CN104202082B - 一种低开销的高生存性pon保护结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种低开销的高生存性PON保护结构，属于光网络技术领域。该结构通过在光线路终端中新设计逻辑判定、备份收发和保护路控制等多个不同的功能单元，逻辑判定单元根据接收到的逻辑信号判定光开关的倒换，备份收发单元调谐到故障部分的保护波长，使WDM部分只将故障部分器件执行倒换操作，实现了低开销的集中式保护；在TDM部分采用交叉总线形结构，ONU检测到故障时实现了快速的分布式保护倒换。本发明有效地减小了WDM/TDM‑PON***中参与保护倒换的元器件个数，减小了故障的影响范围，降低了故障的保护资源开销，并且对整个***中所有的光纤故障实现了全保护。

Description

一种低开销的高生存性PON保护结构
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波分复用时分复用混合无源光网络(WDM/TDM-PON)故障保护技术，特别是一种低开销的高生存性PON保护结构。
背景技术
随着经济的发展和科学技术的进步，人们对各种信息的需求与日俱增，这对现有网络的数据承载能力形成空前的压力，致使下一代高带宽大容量、低成本可平滑升级的混合无源光网络WDM/TDM-PON的提出成为必然趋势，相应的，提高混合无源光网络的生存能力至关重要。故障保护恢复是网络能够持续可靠运行的保障，快速的故障恢复能够显著地提高网络的可靠性，减少数据业务的丢失，因此WDM/TDM-PON故障保护技术的研究成为混合PON生存性研究的关键。
保护技术主要从网络结构设计入手，按照保护资源的配置模式可将传统保护技术分为备份保护，分组保护和环网保护三类。典型的保护备份为ITU-T G983.1建议的四种保护结构，主要通过对网络设备或链路的备份来达到保护的目的。分组保护即将两个相邻的ONU用备用光纤互联形成一个ONU组，可节省资源且实现ONU之间的自动互保护倒换。环网保护是指将所有ONU/RN或者部分ONU/RN一次连接成环，通过OLT来控制故障两边的上下行数据方向和ONU/RN中光开关的倒换来实现业务保护恢复。
按照控制方式的不同又可将PON的保护技术分为集中式和分布式。集中式指故障后，保护倒换操作由OLT集中控制完成；分布式指故障后由RN或ONU分散地执行保护操作。Qiu Y等人在“Anovel survivable architecture for hybrid WDM/TDM passive opticalnetworks”【Optics Communications[J].,2014,312:52-56.】提出一种分布式保护结构，在TDM部分的保护环中以一个故障状态为基准状态，减少了参与保护倒换的元器件数量，但其DF发生故障时，所有DF都参与保护倒换，仍造成保护资源浪费。Fan H等人在“Cost-effective scalable and robust star-cross-bus PON architecture using acentrally controlled hybrid restoration mechanism”【Optical CommunicationsandNetworking[J].IEEE/OSA Journal of,2013,5(7):730-740.】提出一种集中式保护结构，在OLT中设置备份收发单元，在TDM部分采用交叉总线形结构。发生故障时，通过备份收发单元的保护调谐实现了局部故障当地恢复，减小了故障的影响范围，但需要最后一公里光纤(LMF)一起参与保护倒换，造成保护资源浪费。ZhuM等人在“Asurvivable colorlesswavelength division multiplexed passive optical network with centrallycontrolled intelligent protection scheme”【Optical Communications andNetworking[J].IEEE/OSA Journal of,2012,4(10):741-748.】