用于信道自适应容错突发模式传输的系统和方法

摘要

在无源光网络中，可以通过将信道的传输方案与该信道的上行传输特性匹配来优化从ONT至OLT的上行传输速率。可以使得FEC编码为信道相关的，以使得错误率低的信道可以使用最少的保护，以及因此最少的开销，而输入误比特率高的信道可以使用产生期望的输出误比特率所需的FEC编码的级别。

说明书

技术领域

本公开涉及无源光网络，具体而言，涉及用于提供上行传输的 容错方法。

背景技术

许多接入网，特别是无源光网络(PON)，使用接入节点(AN) 与网络终端(NT)之间的双向通信提供许多宽带和窄带服务。PON 是住宅和商业宽带接入的广泛使用的网络架构。因为它们不需要运 营商的中央局(CO)与用户驻地(CP)之间的任何有源设备或电源， 所以认为PON对于网络运营商而言是便宜的。在通常的PON中， 光线路终端(OLT)设备提供去往被称为光网络单元(ONU)或光 网络终端(ONT)设备的多个NT的下行通信。

在ITU-T标准和IEEE标准(如，ITU-T recommendation G.984.3， “Gigabit-capable Passive Optical Networks(GPON)：Transmission  convergence layer specification，2008年3月和IEEE P802.3av-D3.3， “Physical layer specifications and management parameters for 10Gb/s  passive optical networks”，IEEE 802.3amendment，2009年5月12 日，这二者整体经引用并入本文)中，未保护上行或者可以使用前 向纠错(FEC)码。前向纠错(FEC)常常用于通信系统中，并且基 于已编码格式的数据的传输。编码引入冗余，这允许解码器检测和 纠正传输错误。

典型而言，使用诸如Reed Solomon(RS)码的系统码。系统码 是携带信息的部分不改变的码。校验符号被计算和附加。如果未使 用解码器，则丢弃校验符号是足够的。不需要执行其它操作来重获 数据(这与例如许多卷积码不同)，这被看作为使用系统码的优点 中的一个优点。另一优点是突发纠错能力。由于此码对各m个比特 的“符号”进行纠正，所以如果多个连续比特非常有可能出错(突 发错误)，则它只“计数”成少量符号错误。

使用FEC的主要动机是在维持低输出误比特率(BERo)的情况 下以较低信噪比(SNR)和其相关联(较高)输入误比特率(BERi) 操作的能力。例如，上述(255，239)RS码对于高达10^-4的BERi 提供10^-15以下的BERo。与没有FEC相比，这转变为大约3-4dB的 链路预算的增加以及大约7％的数据速率的减小。应当注意，可以禁 用FEC，在此情形中在没有FEC保护的情况下发送帧。

OLT与不同ONU之间的链路典型地具有不同的SNR和相应的 不同的BERi。如果OLT与ONU之间的链路良好以使得BERi已经 很低，则不需要强FEC，因为这种FEC将会需要减小传输速率的冗 余级别。同时，对于OLT与ONU之间具有低SNR和相应的高BERi 的链路，FEC的标准级别可能不足以提供可接受的BERo。这样，对 于具有OLT和多个ONU的系统，通过链路情况和FEC的强度确定 针对指定最大BERo的、在上行传输速率方面的性能。

因而，需要的是用于提供PON网络中从ONU到OLT的改进的 传输的系统和方法。

发明内容

在本公开的一个方面中，提供了用于在无源光网络中执行通信 的方法，该无源光网络包括至少一个光线路终端设备和在至少一个 光线路终端设备下行的多个光网络单元。该方法包括：确定至少一 个光线路终端设备与多个光网络单元之间的信道的上行传输特性； 为多个光网络单元配置多个传输方案，每个传输方案取决于各个光 网络单元与至少一个光线路终端设备之间的信道的上行传输特性； 以及按照各个光网络单元的传输方案执行从多个光网络单元向至少 一个光线路终端设备的上行传输。

