CN1189267A - 数字通信网中的同步 - Google Patents

Abstract

在包括连接头端(10)与多个光学网单元(15)的分支无源光学网(11,13)的数字通信网中,在网络需要从开始初始化时通过测距来同步所有光学网单元与头端(10)占用的时间最少。这是通过使网络(14)上游方向上的所有带宽都可利用于路程测距的目的来达到的。一旦测定了整个网络的距离,便可使带宽以正常方式利用于组合的数据通信与操作及管理功能。

Description

数字通信网中的同步

本发明一般涉及数字通信网中数据同步的方法与装置。

在无源光学网上的电话(TPON)中，来自单一头端或中央台(交换机)的数据是作为时分多路复用(TDM)数据帧流在分支光纤网上在下游方向上“广播”到通常在客户房屋中的多个光学网单元(ONU)或终端上的。

采用TPON作为例子，测距是使ONU例如利用时分多址联接(TDMA)协议能将数据向上游传输而不受其它ONU传输的数据破坏的已知过程。实际上测距补偿了ONU与头端之间传输时间上的差别以防止由来自头端的请求引起的来自ONU的数据在头端上的冲突。

在本申请人的欧洲专利EP318332B1中描述了包含测距过程的数字通信网中，特别是在TPON中，管理数据传输的***，通过引用将其内容结合在此。在该专利中所描述的***中，上游与下游方向上的带宽是配置成“复帧”的，包括80个基本帧(用于携带数据与内务信息)及两个基本帧(测距时隙)用于测距。

在本说明书中，在为了清楚起见必要时，名词“帧”与“时隙”是可以互换地使用的。

在测距过程中，确定头端与各ONU之间的往返时间，并在各ONU上加上可编程的传输时间延迟使得所有ONU实际上具有相同的往返时间。通常，该过程需要精确到一个数据位以内。

测距一般采用两种形式：路程测距与精密测距。两种形式的测距使用专用的测距时隙(在TPON中，测距时隙代表小于***可利用的带宽的2.5％)。路程测距通常在头端与ONU之间能开始“在线”数据通信之前进行。一旦完成了路程测距，例如对于TPON达到50ns的精度，便起动使精度达到5ns(1位周期以内)以内的精确测距。然后在正常“在线”通信期间继续进行精确测距来补偿光学***中的漂移。在本专利说明书的上下文中，“在线”包括通信网的用户之间有可能用诸如电话、传真、电视等通信时。“脱线”通信包括诸如通信网的部件之间诸如路程测距等***管理通信。诸如采用专用控制信道的精确测距等***管理通信在在线操作期间也是可能的。然而，在诸如所需要的ONU或头端脱线时，在线通信是不可能的。

实践中路程测距过程通常还包含初始“调平”过程以便在ONU上建立适当的光功率级。为了调平的目的，响应来自头端的信号，ONU在低光功率上在一系列测距时隙中的每一个中发送一个脉冲，并提高其光功率直到头端接收到在其动态范围内的脉冲为止。只在此时才起动路程测距过程。调平与测距的组合能导致同一ONU使用测距时隙许多次来调节其光功率并得到正确的延时。为了方便起邮，除非另加说明，对起动时的路程测距应认为包含调平。

以TPON为例，对于具有128个ONU及实现包含121.95ns的82个基本帧的10ms持续时间复帧(在各复帧中只分配给测距两个基本帧)的PON，所有ONU的测距将占用5.12秒，假定四个测距时隙测距一个ONU。虽然5秒左右不算一个长的时间，如果认为这一时间表示网络故障时间或“静区”，可认为这是在PON物理重新配置或头端崩溃之后与可以重新建立通信之前可观的时间量。

最近，通过在PON的一条或多条光纤支线中加入光放大级而扩展了PON概念。超级PON能具有比标准PON远得多的工作半径，并能服务大约3500个OUN。

将上述测距示例的值用来测距超级PON，测距将占用140秒左右。然而在计入超级PON的更大工作半径及因此产生的更大往返延时时，实际上超级PON的测距将会占用长得多的时间。事实上本申请人已揭示测距超级PON中所有ONU可占用长达一个小时，这作为静区是完全不能接受的。

