具有互保护机制的双WDM-PON网络体系结构和方法

摘要

本发明提供了一种具有互保护机制的双WDM-PON网络体系结构。系统由两个子PON组成，两个子PON中的光网络单元两两成组，并通过一根互连光纤相连接。本发明还提供了相应的保护方法。本发明利用啁啾光栅光纤的宽反射谱特性和AWG的循环路由特性，能够在光线路终端一侧及时检测到光纤故障，并切换光开关进行保护倒换，实现了对光线路终端和光网络单元之间所有馈线光纤和分布式光纤的保护；在每个WDM-PON中采用无色化光网络单元技术，能有效地降低光网络单元的成本；通过共享光纤链路，两个WDM-PON系统可以相互为对方提供保护链路，从而避免了备份馈线光纤和备份分布式光纤的使用，将冗余光纤的数量降到了最低。

说明书

技术领域

本发明涉及光通信技术领域的系统，具体地，涉及一种具有互保护机制的双 WDM-PON网络体系结构和保护方法。

背景技术

随着信息技术的迅猛发展，高清电视、交互式游戏、视频会议等新型带宽业务 的快速增长，使得光纤接入技术向高带宽、大容量、高可靠性和高服务质量的方向 发展。基于光纤的无源光网络具有大带宽、低成本的优势，光纤到驻地、光纤到大 楼和光纤到户，已经成为接入网发展的必然趋势。WDM-PON技术为每个用户分配特 定的波长，具有带宽大、对协议透明、保密性高、服务质量好等优点，被认为是未 来大容量接入网的主流解决方案。并且，随着各种低成本多波长光源方案和无色化 的光网络单元技术的提出，WDM-PON的实用成本可以在很大程度上得到降低。

随着接入网所承载的业务种类和带宽的增加，尤其是可能的语音业务的接入， 人们对宽带网的可靠性和生存性要求也越来越高，具体的表现在对网络生存性要求 的提高，即要求网络在出现故障时具有冗余保护和快速恢复能力。WDM-PON系统携 带着超大容量信息，任意一根馈线光纤或者分布式光纤的故障，都会带来大量的数 据丢失，将会带来巨大的经济损失，对社会造成严重影响，因此对WDM-PON系统的 保护显得非常重要。

在现有技术中，对WDM-PON的保护主要通过对馈线光纤和分布式光纤进行冗余 备份来实现。此方案实现简单，但备份光纤在网络正常工作时完全处于闲置状态， 造成光纤资源的利用效率很低。并且这种双备份的成本代价非常大，考虑到接入网 对于费用的敏感，如何经济有效地提供光纤和光网络单元的保护变得非常重要。因 此，近年的研究热点主要集中在对网络链路进行保护的同时，减少冗余光纤的数量， 从而降低整个系统的成本，提高光纤资源的使用效率。

通过对现有技术检索发现，Zhaoxin Wang等人在2005年发表在《Photonics  Technology Letters》上的文章“A Novel Centrally Controlled Protection Scheme  for Traffic Restoration in WDM Passive Optical Networks”中，提出了将WDM-PON 中地理位置相近的ONU两两分组，用互连光纤连接起来，当一个ONU对应的分布式 光纤发生故障的时候可以利用同组另一个ONU的光纤资源进行回复。该方案虽然避 免了备份分布式光纤的使用，但不足之处是仍需备份馈线光纤。

又经检索发现，Min Zhu等人在2012年发表在《Optics Communication》的文 章“A New-protection Dual-WDM-PON Architecture with Carrier-reuse Colorless  ONUs”中，也提出了将两个地理位置相近的WDM-PON联合起来，用互连光纤将ONU 两两相连，彼此为对方提供保护链路。在该方案中，完全避免了备份馈线光纤和备 份分布式光纤的使用，将冗余光纤的数量降到了最少。但该方案的缺点是光纤链路 故障的检测和保护路径的切换均在ONU端进行，增加了ONU的复杂度。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种具有互保护机制的双 WDM-PON网络体系结构和保护方法。

本发明基于啁啾光栅光纤的宽反射谱特性和AWG的循环路由特性，将两个运行 在C波段不同波带的WDM PON1和WDM PON2联合起来，用互连光纤将属于不同WDM PON 的光网络单元两两连接，彼此为对方提供保护链路，通过在光线路终端检测光纤故 障并调节光开关，实现对光纤链路的集中控制保护。

根据本发明提供的一种具有互保护机制的双WDM-PON网络体系结构，包括：传 输C波段红带波长信号子无源光纤网络PON1、传输C波段蓝带波长信号的子无源光 纤网络PON2；