在本公开的一个方面中，提供了无源光网络的光网络单元。该 光网络单元被配置为向一个或多个帧应用前向纠错编码方案，将一 个或多个帧传输给光线路终端设备，接收表明可替代的前向纠错编 码方案的来自光线路终端设备的控制消息，以及将可替代的前向纠 错编码方案应用于从光网络单元后续传输的一个或多个帧。

在本公开的一个方面中，提供了无源光网络的光线路终端设备。 光网络单元被配置为确定多个光网络单元的光线路终端设备处的信 号功率，以及调度来自所述多个光网络单元的传输，以使得连续传 输的光网络单元的信号功率的变化少于预定量。

附图说明

现在将仅以示例的方式参考具体实施例并参照附图，其中：

图1示例了无源光网络；

图2示例了上行帧；

图3示例了上行物理层开销和GTC层开销；

图4示例了具有前向纠错编码的帧；

图5示例了用于执行上行通信的方法；以及

图6示例了已修改的OLT-ONT链路。

具体实施方式

在图1中，示出了无源光网络10，其中光线路终端(OLT)设 备12通过光分配网络(ODN)经由光分路器14与多个光网络单元 (ONU)通信。

在上行方向上(从ONU至OLT)，ONU 16典型地在OLT 12 分配的时隙中以突发模式发送分组。通常典型的上行速度是1Gb/s、 2.5Gb/s和10Gb/s(当前在开发中)。下行和上行均包含各ONU的 控制信息。这通过下行传输会聚(GTC)帧22和上行GTC帧24的 流的G-PON参考图20示例在图2以及图3中。此处，OLT将GTC 帧广播给每个ONU。每个ONU接收下行物理控制块(PCBd)26， ONU随后作用于PCBd 26中包含的相关信息，特别是指定针对每个 ONU去往OLT的上行通信的突发分配的带宽图。图3以及其它类似 图中描绘的字段只作为示例，可以在未来PON系统中修改、缩短和 /或去除其中具有重复数据的错误控制分段和字段。因此创建的字段 随后可以例如通过所提出的(缩短的、较强的)FEC码中的一个FEC 码而用于FEC。对于考虑中的光网络提出了其它RS码，如(255， 223)RS码。

FEC的示例可以基于包括(各m个比特的)n个符号的Reed Solomon(RS)码，其中k个符号是信息携带符号；其余(n-k)个 符号是奇偶校验符号。通常称作(n，k)RS码的这种码可以纠正多 达(n-k)/2个(随机)符号错误。给定符号尺寸m(比特)的最大长 度是2^m-1。特别地，当前利用能够纠正多达8个符号(字节)的(255， 239)RS码以便保护上行以对抗传输错误。如果使用此码，则帧的 上行突发传输如图4中所示散布有插入的FEC奇偶校验字节41。对 于考虑中的光网络提出了其它RS码，如(255，223)RS码。

可以使用其它FEC码，例如，Bose Chaudhuri Hocquenghem (BCH)码，这些是面向比特的、系统的、代数码(使用这些码下述 擦除方面无效，但是有效载荷的截短有效)，以及低密度奇偶校验 码(其中，可以通过对预先选定的奇偶校验比特组进行打孔(不发 送)来改变速率。其它选项是乘积码(例如，RS×RS或RS×BCH 或BCH×BCH)。

如上所述，由于各种OLT-ONU信道的SNR的变化，会存在关 于提供上行传输充分保护和纠错的问题。在图5的流程图100中示 例了可以至少减少这些问题的用于执行上行传输的方法。在步骤 101，确定从ONU 56至OLT 54的上行传输信道的传输特性。使用 上行传输特性，可以为自每个ONU起的信道配置信道相关传输方案 (步骤102)。随后可以使用针对各ONU的信道相关传输方案执行 从ONU至OLT的上行传输(步骤103)。在另一实施例中，可以在 图4中提供“监测器输入BER及相关统计”块，如果超过一个或多 个阈值，则可以调整FEC参数。这样，监测该质量，并且在信道改 变的情况下采取行动。进一步地，可以跟踪同步错误以调整分隔符 长度等。虽然信道特性不随着时间推移而变化很多，但是可以周期 性地或持续地监测BER，并且在必要情况下对FEC方案做出更新以 增加FEC的强度，从而减小错误率，或者降低FEC的强度从而允许 较高传输速率。

