一种可扩展的低开销TWDM‑PON全光纤保护结构

摘要

本发明公开了一种可扩展的低开销TWDM‑PON全光纤保护结构，包括光路终端OLT，光路终端OLT通过光纤连接M个远端节点RN形成主环，主环上任意两个远端节点RN连接扩展结点EN，扩展结点EN通过光纤连接M个远端节点RN形成次级环，主环上任意一个远端节点RN通过光纤与N个光网络单元ONU形成最后一公里环，所述主环、次级环和最后一公里环都采用环网保护的方法进行保护。本发明在提高可靠性的同时有效降低了保护开销。其次，本发明提出的结构还可通过EN节点在主环的任意两RN节点之间灵活扩展，并且在连接EN节点的光纤故障时可通过冗余备份的方法提供保护，在网络扩展的同时又有效地保证了可靠性。

说明书

技术领域

本发明属于光网络技术领域，涉及光网络中的下一代时分波分复用无源光网络(Time and Wavelength Division Multiplexed Passive Optical Network,TWDM-PON)故障保护技术，特别是一种可扩展的低开销高生存性PON保护结构。

背景技术

随着4K/8K超高清视频、虚拟现实、智慧家庭、物联网等新技术、新应用的发展，网络和高带宽业务对接入网提出了大容量和灵活扩展的严格要求。无源光网络(PassiveOptical Network,PON)被看作是光纤到户的最终解决方案，ITU-T GPON标准系列已经从GPON、XG-PON1发展到下一代无源光网络阶段二(next-generation passive opticalnetwork stage 2,NG-PON2)，当前NG-PON2的标准体系已明确采用TWDM-PON系统架构。TWDM-PON可提供上行40Gbps和下行100Gbps的超大带宽，能够为多个用户提供服务。在多用户的TWDM-PON系统中，一旦网络中的光纤发生故障，便会造成海量数据丢失，如果丢失的数据不能在一定的时间内得到恢复，就会对用户造成巨大的影响。因此，近年来，TWDM-PON生存性的研究以及提高其可靠性的方法受到了高度重视，许多新型具有高可靠性的TWDM-PON架构相继被提出。

总体来说，对无源光网络光纤保护方法大致可分为冗余备份保护、分组保护和环网保护三类。冗余备份保护即通过对工作光纤的冗余备份来达到保护的目的，ITU-T在建议书G.983.1中针对树型结构PON给出了四种冗余备份保护策略，这四种保护策略可通过备份网络资源的程度不同来对结构进行不同程度的保护。Yeh C H等人在“Reliable tree-typepassive optical networks with self-restorable apparatus”【Optics express[J].2008,16(7):4494-4498.】中提出了对树型时分复用的无源光网络(Time DivisionMultiplexed Passive Optical Network,TDM-PON)的干线光纤和配线光纤均采用冗余备份的方法，在光纤故障情况下通过光开关的切换使信号在备份光纤上传输，从而完成保护功能，但是保护成本过高。为了降低保护成本，分组保护被提出。分组保护即将两个相邻的光网络单元(Optical Network Unit,ONU)用备用光纤互联形成一个ONU组，同组的两个ONU彼此保护。Tang L等人在“A novel self-surviving architecture for next-generationOFDM passive optical network supporting colorless ONUs”【Photonic NetworkCommunications[J].2013,25(2):89-94.】提出了能够同时保护干线光纤和配线光纤的分组保护方法。和冗余备份保护相比，分组保护不需备份配线光纤，但分组保护要求ONU个数为偶数，网络配置不够灵活。环网保护是指将ONU或者远端节点(Remote Node,RN)连接成环，利用环中信号的双向传输特性在故障时通过倒换光开关来实现保护。Gong Y等人在“Novel ring-based WDM-PON architecture with high-reliable remote nodes”【Telecommunication Systems[J].2014,57(4):327-335.】提出了一种针对双环结构环网保护方法，该方法中RN节点连接成环，在单光纤故障或者双光纤故障出现在环中的任意位置都能完成保护,但是双环结构的保护成本过高。Chen B等人在“Novel architecture ofWDM-PON based on single-fiber ring topology featuring protection and dynamicwavelength assignment”【Optik-International Journal for Light and ElectronOptics[J].2013,124(3):234-237.】提出了一种针对单环结构PON的环网保护方法，该方法有效降低了成本，不仅可实现保护，而且可实现灵活的波长分配功能，但该方法并没有考虑RN与ONU之间光纤的保护。Qiu Y等人在“A novel survivable architecture for hybridWDM/TDM passive optical networks”【Optics Communications[J].2014,312:52-56.】提出了一种在TWDM-PON系统中对RN与ONU之间最后一公里光纤进行环网保护的树环型结构，但对干线光纤以仍采用冗余备份的方法，并且不具备网络扩展的功能。

