分布式光网络范文

分布式光网络范文（精选8篇）

分布式光网络 第1篇

故障管理的目的是迅速发现和排除网络故障, 动态维护网络的联通性。故障管理的主要功能有告警监测、故障定位和业务恢复等, 同时, 还要维护一张方便日后查询的故障日志表, 做好相应的统计备案[1]。本文将在说明分布式故障点定位和跨接恢复路由特点后, 给出一种网管系统的分布式故障管理模块的设计方案。

1 分布式故障管理

网络出现故障的原因有多种, 任何层面出现故障, 如因施工作业而造成的线路中断、节点系统上的程序缺陷和数据库事故等, 都将导致网络中正常的数据传送面临瘫痪。人们采用了故障管理系统来处理这个问题。但不论是采用故障状态的监督, 故障点定位, 还是采用某些生存性算法来解决故障恢复问题, 传统的方法都是采用网络整体的集中处理控制方式, 这类方法存在以下弊端:

(1) 对于故障点的上报告警信息传递周期长, 监测定位范围有限;

(2) 网络中的每一个节点都需要具备完整的网络视图, 没有自律行为, 完全依靠外部管理;

(3) 中央集中式控制网管的任务负担沉重。

采用分布式故障管理的中心思想是, 把节点上每一台光交叉连接 (OXC) 装置, 看作是连接多条通道链路、具有高度处理能力的智能化装置。这里所说的分布式故障处理并非要取代集中式控制方式, 而是对集中处理方式的一个有益的补充。对于通用的告警初始化配置, 保护与恢复的策略等仍然要由集中网管实施, 只是对于故障点的定位以及跨接的故障恢复算法等, 可以在节点上实现, 下面就故障定位及跨接的算法等作一介绍。

1.1 分布式故障监测与定位

在网络的生存性机制中, 保护和恢复在时间上是有严格规定的。一般来说, 保护的时间不应该超过50 ms, 恢复的时间不应该超过200 ms。保护和恢复的启动失灵, 将导致光网络的故障在短时间内无法修复, 造成的原因可能有两种:其一, 故障点位置监测不准确, 或是监控告警判断失误;其二, 告警信息要经过网络传递, 再报告给中央集中网管系统, 途中信息丢失, 导致未批准故障恢复动作或其他正常的开通或维护的执行。目前的故障定位方式有两种类型:第一种是基于中心控制节点定位的方法, 如相关链路分析法[2], 其主要特点是需要不同节点的信息全部参与到故障点定位上, 而且要在全网广播告警信息, 这样的方法显然不适用于拓扑关系复杂的网络结构;而且此种方法要求某个节点被定位为中心节点, 这样它必须储存有全网的实时拓扑信息和业务上的配置信息, 造成节点任务过重。第二种则是基于单节点的故障监测、判断和定位机制[3], 对于这种控制方式, 每个节点都控制和管理只与本节点相关的拓扑和业务信息, 对于故障点的监测、判断和定位都基于本节点上的监测点, 通过节点内部的告警分析, 可以得知本节点中设备运转情况以及与之相关链路上信号是否正常。

1.2 分布式故障点恢复方法

在讨论光传送网可靠性的时候, 有两个思路可以参考:第一种是采用预先双备份的思想, 正常传送业务使用工作线路, 设置备用的保护线路 (闲置或安排业务等级低的信号) 。当需要对工作线路实施保护的时候, 切换到备用保护线路上, 使业务不丢失, 但这种方式预投资比较大。另外一种思路是采用某些生存性机制, 启动网络中的恢复算法, 在允许的恢复时间内, 在全网范围内寻找其他新的可用路由集, 实现业务的可重路由, 而不发生丢失。

传统的集中控制方式需要集成的数据库, 告警信息要上报到网络运营中心来获得验证, 然后进一步采取恢复措施, 这样很容易造成网络恢复的延迟。采用分布式故障恢复算法, 提高了网络单元设备 (NE) 对紧急事件进行自治的处理速度。对于故障点恢复可以分为跨接故障恢复和通道故障恢复。由于跨接段完全可由单节点故障监测确定, 因此采用跨接故障恢复[4]作为分布式故障点恢复的研究重点。一般的路由选择方法是不包含详细的节点交叉连接信息的, 而故障恢复方法必须以跨接内各个链路为处理对象来构成, 因此, 对于计算出来的恢复通道的集合应该满足以下特殊的性质:以图1所示的6节点网络图为例, 来简要说明。

设定6个节点之间通道分配数, 采用单节点故障点定位监测出节点2到5跨接段信号丢失, 这样, 从源节点2到宿节点5的业务需要倒换到其他保护线路上, 这里假定其他线路上业务量均为零。那么, 从节点2到5, 可以构造的恢复通道集合为

① 2-6-5,

② 2-4-5,

③ 2-1-6-5,

④ 2-4-3-2-1-6-5 (出现波长环路, 一般来说, 舍弃) 。

本方法具有以下特点:

(1) 通道总体长度最短:这里可以采用多种最短径的路由算法完成。

(2) 链路要求独立:单跨接中的波长链路不能同时用在不同的波长业务中。

(3) 容量一致性:在节点没有波长变换器的情况下, 同一个业务不能在不同跨接上使用不同的波长。这样, 要求某跨接上具备额外的波长链路, 否则, 也无法构建通道, 如2-3-4-5在满足通道波长长度最短后, 将不再构成有效的波长通道。故障点即跨接段确定后, 单节点向上层网管汇报故障点告警信息、恢复算法请求等, 在相邻节点上可以启动任何分布式路由算法 (DRA) 。在DRA中, 最为简单、常用的算法就是简单扩散法[4]。

2 分布式故障处理平台

故障管理是网络服务中的一部分。采用分布式故障处理机制, 可以有效缓解集中式网管平台的压力, 也有利于故障排除和恢复手段的及时实施。分布式故障处理平台, 重在采用单节点的故障监测、告警定位、以及故障跨接段的分布式恢复路由算法。其功能分为网元拓扑模块、告警列表单 (当前告警) 、中枢处理模块和告警日志模块。各部分的作用如下:

(1) 网元拓扑模块:用于展示故障处理平台视图下故障点的状况, 拓扑关系来自传送层面的报告;负责与告警列表单模块通话。在拓扑视图下完备展示故障点。单节点上的监测点可以有:入光监测信道、解复用器入口和光性能监控模块的入口等。

(2) 告警列表单模块:用于存储一段预设时间范围内 (一般为15 min和24 h两种模式) 来自单节点上报的告警信息, 负责与网元拓扑模块通话。无论工作在哪一个模式下, 都将记载报警故障点、报警定位分析结果、以及故障恢复状态。

(3) 中枢处理模块:相当于中央集中式网管的指挥部。用于处理单节点上报的告警分析。这一模块体现了集中式网管和分布式故障管理的区别。图2和图3分别是分布式故障处理平台和中央集中式故障处理平台示意图。

通过图2和图3的比较可以看出, 分布式故障恢复与中央集中式控制相比, 节省了处理告警信息的进程, 减少了网管故障平台处理事务的压力, 更为重要的是减少了网络中的冗余带宽, 实现了分布式处理网管信息的要求。

(4) 告警日志模块:不论告警列表单模块采用哪一种模式, 预定时间结束后, 都将把告警指示、判断分析、以及处理结果移至告警日志模块中。日志模块可以普通文件的形式存于硬盘 (或网络服务器) , 也可以放置在专用的数据库中。

各个模块之间的关系如图4所示。

3 结束语

本文在简要介绍分布式故障定位方法以及描述跨接故障恢复算法特点后, 提出了一种网管系统中的故障管理模块的设计流程。该模块的设计是为了解决大量网管告警信息在网内传送而带来事务上处理延迟的问题, 它为网管平台中故障处理模块的设计提供了一个新的思路。

摘要：传统的网络管理平台基本上采用的是中央集中的控制方式。文章提出一种用于实现分布式故障管理模块的设计思路, 该模块的设计是基于分布式故障点的定位, 以及采用跨接段分布式恢复算法。这种设计方法主要是克服以往故障告警上报集中时间长、造成恢复延迟和业务丢失等缺点, 可适用于不同的光网络。

关键词：分布式故障管理,告警,故障定位,故障恢复,光网络

参考文献

[1]ITU-T Recommendation M.3010-2000, Principles for atelecommunications management network[S].

[2]Carmen Mas, Patrick Thiran.An efficient algorithmfor locating soft and hard failures in WDM networks[J].Selected Areas in communications, IEEE Jour-nal, 2000, 18 (10) :1 900-1 911.

[3]王健全, 顾畹仪.光网络中的分布式故障定位方法[J].中国激光, 2004, (1) :69-73.

什么是无源光网络 第2篇

无源光网络是什么

无源光网络(Passive Optical Network, PON)是一种纯介质网络，避免了外部设备的电磁干扰和雷电影响，减少线路和外部设备的故障率，提高了系统可靠性，同时节省了维护成本，是电信维护部门长期期待的技术。

无光源网络是一种点对多点的光纤传输和接入技术，下行采用广播方式、上行采用时分多址方式，可以灵活地组成树形、星型、总线型等拓扑结构，在光分支点只需要暗转一个简单的光分支器即可，因此具有节省光缆资源、带宽资源共享、节省机房投资、建网速度快、综合建网成本低等优点。

无源光网络包括ATM-PON和Ethernet-PON两种。

无源光网络的原理和构成

PON包括ATM-PON(APON，即基于ATM的无源光网络)和Ethernet-PON(EPON，即基于以太网的无源光网络)两种。

如今的高校小区普遍采用的是EPON，作为当下网络工程重点考查和关注的知识点，有必要对PON技术做一个深入的学习!