在一个实施例中，传输方案可以包含OLT-ONU上行链路中每 一个OLT-ONU上行链路的FEC的适当的级别。通过此方法，仅针 对需要FEC的那些信道有效地使用FEC开销。

对于信道很差的ONU，信道相关传输方案可以包括FEC和同步 机制适当强的传输方案以到达OLT。另外，如下面将更详细描述的， 传输方案可以使用具有Chase类解码的(混合)ARQ。

因而，根据本公开实施例的方法确定从每个ONU至OLT的信 道的特性，以允许对方案、格式和/或FEC码进行配置，使得OLT 可以检测突发、同步、提取相关报头信息以及重建数据，所述方案、 格式和/或FEC码可以达到所需的BERo。这可以包括对前导码、分 隔符以及突发报头的(FEC)保护(纠正以及检错)的修改。

可以在图6中示出的无源光网络50中实施该方法。虽然只示出 了一个ONU 56，但PON 50可以包括OLT 52和多个ONU 56。OLT 52通过合适的光信道54与ONU 56通信。如图6中所示，OLT可以 包括被配置成确定信道54的上行传输特性的控制和管理接口53。例 如，控制和管理接口53可以被配置成确定每个信道的信号功率级别、 SNR、BERi或任何其它合适的上行传输参数中的一个或多个。可以 为ONU 56配置用于向上行传输帧中提供前向纠错码的FEC编码器 57。相应地，可以为OLT配置FEC解码器55。FEC编码器57可以 是通过OLT(例如，通过控制和管理接口53)可配置的。为求清楚 略去了对于突出本公开的特征并非关键的ONU 56和OLT 52的组 件，如，时钟数据恢复(CDR)块、帧同步/分隔符检测块等。在以 上引用的标准中可获得这种组件的进一步的细节。

用于确定上行信道传输特性的一个选项是在安装系统时测量 SNR。在可替代的实施例中，系统可以起始于高级别的FEC(以及 随后的较低速率)，这允许OLT中的FEC解码器对帧中出现了的错 误的数量进行计数。如果FEC码很强，则它确保所有错误被纠正， 因而容易对它们进行计数。如果例如对于一个OLT-ONU链路，在 1E6个比特之后计数出15个错误，则BERi可能是1.5E-5左右。因 为高传输速率，所以可能在短时帧中获得必要统计量。

在一个实施例中，上行传输特性的量值包括连续测量值的变化。 如果这符合预期，则可以认为有效BERi以及一些其它统计量是已知 的，并且可以相应地选取适当的FEC。其它统计量可以包括已纠正 帧的数量、不可纠正帧的数量、以及一些其它字段中错误的数量。 这些数量应当在很大程度上与预定义模型匹配。例如，连续错误(突 发错误)不是典型地未预期的，但是如果它们出现，则它们通常将 导致比通常将会预期的更高的误帧率。Reed Solomon码是相当具恢 复性的，但是甚至在这种情形中，也可以使用略微较强的码。

一旦上行特性已知，OLT就可以用于选择信道上的未来传输的 适当FEC参数，并且例如在PLOAM类命令或者类似的控制消息中， 在该信道上将选取的FEC参数传送给ONT。考虑到用于请求和/或上 报上行传输特性的协议在本领域技术人员的能力范围内，因而认为 不必要在此进一步讨论上报机制。