提出一种集中式智能保护倒换机制，在OLT中采用数字逻辑判定单元，根据同时对工作路径和保护路径进行监视所得的逻辑信号，控制光开关实现快速保护倒换，网络结构简单且网元成本低，但保护倒换时需要所有的DF参与，资源浪费大。集中式保护要求OLT更复杂，但能有效地简化***其他元器件的结构，降低成本开销；分布式能够有效地减小故障影响范围，提高保护倒换速度。
因此，在WDM/TDM-PON的保护结构中，如何减少保护倒换过程中涉及到的网元数量，减小故障影响范围，从而减少网络保护资源浪费，降低保护的开销，是生存性研究的重点问题。
发明内容
有鉴于此，本发明针对传统PON光纤故障中参与保护倒换元器件多，保护资源开销大的问题，提出了一种低开销的高生存性PON保护结构，该结构在光线路终端中新设计了多个不同的功能单元，使WDM部分只将故障部分器件执行倒换操作，实现了低开销的集中式保护；在TDM部分采用交叉总线形结构，实现了快速的分布式保护倒换，有效的减小了故障的影响范围，降低了故障的保护资源开销。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种低开销的高生存性PON保护结构，对WDM/TDM-PON的两部分采用不同的保护方式，第一部分为WDM部分，WDM部分采用树形备份结构，通过OLT的控制实现智能快速保护倒换；第二部分为TDM部分，TDM部分采用交叉总线形结构，实现快速的分布式自保护倒换。
进一步，所述WDM部分的智能快速保护倒换控制具体包括：在OLT中新设计了逻辑判定和备份收发单元，以及一种新的功能单元——保护路控制单元；OLT中的各个单元相互连接通信以实现WDM部分集中式保护倒换；在ONU新设计了一个功率监视器，同时使用工作路径和保护路径分别将ONU串联起来，形成交叉总线形结构，实现快速分布式自保护倒换。
进一步，收发单元对工作路径的光信号进行监视，同时将逻辑信号发送到逻辑判定单元和故障管理单元；功率监视单元对保护路径进行监视，并将逻辑信号发送到故障管理单元；故障管理单元根据接收到的逻辑信号，通知备份收发单元调谐到相应的波长实现保护；逻辑判定单元根据接收到的逻辑信号，控制两个光开关OS倒换；备份收发单元根据故障管理单元的输出信号执行相应的保护调谐，并将信号输入保护路控制单元。
进一步，正常工作模式下，下行信号通过FF和DF-i传输到ONU组，经OC分为两部分分别广播给各个ONU，上行信号沿同样的路径反向传输；WDM部分故障时，逻辑判定单元根据接收到的逻辑信号控制OS1和OS2的状态，故障管理单元根据接收到的逻辑信号，智能地控制备份收发单元调谐到对应的波长上，通过相应的保护路径(FF*和DF-i*)实现保护倒换；TDM部分故障时，仅需要通过ONU中设立的功率监视器即可实现自保护倒换，ONU中的功率监视器检测不到下行信号时，产生逻辑信号控制ONU中的光开关OS倒换，且故障点后所有的ONU都自行倒换到保护路径上。
进一步，所述逻辑判定单元分为两部分，第一部分控制OS1的状态，主要由N个非逻辑门和一个N输入与逻辑门构成；第二部分控制保护了控制单元中OS2的状态，为一个N输入与非逻辑门。
进一步，所述保护路控制单元由两个部件构成，一个是OS2，控制从备份收发单元来的下行信号是否通过保护路径下行传输，第二个是异或逻辑器件XOR，XOR根据OS2的状态和逻辑判定单元第二部分的输出信号控制OS2的状态。