PON(无源光网络)技术是一种点对多点的光纤传输和接入技术，下行采用广播方式、上行采用时分多址方式，可以灵活地组成树型、星型、总线型等拓朴结构，在光分支点不需要节点设备，只 需要安装一个简单的光分支器即可，因此具有节省光缆资源、带宽资源共享、节省机房投资、设备安全性高、建网速度快、综合建网成本低等优点。

无源光网络的现状与趋势

接入网是用户进入城域网/骨干网的桥梁，是信息传送通道的“最后一公里”。

过去几年，网络的核心部分发生了翻天覆地的变化，无论是交换、还是传输都 己更新换代，而接入网由于经济性问题如用户的业务 需求、用户密度、用户的经济承受能力等多方面原因发展缓慢，成为制约网络向宽带化、全业务化发展的瓶颈。

随着我国经济的迅速发展，高带宽的消耗业务逐步涌 现，带宽提速成为迫切需求。

为了 满足用户的需求，各种新技术不断涌现，接入网技术己成为设备制造商、运营商和电信研究部门关注的焦点和投资的热点。

我国目前主流的有线接入技术包括ADSL、LAN、 HFC、PLC和FTTH，其中部分LAN采用了PON+LAN 的方式，而无线接入技术中又有WLAN、WiMAX、WiFi、Bluetooth、3G等技术。

目前宽带接入网有两个主要的研究目标，第一是向高速、安 全、智能化方向发展，要求 网络更灵活、面向用户更多和成本更低，这方面FTTH是有线接入领域的杰出代表。

另一个则是多业务的融合，即在同一个平台上灵活提供IPTV、有线电视视 频、传统语音、数据业务的接入。

在各种宽带接入技术中，无源光网络以其容量大、传输距离长、较低成本、全业务支持等优势成为热门技术。

目前已经逐步商用化的无源光网络主要有TDM-PON(APON、EPON、GPON) 和WDM-PON，它们的共同特点是：

可升级性好、低成本，接入网中去掉了有源设备，从而避免了电磁干扰和雷电影响，减少了线路和外部设备的故障率，降低了相应的运维成本;

业务透明性较好，高带宽，可适用于任何制式和速率的信号，能比较经济地支持模拟广播电视业务，支持三重播放(Triple play，语音、视频、数据)业务;

高可靠性，提供不同业务优先级的QoS保证，适应宽带接入市场IP化 的发展潮流，适于大规模应用。

PON核心构成

PON(无源光网络)中最主要的三部分包括位于局端的OLT(Optical Line Terminal，光线路终端)、终端ONU(Optical Network Unit，光网络单元)、以及ODN(Optical Distribution Network，光配线网)。

PON“无源”是指ODN全部由光分路器(Splitter)等无源器件组成，不含有任何电子器件及电源。

基于PON的接入方案

TDM-PON

基于时分复用技术的TDM-PON，其原理是将上行传输时间分为若干时隙?ti (i=1,2,3,32,)，在每个时隙内只安排一个ONU以分组的方式向OLT发送分组信息，各ONU按OLT规定的顺序依次发送。

TDM要求 OLT测定它与各ONU的距离后对各ONU进行严格的发送定时，各ONU从OLT发送的下行信号获取定时信息，并在OLT规定的时隙内发送上行分组信号。

TDM允许使用单一的波长，OLT以TDM下行广播时使用1490nm波长(1550nm下行传输视频)，ONU以TDMA上 行多址接入使用1310nm波长，所以OLT只需要一个收发器，只有一种类型ONU，由此带来很高的经济性，被认为是光接入网共享信道的首选方案。

无源光网络始于20世纪80年代初，发展至今，有已经标准化的APON、EPON和GPON三种TDM/TDMA-PON类型。

在窄带PON系统概 念提出的同时，提出了基于ATM技术的宽带PON，即APON，以使接入网走向宽带化。

随着IP技术的不断完善，大多数运营商将IP技术作为主要承载技术，使得ATM完全退出了局域网。

在这种背景下，出现了由ITU/FSAN 负责制定替换APON的Gigabit PON(GPON)标准，以及由IEEE802.3ah负责制定的Ethernet PON(EPON)标准。

其中，EPON是基于千兆以太网的无源光网络，继承了以太网的低成本和易用性以及光网络的高带宽，是FTTH中“性价比”最高的一种，EPON的产 业联盟从EPON 的核心芯片、光模块到系统，产业链已经日趋成熟。

而GPON在技术上略具优势，它能支持多种速率等级，可支持上下行不对称速率，与EPON只能支持对称 1Gbit/s单一速率相比，GPON光器件选择余地更大，而在总效率和等效系统成本方面也有相当的优势。

三种TDM-PON的参数比较如表1所示，它们虽然有许多不同点，但归根到底都是基于时分复用机制的，上行方向以时隙为单位、共享带宽。

WDM-PON

基于波分复用技术的WDM-PON把各ONU的上行信号分别调制为不同波长(?i ,i=1,2,3,16,)的光信号，传输至ODN后耦合到同一馈线光纤传输到OLT，在OLT中利用分波器取出属于各ONU的不同波长的光信 号，再分别通过光电探测器解调为电信号。

WDM利用光纤的低损耗波长窗口(1310nm/1370nm//1550nm)，能 以不同的方式传输不同的业务。

WDM-PON上行方向采用粗波分CWDM或密集波分DWDM技术，每个用户独享一个 波长的带宽，用户最大可用的带宽可以达到100G。

波分多址WDMA光纤线路有足够的功率余度，便可方便地扩容与升级，但系统各通道共享光纤线路而不共享 OLT光设备，故系统成本 较高。

综合比较，由表2可以看出TDM-PON虽然有较低的网络快速部署费用，但是可靠性、带宽及升级扩容方面的表现都不如WDM-PON。

因此随着无源光器件和其它技术 的发展，WDM-PON将成为现行主流TDM-PON的有力竞争者。

混合PON(HPON/xPON)

由前所述，TDM-PON和WDM-PON各有优缺点和应用场合，单一地利用一种PON技术都存在不同程度的问题。

因此最近斯坦福大学的一些研究学 者提出了如图4的HPON(Hybrid TDM/WDM PON)的概念，它能够很好地兼容TDM和WDM技术，并支持TDM-PON到WDM-PON的平滑过渡。

智能光网络信令技术 第3篇

与现有的光网络相比,智能光网络中增加了一个控制平面。控制平面由资源发现、状态信息传播、信道选择和信道管理等功能模块和传送信令信息和其它控制信息的信令网络组成。控制平面的核心任务在于取代管理平面对来自客户端的各种呼叫和连接请求进行动态的处理,因此在控制平面的诸多功能中,信令功能无疑是非常关键的。通过自动的信令控制,光网络能够实时、快速地处理用户的请求,进行动态的光路配置,从而自动地完成多种类型的连接。

2. PNNI信令

PNNI是ATM Forum基于ITU-T Q.2931数字用户信令协议和ATM Forum的UNI规范制订的私有的网络-网络接口信令协议。为了将原用于交换机的PNNI用到传送网ASON的DCM中,需要引入新的连接识别符信息元格式和流量描述符信息元格式,以适应ASON中与子网点(SNP)和子网点池(SNPP)概念有关的新连接类型和业务属性。例如将DCM识别属性中的A和Z端用户名分别映射为PNNI的主叫号和被叫号、将连接名和呼叫名分别映射为连接识别符(Id)和网络呼叫相关Id,将SNP和SNPP的Id及方向性等业务属性均映射为连接Id(其中SNPP的Id还需与链路连接池相对应),策略属性中服务等级(GOS)及其分类(COS)映射为流量描述符和扩展的Qo S参数。

PNNI信令协议每一消息均包含协议标志、呼叫参考、消息类型和各种可变长度的信息元。特定的协议标志(00001011)用于DCM,叫参考识别呼叫/连接的目的地,呼叫消息分为呼叫建立(呼叫进行、连接和建立)、呼叫清除(释放、释放完成、重启和重启确认)和其它消息(通知、状态、状态询问、连接可用性、改进确认、改进拒绝、改进请求、路径连接和路径连接确认)。可变长度信息元包括主、被叫号、连接Id、流量描述符、网络呼叫相关Id、传送地址、重启动指示符、宽带运载能力、宽带低层和高层信息、宽带重复指示符、宽带报告类型、指定路径表、中间网选择、呼叫状态、扩展Qo S参数、重选路等。其中宽带低层信息指示所要求的比特率、复用结构、映射方式、扰码及CRC长度等。需要指出在ASON中使用PNNI并不限制承载方式,可以在ATM信元上也可在IPv4或IPv6包上承载。

3. RSVP-TE信令

RSVP是IETF为IP流建立网络资源所规定的协议,RSVP-TE是MPLS网络当承受选路约束条件时在流量工程方面对RSVP的扩展,GMPLS将MPLS的交换应用类型扩展到时分交换、端口交换和波分交换等。

GMPLS RSVP-TE与RSVP有相同的信令消息格式,其头部包括版本、帧标志、消息类型、RSVP校验和、RSVP长度等。消息类型包括Path(映射到DCM中呼叫或连接的建立请求、询问请求和释放请求)、Resv(映射到DCM中呼叫或连接的建立指示和询问指示)、PathErr(映射到DCM中呼叫或连接的建立指示、释放指示和通知)、PathTear(映射到DCM中呼叫或连接释放指示)、ResvConf(映射到DCM中呼叫或连接建立确认)、Ack(提供对发送消息的确认)、Srefresh(无需传送Path和Resv消息便可刷新RSVPTE状态)、Hello(保证RSVP会晤的建立和发起重启程序)和Notify(向连接控制器发出连接错误通知)。

4. CR-LDP信令

CR-LDP(路由约束的标签分配协议)是MPLS框架内的信令协议,也作为IP over ATM的一种传送方法,GMPLS CR-LDP指的是适用于GMPLS框架的CR-LDP。