按照第一方面，本发明提供了具有中央台及多个外部台的点对多点通信网，中央台可用下述模式操作：

第一“在线”模式，以包含一个测距帧及多个数据帧的帧结构将信号传输给外部台，以及

第二“脱线”模式，在等于第一模式帧结构的持续时间的任何时段内包含一个以上测距帧将信号传输给外部台。

本发明具有这样的优点，初始调平与测距可在第二模式中进行，其中网络不限于每n个时隙只使用一个测距时隙(如上述示例中，其中测距时隙由两个基本帧表示而n表示80个基本帧，结果只利用四十分之一的可利用的帧时间)。实际上存在着中央台与外部台之间的测距信号的快速交换，结果在整个网络需要测距的情况下，网络中断时间得以降低到最小。在本发明的一个可能的实施例中，采用上述示例作为基础，在第二模式中复帧的80个基本帧被40个测距帧所取代，表示测距整个网络所需时间降低到四十分之一(这便是说，可以在大约128ms中完成测距)。整个网络需要测距的一个例子是在PON或超级PON中当一个头端故障而需要将一个备用头端“接入”时。

本发明引入快速或“起动”测距的概念，其中在能够开始通信之前测距所有ONU或实际上其它类型的外部台。显然，这一概念不限于TPON，而可以应用到快速起动测距是必要的任何形式的广播通信网上。

在较佳实施例中，在第二模式中，测距帧至少具有等于中央台与任何外部台之间的最大传输延时的时间周期。

作为替代，测距帧可具有至少等于最近与最远(用传输延时表示)外部台与固定点之间的差分传输延时的时间周期。这样便可减少测距时隙的时间周期从而增加每一固定时段中的测距时隙的数目，因而可以更快地测距整个网络。

在本发明的较佳实施例中，传输路径是由PON提供的。通常PON的支线包括光纤传输线，而***则是用m∶n无源分光器提供的。m∶n分光器胜过1∶n分光器的优点在于多个(m个)输入允许一个或多个备用头端，它改进了总体网络弹性。此外，一条或多条光纤支线可包含光放大装置，诸如光纤放大器。这种放大延伸了光学网的工作半径与/或***能力。

熟悉数字通信技术的人员将会理解，如上所述，本发明涉及具有一个或多个以数据帧或时隙将数据广播给多个外部台的任何类型的通信网。这种网一般可能称作“点对多点”通信网。例如，测距方法可应用在同步卫星上，它在时隙中将下游数据广播给多个地面站，而各地面站则需要在特定时隙中向上游发送数据。在在线通信能开始之前，将要求本实例中的起动测距在各地面站与卫星之间建立各自的传输延时，随后将以正常方式用精确测距来补偿卫星位置的微小改变。这一实例中的传输路径明显地为通过空间与地球大气的视线路径。类似地，本发明可应用在包含单个地面站与多个卫星的情况中。

显然本发明也可应用在诸如星形光学网等其它无源光学网配置、及诸如同轴或铜线传输网等电网络、或者网络或传输介质类型的其它可能组合上。

在本发明的一种形式中，一个头端与诸如中继器等多个中间台通信，而中间台负责它们各自的诸如ONU等外部台组的测距。在这一情况中，在本发明的意义内，中间台对于它们独立的网络中的外部台，各自作为中央台工作。这种类型的***在本申请人的共有未决欧洲专利申请95308676.9中加以描述，通过引用将其内容包含在此。

按照第二方面，本发明提供了在具有一个中央台与多个外部台的点对多点通信网中测距外部台的方法，所述中央台可以下述模式操作：

在第一“在线”模式中，以包含一个测距帧及多个数据帧的帧结构传输信号，

所述测距方法包括下述步骤：

a)中央台传输第一信号给外部台来起动测距，及作为响应；

b)外部台在基准时间上传输第二信号给中央台，然后；

c)中央台传输第三信号给外部台，指示应用在以后从外部台对中央台的传输上的相对于基准时间的提前或延时，

其特征在于该中央台还能在第二“脱线”模式中操作，以便在等于第一模式帧结构的持续时间的任何时间内传输包含一个以上测距帧的信号，以及在于所述测距步骤是在中央台的第二操作模式中执行的。