子无源光纤网络PON1，包括：光线路终端A、第一阵列波导光栅、第一馈线光 纤、远端节点A、分布式光纤A和光网络单元A；

子无源光纤网络PON2，包括：光线路终端B、第二阵列波导光栅、第二馈线光 纤、远端节点B、分布式光纤B和光网络单元B；

光线路终端A、光线路终端B均包括N个光收发器，光收发器均分别与第一阵 列波导光栅的一端、第二阵列波导光栅的一端连接；

第一阵列波导光栅的另一端通过第一馈线光纤连接至远端节点A的一端，远端 节点A主要由第三阵列波导光栅构成；

第二阵列波导光栅的另一端通过第二馈线光纤连接至远端节点B的一端，远端 节点B主要由第四阵列波导光栅构成；

远端节点A的另一端通过分布式光纤A传输数据到N个光网络单元A；

远端节点B的另一端通过分布式光纤B传输数据到N个光网络单元B；

所述N个光网络单元A与N个光网络单元B两两成组，并通过一根互连光纤相 连接，用于相互之间提供共享保护链路；

第一阵列波导光栅、第二阵列波导光栅、第三阵列波导光栅、第四阵列波导光 栅，均都具有相同的自由光谱区FSR。

优选地，所述光线路终端A和光线路终端B均包括：粗波分复用器、掺饵光纤 放大器；

光线路终端A和光线路终端B中的光收发器均通过粗波分复用器分别与第一阵 列波导光栅和第二阵列波导光栅连接；

粗波分复用器用于分离和耦合工作在子无源光纤网络PON1和子无源光纤网络 PON2中的C波段红带波长信号和蓝带波长信号；

第一阵列波导光栅、第二阵列波导光栅均用于将光收发器发出的下行信号复用 并分别通过掺饵光纤放大器传输给第一馈线光纤、第二馈线光纤，并分别将第一馈 线光纤、第二馈线光纤上行传输来的光信号解复用并通过粗波分复用器传输到光收 发器。

优选地，光网络单元A包括：光接收模块A、反射型光放大器A、2×2耦合器A、 第一光环行器、第二光环形器、第一啁啾光纤光栅、第二啁啾光纤光栅；

光网络单元B包括：光接收模块B、反射型光放大器B、2×2耦合器B、第三光 环行器、第四光环形器、第三啁啾光纤光栅、第四啁啾光纤光栅；

2×2耦合器A将下行接收到的光功率分成两部分：一部分注入下行光接收模块 A，用于接收下行数据；另一部分光功率被注入到增益饱和状态的反射型光放大器A 中进行重调制和信号放大，实现上行传输；

2×2耦合器B将下行接收到的光功率分成两部分：一部分注入下行光接收模块 B，用于接收下行数据；另一部分光功率被注入到增益饱和状态的反射型光放大器B 中进行重调制和信号放大，实现上行传输；

第一啁啾光纤光栅、第二啁啾光纤光栅、第三啁啾光纤光栅、第四啁啾光纤光 栅均具有宽反射谱的特性，实现选取自身WDM-PON工作波带的功能；其中，第一啁 啾光纤光栅、第二啁啾光纤光栅的啁啾光纤光栅反射谱为C波段红带，第三啁啾光 纤光栅、第四啁啾光纤光栅的啁啾光纤光栅反射谱为C波段蓝带；

（A）当子无源光纤网络PON1、子无源光纤网络PON2均无故障时：

当下行的光信号到达光网络单元A后，依次经过第一光环行器1端口、第一啁 啾光栅光纤、第一光环行器2端口、2×2耦合器A、从2×2耦合器A出来的光信号 一部分进入下行光接收模块A中，另一部分进入反射型光放大器A中用于上行波长 重调制；经过反射型光放大器A重调制后的光信号依次经过2×2耦合器A、第一光 环行器3端口、第二啁啾光栅光纤、第一光环行器4端口、第一光环行器1端口， 之后经过分布式光纤A传送到远端节点A处做上行传输；

下行的光信号到达光网络单元B后，依次经过第三光环行器1端口、第三啁啾 光栅光纤、第三光环行器2端口、2×2耦合器B、从2×2耦合器B出来的光信号一 部分进入下行光接收模块B中，另一部分进入反射型光放大器B中用于上行波长重 调制；经过反射型光放大器B重调制后的光信号依次经过2×2耦合器B、第三光环 行器3端口、第四啁啾光栅光纤、第三光环行器4端口、第三光环行器1端口，之 后经过分布式光纤B传送到远端节点B处做上行传输；