原来用于没有呼叫概念的数据网中的CR-LDP只包含四类消息(发现、会晤、广告和通知),现用在DCM中需要增加呼叫控制消息。所有的CR-LDP消息都采用TLV(类型、长度和值)编码的公共结构。CR-LDP节点的自动发现是利用UDP协议交换Hello消息实现的,其它的消息则使用TCP协议。CR-LDP会晤的初始化是通过互换初始化消息(指示与节点能力有关的信息)来进行的。在呼叫建立与连接建立不关联的情况下,主叫方通过发出呼叫建立消息(含主、被叫地址和呼叫Id的TLV)来启动呼叫建立,被叫方利用LDP通知消息向主叫方表示呼叫接受或拒绝(包括原因)。在呼叫建立与连接建立关联的情况下,标签请求消息(含源、目的地、连接、呼叫各种Id的TLV和通用标签请求TLV)请求为所建连接的通道沿线的节点分配代表SNP的标签,即请求新连接、新呼叫或更改已有呼叫,被叫方利用标签映射消息(含连接、呼叫、标签请求消息各种Id的TLV和通用标签TLV)回送主叫方确认呼叫和连接建立的成功,从主叫方向被叫方送通知消息表示连接就绪。呼叫释放消息(含主、被叫地址)可由任一方发出,呼叫释放消息还将引发标签撤消消息或标签释放消息,从而删除与此呼叫关联的连接,当呼叫释放的发起方收到通知消息时就表示连接释放已完成。需要指出ASON的连接是双向的,标签请求消息中包含上游标签,当两侧同时分配同样的标签时将产生标签碰撞,这时节点Id较高的节点将成功并发出带有“路由问题/标签分配故障”指示的通知消息,另一个节点尝试分配不同的上游标签。

CR-LDP信令是IETF专门针对MPLS开发的信令协议,与RSVP-TE相比,它具有更良好的可扩展性。

CR-LDP是对LDP的一系列的扩展,主要设计用于方便LSP基于约束的路由。如LDP一样,它在LSR对等对之间使用TCP会话并通过会话收发标签发布协议。这可以保证可靠的控制信息的传递。

使用CR-LDP建立LSP的基本的信令过程如图1所示:

(1)入口LSR,LSR A需要向LSR C发起一条新的LSP。网络中该会话的流量工程参数或管理策略使得A为该条新的LSP选择经过LSR B的路径,这条路径可能与以逐跳方式计算得到的从LSR A到LSR C的路径不同。LSR A发起一条标签请求消息(LABEL_REQUEST),消息中携带有显示路由(B,C)和对于新的LSP所要求的流量工程参数。LSR A预留了为该LSP所需要的资源,然后通过TCP连接将标签请求消息发送给LSR B。

(2)LSR B接收到标签请求消息,判断它并不是该LSP的出口节点,会按照消息里的显式路由转发该消息。它预留该LSP所需的资源,然后修改标签请求消息中的显式路由,并将该消息转发给LSR C。如果请求消息中的一些流量属性被标识为可协商,那么在必要的情况下,LSR B可以减少它为该LSP所预留的资源。

(3)LSR C判断它是这条新LSP的出口节点,它为该LSP预留资源、分配标签,并通过标签映射消息(LABEL_MAP-PING)将标签通告给LSR B,标签映射消息将包含为该LSP最终预留的流量参数。

(4)LSR B接收到标签映射消息,并通过LSP ID将它和初始的请求消息进行匹配映射。LSR B最终确定预留的资源,分配标签,建立转发表目并通过标签映射消息将本地分配的标签通告给LSR A。

(5)LSR A的处理过程也是类似的,但它不需要再分配入口标签并向上游LSR转发了。LSR A建立转发表目,此时,一条LSP建立成功,可以开始业务的传送了。

CR-LDP与LDP的最重要区别示,CR-LDP使用了显式路由,LSP的路径是由源节点确定的,通过基于约束的路由功能,实现流量工程。

5. 结论

根据G.8080路由结构和G.7713的一些建议,可选的信令协议有:PNNI、RSVP-TE、CR-LDP。PNNI起源于传统的电信信令协议,但它的缺点在于灵活性不够,且无法与GM-PLS协议互通,目前仅支持软永久连接。RSVP-TE和CR-LDP都属于GMPLS,RSVP-TE较为成熟,CR-LDP在性能方面具有一定的优势。

摘要：信令技术是智能光网路控制平面最关键的技术之一。本文分析比较了三种具体的信令技术,包括PNNI、RSVP-TE、CR-LDP,并且重点分析了CR-LDP建立LSP的基本的信令过程。

关键词：智能光网络,信令,PNNI,RSVP-TE,CR-LDP

参考文献

[1]ITU-T Recommendation G.807/Y.1302,Requirements for Au-tomatic Switched Transport Networks(ASTN),Int Telecommun Union[S].

[2]ITU-T Recommendation G.8080/Y.1304,Architecture for the Automatically Switched Optical Network(ASON).Int Telecommun U-nion[S].

[3]ITU-T Recommendation G.7713/Y.1704,Distributed Call and Connection Management(DCM)[S].

[4]Private network-network interface specification version1.0(PN-NI).The ATM Forum technical committee[S].

[5]IETF RFC3209,RSVP-TE:Extensions to RSVP for LSP Tunnels[S].

无源光网络能耗效率分析 第4篇

能源短缺是社会面临的重要问题，在考虑网络技术演进时，不仅要考虑业务需求，还应考虑能耗效率。PON(无源光网络)是下一代接入网的重要接入方案。关于PON的能耗效率，存在两个问题：与其他接入网方案相比，PON效率如何?调整某个网络配置参数时，能耗效率将如何变化?这两个问题分别对应于现有文献的两种分析角度：非变量分析，某一时期不同接入网解决方案功耗之间横向对比[1];变量分析，计算不同参数变动时功率总量或单用户传输1bit能量变化趋势[2,3]。

文献[2]中，将OLT(光线路终端)连接的ONU(光网络单元)数量作为增长变量，得到了用户1bit能耗下降。而文献[3]中，提高OLT连接的ONU数量，却得到用户1bit能耗上升。为了阐明这个问题，需要细化1bit能量概念。文献[2]分析对象是用户上传1bit能量，而文献[3]则是对用户上传或广播1bit能量做讨论。因此，当讨论能耗效率时，需要指出是什么场景下的1bit能量。

本文将PON作为场景，考虑P2MP(点对多点)拓扑，从能耗模型角度分析单用户传输1bit能量的情况。主要内容包括：1bit能量的概念，计算方法;PON能耗分析的一般场景;现有不同分析结果的解释和补充。讨论能耗效率极限以及下行广播对1bit能量的影响;考虑设备功率受性能提升(比如FFT(快速傅里叶变换)复杂度)的影响，以及此条件下单用户传输1bit能量随带宽增加的变化趋势。本文侧重于模型本身和含义的说明，目的在于了解PON的能量利用率情况。

1 模型描述及分析

1.1 1bit能量

分析能耗问题一般有两个指标，总量和效率。总量可以是功率和能量，效率则用实现某个相同操作所消耗的能量来表征。接入网能耗效率的指标是1bit能量1bit信息发生流动所消耗的能量。

设备的能耗参数主要是功率P,1bit能量E1bit=Pt/nbits=P/R，式中，t为时间，nbits为bit数量，R为bit速率。上述公式放置在不同的场景中具有不同的意义。因为PON P2MP的拓扑结构，ONU向OLT传输是一个点对点信道(设最大上行速率为Rup)，而OLT向ONU传输是广播信道(设下行速率为Rdown),P/Rup和P/Rdown分别表示上行1bit能量和广播1bit能量。

1.2 分析与结论

以一个PON接入网络地区整体功耗为分析场景，地区接入网络包括汇聚节点OLT数量NOLT，用户终端ONU数量NONU。平均一个OLT连接的ONU数量n=NONU/NOLT。OLT功率为POLT,ONU功率为PONU。OLT支持的最大上行速率为Rup，下行速率为Rdown。这样ONU平均上行速率r=Rup/n。总体功耗Pregion=POLTNOLT+PONUNONU，考虑将总体功耗分摊给每一个ONU用户，则用户的平均功耗

根据以上定义做如下分析：

(1)用户上传1bit能量：

POLT、PONU、NONU、Rup固定，将n或者r作为变量，可以得到1bit能量曲线。这类分析参见文献[2]，可以得到结论<1>：用户上传1bit能量随上行接入带宽r的增加而下降，或者随OLT连接ONU数量n的增加而上升。这个结果可视为PONU/r的下降，即ONU上行中设备利用率上升带来的能量效率的提高。

(2)用户接收OLT广播1 bit能量：

POLT、PONU、Rdown固定，将n作为变量，可得到结论<2>：随着n的增加，OLT广播1bit能量下降。

这个结果很容易理解，以一个广播站为中心，围绕的用户越多，则这个广播信号的利用率就越高，于是能量利用率越高。但是，当OLT向ONU传输一次数据时，并不是每一个ONU都需要这次传来的数据。下面的分析分两步进行：

(a)OLT向信道发出nbits个信息，用时t。总共n个ONU，所有ONU都需要nbits个数据，于是有效的信息流动量为nnbits。这时的1bit能量E1bit=(nPONU+POLT)t/(nnbits)=(PONU+POLT/n)/Rdown。

(b)OLT向信道发出nbits个信息，用时t。总共n个ONU，只有αn个ONU需要nbits个数据，其中0<α1(α为有效下行因子)，于是有效的信息流动量为αnnbits。这时的1bit能量

αRdown可视为有效下行速率。由此可以获得用户下行1bit能量，且得到结论<3>：下行1bit能量要高于广播1bit能量，下行能量利用率低于广播能量利用率，一个地区的广播成分越高，下行传输能量利用率也越高。

