一种超密集波分复用相干光接入系统波长控制方法

摘要

本发明公开了一种超密集波分复用相干光接入系统波长控制方法，该波长控制方法需要在OLT侧维护一张波长分配表，ONU侧维护一张波长状态表，然后通过OLT下行GATE帧，REGISTER帧和TUNE帧，以及ONU上行REGISTER_REQ帧和REGISTER_ACK帧即可完成无需人工干预的ONU注册、波长分配等工作，结合定时器的超时机制，可以及时清理已经老化的波长分配表，结合OLT和ONU的非易失存储器，可以做到快速的ONU注册和波长分配。

说明书

技术领域

本发明涉及光接入网络技术领域，尤其涉及一种超密集波分复用相干光 接入系统波长控制方法。

背景技术

传统的WDM-PON技术如图1所示。图1的Remote Node(远端节点) 使用AWG，每个分支上仅有一个波长。该方案每个ONU(光网络)的波长 是固定的(由AWG2的端口决定)，不方便开通和维护，同时本方案无法重复 利用运营商已经广泛部署的分光器。为此本申请人在本专利申请同日公开了 图2的一种超密集波分复用系统，该系统因为引入了相干技术可以大幅提高 光功率预算，从而可以重复利用运营商已经广泛部署的ODN技术设施(主要 由分光器和光纤光缆构成)。图2所述的系统OLT侧32个信道的上下行波长 是固定的，ONU侧的波长则是可调谐的(即无色)，可以很方便的部署和维 护。为了达到ONU自动分配波长和注册的目的，减少或避免人工干预，需要 一种波长控制方法，本发明基于此而研发。

发明内容

本发明正是针对上述超密集波分复用相干光接入系统ONU自动分配波 长和注册的问题，提供一种超密集波分复用相干光接入系统波长控制方法， 从而可以达到无需人工干预的ONU注册和波长分配。

为实现上述目的，本发明的具体技术方案如下：

一种超密集波分复用相干光接入系统波长控制方法，在以太网协议栈的 MACCLIENT子层和OAM子层之间增加一个相干多波长MAC控制子层 (CMWMC子层)来协调多个ONU的接入。CMWMC子层需要在OLT侧维 护一张波长分配表，ONU侧维护一张波长状态表，然后通过OLT下行的OAM 帧包括GATE帧、REGISTER帧和TUNE帧，以及ONU上行OAM帧包括 REGISTER_REQ帧和REGISTER_ACK帧，结合定时器即可完成无需人工干 预的ONU注册、波长分配等工作；结合定时器的超时机制，可以及时清理已 经老化的波长分配表；结合OLT和ONU的非易失存储器，可以做到快速的 ONU注册和波长分配。具体方案如下：

(1)该子层OLT侧维护一张32行的波长分配表，如下表。该表可以保存 在OLT的非易失存储器中，OLT机器重启后“波长标识”和“接入ONU MAC 地址”保留上次接入的波长。每一行数据(1-32条波长)有一个Tage定时器， 上电后MAC非空行的定时器最大化，然后不断减1，当减为0时，表示该行 老化(回收波长)，本行所有数据清空；OLT接收到ONU握手应答REGISTER_REQ或REGISTER_ACK帧时，重置本行定时器为最大值。

(2)该子层在ONU侧维护一张32行的波长状态表，如下表。该表可以保 存在ONU的非易失存储器中，ONU机器重启后注册成功(或历史注册成功) 状态列保留，尝试注册列清空(即为0)。

(3)OLT启动后，OLT侧的第m(m系波长标识数值，1≤m≤32)个MAC Client调用CMWMC子层原语查询该表的第m行：

a)如发现该行MAC为空，设置不断减1的定时器Tgate，发送GATE帧 广播以下内容：“第m波长信道空闲，是否有ONU需接入？”。Tgate定时器 清零时仍未收到REGISTER_REQ帧(内含应答ONU的MAC))则重置Tgate 并继续发送GATE帧。

b)如发现该行MAC非空且MAC地址合法，则定期(假设周期为Talive) 发送REGISTER帧广播以下内容：“第m波长信道已被MAC地址为MACm 的ONU注册，其他ONU请勿调谐到本信道，MACm ONU是否在线或持续 在线？”ONU应该及时回复REISTER_ACK帧响应。以Talive为周期重复这 一过程。

第m波长信道的GATE帧和REGISTER帧只有调谐到第m波长信道的 ONU可以监听到，其他ONU虽然通过分光器能收到该光信号，但因为未调 谐到第m波长信道而无法获知信号内容。