本发明的有益效果在于：本发明提出的混合式保护结构，在OLT中设置了新的功能单元，实现了在WDM部分只使得故障部分器件倒换到对应的保护备份上，有效地减小了故障影响范围，降低了保护资源开销；在TDM部分采用交叉总线形结构，以及在ONU中设置一个功率监视器，实现了局部故障当地恢复，有效地故障的影响范围。本发明所提结构能够对OLT到ONU组之间的WDM部分提供下行1:1保护，上行1+1保护；而对ONU组内的TDM部分提供下行1+1保护，上行1:1保护，即能够对任何一个部分的光纤故障提供快速保护倒换。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明所述保护结构的总体结构图；
图2为收发单元基本结构图；
图3为功率监视单元基本结构图；
图4为备份收发单元基本结构图；
图5为保护路控制单元基本结构图；
图6为逻辑判定单元基本结构图；
图7为ONU内部基本结构图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
图1为本发明所述保护结构的总体结构图，该结构在WDM部分采用树形备份结构，在OLT中新设计了逻辑判定、备份收发以及保护路控制等功能单元，实现OLT集中式控制保护，有效地简化了RN和ONU；TDM部分采用交叉总线形结构，利用此结构可以很好地减少故障影响范围，实现快速的分布式自保护倒换。
为了实现全保护倒换功能，本结构在OLT中新设计了逻辑判定和备份收发单元，并提出一种新的功能单元——保护路控制单元。OLT中的各个单元相互连接通信以实现集中式保护倒换。其中收发单元对工作路径的光信号进行监视，同时将逻辑信号发送到逻辑判定单元和故障管理单元；功率监视单元对保护路径进行监视，并将逻辑信号发送到故障管理单元；故障管理单元根据接收到的逻辑信号，通知备份收发单元调谐到相应的波长实现保护；逻辑判定单元根据接收到的逻辑信号，控制两个光开关(OS)倒换(OS2位于保护路控制单元中)；备份收发单元根据故障管理单元的输出信号执行相应的保护调谐，并将信号输入保护路控制单元，显然备份收发单元可以对所有的收发器提供共享保护；保护路控制单元根据逻辑判定单元的输出信号以及OS2的状态控制OS2倒换。结构中采用的阵列波导光栅(AWG)都具有相同的自由频谱范围(FSR)。
本结构中，备份收发单元所调谐到的一个(或多个)保护波长，可以只通过故障部分对应的保护光纤传输。相对于传统的故障保护，所提结构不需要所有的备份保护资源都参与保护倒换，实现了只有故障部分倒换到对应的保护备份上的快速保护，因而极大地节省了保护资源的开销。
收发单元包括N个收发器、光循环器和一个AWG。N个收发器支持N个ONU组，在每个收发器中，发射器(Tx)产生下行信号，光循环器将上下行信号分离。接收器(Rx)除了接收上行信号外，同时还对工作光路中光信号的功率进行监视，并发送相应的电信号到逻辑判定单元和故障管理单元。下行信号通过AWG复用后传向2×2光开关OS1的端口1。收发单元基本结构图如图2。
功率监视单元包括N个功率监视器和一个AWG，用来监视保护路径上各个上行信号的功率，并分别产生电信号到故障管理单元。功率监视单元基本结构图如图3。
备份收发模块包括m个备份收发单元PTRx，PTRx包括可调谐激光器(TL)，接收器(Rx)，可调谐滤波器(TF)，光循环器(Circulator)。备份收发单元发出的下行信号经光耦合器OC2耦合后，传到保护路控制单元。从保护路控制单元来的上行信号经过Circulator的分离，传向TF。备份收发单元数量为m，理论上m可以为1到n之间的任意整数，但其实m＝n时即可满足网络的生存性，同时还能保证高效的冗余率，因此m可以设为允许同时发生故障的ONU组的最大数。备份收发单元基本结构图如图4。
保护路控制单元包括一个1×2光开关OS2和一个异或逻辑器件XOR，XOR根据OS2的状态和逻辑判定单元的输出信号控制OS2倒换。备份收发单元的输出信号发送到OS2的端口3，OS2的端口1连接到光耦合器OC1，OC1将来自OS1和OS2的信号进行耦合，通过保护光纤FF*连接到RN中的AWG。保护路控制单元基本结构图如图5。
逻辑判定单元由两部分组成，OLT中接收器(Rx)发送的电信号同时给这两部分，其基本结构如图6示。第一部分L-1包括N个非逻辑门和一个N输入与逻辑门，第二部分L-2为一个N输入与非逻辑门。逻辑判定单元中L-1控制光开关OS1(横向连接或者交叉连接)，L-2控制光开关OS2(1-2连接或者1-3连接)。