(3)在文献[3]中定义了用户速率Ruser=Rdown+Rup/n，并由此得到

结论<4>：平均单用户1bit能耗随n增大而下降。这里并不考虑OLT的上行容量限制[3]。

Ruser可以解释为在用户端发生一次bit流动事件的速率。这个bit流动事件被定义为ONU接收OLT广播或着ONU上传数据。所以文献[3]讨论的实际上是发生一次ONU接收OLT广播或着ONU上传数据事件所消耗的能量。

用αRdown替换Rdown得到ONU发生一次bit流通(上行或下行)事件消耗的能量：

关于POLT、PONU的数据调查在很多文献中已有报道，这里取1Gbit/s EPON(以太网无源光网络)的一般值：POLT=20 W、PONU=5 W、Rdown=1Gbit/s、Rup=1Gbit/s。假设OLT无数据汇聚，以及上行容量无限制;设备冷却和放大等附加功率包含在功率值的一个常数因子中[2]2POLT，这并不影响曲线变化趋势，所以在式(1)中略去。计算不同α值时的E1bit曲线，如图1所示。图中纵坐标J表示当有1bit信息发生流动时所消耗的能量。

(4)进一步对式(1)中n的变化取极限作考察，这里允许n向无穷小和无穷大方向变化，得到

limn0E1bit event=POLT/Rup，是文献[2]结果的极限，也是“用户接收OLT广播”1bit能量的极限。n的减小同时意味着用户上行速率r的增大。limn∞E1bit event=PONU/(αRdown)，是文献[3]结果的极限(α=1)，也是ONU接收OLT广播或者上传数据1bit能量的极限。

通过以上分析，得到结论<5>：随着n或r的变化，一个地区中平均一个用户每流通1bit数据消耗的能量E1bit event在两个平衡点之间变化，它们分别是POLT/Rup和PONU/(αRdown)，前者表示上行链路的能量效率(其大小相对恒定)，后者表示下行链路的能量效率(其大小受接收OLT广播的ONU数量的影响，是一个相对变动的量)。

这两个平衡点的相对大小可有不同情况，OLT中PON的端口数量影响POLT的大小，当一个OLT只有一个PON端口时，OLT的功率应当与ONU相近;或者Rup与Rdown不对称，同样影响POLT/Rup和PONU/(αRdown)的相对大小;还有就是α系数对PONU/(αRdown)的影响，如图2所示。

结论<6>：通过调节n或者r以优化网络能耗效率的做法取决于(1)POLT/Rup和PONU/(αRdown)界限的相对大小;(2)当前效率位于这两个极限之间过渡带的位置。

如果PON中几乎没有广播，即α趋向于1/n时，1bit能量趋向于n的一次函数。E1bit event=(nPONU+POLT)/(Rdown+Rup)。如图3所示。

由此可以得到结论<7>：当接入网中几乎没有广播传输时，OLT对ONU点对点的网络配置是能耗效率最优的，这时的能量利用率的极限是POLT/Rup。

(5)调整地区网络配置，除了改变一个OLT连接ONU的数量n以外，再就是提升设备的性能。调整n受到POLT/Rup和PONU/(αRdown)两个能量效率极限的限制，而改进设备就是对这两个效率极限做调整。这里只考虑设备带宽的提升，并假设引入OFDM(正交频分复用)调制。设备功率是与性能相关的，然而，想要清晰地表示出功率和设备某一性能参数的关系，目前还有些困难。但这方面不乏实验研究：比如ADC(模数转换器)方面[4]和FFT方面[5]。

仿照文献[5]的做法，将功耗与bit速率视为线性关系，计P=kRbit,k具有1bit能量单位。考虑功率随速率变化，式(1)可写成

当只考虑Rdown变化时，式(3)可写成k/α+(PONU/α+Rupk/α)/(Rdown+Rup/(nα))+k/(nα)+(POLT/(nα)+Rupk/(nα))/(Rdown+Rup/(nα))=k′+(C1+C2k′)/(Rdown+C3)+k″+(C′1+C′2k″)/(Rdown+C′3)，式中，k′、k″、C1、C2、C3、C′1、C′2、C′3均与Rdown无关，且Rdown位于分母位置，说明Rdown的增大可以减小1bit能量。

同理，对Rup做讨论，会得到类似结果。因此有结论<8>：当设备功耗随其设计工作bit速率线性变化时，bit速率增加(无论上行还是下行)都有利于网络整体能耗利用率的提升(k因子的加入本身就表示了技术革新的能耗代价)。

不同技术解决方案的横向比较，实际上是功耗变化率k的比较。

(6)固定用户上传速率r，考虑P随Rup的变化，调整Rup,n=Rup/r，可以将式(3)写成

式中，C=(PONU+kRdown+kr)/(αRdown+r),k1=k/(αRdown+r),k2=r(PONU+kRdown)/(αRdown+r)。

结论<9>：在ONU数量固定，整体交换容量rNONU不变时，通过改进上行带宽Rup，减小地区OLT数量，以调整总体能量利用率的做法，其1bit能量存在一个下限，即C+2。低于该下限，能量利用率不能进一步提高。

2 结束语

文章围绕PON能耗模型，分析了单用户在不同条件下的平均1bit能耗。讨论涉及上行、广播、下行、P2MP网络，以及设备性能改进等不同场合下的能量利用率，阐明了当前PON能耗利用率的状况。主要结论有：固定交换容量，调整一个OLT连接的ONU，改变网络拓扑以优化能耗效率，该方法取决于POLT/Rup和PONU/(αRdown)界限的相对大小，而这个相对大小受到下行因子α的影响;改进设备、增加带宽可以减小1bit能量的总能耗，但作为设备本身引入的代价，会附加一个1bit能量(k因子)的固定量。

摘要：PON(无源光网络)作为下一代接入网重要的接入方案,在能源短缺的今天,其能耗效率理应受到关注。1bit能量是衡量能耗效率的指标。单用户1bit能量在PON的P2MP(点对多点)网络中,其增减不仅仅依赖于ONU(光网络单元)接入带宽的变化,还受到OLT(光线路终端)广播有效因子α的影响。通过改进设备以增加带宽,可使1bit能量总能耗减小,能量利用率得到提高。

关键词：1bit能量,无源光网络,能耗效率

参考文献

[1]Bjrn Skubic,Einar In de Betou,Tolga Ayhan,et al.Energy-Efficient Next-Generation Optical Access Net-works[J].IEEE Communications Magazine,2012,50(1):122-127.

[2]Christoph Lange,Andreas Gladisch.On the EnergyConsumption of FTTH Access Networks.Optical Fi-ber Communication-incudes post deadline papers[A].OFC 2009[C].San Diego,US:OSA IEEE,2009.1-3.

[3]Slavia Aleksi c',Ana Lovri c'.Power Consumption ofWired Access Network Technologies.CommunicationSystems Networks and Digital Signal Processing(CSNDSP)[A].2010 7th International Symposium[C].Newcastle,UK:IEEE,Northumbria Universi-ty,2010.147-151.

[4]Kenington Peter B,Astier Luc.Power Consumptionof A/D Converters for Software Radio Applications[J].IEEE TRANSACTIONS ON VEHICULARTECHNOLOGY,2000,49(2):643-650.

睿智光网络面临新一波机遇 第5篇

100G需求出现

《通信世界周刊》:2010年光网络市场的最大特点是什么?将体现出哪些具体趋势?

张成良:从发展经验来看, 宽带接入用户的数量年增长率在30%, 年平均流量增长率也在30%, 而移动流量增长率在25%左右, 这些累积因素都会加速骨干网对带宽增长的需求, 部分地区的长途传输段落会出现对100G的迫切需求, 未来几年100G是趋势。

张海懿:2010年光网络市场的特点有几个方面。首先, 各大运营商都会比较重视PTN技术的广泛应用。今年中移动将会和设备厂商具体洽谈设备上的使用以及一些具体业务的应用。在PTN技术上, 中国电信同样也会从去年已经进行试点的基础上过渡到今年具体的业务应用上。另外, 在40G波分技术上应用也会比前两年有较大幅度的提高, 运营商和用户对带宽的需求与日俱增, 现在正在努力进行100G的应用研发。

张敏锋:全业务运营及“三网融合”推进下, 城域及省干、骨干将进行光网络的扩容升级, 城域将加大OTN、PTN等光层面设备的部署规模, 满足有线及移动接入网的上联带宽, 并提升组网能力, 减少OPEX, 骨干及省干主要满足IP业务大带宽需求。

丁浩:分组传输得到越来越多运营商的关注, PTN已进入现网大规模部署阶段。网络上出现了越来越多的电信级业务, 如IPTV、视频点播、各类专线和VPN业务 (L2和L3 VPN) , 以及运营商和数据中心互连等, 城域网和骨干网对容量和速率要求剧增, 运营商开始大规模部署40G波分, 并开始考虑试验100G。此外, PTN和OTN会成为未来的光网络市场的两大重点有逐渐成为技术主流的趋势。融合、充分发挥IP和光各自特点和优势来实现骨干网转型将成为趋势。

《通信世界周刊》:国内三家电信运营商在光网络市场都将有大规模投入, 三家的需求存在哪些差异?

