文章在分析無源光網絡及其主干保護系統的基礎上，為了提高保護倒換的效率，提出了一種無源光網絡主干保護系統中的提前測距方法。該方法主要通過主用OLT 在主用通道上測距，備用OLT 在備用通道上被動偵聽測距響應及其到達時間。通過測距信息、測距響應及到達時間便可計算出備用通道的測距結果。文章還提出了提前測距方法在無源光網絡主干保護系統的實際應用中所涉及的主備OLT 之間的信息交換和時間同步、測距過程發起、測距結果更新等具體措施。

　　關鍵詞：無源光網絡；主干保護；提前測距

　　1 無源光網絡及測距技術

　　無源光網絡系統通常由光線路終端(OLT)、光網絡單元(ONU)和光分配網絡(ODN)組成。其中ODN 通常為點到多點結構，主干光纖通過分光器連接多個分支光纖，而一個OLT 則通過ODN 連接多個ONU。即OLT 連接ODN 的主干光纖，ONU 連接ODN的分支光纖，如圖1 所示。

　　無源光網絡系統在上行方向上（即從ONU 到OLT）采用時分復用(TDMA) 的接入方式。在實際工程部署過程中，各個ONU 與OLT 之間的光纖長度一般也并非完全相同，各個ONU 發送的信號到達OLT 所需的時間也有可能不同，因此各個ONU 的上行發送時間起點存在差別，發送的信號可能在分光器處發生碰撞。無源光網絡系統采用測距技術，通過測量OLT 和ONU 之間的邏輯距離，并根據邏輯距離來調整ONU 的上行發送時間，使得各個ONU 與OLT 的邏輯距離顯得一樣長，而且使上行發送時間起點一致，從而避免了TDMA 接入時多個上行ONU 信號在分光器處發生碰撞。

　　無源光網絡系統的測距基本原理如圖2 所示，OLT 在T 1 時刻向ONU發送測距請求，ONU 收到測距請求后再經過一定的響應時間、必要延遲后，則向OLT 發送測距響應，OLT 在T 2 時刻收到ONU 發送的測距響應。T 2 和T 1 之間的時間差包含下行傳輸延遲、ONU 響應時間、ONU 必要延遲、上行傳輸延遲，因此通過這些參數可以計算出OLT 和ONU 之間的測距結果。

　　在國際電信聯盟遠程通信標準化組織(ITU-T) GPON/XG-PON1[1] 系統中，測距結果表現為環路延遲(RTD)，它由下行傳輸延遲、ONU 響應時間、上行傳輸延遲組成，見公式(1)。

　　RTD=T 2 -T 1 -T rd(1)

　　在美國電氣和電子工程師協會(IEEE) EPON/10GEPON[2] 系統中，測距結果表現為環路時間(RTT)，它由下行傳輸延遲和上行傳輸延遲組成，見公式(2)。

　　RTT=T 2 -T 1 -T resp-T rd (2)

　　2 無源光網絡主干保護技術

　　為了提高無源光網絡的生存性和可靠性，ITU-T G.984.1[1]定義了一種Type B 保護方式，即主干保護系統，如圖3 所示。主干保護系統對OLT和分光器之間的主干光纖進行保護，并提供兩條互為冗余的主干光纖及兩個相應的OLT：一條主干光纖及相應的OLT 處于正常工作狀態，該OLT稱為主用OLT；另一條主干光纖及相應的OLT 處于備用狀態，該OLT 稱為備用OLT。當主用主干光纖或者主用OLT 出現故障時，無源光網絡系統則會進行保護倒換，備用主干光纖及備用OLT 成為主用主干光纖和主用OLT。因主干保護系統的性價比較高，得到運營商的關注較多，并且實際部署也較多。

　　在主干光纖保護系統中，主用OLT 和ONU 之間的通道稱為主用通道，備用OLT 和ONU 之間的通道稱為備用通道。由于主用通道和備用通道存在距離和特性上的差別，主用OLT 和備用OLT 之間也存在工作特性的差別，因此發生保護倒換后，一般需要調整或者重新計算各個ONU的測距結果。該過程涉及到復雜的帶寬分配以及沖突解決等問題，所需時間往往較長，較難保證無源光網絡所承載業務的服務質量(QoS)。另一方面，由于主用OLT 和備用OLT 下行采用相同波長，在主用OLT 正常工作的情況下，備用OLT 下行不能發送信號，因此備用OLT 則無法按照測距的基本原理對各個ONU 動態實時地進行測距。