当Rx和相应的监视器都检测不到上行功率时，表明对应的ONU组整体掉线，此时光开关OS2依然进行倒换，但故障管理单元根据接收到的工作路径和保护路径上的逻辑信号，通知备份收发单元是否执行保护调谐，此时不通知备份收发单元调节到掉线ONU组对应的波长。图7为ONU内部基本结构图。
具体来说，本发明所述结构的故障保护原理：
正常工作模式下，下行信号只通过工作路径进行传输，OLT中OS1横向连接，OS2置于端口2位置，如图1所示。下行信号在每个ONU组处经2×2OC分成两部分，分别广播给各个ONU。工作路径(图1中实线)和保护路径(图1中虚线)分别将ONU串联起来形成一个类似环形的交叉总线形结构，正常情况下ONU只从工作光纤上接收数据。上行方向上，各上行数据通过工作光纤发送到2×2OC处，分成两部分，一部分通过工作路径及OS1发送到OLT中的各个Rx，另一部分通过保护路径传到1×2OC1处再分为两部分，一部分发送到功率监视单元，另一部分经过OS2发往备份收发单元。
光纤故障可分为以下五种情况进行讨论。
情况一：FF发生故障时。
此时OLT收发单元检测不到所有ONU组的上行信号，所有的Rx输出都为逻辑信号“0”，L-1输出逻辑信号“1”，控制OS1倒换到交叉连接状态，此时整个网络倒换到保护光纤上传输，实现数据业务的恢复，且备份收发单元不进行保护调谐。
情况二：当任意一条工作DF发生故障时。
此时，收发单元中相应的Rx检测不到上行信号，产生逻辑信号“0”到逻辑判定单元和故障管理单元。同时，监视相同信道的功率监视器能够检测到光信号，产生逻辑信号“1”给故障管理单元。故障管理单元根据接收到的逻辑信号，通知备份收发单元调节到相应的波长上。
L-1经过逻辑运算输出逻辑信号“0”，OS1不进行倒换；L-2输出逻辑信号为“1”，发往保护路控制单元中XOR的端口2。XOR的端口1连接到OS2上，当OS2倒换在端口1上时发送逻辑信号“1”到XOR的端口1，否则发送“0”。此时XOR端口1接收到的逻辑信号为“0”，因此XOR输出逻辑信号“1”发送到OS2，OS2倒换到端口1上。此时备份收发单元的下行信号可通过OS2、OC1发送到RN，再经过相应的保护光纤DF*发送到对应的故障ONU组，使得只有故障的ONU组倒换到相应的保护光纤上，实现了低保护开销的故障恢复。
同时，若其他的一条或多条(故障数小于m)工作DF再发生故障，各单元执行相应的操作，仍然能够实现只有故障的ONU组倒换到相应的保护光纤上。此时，L-1输出逻辑信号为“0”，OS1不进行倒换，L-2输出逻辑信号为“1”发送到XOR的端口2，而此时OS2处于端口1状态，因此发送到XOR端口1的逻辑信号为“1”，因此XOR的输出为逻辑信号“0”，OS2将维持在端口1的状态上。这时，备份收发单元发出的保护数据可发送到RN节点，解复用后仍可实现只是故障的ONU组倒换到相应的保护备份上，实现低开销的故障恢复。
情况三：当两条或者多条(故障数小于m)工作DF同时发生故障时。
此时的恢复步骤与单故障时类似。OLT收发单元中多个Rx接收不到信号，逻辑判定单元对OS1和OS2执行相应的控制，依然可以实现只有故障的ONU组倒换到相应的保护备份上，实现低开销的故障恢复。
此时若其他的一条或者多条(故障数小于m)工作DF发生故障时，各单元执行相应的操作，仍然能够实现只有故障的ONU组倒换到对应的保护光纤上，其过程与情况二所述类似。
情况四：当同时故障的DF数大于m时。
当故障管理单元检测到故障DF数大于m时，故障管理单元直接发送逻辑信号“1”到OS1，控制OS1倒换到交叉状态，且备份收发单元不进行保护调谐。
OLT中逻辑判定单元第一部分L-1逻辑表达式为：
第二部分L-2的逻辑表达式为：
wj,j＝1,2L n为OLT中各个接收器发出的逻辑信号。
异或逻辑器件XOR的表达式为：