（B）当子无源光纤网络PON1的第一馈线光纤或者分布式光纤A发生故障时：

子无源光纤网络PON1的下行光信号经过粗波分复用器进入第二阵列波导光栅， 由于第二阵列波导光栅的循环路由特性，该光信号将通过第二阵列波导光栅，并依 次经过第二馈线光纤、第四阵列波导光栅、分布式光纤B后到达与子无源光纤网络 PON1的光网络单元A互为保护组的子无源光纤网络PON2中的光网络单元B；

当下行的光信号到达光网络单元B后，下行光信号依次经过第三光环行器1端 口、第三啁啾光栅、第四光环行器2端口、第四光环行器3端口，之后的光信号经 过互连光纤传送到发生故障的子无源光纤网络PON1的光网络单元A端；在子无源 光纤网络PON1中，光信号依次经过第二光环行器3端口、第二啁啾光栅光纤、第 二光环行器4端口、2×2耦合器A，从2×2耦合器A出来的光信号一部分进入下行 光接收模块A中，另一部分进入反射型光放大器A中用于上行波长重调制；经过反 射型光放大器A重调制后的光信号依次经过2×2耦合器A、第二光环行器1端口、 第一啁啾光栅光纤、第二光环行器2端口，从第二光环行器3端口出来的光信号经 互连光纤传送到子无源光纤网络PON2的光网络单元B中，并依次经过第四光环行 器3端口、第四啁啾光栅光纤、第三光环行器4端口，从第三光环行器1端口出来 的上行光信号经过分布式光纤B、第四阵列波导光栅、第二馈线光纤、第二阵列波 导光栅和粗波分复用器，最终到达子无源光纤网络PON1的光收发器中，从而完成 数据业务的恢复，实现资源保护。

优选地，光收发器包括：光发送模块、光接收模块C、第五光环行器、1×2光 开关、网络控制单元MCC、10：90耦合器；

第五光环行器用于分离上、下行信号；第五光环形器1端口连接光发送模块， 第五光环形器2端口连接1×2光开关的第一端口，第五光环形器3端口连接光接收 模块C；

1×2光开关的第一端口在网络控制单元MCC的控制下连接1×2光开关的第二 端口或第三端口；

网络控制单元MCC包括一个光探测器PD和一个控制电路；10：90耦合器分离 出10%的上行光功率，进入网络控制单元MCC中的光探测器PD，网络控制单元MCC 中的控制电路依据光探测器PD的检测结果调整1×2光开关的连通状态；当光探测 器PD检测不到光信号，网络控制单元MCC就产生一个电信号用来切换1×2光开关 的连通状态，使得1×2光开关从第一端口连接第二端口转换到第一端口连接第三端 口。

根据本发明提供的一种利用上述的具有互保护机制的双WDM-PON网络体系结构 的保护方法，包括如下步骤：

步骤1，光收发器中的网络控制单元MCC对其对应的馈线光纤和分布式光纤进 行状态检测；其中，光线路终端A中的网络控制单元MCC对应第一馈线光纤和分布 式光纤A，光线路终端B中的网络控制单元MCC对应第二馈线光纤和分布式光纤B；

步骤2，当光网络单元A连接的分布式光纤A、光网络单元B连接的分布式光 纤B中的一个分布式光纤发生故障时，对应的网络控制单元MCC检测到故障，并控 制网络控制单元MCC中的1×2光开关改变连接状态，从第一端口连接第二端口状态 转换为第一端口连接第三端口；或者

当对应子无源光纤网络PON1的第一馈线光纤、对应子无源光纤网络PON2的第 二馈线光纤中的一根馈线光纤发生故障时，对应的发生故障的子无源光纤网络中所 有的网络控制单元MCC均检测到故障，并控制所有的1×2光开关的连接状态为第一 端口连接第三端口；

步骤3，发生故障所在的子无源光纤网络下行数据通过共享另一个子无源光纤 网络的光纤链路实现数据传输。

优选地，当子无源光纤网络PON1的光纤链路发生故障时，子无源光纤网络PON1 的下行光信号经过粗波分复用器进入第二阵列波导光栅，由于第二阵列波导光栅的 循环路由特性，该光信号将通过第二阵列波导光栅，并依次经过第二馈线光纤、第 四阵列波导光栅、分布式光纤B后到达与子无源光纤网络PON1的光网络单元A互 为保护组的子无源光纤网络PON2中的光网络单元B；