每个ONU-OLT上行链路的特性不随着时间推移而变化很多，因 此控制或管理接口53可以用于OLT 56内以为每个链路选择适当的 方案和FEC码参数，并且将这些参数用于后续上行突发传输时隙。 例如，可以使用PLOAM字段传递控制信息。它只是少量比特，所 以典型地以更低得多的速度传递控制信息和操作管理维护(OAM) 信息。这用于从ONU重获参数或者设置参数。

在一个实施例中，提供了确保在“最差”ONU-OLT上行链路条 件下的正确的符号同步和帧同步的信道自适应上行FEC方案。对于 ONU-OLT上行链路中的每个ONU-OLT上行链路，使用适当级别 的FEC。通过使用此方法，只针对需要它的那些信道提供了承受该 开销的有效FEC(以及可选地，针对良好信道提供了用于纠错/检错 的某种基本的、速率很高的FEC)。

在此实施例中，使用速率可配置(以及结果是，纠错能力可配 置)的FEC码。以下，使p表示可以实现所需BERo的BERi的值。 对于给定BERi，可以确定提供所需BERo的码。例如，对于标准(n， k)RS码(其相应编码器在ONU中，相应解码器在OLT中)，可 以通过减小信息携带部分(即，n₁-k₁＝n-k的(n₁，k₁)码)的长 度增加FEC能力。也可以通过对已知位置处的一些符号(例如，最 后b个奇偶校验字节)进行削减来增加(n，k)RS码的速率。将削 减的字节视为擦除。削减码因而可以纠正多达(n-k-b)/2个符号 错误。

作为示例，考虑作为基本码的(n，k)RS码(特别是(255， 223)RS码)和至多10^-12的BERo的使用。此码的速率是0.8745，p ≈8.3×10^-4。如果缩短有效载荷例如至如之前一样的校验比特为n- k＝32个的100个字节，则所得有效的编码速率等于0.7576。然而， 纠错能力现在好于所需(p≈1.6×10^-3)。相反地，通过对(255，223) 码的最后8个字节进行削减，可以在牺牲纠错能力的情况下增加速 率。

在一个实施例中，FEC编码器和解码器可以成为可配置的以及 因而用来生成并解码其参数与信道条件匹配的各种各样衍生FEC 码，如(255，239)码和(255，223)码，这样，使开销最小化。 在一个实施例中，会有必要维持FEC方案的同样字段大小。

对RS编码器和RS解码器的略微自适应可以允许它们编码和解 码任何(n，k)RS码，其中，对于P的给定值，n-k＜＝P，并且n ＜＝2^m-1(或可能更大一两个符号)。例如，对于(255，223)码， P＝32(最大16个可纠正错误)。可以在略微修改之后也使用编码 器/解码器处理(255，255)、…(255，239)、…(255，253)、 (255，254)，即，速率从大约7/8(大约15％的开销)至254/255 (大约0.25％的开销)。有效载荷截短可以给出例如(8，4)RS码(速 率＝1/2)、或者甚至(33，32)RS码(速率1/33)的码。诸如很高 速率的“极限参数设置”中的一些“极限参数设置”大多数关注于 检错，低速率和极限低速率关注于确实很差的信道——极端信道， 如，速率1/33的码并非那么令人关注的，但是速率为1/2或1/4的 码会对报头或其它重要信息的保护相当有效，例如，(64，32)RS 码(速率1/2，可以纠正16个符号错误)。如果在BERi高(例如， 在1E-2开始截止)的(突发)帧的开始处将此用于上行，以及如果 帧的第二部分中的BERi变得很低(例如1E-8)，则可以使用一个 编码速率为1/2的码(例如，(64，32)RS码)，后续是(255，245) RS码(纠正5个错误)。以该方式，开销的总量会低于使用统一(255， 223)RS码的情况，“有效”保护明显更加好。还可以考虑RS码的 速率逐渐增加的数个阶段。在测量方面，这种方案的附加参数将会 是要确定在已(正确)解码的第一个、第二个、第三个RS码字中存 在多少错误。以该方式，可以跟踪减少的BERi。为了使RS码灵活， 它们应当优选地相同的Galois字段(例如，GF(2⁸)，对应于8比 特符号(字节))。这也是存在最大字长(典型地为2⁸-1(通过1 -2个字节进行的扩展会是可能的，所谓的扩展RS码)的原因。每 符号的比特数量(m)当然不必是8，但是对于要共享的硬件，最好 m一样。