　　3 主干保護系統中的提前測距

　　在無源光網絡主干保護系統中，雖然備用OLT 在下行方向不能發光，但是在上行方向與主用OLT 同樣采用相同的波長，可以被動接收ONU發送的光信號，并可以解析出相應的消息和數據。文章利用該特點，提出了一種對備用通道進行提前測距的方法，通過備用OLT 主動偵聽上行光信號、解析上行消息和數據，并與主用OLT 互相配合，計算出備用OLT 和各個ONU 之間備用通道的測距結果。提前測距的基本原理如圖4 和圖5 所示。下面以ITU-T GPON/XG-PON1 為例描述備用通道的提前測距過程：

　　(1) 在T 1 時刻，主用OLT 向ONU發送測距請求。

　　(2) ONU 收到測距請求后，經過一定的響應時間及必要延遲后，在上行方向發送測距響應。

　　(3) 在T 2 時刻，主用OLT 收到ONU 發送的測距響應，并計算出主用通道的測距結果，見公式(3)。

　　(4) 在T 3 時刻，備用OLT 收到ONU 發送的測距響應。由圖4 和圖5可以看出，上行方向ONU 發送的測距響應到達備用OLT 和主用OLT 之間的時差為T 3 -T 2，考慮上下行波長的差別，下行方向主用OLT、備用OLT 與ONU 之間的傳輸延時之差為n D /n U ×(T 3 -T 2)，因此備用通道的測距結果見公式(4)。

　　按照同樣的過程可以計算出，IEEE EPON/10GEPON 中備用通道的測距結果如公式(5)。

　　公式(4)、(5)中n D 為下行波長折射參數，n U 為上行波長折射參數。在ITU-T GPON/IEEE EPON 系統中n D =n 1490 =1.4682，n U =n 1310 =1.4677，在ITU-T XG-PON1/IEEE 10GEPON 系統中，n D=n 1577 =1.4686，n U= n 1270 =1.4677。主用OLT 或者備用OLT 獲得備用通道的測距結果之后，可以將該測距結果更新到ONU 中，或者保存在備用OLT 中，發生保護倒換后ONU 或者新成為主用的OLT 可以直接利用該測距結果而無需對ONU 進行重新測距，這樣則可以節省保護倒換的時間并提高保護倒換效率。

　　4 提前測距在主干保護系統中的實際應用

　　文章提出的無源光網絡主干保護系統中提前測距方法，在實際應用中還需考慮一些問題。

　　(1) 提前測距過程的發起與協調

　　文章中無源光網絡主干保護系統中的提前測距過程是由備用OLT和主用OLT 互相配合完成的，在實際應用中需要發起提前測距的過程，可以通過以下一些方式實現：

　　.由主用OLT 發起提前測距過程，并通知備用OLT 啟動提前測距過程，同時向ONU 發送測距請求。

　　.由備用OLT 發起提前測距過程，并通知主用OLT 啟動提前測距過程，同時主用OLT 則會向ONU 發送測距請求。

　　.由網元管理系統(EMS)/網絡管理系統(NMS) 發起提前測距過程，并通知主用OLT 和備用OLT 啟動提前測距過程，同時主用OLT 向ONU 發送測距請求。

　　當由主用OLT 計算測距結果時，主用OLT 主動向備用OLT 獲取信息（如T 3），并在計算完成后向備用OLT發送信息（如RTD 備用）；當由備用OLT計算測距結果時，備用OLT 主動向主用OLT 獲取信息（如RTD 主用、T 2），并在計算完成后向主用OLT 發送信息（如RTD 備用）；當由第三方計算測距結果時，由第三方主動協調主用OLT和備用OLT 之間的信息交換（包括RTD 主用、T 2、RTD 備用、T 3）。

　　(2) 主用OLT 和備用ONU 間的信息交換主用OLT 和備用OLT 之間應該能夠實現信息交換，例如，公式(4)、(5)中的T 2、T 3 分別在主用OLT 和備用OLT 中記錄，它們在同一個等式中用于計算，并需要主用OLT 和備用OLT互相交流T 2、T 3；再如主用OLT 和備用OLT 在完成備用通道測距后還需交換測距結果。主用OLT 和備用OLT 之間的信息交換可以通過以下方式實現：