在子无源光纤网络PON2中的光网络单元B中，下行光信号依次经过第三光环 行器1端口、第三啁啾光栅、第四光环行器2端口、第四光环行器3端口，之后的 光信号经过互连光纤传送到发生故障的子无源光纤网络PON1的光网络单元A端； 在子无源光纤网络PON1中，光信号依次经过第二光环行器3端口、第二啁啾光栅 光纤、第二光环行器4端口、2×2耦合器A，从2×2耦合器A出来的光信号一部分 进入下行光接收模块A中，另一部分进入反射型光放大器A中用于上行波长重调制； 经过反射型光放大器A重调制后的光信号依次经过2×2耦合器A、第二光环行器1 端口、第一啁啾光栅光纤、第二光环行器2端口，从第二光环行器3端口出来的光 信号经互连光纤传送到子无源光纤网络PON2的光网络单元B中，并依次经过第四 光环行器3端口、第四啁啾光栅光纤、第三光环行器4端口，从第三光环行器1端 口出来的上行光信号经过分布式光纤B、第四阵列波导光栅、第二馈线光纤、第二 阵列波导光栅和粗波分复用器，最终到达子无源光纤网络PON1的光收发器中，从 而完成数据业务的恢复，实现资源保护。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

（1）在每个WDM-PON中采用无色化光网络单元技术，能有效地降低光网络单 元的成本，并且利用啁啾光纤光栅实现宽谱波带的选择，具有低成本的优势；

（2）对光纤故障的检测和保护均在光线路终端进行，没有增加光网络单元的 操作复杂度；

（3）通过共享光纤链路，两个WDM-PON系统可以相互为对方提供保护链路， 从而避免了备份馈线光纤和备份分布式光纤的使用，将冗余光纤的数量降到了最低。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明具有互保护机制的双WDM-PON网络体系结构和保护方法的系统示 意图；

图2为光网络单元结构及成组方式示意图；

图3为光线路终端的光收发器的结构示意图；

图4为光纤故障发生时的保护倒换机制示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人 员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技 术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于 本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例包含两个子PON（Passive Optical Network，无源光纤网络）， 分别为子无源光纤网络PON1和子无源光纤网络PON2。子无源光纤网络PON1传输C波段 红带波长信号，子无源光纤网络PON2传输C波段蓝带波长信号。每个子PON包括光线 路终端，馈线光纤，远端节点，分布式光纤和光网络单元。每个子PON中，所述的光线 路终端中的N个光收发器分别与第一阵列波导光栅AWG（(Arrayed Waveguide Grating， 阵列波导光栅）和第二阵列波导光栅AWG连接；第一阵列波导光栅AWG和第二阵列波导 光栅AWG的另一端分别与第一馈线光纤和第二馈线光纤连接；第一馈线光纤和第二馈线 光纤的另一端分别与第三阵列波导光栅AWG和第四阵列波导光栅AWG构成的远端节点连 接；远端节点的另一端与分布式光纤连接；分布式光纤传输数据到光网络单元；子无源 光纤网络PON1与子无源光纤网络PON2中的光网络单元两两成组，并通过一根互连光纤 相连接，用于相互之间提供共享保护链路。所述的双WDM-PON体系结构中，子无源光纤 网络PON1和子无源光纤网络PON2均包括N个光收发器和N个光网络单元，所述N为自 然数；所有的AWG均都具有相同的FSR（Free Spectral Range，自由光谱区）。

进一步地，光线路终端包括：光收发器，粗波分复用器，第一阵列波导光栅AWG， 第二阵列波导光栅AWG和掺饵光纤放大器。在每个子PON中，光线路终端中的N个光收 发器通过粗波分复用器分别与第一阵列波导光栅AWG和第二阵列波导光栅AWG连接。粗 波分复用器用来分离和耦合工作在不同子PON中的C波段红带波长信号和蓝带波长信号。 利用AWG的路由循环特性，子无源光纤网络PON1和子无源光纤网络PON2的不同波带的 波长信号可以在AWG中实现复用和解复用。所述的光线路终端中的第一阵列波导光栅 AWG，第二阵列波导光栅AWG将光收发器发出的下行信号复用并传输给对应的馈线光纤， 并将馈线光纤上行传输来的光信号解复用并通过粗波分复用器传输到光收发器。