下面只以示例的方式及参照附图更详细地描述本发明的实施例，附图中：

图1为说明先进的PON的结构的图；

图2为表示图1的先进PON的方框图；

图3为说明图1中先进PON的单个ONU的起动测距的流水作业性质的定时图；以及

图4示出从头端到ONU的实现起动测距的数据序列。

下面的描述考虑先进的PON的按照本发明的起动测距过程。

熟悉本技术的人员理解起动测距是与如何管理随后的在线数据通信无关的。例如，在线通信可以是象上面引用的本申请人的欧洲专利中所描述的那样管理的TPON，或者可以是如本申请人的授权的欧洲专利337619B1中所描述的基于异步传输模式的PON(APON)。

图1示出可在其中实现起动测距的先进PON的示意图。网络利用平行的上游与下游单工路径实现全双工通信。采用分开的上游与下游路径是对全双工通信技术最简单的解决方法，由于这在上游与下游信道之间没有交扰。然而，与诸如WDM(波分复用)布置等其中上游与下游信道在不同波长上在相反方向上在同一光纤上行进的单一光纤相比，采用平行网络无疑会由于在PON中需要双倍的光纤量而导致额外的成本。

本先进PON包括头端10、馈线网11、分配网13及客户ONU15，为了简明起见只示出ONU之一。馈线网11包括分别用12与14标记的下游与上游馈线，它们延伸到PON的工作半径。在馈线网11中包含光放大器16及中继器18，以使PON具有大的***，潜在地达到数千个ONU，及长的工作半径，潜在地延伸到数百公里。

下游放大器16为已知类型的掺铒光纤放大器。利用上游中的数字中继器18来降低上游传输的噪声。下游数据传送为TDM(时分复用)信号，而上游数据传送为将数据分成分组的TDMA(时分多址联接)。

图2示出在PON头端10及在单个ONU15中用于起动测距的功能元件的方框图。头端10包括三个部件，即上游部件20、测距控制部件22及下游部件24。

上游部件包括光接收机206及连接在该光接收机上的信号分离器204。光接收机206接收来自ONU15的上游光数据并将其转换成电信号。将电信号传递给信号分离器204，后者分离来自不同ONU的数据信道。

测距控制部件22包括测距控制器224，连接在其上的有计数器226及测距脉冲检测器222。将来自信号分离器204的多路分离的信号传递给头端10的测距控制部件22中的测距脉冲检测器222。在初始起动测距期间，所接收的唯一数据为来自ONU的测距脉冲，从而检测器222只须能检测电脉冲。例如，它可以是简单的触发电路。

将测距脉冲检测器222在接收到测距脉冲时生成的检测信号传递给测距控制器224。测距控制器224还接收来自计数器226的计时信号。

下游部件24包含多路复用器242及连接在多路复用器242上的激光发射机244。多路复用器还连接在测距控制器224上。多路复用器组合来自干线网(未示出)的下游电数据信道及从测距控制器224接收的电测距控制信道。激光发射机244作为光信号向下游发射电多路复用信号。

ONU15包括三个部件，它们实际上类似于头端10中的部件。这三个部件为下游部件26、测距控制部件28及上游部件29。

ONU下游部件26包含光接收机262、连接在光接收机262上的信号分离器264、连接在信号分离器264上的帧字对齐检测器266及连接在帧字对齐检测器266并同时连接在信号分离器264上的测距信道选择器268。

将来自光接收机262的光电转换的信号传递给信号分离器264。将分离后的信号传递给帧对齐字检测器266，后者识别出在所有下游通信中由头端10生成的帧对齐信道中的帧对齐字。测距信号选择器268从分离的信号中选择由头端测距控制器224生成的测距控制信道，由于测距信道相对于帧对齐信道的位置是编程的测距信道选择器中的预定关系，便使这一选择成为可能。

测距控制部件28包括连接在测距信道选择器268上的测距控制器284、与测距控制器264连接的计数器282及连接在计数器282与测距控制器284两者上的测距脉冲发生器286。

在ONU测距控制部件28中，测距控制器284接收选择的测距信道中的测距信息。测距控制器284控制连接在计数器282上的计数器复位线285。计数器282是与头端计数器226同步的。利用检测下游数据信号中的位反相的简单电路(未示出)来达到同步。测距脉冲发生器286受测距控制器284的控制，并从计数器282接收其计时，如下面所述。