　　.若主用OLT 和備用OLT 之間存在直接的通信通道，則可以定義相應的消息接口以實現交換相關信息。

　　.若主用OLT 和備用OLT 之間不存在直接的通信通道，則可以通過其他設備或者系統（例如網管系統）來協調實現主用OLT 和備用OLT 之間的信息交換。例如，網管系統可以先從一個OLT 讀出相應的信息再發送給另外一個OLT。

　　(3) 主用OLT 和備用OLT 間的時間同步

　　在備用通道的測距結果計算過程中，由于需要計算測距響應到達主用OLT 和備用OLT 的時間之差，而測距響應的到達時間是主用OLT 和備用OLT 分別記錄的，因此主用OLT 和備用OLT 之間的時間應該同步。

　　若主用OLT 和備用OLT 之間存在通信通道，則主用OLT 和備用OLT之間可以直接進行時間同步。主用OLT 和備用OLT 的時間也可以都同步于某個共同設備或系統。由于無源光網絡系統是用戶接入設備，其上游還有匯聚交換設備或者系統，主用OLT 和備用OLT 的時間可以都同步于一個這樣的設備或者系統。另外無源光網絡系統一般都配置有相應的網管系統，因此主用OLT 和備用OLT 的時間可以都同步于網管系統。主用OLT 和備用OLT 之間的時間同步，或者主用OLT 和備用OLT 與共同設備或者系統之間的時間同步可以通過IEEE 1588 協議[3] 實現。備用通道測距結果的計算誤差見表1。

　　其中，△ 表示IEEE 1588 時間同步機制本身的誤差，根據IEEE 1588協議，該誤差在亞微秒量級，由于該誤差僅存在與主用OLT 和備用OLT之間，因此該誤差對所有ONU 都是一樣的。假設△ ≈ 1 us，當主用OLT和備用OLT 之間可以直接通過IEEE 1588 進行時間同步，則備用通道測距結果的誤差為2 us；當主用OLT 和備用OLT 分別通過IEEE 1588 時間同步于第三方設備時，備用通道測距結果的誤差為4 us，都在無源光網絡主干保護系統的容忍范圍內。

　　(4) 備用通道測距結果定期更新

　　主用OLT 和備用OLT 獲得備用通道測距結果后，保護倒換不一定會立即發生，隨著時間的遷移，ODN 可能會受外界因素的影響而發生變化，因此之前獲得的備用通道測距結果可能會慢慢變得不準確。因此在保護倒換發生之前，備用通道的測距結果需要進行定期更新。備用通道的測距結果可以通過以下幾種方式進行更新：

　　.主用通道的測距結果也并非一成不變，當主用OLT 檢測到主用通道的測距結果發生變化并必須更新時，備用通道的測距結果隨著更新。

　　.主用OLT 和備用OLT 互相配合并周期性地更新備用通道的測距結果，如果考慮到節能，更新的周期可以長一些，例如每天更新一次；如果希望備用通道的測距結果提高準確度，則可以將更新的周期設置的短一些，例如每小時更新一次。

　　.通過EMS/NMS 手工或者定期發起備用通道測距結果的更新。

　　5 結束語

　　文章所述的無源光網絡主干保護系統提前測距方法，可以在主用OLT 正常工作的情況下，通過備用OLT 偵聽上行信號、主用OLT 和備用OLT 互相配合來動態實時地完成備用OLT 對ONU 進行的測距，也就是說備用OLT 可以根據需要隨時對ONU進行提前測距，因此備用OLT 在保護倒換完成并成為主用OLT 時可利用事先完成的測距結果而無需對ONU重新進行測距，這樣能夠有效實現快速保護切換，進而能夠保證承載業務的QoS。文章所述的方法已經分別被ITU-T G.sup51[4]和IEEE 1904.1[5]標準所采納。

　　6 參考文獻

　　[1] ITU-T Rec G.984.1. Gigabit-Capable Passive Optical Networks (GPON): General Characteristics[S].2008.

　　[2] IEEE Std 802.3. Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) Access Method and Physical Layer Specifications[S].2008.

　　[3] IEEE 1588. Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems[S].2002.

　　[4] ITU-T G.Sup51. PON Protection Supplement to ITU-T G-Series Recommendations[S].2012.

　　[5] IEEE P1904.1. Standard for Service Interoperable Ethernet Passive Optical Network [S].2009.