进一步地，如图2所示，所述的每个光网络单元均包括光接收模块、RSOA（反射型 光放大器）、2×2耦合器、两个光环行器和两个啁啾光纤光栅。2×2耦合器将下行接收 到的光功率分成两部分：一部分注入下行光接收模块，用于接收下行数据；另一部分光 功率被注入到增益饱和状态的RSOA中进行重调制和信号放大，实现上行传输。所述的 两个啁啾光纤光栅具有宽反射谱的特性，实现选取自身WDM-PON工作波带的功能。子无 源光纤网络PON1中的啁啾光纤光栅反射谱为C波段红带，子无源光纤网络PON2中的啁 啾光纤光栅反射谱为C波段蓝带。以子无源光纤网络PON1为例，下行的光信号到达光 网络单元后，依次经过第一光环行器1端口、第一啁啾光栅光纤、第一光环行器2端口、 2×2耦合器、从2×2耦合器出来的光信号一部分进入下行接收机中，另一部分进入RSOA 中用于上行波长重调制。经过RSOA重调制后的光信号依次经过2×2耦合器、第一光环 行器3端口、第二啁啾光栅光纤、第一光环行器4端口、第一光环行器1端口，之后经 过分布式光纤传送到远端节点处做上行传输。

进一步地，如图3所示，光收发器中包括光发送模块、光接收模块、光环行器、1×2 光开关、网络控制单元MCC、10：90耦合器。光收发器中的环形器用来分离上、下行信 号。所述的网络控制单元MCC包括一个光探测器（PD）和一个控制电路。10：90的耦合 器分离出10%的上行光功率，进入MCC单元中的PD。依据PD的检测结果，MCC单元中的 控制电路会调整1×2光开关的连通状态。当PD检测不到光信号（即链路发生故障时）， MCC单元就产生一个电信号用来切换1×2光开关的连通状态，使得1×2光开关从第一 端口-第二端口转换到第一端口-第三端口。

如图4所示，利用本实施例提供的系统，其保护方法包括以下步骤：

步骤1，光收发器中的网络控制单元MCC对其对应的馈线光纤和分布式光纤进行状 态检测；

步骤2，当一个光网络单元连接的分布式光纤发生故障时，光线路终端对应的网络 控制单元MCC检测到故障，并控制网络控制单元的1×2光开关改变连接状态，从第一 端口-第二端口状态转换为第一端口-第三端口；或

当一根馈线光纤发生故障时，发生故障的子PON中所有的网络控制单元MCC均检测 到故障，并控制所有的1×2光开关的连接状态为第一端口-第三端口；

步骤3，发生故障的子PON下行数据通过共享双PON结构中的另一个PON的光纤链 路实现数据传输。如若子无源光纤网络PON1的光纤链路发生故障，下行光信号经过粗 波分复用器进入第二阵列波导光栅AWG。由于AWG的循环路由特性，该信号会通过此第 二阵列波导光栅AWG，并依次经过馈线光纤，第四阵列波导光栅AWG和分布式光纤后到 达与子无源光纤网络PON1的光网络单元互为保护组的子无源光纤网络PON2中的光网络 单元。在子无源光纤网络PON2中的光网络单元中，下行光信号依次经过第三光环行器1 端口、第三啁啾光栅、第四光环行器2端口、第四光环行器3端口，之后的光信号经过 互连光纤传送到发生故障的子无源光纤网络PON1的光网络单元端。在子无源光纤网络 PON1中，光信号依次经过第二光环行器3端口、第二啁啾光栅光纤、第二光环行器4 端口、2×2耦合器，从2×2耦合器出来的光信号一部分进入下行接收机中，另一部分 进入RSOA中用于上行波长重调制。经过RSOA重调制后的光信号依次经过2×2耦合器、 第二光环行器1端口、第一啁啾光栅光纤、第二光环行器2端口，从第二光环行器3端 口出来的光信号

互连光纤传送到子无源光纤网络PON2的光网络单元中，并依次经过第四光环行器3 端口、第四啁啾光栅光纤、第三光环行器4端口，从第三光环行器1端口出来的上行光 信号经过分布式光纤，第四阵列波导光栅AWG，馈线光纤，第二阵列波导光栅AWG和粗 波分复用器，最终到达子无源光纤网络PON1的光收发器中，从而完成数据业务的恢复， 实现资源保护。

本实施例的优点在于：

（1）在每个WDM-PON中采用无色化光网络单元技术，能有效地降低光网络单元的 成本，并且利用啁啾光纤光栅实现宽谱波带的选择，具有低成本的优势；

（2）对光纤故障的检测和保护均在光线路终端进行，没有增加光网络单元的操作 复杂度；

（3）通过共享光纤链路，两个WDM-PON系统可以相互为对方提供保护链路，从而 避免了备份馈线光纤和备份分布式光纤的使用，将冗余光纤的数量降到了最低。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上 述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改， 这并不影响本发明的实质内容。