ONU上游部件26包括连接在分组器(未示出)与测距脉冲发生器286上的多路复用器264及连接在多路复用器上的激光发射机262。

在ONU上游部件29中，多路复用器294组合测距脉冲发生器286提供的测距脉冲与来自分组器(未示出)的上游数据信道。由激光发射机292向上游传输数据。

计数器226与282在它们累计或计数时间期间配置成具有相等的固定计数周期。在每一个周期开始时，将计数器复位到零。将固定周期设置成至少与头端10与ONU15之间的最大往返延时一样大。例如，对于300公里超级PON的最大往返延时为3ms，在这一情况中将两个计数器的计数周期设定为3ms。通常，两个计数器从同步整个网络的***时钟(未示出)取得它们的定时。然而，***时钟在比计数器所要求的高得多的位速率上运行，例如高达1.2Gbit/s的计数上，其中n为一整数值。

每个周期的计数次数确定起动测距过程的精度。例如，每一周期125000次计数使起动测距精度达到16位(假定2Mbit/s测距信道)，在这一情况中n的值为9600。

下面参照图3中的定时图描述起动测距过程的一个示例。图3中，并未按照比例，假定头端与ONU计数器226与282是同步的但并不互相同相。

为了简单起见，将采用每一周期100次计数的任意计数周期来展示如何达到起动测距。

在点A上(图3中)，头端测距控制器224将要在下游多路复用信号中转交给ONU15的一个测距控制信号(其形式在下面更详细地描述)发送给头端10的下游部件24。

ONU15中的光接收机292接收该多路复用的信号。测距信道选择器268抽取该测距控制信号并将其提交给ONU测距控制器284，后者在点B上接收该信号。

测距控制信号将ONU测距控制器284设定到其测距模式中。

ONU测距控制器284指令测距脉冲发生器286经由ONU15的上游部件29返回一个测距脉冲给头端10。测距脉冲发生器286等待计数器282的下一次复位(或零计数)，并在点C上生成要传输给头端10的测距脉冲。

在收到测距脉冲时，测距脉冲检测器222在点D上发信号通知测距控制器224测距脉冲已经到达。

测距控制器224将脉冲的到达(点D)与来自计数器226的计数值C关联。计数值l在点D上等于ONU15的传输必须延时以保证在计数器282的零计数值上从ONU发送的脉冲在计数器226的零计数值上到达头端10的计数数。

为了实现这一延时，头端测距控制器224在点E上提供一要传输给ONU测距控制器284的报文，该报文通知ONU测距控制器延时上游传输适当的值l。

在点F上ONU测距控制器284接收到来自头端测距控制器224的报文。在点G上下一次计数器282应复位到零，测距控制器284发信号给计数器282复位到计数值l，从而提供计数延时l。

这样，下一次在点H上计数器282的计数值零上由ONU15传输的测距脉冲应在点I上头端计数器226也在零上到达起点10。

按照上述测距过程，300公里的超级PON中的ONU能在小到12ms中加以测距。

对于3500个ONU，只须30秒多便能全部测距(忽略调平)。

实际上，不能假定***是无噪声的，而应执行检验。这可能将单个ONU的测距周期延长到15ms，将全部测距时间增加到刚好一分钟以下。为了在这一时间中完成测距，需要全部可利用的上游带宽，即在上游不能传输数据通信量。

图4示出头端发动起动测距所广播的信息。应记住不在进行在线数据交换，并且PON中的所有ONU都在备用模式中，“收听”来自头端的广播。

测距控制器生成的信息包括含有ONU地址的一个两字节字段50，该地址标识要测距的ONU，以及所有ONU都识别为“起动测距”控制命令的一个两字节字段52。所有ONU都接收这一广播信息，但只有在地址字段中标识的那个ONU用返回一个测距脉冲来应答。发送过ONU地址与测距命令之后，头端10等待一个返回信号。等待时间称作空闲时间54，因为头端不做任何事情，当然除非在预定的“故障”时间内没有出现应答。