因此，如何以低开销的方式来实现光纤全保护，并且可使网络具有良好的扩展性，是当前所需研究的重点问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种可扩展的低开销TWDM-PON全光纤保护结构，该结构能够保护开销过大以及网络扩展性不足的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的，一种可扩展的低开销TWDM-PON全光纤保护结构，包括光路终端OLT，光路终端OLT通过光纤连接m个远端节点RN形成主环，主环上任意两个远端节点RN连接扩展结点EN，扩展结点EN通过光纤连接m个远端节点RN形成次级环，主环上任意一个远端节点RN通过光纤与n个光网络单元ONU形成最后一公里环，所述主环、次级环和最后一公里环都采用环网保护的方法进行保护。

进一步，当光纤故障出现在主环的光纤上时，光路终端OLT中的故障监控单元M检测不到主环上故障点之后的光网络单元ONU的上行信号的信息，光路终端OLT的故障监控单元M触发光路终端OLT进行倒换操作；若主环上远端节点RN中的故障监控单元M₁检测不到下行信号，则故障监控单元M₁触发主环上远端节点RN进行倒换操作；此时，以故障点为临界点，下行信号分别沿顺时针和逆时针两个方向传输给主环上的各个远端节点RN，上行信号传输方向和下行信号相反。

进一步，当光纤故障出现在次级环的光纤上时，扩展结点EN节点中的故障监控单元M₁检测不到次级环上故障点之后光网络单元ONU的上行信号的信息，则触发扩展结点EN进行倒换操作；若次级环上的远端节点RN中的故障监控单元M₁检测不到下行信号，则故障监控单元M₁触发次级环上的远端节点RN进行倒换；此时，以故障点为临界点，下行信号分别沿顺时针和逆时针两个方向传输给次级环上的各个远端节点RN，上行信号传输方向和下行信号相反。

进一步，所述最后一公里环的组间光网络单元ONU以下行信号的顺时针传输和逆时针传输为标准分为两组(即后文所述的故障组和另外一组)，当光纤故障出现在最后一公里环上时，通过切换组间光网络单元ONU的方法来实现保护；在故障情况下，以故障点为起点，故障组内最后一个ONU为终点的这些ONU受到故障影响，则通过光开关的倒换把这些ONU切换到另外一组，完成最后一公里环故障的环网保护。

进一步，当光纤故障出现在主环上的远端节点RN和扩展结点EN节点之间的工作光纤上时，扩展结点EN中的故障监控单元M₂检测不到发往次级环的下行信号，则触发扩展结点EN进行倒换；主环上的远端节点RN中的故障监控单元M₂检测不到次级环发往光路终端OLT的上行信号，则触发主环上的远端节点RN进行倒换，信号由工作光纤倒换到保护光纤。

进一步，在主环上的远端节点RN与扩展结点EN连接的光纤发生故障时，通过1:1的冗余备份来保护。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

本发明提出的基于环网的高效保护结构在故障出现在主环，次级环，最后一公里环光纤上都可用环网保护的方法进来保护，在提高可靠性的同时有效降低了保护开销。其次，本发明提出的结构还可通过EN节点在主环的任意两RN节点之间灵活扩展，并且在连接EN节点的光纤故障时可通过冗余备份的方法提供保护，在网络扩展的同时又有效地保证了可靠性。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明所述保护结构的总体结构图；

图2为OLT内部基本结构图；

图3为主环或次级环中任意RN节点的内部基本结构图；

图4为扩展连接情况以及扩展EN节点内部基本结构图；

图5为主环、次级环、EN与RN节点连接光纤故障位置示意图；

图6为ONU内部基本结构图；

图7为最后一公里环故障位置示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

图1为本发明所述保护结构的总体结构图，其中，主环中有m个RN节点，在正常工作情况下，下行信号沿逆时针方向传输，上行信号沿顺时针方向传输，每个节点下的最后一公里环中连接n个ONU。图中RN_j和RN_j+1节点之间连接的EN节点可在主环的基础上扩展出一个次级环。次级环上也有m个RN节点，每个节点下的最后一公里环中连接n个ONU，次级环的上下行信号的传输方向和主环上的类似。