张成良:电信会在OTN方面进一步加大力度, 目前各厂商之间已经实现了ODU1、ODU2、STM-16、STM-64、10GE业务互通和保护互通。OTN设备与SDH设备之间采用STM-64互联接口, 验证了GE、STM-16和STM-64业务支持能力、端到端保护的支持能力。因此, OTN设备基本成熟, 具备了干线试用和演进的能力。

张海懿:从移动回传的角度上讲, 中移动很明确的选择了PTN的路线, 而中国联通去年也大规模建设了MSTP的网络, 所以联通应该会选择以MSTP网络为基础的演进型发展方向;中国电信作为一个老牌的固网运营商, 将会将重点放在PTN和路由器上。干线方面, 中国电信和中国联通对40G的需求更强烈些, 而中国移动在面对这个问题的时候, 压力会小一点, 但是今年中国移动也会小规模的部署一些40G传输网络。

丁浩:三家电信运营商在光网络市场都会有大规模投入, 其各自的现网情况、客户群体和运营模式不同会造成一定阶段需求和建网重点的差异, 但总的发展趋势是相同的。阿尔卡特朗讯积极参与了中国移动的移动回传PTN网络的建设, 在长达一年多时间的测试和试验运营中, 阿尔卡特朗迅配合移动解决了诸多技术问题, 最终首批入选为PTN设备供应商。阿尔卡特朗讯还积极参加中国联通和中国电信40G波分的测试, 取得了良好的结果。在中国联通石家庄到郑州的线路段开通了在中国的第一个40G商用系统。

阿尔卡特朗讯已攻克了高精度相干光接收、超高速模数转换和数字信号处理等一系列技术难点, 将在今年第三季度推出商业化的50G信道间隔的相干光100G传输系统, 可兼容现有的40G甚至是10G的波分系统, 拓展无电中继跨段至1500公里以上。

业务需求推动融合骨干网转型

《通信世界周刊》:全业务趋势下干线、城域WDM系统的发展趋势是什么?业务需求的变化对WDM设备提出了哪些新的要求?

张海懿:WDM可以在一根光纤上传输多个波长, 商用系统可以达到160多个波长, 这样可以大幅提高传输容量, 但是其本身也存在一些问题。由于它是点到点的传输系统, 所以难以组网, 并且在光层保护机制上还存在着一些欠缺。所以WDM系统会逐渐过渡到OTN系统上。由于OTN系统是面向大容量调度的, 设备的调度容量要足够大。在干线层面上, 达到10TB才能满足干线一些节点的交叉调度需求。

丁浩:在全业务运营的环境下、运营商需要综合考虑移动业务、商业宽带和专线用户以及住宅宽带业务的发展需求。根据运营商的保守估计骨干网的带宽增量将大于接入带宽的增长速率, 达到10到20倍的增长。所以WDM系统的第一个发展趋势是要有更大的容量及提高单信道的传输速率 (提高频谱的利用效率) 。二是要有效管理频宽、色度和偏振色散以及非线性效应, 进一步加强光域OAM的能力, 有效增大无电中继端到端光路的长度、提高穿越ROADM的能力, 尽可能地在光域上实现端到端光路的调度、保护和恢复。三是要从板卡级到整机级逐步引入各种颗粒度的ODU, 包括ODUFlex的汇聚和交换功能, 在端口和子端口层面实现比波长更为精细和丰富的多种颗粒的梳理和多种保护和恢复。

《通信世界周刊》:混合业务如IPTV、语音、视频播放对运营商现有网络形成越来越大的压力, 在融合骨干网方面, 如何转型才能保证运营商收益最大化?

张敏锋:在骨干网上, 上述业务均采用IP网进行承载, 应结合混合业务的流量流向及对IP的需求, 同时结合安全性的要求, 对光层网络进行有效规划。目前, 有的运营商采用光层对IP进行保护, 同时IP自身也对业务进行保护;随着OTN、ROADM技术的发展成熟, 特别是控制平面, 从减少运维成本及提升网络的安全性方面分析, IP与光层的融合是趋势。

丁浩:混合业务特别是视频播放对运营商的现有网络形成了越来越大压力。许多运营商预计网络业务流量年平均增长率达到50%以上, 按此计算, 六年后的网络带宽需求将是当前网络的10倍以上。运营商必须加大网络建设的力度使其适应网络流量的快速增长, 另一方面运营商必须比以往更加注重网络规划、实施和运营的优化, 从总体上降低每个比特的传递成本、功耗, 同时提升每比特的传递价值。

《通信世界周刊》:IP层与光层在功能上正在慢慢渗透、融合, 关于这两层融合的发展趋势以及它们之间的协作关系应如何看待?

张海懿:可以通过IP层与光层联合组网, 把一些在路由器上没有处理需求的业务, 在光层上建立一个直达通道, 使得这些业务不需要经过路由器多级转发, 而是通过光层直接传输过去。这样一方面可以减少路由器的端口数, 同时使得整网的承载效益提高, 同时将两层之间的保护机制进一步协调, 保证业务的可靠性和生存性, 同时发挥传输层大容量、快速保护的特点。

丁浩:IP层和光层在功能上的相互渗透和互补符合网络融合和转型的趋势。从网络协议堆栈看, 越往堆栈的上层走, 能处理的信息流的颗粒就越小, 信息处理的能力就越强越灵活, 同时所每比特的处理成本和功耗也越大;而越往堆栈的底层物理层走, 则情况正好相反, 处理的颗粒大, 灵活度减弱, 但效率提高, 每比特的处理成本和功耗降低。

阿尔卡特朗讯在融合骨干网转型方案中坚持一个原则:尽量在光域处理信息完成传输, 只有在必要时才回到电域处理;在电域尽量在低层处理信息, 只在必要时才启用高层的处理。该融合骨干网转型的方案在三个平面上同时实施。在数据平面通过对波长、端口和子端口三重疏导, 有效节约网络UNI的接口数目, 提高网络资源的使用效率;在控制平面通过使用GMPLS实现网络各层面之间和各自治域之间的网络信息共享或通告, 为用户信息流提供合适的端到端的QoS, 启用与之相适应的保护和恢复机制;在管理平面通过融合的网管实现对网络各层面资源和健康状况实现统一的监控和管理。

问题与挑战

《通信世界周刊》:近年来随着更多带宽不断增长的需求, 传送网速率从10Gbit/s升级到40Gbit/s甚至100Gbit/s, 在升级过程中运营商主要面临哪些问题和挑战?

张海懿:运营商可能更多的是考虑到成本和运维方面的问题。另外在混送和安全方面也是运营商需要考虑的方面。

张敏锋:挑战有几个方面。随着技术的发展, 核心网在流量及流向上均发现较大变化, 因此需要调整底层光缆网的架构, 更有效地满足业务流向的改变;单波长速率提升, 早期敷设的光纤性能指标不能满足高速率波分的需求, 需要重新进行光缆网建设;如何有效利用由于业务网提速后闲置的大规模10G波道;设备的集成度及节能指标;节点安全性及网络运营维护等。

丁浩:核心网演进应兼容50GHz的信道间隔, 能穿越10个以上的ROADM。应有很好的抗偏振色散的能力, 应能容忍大于16ps的PMD。应有很好的抗色度色散的能力, 应能容忍大于25000ps/nm的色散。应有很好的抗非线性失真的能力, 能邻道兼容10Gbit/s、40Gbit/s和100Gbit/s, 具有无电中继传输1500公里的能力。

阿尔卡特朗讯贝尔实验室的研究人员经过详尽的分析、对比和实验, 得出使用相干光检测技术、PDM-xPSK, 同时配以超高速的模数转换和数字信号处理是满足以上4个要求的最佳技术方案。例如100G传输, 选用相干接收的PMD-QPSK是非常合适的, 它的线路速率约为28Gbaud/s, 模数转换速率将高达56GSample/s, 而随后的数字信号处理速率更需高达数Tb/s。这对高速集成电路的制作提出了极大的挑战。阿尔卡特朗讯将在今年推出商业化的相干光100G传输系统。

《通信世界周刊》:可调谐ROADM是将来全光交换的雏形, 对于光层面的交换技术以及发展前景如何看待?

张海懿:由于现在光层的一些限制性因素, 光损伤现在还很难进行实时补偿, 目前ROADM也只是在城域等小规模的网络上应用, 一些光通道也是事先规划好的, 光通道的动态配置的灵活实现还有待于物理层面传输技术的进一步突破。

张敏锋:可调谐的ROADM设备是推动未来WDM传输系统向动态光网络发展的关键和必备条件, 其主要器件技术中可以商用的有波长选择开关 (WSS) 、波长阻塞器 (WB) 等, 目前WDM网络设备基本依靠手工操作和维护, 使得OAM&P的支出较大, ROADM的引入给光网络带来很大的灵活性, 可以大大减少在运维上的OPEX;同时, 大大缓解了网络设计和规划时的压力, 更加易于网络的扩容和调整, 将来可以配合ASON/GMPLS, 支持多种网络的保护和恢复, 进一步提升光层的生存能力;从目前的波分技术来看, ROADM不进行光电光转换, 可以消除光电光转换的成本, 在省内及本地传输网中可以规模应用, 在省际干线上, 由于我们国家地域辽阔, 如何保证光信号性能指标是后期ROADM规模使用的一个关键点。

丁浩:今天的基于W S S的R O A D M已经可以提供实用的多维度、可调谐、无色 (colorless) 、无方向限制 (directionless) 和50GHz信道间隔, 已经具备了全光交换的基本功能。阿尔卡特朗讯独创的Wavelength Track专利技术, 为光域OAM的实现奠定了基础;采用相干光接收技术可以提高高速光传输的无中继跨度。这两项技术创新与ROADM结合, 有效地拓展了ROADM作为光交换的功能, 并为用户提供可监控、可管理、可保护和恢复的端到端的光路业务, 构成了阿尔卡特朗讯零接触光子和融合骨干网转型方案的基础, 具有很好的发展前景。

《通信世界周刊》:目前40G、100G传输技术各处于什么样的市场阶段, 如要规模部署最大的挑战是什么?