(4)用户侧某个ONU启动后，检查非易失存储器中本机光波长信道标 识，如非空，则直接调谐到该记录信道，否则随机调谐到第n个波长信道， 同时缺省保持上行光开关断开，ONU监听分光器的第n波长信道下行广播帧。

a)监听到Gate帧，随机延迟一段时间(可二进制随机规避算法取值，最 大值为Tgate，最小值为Tgate*1/231)后，闭合上行光开关，设置不断减1 的定时Tack(Tack应大于Tgate)，并用REGISTER_REQ帧回复如下内容：“本 机MAC地址为MACn，希望接入第n波长信道，请回复”。Tack归零前应收 到REGISTER帧，否则可能发生了上行波长冲突，如Tack归零时仍未收到 REGISTER帧，则关闭上行光开关，并随机调谐到另一个波长信道y(y≠之前 尝试过但未成功的所有信道标识)，重复监听动作。

b)监听到REGISTER帧，比较本ONU MAC地址是否和该帧中的MAC 地址一致：如MAC地址一致，则闭合上行光开关(如之前已经闭合，则保持 不变)，ONU非易失存储器记录本机波长信道标识，并用REGITER_ACK帧 回复给OLT回显本机MAC地址和当前波长信道标识；如不一致(说明本ONU 调谐到OLT已经分配注册的波长信道上)，则断开上行光开关，并随机调谐到 另一个波长信道y(y≠之前尝试过但未成功的所有信道标识)，重复监听动作。

c)监听到TUNE帧(内含所需调谐的波长信道值x)，立即调谐到TUNE 帧所指定的波长信道x，维持上行光开关状态不变，重复监听动作。

d)未监听到任何帧，则随机调谐到另一个波长信道y(y≠之前尝试过但 未成功的所有信道标识)，重复监听动作。

(5)OLT侧的第m个MAC Client(对应波长标识为m，m为≥1，≤32的 某个自然数)进行如下动作：

1)监听到REGISTER_REQ帧，检查该帧所带MAC是否存在于波长分配 表中。

a)如该MAC不存在于任何行，且该表第m行MAC地址为空，则将该 帧所带MAC地址填入第m行的MAC地址中，将当前时间填入接入时戳并重 置老化定时器为最大值，发送REGISTER帧。

b)如该MAC不存在于任何行，且该表第m行MAC地址非空，表示系 统出现异常，返回错误码，清空第m行，并发出Gate帧。

c)如该MAC存在于该表第m行：将当前时间填入接入时戳并重置老化 定时器为最大值；并发送REGISTER帧。

d)如该MAC地址存在于其他波长信道行中(假设为第x个波长信道,且 x≠m)，说明系统异常，发送TUNE帧告知ONU“请调谐到第x波长信道”。

2)监听到REGISTER_ACK帧，检查该帧所带MAC是否存在于波长分 配表中。

a)如该MAC存在于该表第m行：如是第一次收到REGISTER_ACK且 未收到过REGISTER_REQ帧则将当前时间填入接入时戳并重置老化定时器 为最大值，否则仅并重置老化定时器为最大值；发送REGISTER帧。

b)如该MAC不存在于任何行，发送TUNE帧告知ONU“请调谐到第0 波长信道”(即只要不是m波长信道即可)。

c)如该MAC地址存在于其他波长信道行中(假设为第x个波长信道,且 x≠m)，说明系统异常，发送TUNE帧告知ONU“请调谐到第x波长信道”。

以上仅说明了主要流程和状态变化，对于具体表项的操作和某些异常状 态未进行描述，更进一步的描述，以下面的具体实施方式为准。

另外，作为参考，本发明基于的系统说明如下：

一种超密集波分复用相干光接入系统，系统由光线路终端OLT、远端节 点RemoteNode和光网络单元ONU三部分组成，其中Remote Node由分光 器构成；

下行方向：OLT通过激光器和光频梳产生32路本征光信号，并通过IQ 调制以及AWG实现单根光纤32个波长的超密集波分复用信号光信号； Remote Node处32个波长信号通过1:32的分光器分发给ONU；在ONU侧通 过将上行光信号耦合出一部分作为下行相干接收的本振光，拍频产生对应的 波长信号；

上行方向：每个ONU的激光器调谐到不同的波长；32个ONU经过1:32 分光器耦合后并入单根光纤；OLT侧将这32个波长信号通过相干技术经本征 光信号(下行方向激光器和光频梳产生)拍频产生对应的接收信号。