图2为OLT内部基本结构，OLT有2m个发射机(其中包括m个红色波段的发射机和m个蓝色波段的发射机)和2m个接收机，OLT中红色波段中的每个波长对应于主环上的每个RN节点，蓝色波段的每个波长对应于次级环上的每个RN节点。下行信号由发射机发出，通过AWG1复用成一路信号后经EDFA1放大，然后经过两个光开关后从OLT端输出，上行信号的情况则刚好和下行信号相反，在EDFA2放大后，经AWG2解复用，最后被OLT中相应的接收机所接收。OLT中的故障监控单元M用来对主环上的光纤故障进行检测，保证在故障情况下受损业务的及时恢复。

图3为主环或次级环中任意RN节点的内部基本结构，为方便说明，以主环上的RN_j为例子来解释RN的结构及其在正常工作情况下的工作原理，这里假设RN_j传输给其下最后一公里环上的ONU下行波长为λ_j。当信号(如公式1所示)到达RN_j处时下行信号λ_j,…,λ_m在RN节点中经过光开关1和循环器1后被一个分光器分为两个部分，一部分传送到WB_j(WB_j的系统矩阵如公式2所示)，WB_j将对应的波长λ_j阻断掉，然后剩下的信号作为输出信号(如公式3所示)从RN_j输出继续传送给下一个RN_j+1，这个过程将一直持续到所有的下行信号都被对应的RN接收为止。另一部分传送到可调谐滤波器F_j(可调滤波器F_j的系统矩阵如公式4所示)，只通过所对应的波长，由滤波器输出的信号为(如公式5所示)。此信号作为RN_j节点下最后一公里环ONU的下行信号在环上传输。需要说明的是，图中虚线框中的结构为并非每个RN节点所必需，只在结构需扩展时采用此结构。CWDM的作用主要是把红色波段和蓝色波段分离开来。RN_j中的故障监控单元M₁用来在检测RN节点下行信号的情况，M₂用来检测从次级环传输的上行信号情况，从而保证在故障情况下受损业务的及时恢复。

$>{\lambda }_{Input}^R=[0,0,...,{\lambda }_j^R,{\lambda }_{j+1}^R,...,{\lambda }_m^R]---(1$>

$>{\lambda }_{Output}^R={\lambda }_{Input}^R·{\mathrm{WB}}_j=[0,0,...,{\lambda }_{j+1}^R,...,{\lambda }_m^R]---(3$>

$>{\lambda }_{ONU}^R={\lambda }_{Input}^R·F_j=[0,0,...,{\lambda }_j^R,...,0]---(5$>

在结构需要进行扩展的时候，RN_j中左边用于扩展的CWDM和RN_j+1中右边用于扩展的CWDM连接扩展EN节点进行扩展，扩展连接情况以及扩展EN节点内部的基本结构如图4所示。在正常工作情况下，传往次级环的下行信号经过RN_j和EN节点之间的工作光纤传至EN节点，为了使信号的功率能够满足在次级环中所有RN节点传输，这里经过一个EDFA对信号进行放大补偿，然后经过两个光开关后传至次级RN环。扩展EN节点中的故障监控单元M₁用来对次级环上的光纤故障进行检测，M₂用来检测从RN_j传输给次级环的下行信号，从而保证在故障情况下受损业务的及时恢复。

上述提到的结构在故障出现在光纤的任意位置都可以进行保护，下面针对此结构可能出现的四种故障情况分别说明。

一、主环光纤故障

当光纤故障出现在主环的光纤上时，此时又可以分为两种情况。

①故障位置出现在RN_j和RN_m之间任意两RN节点的光纤上。为方便说明，假设RN_j+1和RN_j+2之间的光纤出现故障，如图5中①处所示。此时，OLT中的故障监控单元M检测不到主环上故障点之后ONU的上行信号的信息，接着故障监控单元M触发OLT进行倒换操作，具体的是触发光开关1和光开关2的倒换。与此同时，若主环上RN节点中的故障监控单元M₁检测不到下行信号，则故障监控单元M₁触发主环上RN节点进行倒换，具体是触发光开关1，由原先的竖直状态倒换到交叉状态。这时，以故障点为临界点，下行信号分别沿顺时针和逆时针两个方向传输给主环上的各个RN，上行信号传输方向和下行信号相反，次级环上的上下行信号传输正常，不受故障影响。通过上述方法，由主环上故障引起的受损业务便可以得到恢复。