张海懿:40G传输技术去年已经在骨干网上有了一些试点应用, 今年会有比较大的应用。而100G传输技术目前来说还处于发展的初级阶段, 今年100G估计不太可能有比较大规模的应用, 2011年100G传输技术开始会有部分应用。100G在色度色散上面, 以往主要是靠加一些色散补偿光纤来处理, 但是在100G应用上, 单纯的靠加入色散补偿光纤是不可行的, 还需要通过引入新的调制码型等才可以实现。另外在PMD、非线性效应、视波混频、交叉相位调制也有存在难度。同时, 在芯片和元器件上面也会遇到问题, 在相关接收技术上, 目前的ADC和DSP的成熟度还不够。预计2～3年之后会开始规模的应用。

张敏锋:40G、100G对光纤传输提出了更加严格的要求, 在同等物理条件下40G与DWDM 10G传输系统相比, 信噪比 (OSNR) 劣化4倍 (6dB) ;色度色散容限降低16倍;偏振模色散 (PMD) 劣化4倍;非线性效应变得更加明显。目前40G波分商用情况及后期100G波分技术性能来看, 规模部署最大的挑战是光缆, 同时增加了运维的难度。

丁浩:40G传输技术, 目前已比较成熟, 经过几年的测试和试运营, 已进入规模部署的阶段。100G传输技术, 尤其是100G相干光传输技术目前还处在试验阶段。阿尔卡特朗讯在Verizon的Miami的网络上成功实现了用100G系统实现了视频的实时传送;在西班牙电信的现网上成功进行了相干100G的试验传输, 并实现了与10G和40G的混合传输1088公里。阿尔卡特朗讯贝尔实验室研究人员已成功攻克100G技术的关键难题, 将在今年推出商业化的相干光100G传输系统。

自动交换光网络路由机制研究 第6篇

一、ASON路由的功能结构描述

为了适应A S O N路由体系的发展, 国际电信联盟ITU-T建议G8080/Y.1304给出了A S O N路由域层次与子网点组 (SNPP) 的关系;G7715/Y.1706定义了一种与协议无关的描述ASON路由技术的方法:包括ASON的选路结构、路径选择、路由属性、抽象信息和状态图转移的功能组成单元。ASON的路由结构组件包括路由控制器 (RC) 、路由信息数据库 (RDB) 、链路资源管理器 (LRM) 和协议控制器 (PC) 。

路由控制器与对端路由控制器交换路由信息, 并通过对路由信息数据包的操作回复路由查询, 对从连接控制器发出的为建立所需的路径信息作出回应, 这种信息可以是端到端的, 也可以是基于下一跳的, 为达到网络管理的目的, 对拓扑信息请求作出相应回应。这些信息包括给定层中相应终端网络地址的拓扑、子网节点的链路连接和子网节点地址;路由信息数据库负责存储本地拓扑、网络拓扑、可达性信息和其它通过路由信息交换获得的信息, 还可以包括配置信息。路由控制器可以接入路由信息数据库的一个视图, 并获得相应的信息。图1表示了这种关系。由于路由控制器可以包含多个路由域的路由信息, 以此接入路由信息数据库的路由控制器可共享路由信息, 路由信息数据库与具体协议无关;链路资源管理器向路由控制器提供所有子网节点链路信息, 并将其控制的链路资源的任何状态改变告知路由控制器;协议控制器将路由原语转换成特定路由协议的消息, 因此是与协议相关的。协议控制器还处理和路由协议相关的控制信息, 这些控制信息用于路由信息交换的管理和维护。

ASON中除了以上四种路由结构组件, 连接控制器 (CC) 也是路由功能的重要组成部分, 它负责协调LRM、RC以及对等或者下层连接控制器, 以达到管理和检测连接的建立、释放和修改已建立连接参数的目的。

二、ASON的三种路由模式

对于智能光网络中的路由技术, 各大国际电信公司和标准化组织开展了多方面的研究。在国际电信联盟 (ITU-T) 的G.7715协议中对在ASON网络中建立交换连接和软永久连接选路的功能结构和要求进行了描述, 提出了ASON网络的路由体系结构;而G.8080协议定义了ASON的三种路由模式:层次路由、源路由和逐跳路由。不同的路由模式导致了节点之间控制功能模块的不同和连接控制器之间不同的关系。

1、层次路由模式

在ASON中, 一般可划分成不同的路由域, 每个路由域又可分为不同的子网。而子网之间可以相互嵌套, 一个大的子网内部可包含若干小的子网, 形成层次的结构。在这种分层体系中, 每个子网都知道自身的拓扑结构并能进行动态连接控制, 但却不了解层次结构中的上层或者下层子网的拓扑结构。当用户请求在两个节点之间建立一条连接时, 连接请求首先到达最上层子网的主节点, 由它计算出在源节点和目的节点之间的路径所需要经过的下一层子网和子网之间的链路连接, 然后就通知相关的下层子网主节点分别建立在自己子网内部对应的连接, 这样由上到下逐级子网进行分段的选路, 最终得到整个连接的路由。如图2所示, 当用户请求在节点A和节点F之间建立一条连接时, 连接请求首先到达最上层子网的主节点H, 由它计算出在源节点和目的节点之间的路径所需要经过的下一层子网 (包括M、D和N控制的子网) 和子网之间的链路连接, 然后就通知相关的下层子网主节点M、D和N分别建立在自己子网内部对应的连接, 这样由上到下逐级子网进行分段的选路, 最终得到整个连接的路由。

2、源路由模式

源路由模式与层次路由有很多相似之处。但在源路由模式中, 连接过程是通过分布的节点中的连接控制器和路由控制器分段联合完成的。由于一条连接可能经过多个路由域, 在源节点开始连接所经过的每一个路由域, 其入口节点要负责本路由域中的路由选择, 并负责判断连接所需要进入的下一个路由域的入口节点, 这样逐个路由域进行选路, 直到最终到达目的节点所在的路由域。在图2中当用户请求在节点A和节点G之间建立一条连接时, 连接请求首先到达节点A, 由A选择在本路由域中连接 (A-B-C) 以及进入下一个路由域的入口节点D。

3、逐跳路由模式

在逐跳路由模式中, 节点进一步减少了路由的信息量。这也给跨越子网路径的确定增加了限制条件。逐跳路由模式同源路由模式大致相同, 不同之处在于:在逐跳路由方式下, 路由的选择是以节点为单位逐跳选择的, 与外网中数据包的转发方式类似, 而源路由模式是以经过的路由域为单位逐段选择路由的。如在图2中, 在源路由模式下, A节点的路由控制器RCA能同时确定附加链路L1和L2, 而逐跳路由下路由控制器RC只能确定链路L1, 而不能确定L2, 为了得到L2, B节点的连接控制器必须查询其路由控制器才能得到L 2。

三、ASON路由的特点

路由技术是ASON的核心技术之一, 也是ASON区别于传统光网络的重要特征。路由机制直接影响到ASON连接建立和恢复的方式、网络本身的可扩展性等性能。ASON作为一种新型的智能网络与传统的I P网络在路由方面都有着许多不同点, 它有着自身特殊的要求和特点。主要表现在以下几个方面:

1、连接的建立方式

在传统的I P网络里, 数据包的转发是基于逐跳进行的、面向无连接的方式, 不需要事先建立连接。而在基于电路交换的光网络中, 数据的交换是基于端到端、面向连接的方式, 需要事先建立连接。另外, 在IP网络中, 每个路由器根据IP数据包中的目的地址进行独立的路由选择, 而且为了防止错误路由或路由循环, 每个节点必须使用相同的网络拓扑数据库和路由算法。与之相反, 在光网络中, 在请求建立连接时就给出了路由的选择路径, 并且在传送连接建立请求时不会影响己有的业务。

2、路由协议的特点

由于光网络中的路由协议并不直接参与数据平面的交换, 因此可以认为其不影响业务, 这就使得光网络的路由协议可以非常灵活地包含各种新的信息。事实上, 任何有助于路由计算或业务区分的信息都可以包含在路由协议中, 这些信息可以采用标准的信息格式, 也可以是专用的。

3、控制和传送通道的分离

在光网络里, 一个端到端连接或光通道必须基于可用的网络拓扑和资源来显式建立。光网络里的路由协议被用来更新网络拓扑和资源状态信息, 但不涉及数据转发。在光网络中, 拓扑和资源状态错误将影响到一个新连接是否能建立, 但不会使现存的连接丢失。因此在光网络里, 任何潜在的有助于路由选择的信息应该包括在链路状态广播信息中。I P数据包和光网络路由的另一个区别是控制平台和数据平台拓扑的分离, 不像I P数据包网络, 其控制平台嵌在同样的数据信道里, 光网络实现了数据和控制域的分离。通常控制信息、以外带方式携带, 如通过一个时分复用电路或一个光监控信道。

四、ASON的路由协议

传统光网络中, 其路由问题并不涉及控制协议方面的内容, 只是由集中式网管系统统一为业务计算波长路由, 并直接对传送平面的网元节点设备进行配置, 完成连接的建立。而在ASON网络中, 业务需要动态地建立连接, 动态路由的实现是基于M P L S在光域扩展后的GMPLS (通用多协议标记交换) 协议作为控制平面协议。

1、OSPF

OSPF (开放最短路径优先) 协议是一种内部网关, 它通过路由器之间通告网络接口的状态来建立链路状态数据库, 生成最短路径树, 每个OSPF路由器使用这些最短路径构造路由表。每个OSPF路由器维持一个相同的数据库描述这个自治系统的拓扑, 通过这个数据库路由表通过创建一个最短路径树来计算出来。OSPF在拓扑变化时会利用路由协议流量的最小值重新计算路径。OSPF提供域内选路能力, 能提供附加层的路由保护和减少路由协议流量, 还可以鉴别所有的路由协议交换。该协议可支持更大型的互联网络, 因此国内外各大路由器厂家都提供支持OSPF路由协议的路由器, 使得OSPF成为最为广泛应用的路由协议之一。

2、OSPF-TE

OSPF-TE (带流量工程的OSPF) 协议实质是扩展了链路的属性, 即在OSPF通告中增加链路参数。这种扩展提供一种描述流量工程拓扑和在一个给定OSPF域内分发信息的方法。这个拓扑不需与常规选路的拓扑匹配, 但是在描述多接入链路时需依靠网络LSA (链路状态广播) 。OSPF-TE定义了一种新的LSA-流量工程LSA, 这个LSA可以描述路由器、点到点链路, 并且可以连接多接入链路, 为了能实现流量工程的目的, 应存在足够的网络LSA来描述多接入链路。