在可替代的或另外实施例中，OLT 52可以确定信道信号功率类 似的ONU 56的集合，以及将来自这些ONU的突发传输分组，以使 得在突发的开始处存在较少的高功率/低功率检测问题。

突发传输开始处的误比特率典型地高于稍后在突发中的误比特 率。起因中的一个起因是来自一个ONU的高功率突发后续是来自另 一ONU的低功率突发的传输，或者反之。在此状况中，阈值检测器 和检测器的其它部分需要重新调整为新功率级别。由于OLT应当得 知对于每个ONU检测的功率级别，所以OLT可以配置以减小连续 突发之间功率差值的这种方式(例如，通过从低到高排序、或者反 之，或者通过对于两个连续突发允许多达一定功率差值(例如，3-5 dB)的功率差值)来调度突发的传输方案。

典型地，突发的开始的误比特率高于突发的尾部和中间的误比 特率。这样，在一个实施例中，在突发的开始处使用具有较强FEC 码的传输方案会是有益的，例如，通过缩短系统部分、和/或通过交 织，以扩展较高BER在不同码字上的影响。还可以使用此缩短和交 织创建最后的帧是全长帧、而非当前通常情况下的缩短帧的帧序列。 可以通过对分隔符中的错误进行计数等等来确定在突发(帧)的开 始处的误比特率。由于分隔符、前导码和报头的一部分已知，所以 也可以使用0→1和1→0统计量调整检测器的阈值。

尤其是对于上行，可以使用FEC码字通过跟踪每个码字中“已 纠正”的错误的数量来确定作为突发中比特位置的函数的BERi。这 些码字可以长度不同，例如，其中，一个(64，32)RS码字(64个 字节)后续是(255，245)RS码字。也可以例如码字的长度为64、 随后128、随后192、随后255。如果分组在码字的末端之前结束， 则截短码字，并且可以调整开销。

在一个实施例中，传输方案可以包括在底层(GEM)帧中实施、 以及根据所需服务质量(QoS)在GTC帧上发送的FEC帧，以减少 由于对可变长度的帧进行分片所致的丢失。根据信道质量，对当前 在对于特定ONU相关的PCBd块中的信息进行保护和/或在GEM帧 中的预定位置处进行部分地重复。

上行和下行这二者的一个选项是以同样的并且相对强的FEC参 数开始，以及随着时间推移针对各OLT-ONU链路(上行、下行) 调整这些参数。可以使用控制信道或OAM信道传递新参数。可以通 过使用帧计数器辅助更新过程。控制/OAM消息指定在哪个帧计数器 处新FEC设置变为活动的，它可以选取未来足够远的帧计数器，可 以确保刚好在转变成新参数之前(在那时以前，使用旧FEC设置) 接收到确认。作为选项，可以向所有ONU广播参数的更新，以使得 它们根据彼此获知参数是什么。如果ONU是非活动的，则它以强 FEC模式开始并且在对错误率做出测量之后进行调整。可选地，也 可以存储先前使用的值(毕竟，典型而言，信道条件不改变)。如 果无论何种原因，信道条件变得较差，则可以改变FEC设置以获得 较强FEC。在存在所有信道的严重干扰的一个场景中，它们可以都 决定回到强FEC。在任何情形中，FEC可以有效地测量BER和自适 应地保护信道。可以通过与对于FEC参数类似的方式传送其它参数， 例如，上行的前导码长度、分隔符长度、分隔符序列规范、报头保 护方案。