②故障位置出现在RN₁和RN_j之间任意两RN节点的光纤上。为方便说明，假设RN_j-1和RN_j之间的光纤出现故障，如图5中②处所示。此时，在情况①的基础上，次级环上的业务也将受到影响，EN节点中的故障监控单元M₂检测不到发往次级环的下行信号，则故障监控单元M₂触发EN节点进行倒换，具体是触发光开关1，则次级环上的下行信号由RN_j+1传输到EN节点后在传至次级环，次级环上受损业务便可以得到恢复。

二、主环RN_j和EN节点之间的光纤故障

当光纤故障出现在主环RN_j和EN节点之间的工作光纤上时，如图5中③处所示。此时，EN节点中的故障监控单元M₂检测不到任何发往次级环的下行信号，则触发EN节点进行倒换，具体是触发光开关1；同时RN_j节点中的故障监控单元M₂检测不到任何次级环发往OLT的上行信号，则触发RN_j节点进行倒换，具体是触发光开关2，信号由工作光纤倒换到保护光纤。通过上述方法，受损业务便可以得到恢复。

三、次级环光纤故障

当光纤故障出现在次级环的两RN节点之间时，如图5中④处所示。为方便说明，假设次级环中RN_m+j和RN_m+j+1节点之间的光纤出现故障。此时，EN节点中的故障监控单元M₁检测不到次级环上故障点之后ONU的上行信号的信息，则触发EN进行倒换，具体是触发EN中的光开关2和光开关3。与此同时，类似于故障情况一，若次级环上RN节点中的故障监控单元M₁检测不到下行信号，则故障监控单元M₁触发光开关1进行倒换，由原先的竖直状态倒换到交叉状态。则在次级环中，以故障点为临界点，下行信号分别沿顺逆时针两个方向传输给次级环上的各个RN，上行信号传输方向和下行信号相反。通过上述方法，受损业务便可以得到恢复。

四、最后一公里环光纤故障

为了说明最后一公里环光纤故障的保护情况，先说明ONU的内部结构。在ONU环中，把n个ONU分成两组，第一组ONU包括ONU₁～ONU_k，第二组ONU包括ONU_k+1～ONU_n，第一组ONU的光开关状态如图6(a)所示，第二组ONU的光开关状态如图6(b)所示。则正常工作情况下，下行信号的传输方向沿顺时针和逆时针两个方向在环中传输，上行方向和下行方向信号传输方向相反。在ONU内部，下行信号从输入端进入ONU内部后由分光器分成两份，其中一份由输出端传出给下一个ONU，另一份经过光循环器和分光器后再分成两份，一份传给本ONU的接收机接收信号，另一份经波长转换器WC转换到一特定波长后由RSOA进行载波恢复作为上行信号的光源。

其中，故障情况四又可分为三种情况：

①故障出现在ONU_k和ONU_k+1之间的光纤上，如图7中①处所示。由于信号在正常工作情况下是沿着顺逆时针两个方向分别传到ONU_k和ONU_k+1，并不经过ONU_k和ONU_k+1之间的光纤，因此此处光纤故障并不影响ONU信号的接收，故此情况不需要保护。

②故障出现在ONU_k+1和ONU_n之间任意两ONU的光纤上。这里以故障出现在ONU_k+1和ONU_k+2之间为例说明，如图7中②处所示。此时ONU_k+1中的故障监控单元M检测不到下行信号，则会触发光开关进行倒换，倒换以后，等价于把ONU_k+1归并到第一组ONU中，则ONU_k+1的下行信号可以由第一组ONU下行信号传播的方向路由到ONU_k+1，达到了受损信号的恢复的目的。

③故障出现在ONU₁和ONU_k之间任意两ONU的光纤上。这里以故障出现在ONU_k-1和ONU_k之间为例进行说明，如图7中③处所示。此时ONU_k的故障监控器M检测不到下行信号，则会触发光开关进行倒换，倒换以后，等价于把ONU_k归并到第二组ONU中，则ONU_k的下行信号可以由第二组ONU下行信号传播的方向路由到ONU_k，达到了受损信号的恢复的目的。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。