3、BGP-4

BGP (边界网关协议) 完成域间路由计算的协议。BGP-4是由TCP/IP网络体系中的BGP协议发展而来, 在IP网络中BGP (边界网关协议) 被用于多个路由之间的路由。其主要功能是与其他自治域的BGP交换一些网络信息, 它不像RIP协议一样完全基于链路距离矢量算法, 也不像OSPF协议一样完全基于链路状态算法。现在新版本的BGP-4正是对BGP作了进一步改进, 使其适用于ASON网络中不同运营商网络之间所运行的域间路由协议。该协议对于网络的拓扑结构无限制, 使用TCP作为传输协议, 只对增量路由进行发送, 而非周期性的广播所有路由信息, 路由信息记录了它经过的自治系统, 该协议一般可用于不同运营商之间的网络连接。

4、DDRP

DDRP (域到域路由协议) 被设计用于单个运营商光网络中的不同控制域之间的拓扑、资源状态和可达信息交换。该协议不定义控制域内的节点-节点路由协议, 也不规定域内使用任何特定的路由协议, 是基于链路状态的路由协议。DDRP的目的就是提供一个应用于电路交换光网络的域间网络路由, 而不是提供IP层的数据包路由, 它通过G.7715中定义的路由控制器 (RC) 在不同的通信实体之间控制, 在两个通信实体之间的路由控制器可能是多个IP跳。DDRP是基于OSPF-TE路由协议的基础上发展而来, 如果域内采用O S P F-T E, 域间路由协议可以采用DDRP, 以实现不同厂商之间的互通。

五、结束语

现今国外和国内的许多科研组织都对智能光网络的路由技术投入了很大的精力进行研究, 并取得了相当多的成果。网络模型的演变必然会造成网络结构的巨大改变, 其中网络资源配置算法和路由算法是变革的核心。新型的网络需要新型的路由释放光传送网巨大的带宽资源, 以便更高效、更经济地传送I P数据业务, 智能光网络的研究和大规模建设具有一定的战略意义。此外, 随着ASON标准化的不断开展, 在未来几年内ASON技术将逐渐步入实用化阶段。ASON引入的初衷不但要对光网络进行智能化, 同时也要解决组网中不同厂家之间互联互通的问题。多路径寻址、多域组网和跨域路由等重要功能尚未实现, 这关系到将来多运营商网络的互联以及ASON的大规模组网应用, 如果这个问题不解决, ASON的应用只能限制在一些“孤岛”中, 不能实现全程全网的智能化控制, 而解决这些问题的关键正是ASON的路由技术。

摘要：随着因特网的高速发展和多数据业务的出现, 要求光传输网络能够实时动态地调整网络拓扑结构, 灵活有效地利用网络资源。文章围绕自动交换光网络 (ASON:Automatic Switched Optical Network) 的路由技术展开, 研究了ASON路由模块和路由模式, 提出了ASON路由的特点, 最后讨论了ASON路由协议, 并给出了一些建议性的研究方向。

关键词：ASON,路由协议,链路状态

参考文献

[1]张杰.自动交换光网络ASON[M].北京:人民邮电出版社.2004

[2]ITU-T Recommendation G.8080/Y.1304 (2006) , Architecture for the automatic switched optical networks (ASON) [S]

[3]原荣.宽带光接入网[M].北京电子工业出版社.2003.8

[4]张杰译.自动交换光网络ASON[M].人民邮电出版社.2004.2

无源光网络(PON)技术研究 第7篇

近年来, 随着互联网的快速发展和个人电脑的普及, 互联网数据流激增, 以传统的铜缆接入方式运作的接入网显然已经无法满足通信业务量增长的需求。由于光纤具有传输频带宽、容量大、损耗低、抗干扰能力强的优点, 非常适合作为高速、宽带业务的传输媒体。而在各种光接入技术中, PON (Passive Optical Network, 无源光网络) 技术由于采用无源节点、敷设和运行维护成本低、对业务透明和易于升级等优点而备受关注。

无源光网络 (PON) 技术是最新发展的点到多点光纤接入技术, 由于它采用光纤作为传输媒介, 因此能提供几乎无限的带宽。而采用光分配网络的方案, 更增加了组网的灵活性, 如组成数型、星型、总线型等拓扑结构 (典型结构为树型结构) , 克服了局端到多用户点对点的连接方式所带来的成本和带宽的浪费。

点对点光纤技术适用于城域网和长距离通信应用, 而PON的结构特性是一点对多点, 因此不可能传输很远的距离。对于到局端较近的 (20km以内) 多用户群, 采用PON技术是非常理想的, 它具有接入简单、组网灵活、便于网络升级、可靠性高、费用低等优势, 且便于维修和安装。所以从长远来看, PON技术是光纤接入的理想选择, 具有非常大的发展潜力。特别是随着光纤向用户日益推进, 其综合优势越来越明显。

2 PON系统组成、各部分功能及工作原理

PON技术是一种点到多点的光纤接入技术。一个典型的PON系统由局端的OLT (光线路终端) 、用户端的ONU (光网络单元) 以及ODN (光分配网络) 组成。ODN由光纤和光分路器组成, 用于连接一个OLT和多个ONU。OLT到ONU的传输 (下行方向) 采用TDM广播方式, 连续不断地将信息传输给每个ONU, 而ONU到OLT的传输 (上行方向) 采用时分多址复用 (TDMA) 方式, 各ONU只在OLT分配给自己的时隙内将信息传输给OLT。这样可以灵活地组成树型、星型、总线型等拓扑结构。所谓“无源”, 是指ODN中不含有任何有源电子器件组成, 因此其管理维护的成本较低。PON的下行、上行传输原理框图如图1、2所示。

OLT位于局端, 它是一个多业务提供平台, 提供PON系统与核心数据、视频和电话网络间的接口。OLT可提供各种广域网接口, 可与数据通信系统、话音网关、IP路由器等设备相连;还可提供吉比特以太网接口, 提供第二层和第三层的交换与路由功能。OLT根据需要可配置多块光线路卡。光线路卡与多个ONU利用分光路器通过光缆连接。

分光路器即光耦合器能使在光纤中传输的光信号在特殊结构的耦合区发生耦合, 进行光功率的再分配 (既可进行分路, 也可进行耦合) , 构成各种分光比光纤网络, 因此又称光功率分配器。光分路器是一个连接OLT和ONU的无源设备, 它分发下行数据并集中上行数据。一般一个光分路器的分线比为2、4、8、16、32或64, 并可有多级连接。

ONU提供用户的数据、视频和电话网络与PON间的接口。ONU的主要功能是接收光信号并将其转换为用户需要的形式, 如电话语音、E1、以太网信号等。

在PON系统中, 信号从前端的OLT到用户端的ONU称为“下行”;信号从ONU到OLT称为“上行”。在下行方向上, 交换机发出的信号是按广播方式发给所有的用户, “一发多收”。在上行方向上, 各ONU必须采用某种多址接入协议, 如TDMA (Time Division Multiple Access) 协议, “多发一收”。PON时钟同步采用时间标签方式。在光线路端侧有一个全局的计数器, 下行方向光线路终端根据本地的计数器插入时钟标签, 光网络单元根据收到的时钟标签修正本地计数器, 完成系统同步;上行方向光网络单元根据本地的计数器插入时钟标签, 光线路终端根据收到的时钟标签完成测距, 即采用反向同步技术, 解决收发同步问题, 克服回传噪声的问题, 完成共享传输通道信息访问, 实现光纤和回传光接收机的资源共享。

在带宽分配方面, 由于上行传输是所有的ONU共用一个传输媒介, 为使其传输有效, OLT必须控制各ONU的上行传输, 也就是控制各ONU上行传输的带宽。带宽分配方法有两种:固定带宽分配法和带宽动态分配法。用户业务量比较恒定的 (比如语音) , 可采用固定带宽分配法;用户业务量有突变的 (如以太网业务) , 可采用带宽动态分配法, 即OLT根据ONU的申请对其分配授权。

由于该网络结构是一点对多点, 且各ONU到OLT的距离长短不一, 为使各ONU上行传输不发生碰撞, OLT还要控制各ONU的传输相位。首先OLT要 (通过测距) 知道各ONU到自己的距离, 然后计算出一个延迟补偿参数发送给该ONU, 该ONU利用这个参数确定自己的传输相位。通过测距, 使各ONU到OLT的逻辑距离是相等的, 从而避免了上行传输的碰撞。但测距的精度还无法做到控制各ONU的相位完全一致, 即各ONU的上行传输如同来自一个信源, 因此OLT对来自每个ONU的信元都要有一个同步的过程, 而一般意义上的同步所需的时间是很长的 (几百?s级) , 这在PON系统中是不允许的。为了提高有效的传输带宽, OLT必须实现快速同步。

3 PON技术

3.1 PON技术及其特点

PON作为一种纯介质网络, 有效地避免了外部设备的电磁干扰和雷电影响, 减少了线路和外部设备的故障率, 提高了系统的可靠性, 同时降低了维护成本, 是很有前景的光接入网技术。PON技术可分为APON、EPON、GPON等, 不同的PON技术体现在不同的数据链路层技术和物理层技术。APON以ATM作为数据链路层技术, EPON则使用以太网作为数据链路层技术, 扩充以太网使之具有点到多点的通信能力, GPON结合了APON和EPON的优点, 采用封装模式GEM (GPONEncapsulation Mode) , 以ATM/GEM作为链路层技术, 能很好地支持多种业务, 并且引入了更多的来自电信业界的网络管理和运营维护的思想。