S表示XOR的输出信号，SL2表示逻辑判定单元第二部分的输出信号，SOS21表示OS2是否连接在端口1上。
情况五：LMF发生故障时。
ONU基本结构如图7所示。ONU内部包括三个耦合器Tap，一个功率监视器，光电检测器PD，反射式半导体光放大器(RSOA)。工作路径中信号按顺时针方向传输，Tap 1将信号分为两部分，一部分通过Tap 3传到PD，另一部分继续顺时针向下传输。上行方向，RSOA将下行数据重调制发回Tap 3并分为两部分，一部分在Tap 1处将ONU的上行信号耦合进上行波长中逆时针传输，另一部分传到OS。功率监视器根据PD的输出信号，控制OS的倒换。
LMF发生故障时，PD接收不到下行信号，功率监视器M发送一个逻辑信号控制开关OS倒换，这时ONU将切换到保护光纤LMF*实现数据恢复，故障点后所有的ONU将自行倒换到保护光纤上按照顺时针方向传输上行信号，实现数据业务的恢复。
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。

Claims (4)

1.一种低开销的高生存性PON保护结构，其特征在于：对WDM/TDM-PON的两部分采用不同的保护方式，第一部分为WDM部分，WDM部分采用树形备份结构，通过OLT的控制实现智能快速保护倒换；第二部分为TDM部分，TDM部分采用交叉总线形结构，实现快速的分布式自保护倒换；
所述WDM部分的智能快速保护倒换控制具体包括：在OLT中新设计了逻辑判定和备份收发单元，以及保护路控制单元，所述保护路控制单元根据逻辑判定单元的输出信号以及OS2的状态控制OS2倒换；OLT中的各个单元相互连接通信以实现WDM部分集中式保护倒换；在ONU新设计了一个功率监视器，同时使用工作路径和保护路径分别将ONU串联起来，形成交叉总线形结构，实现快速分布式自保护倒换；
收发单元对工作路径的光信号进行监视，同时将逻辑信号发送到逻辑判定单元和故障管理单元；功率监视单元对保护路径进行监视，并将逻辑信号发送到故障管理单元；故障管理单元根据接收到的逻辑信号，通知备份收发单元调谐到相应的波长实现保护；逻辑判定单元根据接收到的逻辑信号，控制两个光开关OS倒换；备份收发单元根据故障管理单元的输出信号执行相应的保护调谐，并将信号输入保护路控制单元。
2.根据权利要求1所述的一种低开销的高生存性PON保护结构，其特征在于：正常工作模式下，下行信号通过工作光纤FF和DF-i传输到ONU组，经光耦合器OC分为两部分分别广播给各个ONU，上行信号沿同样的路径反向传输；WDM部分故障时，逻辑判定单元根据接收到的逻辑信号控制OS1和OS2的状态，故障管理单元根据接收到的逻辑信号，智能地控制备份收发单元调谐到对应的波长上，通过相应的保护路径：FF*和DF-i*，实现保护倒换；TDM部分故障时，仅需要通过ONU中设立的功率监视器即可实现自保护倒换，ONU中的功率监视器检测不到下行信号时，产生逻辑信号控制ONU中的光开关OS倒换，且故障点后所有的ONU都自行倒换到保护路径上。
3.根据权利要求1所述的一种低开销的高生存性PON保护结构，其特征在于：所述逻辑判定单元分为两部分，第一部分控制OS1的状态，主要由N个非逻辑门和一个N输入与逻辑门构成；第二部分控制保护路控制单元中OS2的状态，为一个N输入与非逻辑门。
4.根据权利要求1所述的一种低开销的高生存性PON保护结构，其特征在于：所述保护路控制单元由两个部件构成，一个是OS2，控制从备份收发单元来的下行信号是否通过保护路径下行传输，第二个是异或逻辑器件XOR，XOR根据OS2的状态和逻辑判定单元第二部分的输出信号控制OS2的状态。
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KR20130017821A (ko) 파장분할다중화 방식의 단심 환형망에서의 보호복구 절체 장치

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