上被编码的计算机程序指令 的一个或多个模块，用于由数据处理装置执行，或者用于控制数据处理装 置的操作。计算机可读介质能够是机器可读的存储设备、机器可读的存储 基底、存储器设备、影响机器可读的被传播信号的物质的组合物、或者其 一个或多个的组合。术语“数据处理装置”涵盖用于处理数据的所有的装 置、设备和机器，通过举例的方式，其包括可编程处理器、计算机、或者 多个处理器或计算机。除了硬件之外，所述装置还能够包括创建用于所讨 论的计算机程序的执行环境的代码，例如，构成处理器固件、协议栈、数 据库管理系统、操作系统、或者其一个或多个的组合的代码。被传播的信 号是人工生成的信号，例如，机器生成的电信号、光信号、或者电磁信号， 其被生成以对用于传输到适合的接收器装置的信息进行编码。

计算机程序（也被认为程序、软件、软件应用、脚本或代码）能够以 任何形式的编程语言来编写，所述编程语言包括编译或解释语言，并且其 能够以任何形式来部署，包括作为独立程序或者作为模块、组件、子程序、 或者适合用于计算环境中的其他单元。计算机程序不一定要对应于文件系 统的文件。程序能够被存储在保存其他的程序或数据（例如，在标记语言 文件中所存储的一个或多个脚本）的文件的一部分中，被存储于专门用于 所讨论的程序的单个文件，或者被存储于多个配套的文件（例如，存储一 个或多个模块、子程序或部分代码的文件）。计算机程序能够被部署，以 能够在一个计算机或多个计算机上执行，所述计算机位于一个位置处或者 分布在多个位置并通过通信网络互连。

在该文件中所描述的过程和逻辑流程能够通过一个或多个可编程的 处理器执行，所述处理器执行一个或多个计算机程序以通过在输入数据上 操作并且生成输出来执行功能。这些过程和逻辑流程还能够通过专用逻辑 电路执行，并且装置还能够被实现为专用逻辑电路，例如，FPGA（现场 可编程门阵列）或者ASIC（专用集成电路）。

通过举例说明的方式，适用于执行计算机程序的处理器包括通用微处 理器和专用微处理器，以及任何类型的数字计算机的任何一个或多个处理 器。通常来说，处理器将从只读存储器或者随机存取存储器或者这二者接 收指令和数据。计算机的基本元件是用于执行指令的处理器以及用于存储 指令和数据的一个或多个存储器设备。一般来说，计算机还将包括一个或 多个用于存储数据的大规模存储设备，或者计算机还被有效地耦合，以从 所述用于存储数据的大规模存储设备接收数据，或者向其传输数据，或者 二者兼有，所述用于存储数据的大规模存储设备例如是磁盘、磁光盘、或 者光盘。然而，计算机不需要具有此类设备。适用于存储计算机程序指令 和数据的计算机可读介质包括所有形式的非易失性存储器、介质和存储器 设备，作为举例，其包括：半导体存储器设备，例如，EPROM、EEPROM、 以及闪存设备；磁盘，例如，内置式硬盘或者可移动硬盘；光磁盘；以及， CD ROM和DVD-ROM盘。处理器和存储器能够由专用逻辑电路供给，或 者包含在专用逻辑电路中。

虽然本专利文件包含了许多细节，但是它们不应被视为是对要求保护 权利的或者可被要求保护权利的本发明的范围的限制，而是作为对特定实 施方式所特有的特征的描述。在分离的实施方式的背景中，在本文件中描 述的特定特征还能够在单个实施方式中组合实现。相反地，在单个实施方 式的背景中所描述的各种特征还能够在多个实施方式中分离地实现，或者 以任何适合的子组合实现。此外，虽然这些特征在上面可被描述为以特定 的组合起作用，并且甚至被最初要求为如此，但是在一些情况下，来自所 请求的组合的一个或多个特征能够从该组合去除，并且所请求的组合可被 定向到子组合或者子组合的变体。类似地，虽然在附图中以特定的顺序描 绘了这些操作，但这不应被理解成为了实现所期望的结果需要以所示的特 定顺序或者以连续的顺序来执行此类操作，或者所有被示出的操作都要被 执行。

仅公开了一些示例和实现。基于所公开的内容，能够作出对所描述的 示例和实现以及其他的实现的变化、修正和增强。