按上述方案，OLT由发送端OLT Tx和接收端OLT Rx以及环形器组成； 在发送端OLTTx，种子源激光器经过光频梳后产生32个波长，每个波长的 光经过耦合器分出一部分输出作为接收端OLT Rx的本振光，另一部分经过IQ 调制器后成为发送的信号光。通过控制电路来实现调制器偏置的自动锁定。 电背板输入的32路高速电信号根据接入业务需求对数据进行可变速率调 制，同时可选择性对信号进行预补偿。32个IQ调制器输出的信号光经过AWG 后，作为OLT的下行信号光。在接收端OLT Tx，输入波分复用信号光经过一 个耦合器后分为32路光信号，与输入的32个对应的本振光一起进入相干接 收模块，相干接收后的电信号输入FPGA后，执行低复杂度自适应均衡算法 后，恢复信号通过高速数据输出口输出。

按照上述方案，ONU由相干接收器、可调谐激光器、CPU/MAC、1:2分 光器、光开关和环形器组成。为了降低成本可调谐激光器使用直接调制激光 器，并将直接调制激光器的输出光经过分路后同时作为相干探测的本振光。 本征光和输入光信号拍频并处理后产生所需的下行电信号。特别地为了配合 波长控制算法，在可调谐激光器的上行输出光方向增加了一个光开关，以免 多个ONU发出同一个波长激光器产生冲突。

以上远端节点处的1:32的分光器仅为示例，可以根据业务需要更改为1:N (N为自然数，其取值不限于2的m次方，m为≥1的自然数)，相应的OLT 的发送端的光频梳和OLT接收端的分光器也可以根据业务需要更改为M路的 光频梳和1:M的分光器(M值不小于N)。需要说明的是如果OLT接收端的 分光器插入损耗过大，导致链路光功率预算不足，可以使用AWG和低分光比 的POS代替高分光比的POS，如1:32的分光器可以用1:4的AWG和四个1:8 的POS来代替。

本发明系统中，为了进一步加大单纤的承载容量，可以采用多组种子激 光光源和光频梳，所产生的波长通过AWG合波以及耦合后可以进一步的提高 系统的容量，具体见下文说明。

附图说明

图1是传统WDM-PON架构图；

图2是一种超密集波分复用相干光接入系统架构图；

图3是一种超密集波分复用相干光接入系统简化图；

图4是一种超密集波分复用相干光接入系统波长控制方法协议栈结构示 意图；

图5是OLT上电启动后状态机工作原理流程图；

图6是ONU上电启动后状态机工作原理流程图；

图7是一个新的ONU注册到一个OLT波长信道的过程流程图。

具体实施方式

为了便于本领域的普通技术人员能够理解并实施本发明，下面将结合附图 对本发明实施例作进一步说明。

图2是本发明实施例所依赖的超密集波分复用相干光接入系统。其中OLT 由发送端(OLT Tx)和接收端(OLT Rx)以及环形器组成。在OLT的发送端， 种子源激光器经过光频梳后产生32个波长，每个波长的光经过耦合器分出一 部分输出作为OLT接收端的本振光LO，另一部分经过IQ调制器后成为发送 的信号光。通过控制电路来实现调制器偏置的自动锁定。电背板输入的32路 高速电信号根据接入业务需求对数据进行可变速率调制，同时可选择性对信 号进行预补偿。32个IQ调制器输出的信号光经过AWG后，作为OLT的下 行信号光。在OLT的接收端，输入波分复用信号光经过一个耦合器后分为32 路光信号，与输入的32个对应的本振光一起进入相干接收模块，相干接收后 的电信号输入FPGA后，执行低复杂度自适应均衡算法后，恢复信号通过高 速数据输出口输出。可见OLT上行和下行每一个信道的波长都是唯一的，分 别由AWG1的所在信道和相干接收器的输入本征光波长决定。

本发明主要关注波长控制方法，OLT端上下行波长均固定，非本发明涉 及范围，本发明主要关注ONU的波长控制。图2、3可见ONU由相干接收器、 可调谐激光器、CPU/MAC、1:2分光器、光开关和环形器组成。为了降低成 本可调谐激光器使用直接调制激光器，并将直接调制激光器的输出光经过分 路后同时作为相干探测的本振光。

本发明主要控制ONU的波长调谐(32选1)和光开关(断开或闭合)和 ONU的注册。参考图4，本发明提供一种超密集波分复用相干光接入系统波 长控制方法，在以太网协议栈的MAC CLIENT子层和OAM子层之间增加一 个相干多波长MAC控制子层(CMWMC子层)来协调多个ONU的接入。 CMWMC子层需要在OLT侧维护一张波长分配表，ONU侧维护一张波长状 态表，然后通过OLT下行的OAM帧包括GATE帧、REGISTER帧和TUNE 帧，以及ONU上行OAM帧包括REGISTER_REQ帧和REGISTER_ACK帧， 结合定时器即可完成无需人工干预的ONU注册、波长分配等工作；结合定时 器的超时机制，可以及时清理已经老化的波长分配表；结合OLT和ONU的 非易失存储器，可以做到快速的ONU注册和波长分配。具体实施方式如下：