在收到测距脉冲时，头端测距控制224计算需要的延时量，然后在另一个两

在收到测距脉冲时，头端测距控制器224计算需要的延时量，然后在另一个两字节地址字段56中寻址同一ONU，56后面跟随包含以计数次数表示的延时l的一个两字节复位值字段58。可对于同一ONU重复测距过程以检验已达到正确的计数器对准。

一旦头端10实现已测出ONU的距离，便寻址下一个ONU。

当已经成功地起动测距所有ONU时，如果需要，便可进行精确测距及包括精确校正性测距的在线数据通信，例如在上面引用的本申请人的欧洲专利EP 318332B1中所描述的。

虽然图2表示适合于按照本发明的起动测距的***，头端上游与下游部件20与24以及ONU下游与上游部件26与28既用于起动测距，也用于随后的脱线与在线通信。然而除了计数器282以外，测距控制部件22与28基本上只用于起动测距目的。测距控制器224与284可在适当的可编程计算机中的软件中实现。然而，所包含的通信的高速度(虽然不如主上游与下游数据速率那样高)通常保证使用定制的硬件电路的正确性。

计数器282具有对ONU中的上游调度器(未示出)的进一步连接(未示出)。一旦完成了起动测距，上游调度器便接收与诸如精确测距等其它测距组合在一起的来自计数器282的计数值。调度器缓冲存储上游数据并将其提交给多路复用器294以便在正确的时间向上游传输。通常，各ONU不同地从计数器282的零计数起的固定偏移量上将数据向上游发送。各ONU的偏移量是由头端确定的。

上述方法与装置反映了如何可以达到起动测距的一个简单实施例。熟悉本技术的人员可使说明书中的教导适应本发明的许多变型而不越出本发明的实质。例如，可利用来自头端的同步基准信号来达到同步，而不是依靠用头端计数器来同步ONU计数器的需求。然而，确信本说明书反映了完成起动测距的最简单方法之一。

熟悉本技术的人员将理解，虽然起动测距的上述实例是对包含PON的数字通信网特定的，但说明书中所详细描述的起动测距概念可应用于包含向多个外部台广播信息的中央台的任何形式的网络，其中外部台与中央台的通信是对采用起动测距的初始同步敏感的。

Claims (29)

1、一种具有一个中央台及多个外部台的点对多点通信网，该中央台可在下列模式中操作：

第一‘在线’模式，以包含一个测距帧及多个数据帧的帧结构传输信号给外部台，以及

第二‘脱线’模式，将在等于第一模式帧结构的持续时间的任何时段内包含一个以上测距帧的信号传输给外部台。

2、按照权利要求1的通信网，其中该第一模式帧结构为包含多个基本帧的复帧，将少于该多个基本帧一半的帧接连地配置为所述一个测距帧。

3、按照前面权利要求中任何一项的通信网，其中该第二模式帧结构包括接连的测距帧。

4、按照前面权利要求中任何一项的通信网，其中所述第二模式中的所有测距帧具有至少等于从中央台到任何外部台与回到中央台的最长往返延时的持续时间。

5、按照权利要求1至3中任何一项的通信网，其中所述第二模式中的所有测距帧具有至少等于从网络中的一个固定点到最近的外部台再回来与从网络中的该固定点到最远的外部台再回来的往返延时之间的差的持续时间。

6、按照前面权利要求中任何一项的通信网，其中该中央台包括一个循环计数器，其中该计数器每个周期的计数数目确定第二模式中的各测距帧的持续时间。

7、按照权利要求6的通信网，其中各外部台包含一个配置用于在与中央台中的计数器相同的频率及以相同的计数数目循环的循环计数器。

8、配置用于在按照前面权利要求中任何一项的点对多点通信网中使用的中央台。

9、配置用于在按照前面权利要求中任何一项的点对多点通信网中使用的外部台。

10、一种具有一个中央台及多个外部台的点对多点通信网，该中央台可以脱线测距目的进行操作，将比在线通信期间相同的周期中传输给外部台的测距帧传输给外部台。

11、一种在具有一个中央台及多个外部台的点对多点通信网中测距外部台的方法，所述中央台可在下述模式中操作：

第一‘在线’模式，以包含一个测距帧及多个数据帧的帧结构传输信号，

所述测距方法包括下述步骤：

a)中央台发送第一信号到外部台以发动测距，及作为应答；

b)外部台在基准时间上发送第二信号给中央台，然后；

c)中央台发送第三信号给外部台，指示相对于基准时间要提供给从外部台到中央台的后续传输上的提前或延时，

其特征在于中央台还可在第二‘脱线’模式中操作，在等于第一模式帧结构的持续时间的任何周期内发送包含一个以上测距帧的信号，及在于所述测距步骤是在中央台的第二模式操作中执行的。