对于接收异常差的ONU，传输方案可以在具有用于同步、控制 和FEC的附加字段的上行中内置“类突发的帧”，以使得检测能力 和纠正能力符合信道条件。对于这种(差)信道，可以使用诸如类 (混合)ARQ技术之类的保留已接收但是不可纠正的块的方案对在后 续帧的接收之后的信息进行解码。例如，如果SNR很低，则给定 OLT-ONU的误分组率会变得很低。标准流程是丢弃该分组，并且请 求重传。然而，如果OLT可以存储(错误)分组，则它可以请求再 次发送分组或者它可以要求更多的奇偶校验(已经计算但是未发送 的)。在第一个情形中，解码器组合(错误)分组以查看它们何处 不同，以及使用例如作为用于组合错误分组和对其进行纠正的已知 方法的Chase解码。在传输比重新发送分组短的额外的奇偶校验符 号的情形中，解码器为(现在较长的)FEC码重新配备较多的开销， 并且尝试对此(较强)码进行解码。

在接收异常差的ONU中，突发开始处的BER可以使得同步捕 获概率降低，并且甚至缩短的FEC码可能会失效。在这种情形中， 传输方案可以包括空闲分组，其中以针对突发检测和同步(对齐) 而对其进行优化的这种方式来设计“空闲”分组。如果在如图3和 图4中所示的当前框架不足以检测帧的存在和获得同步，则也可以 算是该情形。在这种情形中可以在有效载荷中内置更加容错的分组 结构。OLT随后将必须对这种有效载荷进行扫描。例如，在以上参 考的G.984.3中，将空闲GEM帧定义成内容如下的5字节分组： 0xB6AB31E055(见第8.3.2章节，第49页)。当前，仅使用5个字 节，或者前X个字节(0＜X＜5)以朝向GTC帧边界的末端填充帧。

前导码和报头信息的部分是固定的，并且对于OLT是已知的。 这样，在一个实施例中，可以在分隔符的设计中将前导码和报头考 虑在内，从而形成OLT在其中查找已知符号的不连续序列的分配的 分隔符。

在一个实施例中，传输方案可以包括向GEM帧报头添加额外的 检错和纠错，以及另外用以检测比特损失的减小尺寸的分隔符。

上述实施例的优点包括用以在使检测和纠正报头处理最大化、 使数据速率最大化和使ONU与OLT之间链路的SNR显著不同的系 统中开销最小化的情况下执行保证一定BERo的从ONU向OLT的 容错突发传输的能力。上述实施例使得可以使用给定ONU-OLT链 路的、给定信道条件的最少量的额外开销在上行信道中有效地保护 数据和控制信息。优点会是显著的(例如，对于使用(255，223) RS码并且活动ONU-OLT链路良好的部署，速率增加了接近15％)， 以及用以在数个ONU的信道条件很差(例如，远离、传输器质量低 或承受其它丢失)时部署系统的能力也是显著的。只在从这些ONU 向OLT通信时才会有选择地使用FEC和同步方面的额外开销；其它 ONU的帧/段将会根据它们的信道条件来保护(对于良好信道，将会 难以存在任何额外开销)。

虽然在附图中示例了和在以上描述中描述了本发明的实施例， 但将会理解本发明不限于公开的实施例，而是能够在不脱离以下权 利要求中阐述和定义的本发明精神的情况下大量地进行重新布置、 修改以及替换。例如，可以通过块、模块、处理器或存储器中的一 个或更多个完全地和/或部分地执行本发明的能力。另外，可以通过 当前方式或以分配方式、以及在能够提供和/或接收信息的任何设备 上或经由这种设备执行这些能力。进一步地，虽然以特定方式描绘， 但可以在不脱离当前发明范围的情况下重新安排各种模块或块。更 进一步地，虽然以特定方式描绘，但可以在本发明中利用更多或更 少数量的模块和连接来完成本发明、以向本发明提供额外已知特征、 和/或以使得本发明更高效。另外，各种模块之间发送的信息可以经 由数据网络、因特网、因特网协议网络、无线源以及有线源以及经 由多个协议在模块之间发送。