1、OLT维护一张32行的波长分配表，如下表。该表可以保存在OLT的 非易失存储器中，OLT机器重启后“波长标识”和“接入ONU MAC地址” 保留。每一行数据有一个Tage定时器，上电后MAC非空行的定时器最大化， 然后不断减1，当减为0时，表示该行老化，本行所有数据清空；OLT接收到 ONU握手应答REGISTER_REQ或REGISTER_ACK帧时，重置本行定时器为最大值。

2、ONU维护一张32行的波长状态表，如下表。该表可以保存在ONU 的非易失存储器中，ONU机器重启后注册成功(或历史注册成功)状态列保 留，尝试注册列清空(即为0)。

3、OLT下行的OAM帧、ONU上行OAM帧中涉及的OAM帧共定义有 5种，说明如下：

4、OLT上电启动，32个波长信道并行工作，以第m个波长信道为例， 其状态机如图5所示。ONU上电启动后，状态机如图6所示。

一般的，一个新的ONU注册到一个OLT波长信道的过程如图7所示：

(1)OLT第m波长信道(以下简称OLT信道)发出Gate帧，申明当前 OLT信道空闲，调谐到ONU第m波长信道(以下简称ONU信道)；

(2)监听到Gate帧，随机延迟一段时间(可二进制随机规避算法取值， 最大值为Tgate，最小值为Tgate*1/231)后，闭合上行光开关，设置不断减1 的定时Tack(Tack应大于Tgate)，并用REGISTER_REQ帧回复如下内容： “本机MAC地址为MACn，希望接入第m波长信道，请回复”。

(3)Tack归零前ONU信道应收到OLT信道的REGISTER帧，广播允许 接入的单一MACm地址，请求回复；

(4)ONU信道发出REGISTER_ACK帧，报告MAC地址MACm给OLT 信道，完成注册过程。

以下过程为心跳保活过程：

(5)OLT信道发出REGISTER帧，广播允许接入的单一MACm地址， 请求回复；

(6)ONU信道接收后，发出REGISTER_ACK帧，报告MAC地址MACm 给OLT信道。

通过本发明的以上配置，从而可以达到无需人工干预的ONU注册和波 长分配。

以下为对本发明基于的系统结合附图的具体说明：

参照图2-3，本发明系统所述的超密集波分相干接入系统核心思想是：OLT 通过激光器和光频梳产生32路本征光信号，并通过IQ调制以及AWG实现单 根光纤32个波长的超密集波分复用信号光信号；Remote Node处32个波长信 号通过1:32的分光器分发给ONU；在ONU侧通过将上行光信号耦合出一部 分作为下行相干接收的本振光，拍频产生对应的波长信号。上行方向：每个 ONU的激光器调谐到不同的波长；32个ONU经过1:32分光器耦合后并入单 根光纤；OLT侧将这32个波长信号通过相干技术经本征光信号(下行方向激 光器和光频梳产生)拍频产生对应的接收信号。上下行方向的光通过环形器 进行方向隔离和合束。

继续参照图2-3，所述的OLT由发送端(OLT Tx)和接收端(OLT Rx) 以及环形器组成。在OLT的发送端，种子源激光器经过光频梳后产生32个波 长，每个波长的光经过耦合器分出一部分输出作为OLT接收端的本振光，另 一部分经过IQ调制器后成为发送的信号光。通过控制电路来实现调制器偏置 的自动锁定。电背板输入的32路高速电信号根据接入业务需求对数据进行可 变速率调制，同时可选择性对信号进行预补偿。32个IQ调制器输出的信号光 经过AWG后，作为OLT的下行信号光。在OLT的接收端，输入波分复用信 号光经过一个耦合器后分为32路光信号，与输入的32个对应的本振光一起 进入相干接收模块，相干接收后的电信号输入FPGA后，执行低复杂度自适 应均衡算法后，恢复信号通过高速数据输出口输出。

继续参照图2，所述的ONU由相干接收器、可调谐激光器、CPU/MAC、 1:2分光器、光开关和环形器组成。为了降低成本可调谐激光器使用直接调制 激光器，并将直接调制激光器的输出光经过分路后同时作为相干探测的本振 光。本征光和输入光信号拍频并处理后产生所需的下行电信号。特别的为了 配合波长控制算法，在可调谐激光器的上行输出光方向增加了一个光开关， 以免多个ONU发出同一个波长激光器产生冲突。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详 细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于 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。因此，本发明专利的保护范 围应以所附权利要求为准。