12、一种建立‘在线’通信之前在点对多点通信网中测距外部台的方法，所述网络具有一个中央台及多个外部台，所述方法包括该中央台在所述测距期间执行比任何给定持续时间的‘在线’通信中生成的更多的测距操作。

13、一种在数字通信网中测距外部台的方法，该网络在中央台与多个外部台之间包括多条传输路径，其中外部台与中央台之间基本上所有上游带宽都可利用来测距。

14、如权利要求13中的测距方法，其中基本上所有上游带宽都***成测距时隙流，各时隙具有至少等于中央台与任何外部台之间的最大传输延时的一个周期。

15、如权利要求13中的测距方法，其中基本上所有上游带宽都***成测距时隙流，各时隙具有至少等于最近的与最远的外部台与一个固定点之间的差分传输延时的一个周期。

16、如权利要求13至15中任何一项中所要求的测距方法，包括初始调平级。

17、如权利要求13至16中任何一项中所要求的测距方法，其中的传输介质包括无源光学网。

18、如权利要求17中的测距方法，其中该无源光学网的至少一条光纤支线包括光放大装置。

19、如权利要求18中的测距方法，其中所述光放大装置包括光纤放大器。

20、一种在中央台与多个外部台之间包括多条传输路径的通信网，其中该网络在起动时按照权利要求13至19中任何一项被加以测距。

21、一种按照权利要求13至19中任何一项的方法测距的无源光学网中的光学网单元。

22、一种测距数字通信网中的外部台的方法，该网络包括一个中央台与多个外部台之间的多条传输路径，该方法包括下述步骤：

a、从中央台向给定的外部台传输第一信号，以使该外部台在基准时间上返回第二信号给中央台；

b、在中央台上接收该第二信号，确定第二信号的实际接收时间与要求的接收时间之间的时间差，及生成用于导致外部台改变所述基准时间使得来自该外部台的后续信号在要求的时间上到达的第三信号，

其中为网络中的所有外部台重复所述步骤，及基本上各给定外部台与中央台之间的所有上游带宽都可利用来测距。

23、按照权利要求22的方法，其中基本上所有上游带宽配置成等周期的上游测距时隙的流。

24、按照权利要求22或23之一的方法，其中所述基准时间是与在接收到来自中央台的信号之后出现的下一上游测距时隙的开始重合的。

25、按照权利要求22至24中任何一项的方法，其中所述基准时间是通过将上游测距时隙的相位移位等于第二信号的实际接收时间与要求的接收时间之间的时间差的量而改变的。

26、按照权利要求25的方法，其中与外部台关联的循环计数器确定时隙的周期与相位，其中该计数器周期的开始是与时隙的开始重合的，并且计数器周期等于时隙的周期。

27、按照权利要求26的方法，其中与该中央台关联的循环计数器配置用于以等于上游测距时隙周期的周期循环。

28、按照权利要求27的方法，其中基准时间的改变是通过相对于与中央台关联的循环计数器的相位来改变与外部台关联的循环计数器的相位而实现的，使得在上游测距时隙开始时从外部台发送的信号在与中央台关联的循环时钟的周期开始时到达中央台。

29、一种数字通信网，该网络包括一个中央台与多个外部台之间的多条传输路径，其中为了建立中央台与各外部台之间的同步，该中央台包括：

用于将第一信号传输给给定外部台的装置；以及

响应来自该外部台的第二信号的接收时间以计算第二信号的延时，及用于将表示该延时的第三信号传输给该外部台的装置，以及各外部台包括：

响应所述第一信的接收在基准时间上传输所述第二信号的装置；以及

响应所述第三信号将所述基准时间改变等于所述延时的量的装置，

其中该网络在使用中配置用于使外部台与中央台之间基本上所有上游带宽都能利用于测距的目的。

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