3.2 对三种PON技术的比较

三种PON技术各有特点, APON、EPON和GPON似乎从一开始就注定了要在竞争中不断完善和发展。

3.2.1 APON

APON (ATM Passive Optical Network) 以ATM作为承载协议。可采用两种速率不同的帧结构;一种是上、下行速率均为155.52Mbit/s的对称速率帧结构;另一种是上行为155.52Mbit/s, 下行为622.08Mbit/s的非对称速率帧结构。在下行的信元流中插有专门的物理层运行管理维护 (PLOAM) 信元。上行传输的是突发形式的ATM信元, 为了实现突发发送和接收, 每53个字节的信元前面插入3字节的物理开销。对155.52Mbit/s基本速率而言, 传输协议基于包含56个ATM信元的下行帧, 其中有54个数据信元, 还有两个PLOAM信元;上行帧的格式是53信元, 每信元56字节。当比特率提高到622.08Mbit/s时, 下行帧要扩展到224个信元, 其中有216个数据信元, 还有8个PLOAM信元。APON系统的主要特点:采用统计时分复用技术;动态带宽分配;提供非常丰富完备的OAM功能, 包括误码率监测、告警、自动发现与自动搜索、作为一种安全机制对下行数据进行搅码加密等。然而, APON系统有两大缺点, 一是数据传送效率低, 二是在ATM层上适配和提供业务复杂。

3.2.2 EPON

EPON (Ethernet Passive Optical Network) 是基于以太网的PON。用于接入网的以太网也称“第一英里以太网” (EFM) 。EFM的物理层既包括用于点到点 (P2P) 连接的光纤与铜线, 也包括用于点到多点 (P2MP) 的EPON。为了便于网络运行与故障修复, 还包括了OAM机制。

EPON可以支持1.25Gbps对称速率, 将来速率还能升级到10Gbps。EPON下行帧周期为2ms。每帧开头是长度为1字节的同步标识符, 用于OLT与ONU之间的时钟同步;随后是长度不同的数据包。这些数据包按照IEEE802.3协议组成, 每个数据包包括信头、长度可变的信息净荷和误码监测域三部分。每个ONU分配一个数据包。EPON上行帧周期也为2ms, 每帧包含许多可变长度的时隙, 每个ONU分配一个, 用于向OLT发送上行数据。

EPON有两大缺点, 即效率极低和难以支持以太网之外的业务。当遇到话音/TDM业务时, 就会引起Qo S问题。效率低是因为EPON使用8B/10B编码作线路码, 其本身就引入20%的带宽损失, 1.25Gb/s的线路速率在处理协议本身之前实际就只有1Gb/s了。不像APON和GPON系统都使用扰码作线路码, 只改变码, 不增加码, 所以没有带宽损失。

3.2.3 GPON

GPON (Gigabit Passive Optical Network) 又称本色模式PON。这是因为GPON有两大承诺:在PON上传送多业务时保证高比特率和高效率, 故GPON一开始就自下而上地重新考虑了PON的应用和要求, 不再基于早先的APON标准, 所以称为本色模式PON。

GPON采用ITUTG.7041定义的GFP (通用成帧规程) 。GFP是一种通用机制, 它适配来自传送网上高层客户信令的业务, 可对Ethernet、TDM、ATM等多种业务进行封装映射, 能提供1.25Gb/s和2.5Gb/s下行速率和所有标准的上行速率, 并具有强大OAM功能。

GPON协议设计时主要考虑到:基于帧的多业务 (ATM、TDM、数据) 传送;上行带宽分配机制采用时隙指配 (通过指示器) ;支持不对称线路速率, 下行2.488Gbit/s, 上行1.244Gbit/s;线路码是不归零 (NRZ) 码, 在物理层有带外控制信道, 用于使用G983PLOAM的OAM功能;为了提高带宽效率, 数据帧可以分拆和串接;缩短上行突发方式报头 (包括时钟和数据恢复) ;动态带宽分配 (DBA) 报告、安全性和存活率开销都综合于物理层;帧头保护采用循环冗余码 (CRC) , 误码率估算采用比特交织奇偶校验;在物理层支持Qo S。

GPON采用125?s长度的帧结构, 用于更好地适配TDM业务;继续沿用APON中PLOAM信元的概念传送OAM信息, 并加以补充丰富;帧的净负荷中分ATM信元段和GEM (GPON Encapsulation Method) 通用帧段, 实现综合业务的接入。对三种技术的详细比较如表1所示。

综上所述, APON、EPON和GPON各有其优、缺点。APON技术是基于复杂的ATM技术, 因此存在带宽不足、技术复杂、价格高、承载IP业务效率低等问题, 未能取得市场上的成功, 已基本被市场淘汰。目前EPON产品已得到一定程度的商用, 由于其将以太网技术与PON技术完美结合, 成为非常适合IP业务的宽带接入技术。而在高速率和支持多业务方面, GPON具有明显优势, 将是PON的重要发展方向, 但GPON的成本要高于EPON, 目前产品的成熟性也逊于EPON。

4 小结

PON作为一种接入网的发展方向, 顺应了目前Interneta业务不断增长的趋势。由于EPON的低成本、高容量、易维护等特点, 应当成为稳定、能平滑升级的接入网的首选解决方案。在今后有线电视网、电话网和数据网三网合一的时候, EPON接入网更具有得天独厚的优势。尤其是EPON技术基于以太网架构, 顺应当前网络IP化发展趋势, 在不远的将来会出现较大规模的发展和应用。而GPON技术随着标准的成熟和成本的降低, 将会在未来的宽带接入市场占有一席之地。■

参考文献

[1]Media Access Control Parameters, Physical Layers and Management Parameters for subscriber access networks.IEEE Draft P802.3ahTM/D1.1.

[2]Broadband optical access systems based on Passive Optical Networks (PON) .ITU―T Recommendation G.983.1 (1998) .

[3]ITU―T Gigabit-capable passive optical networks (GPON) :Transmission Convergence Layer Specification (2003) .

[4]无源光网络技术剖析[J].电子产品世界, 2004 (11) .

[5]袁伟, 金燕.EPON技术实现机制及其最新发展探讨[J].电视技术, 2005 (6) .

[6]原荣.宽带光接入网[M].北京:电子工业出版社, 2003.

[7]贺瑞明.无源光网络技术发展及应用[J].山西通信科技, 2006 (2) .

[8]赵剑明, 周正萍.无源光网络组网技术及测试分析[J].现代电子工程, 2005 (3) .

[9]韦乐平.FTTx的发展策略探讨[J].电信网技术, 2006 (8) .

以太无源光网络的系统设计 第8篇

首先, 选择网络拓扑结构, 其次, 进行网络设计及设备选择。对需求进行充分分析, 全面了解用户需求, 分析需达到的技术指标和限制条件, 就商业目标和对其约束的条件进行充分论证。在对网络现在及未来通信以及需求特征了解的基础上, 进行网络设计。需求来源于决策者的建设思路、国家/行业政策、用户技术人员对技术细节的理解、用户能提供的各种资料;而应用需求则要考虑可靠性/可用率、响应时间、安全性、可实现性、实时性等。

根据前面步骤的分析, 选配好设备, 确定网络连接线缆和各层设备的数量便可制定整个网络的拓扑图。无源光网络采用对称分光比分光器, 保证每条链路在设备光接收灵敏度范围内, 分光器最大光分支比为1∶32, 适用于用户比较集中的情况。

2 EPON系统设计

2.1 每户带宽设计

(1) 若按标清MPEG-2标准计算, 要求每用户点播视频流为4 Mbps, 若按标清MPEG-4标准计算, 要求每用户点播视频流为2 Mbps;

(2) 交互数字电视正式运营后, 按总有线电视用户的20%接入交互数字电视, 且同时点播视频节目的用户按50%计算;

(3) 其他业务按接入交互式数字电视用户数的30%计算, 且按30%在线, 每户平均在线流量按500 kbps计算。

按以上条件每100户用户将占用带宽为:

10020%50%4+10020%30%30%0.5≈41 Mbps

10020%50%2+10020%30%30%0.5≈21 Mbps

每有线电视用户平均接入带宽为0.41/0.21 Mbps。

2.2 OLT每千兆光口可带用户数

OLT既是一个交换机或一个路由器, 又是一个多业务提供平台, 它为PON提供光纤接口, 根据以太网向城域网及广域网发展的态势, OLT在提供千兆光口的同时, 还提供多个Gbit/s和10 Gbit/s的以太网口。

在目前的系统中, 每个OLT提供2～4个千兆光口。每个千兆光口可带的用户数目计算如下:

(1) 按每个交互数字电视用户4 Mbps带宽计算

OLT每个千兆光口可覆盖的用户数约为1 000/0.4=2 500。若一栋楼按50户计算, 则可覆盖2 500/50=50栋楼。

(2) 按每个交互数字电视用户2 Mbps带宽计算

OLT每千兆光口可覆盖的用户数约为1 000/0.2=5 000。若一栋楼按50户计算, 则可覆盖5 000/50=100栋楼。

由于OLT每千兆光口可以由PON分为32/64个光分支, 支持32/64个用户终端ONU。如果EPON采用FTTB-LAN接入方式, 则OLT每千兆光口可以覆盖32/64栋楼。

当采用MPEG-2编码标准时, 按常规32个ONU到楼, 覆盖1 600用户, 则每个ONU覆盖1 600/32=50户。每个ONU的平均带宽为1 000/32=31.25 Mbps, 按总有线电视用户的40%接入交互数字电视, 且同时点播视频节目的用户按40%计算, 一栋楼的交互数字电视用户的带宽为31.25/5040%40%≈4 Mbps。 能满足要求。

当采用MPEG-4编码标准时, 按64个ONU到楼, 覆盖3 200用户, 则每个ONU覆盖仍为3 200/64=50户。每个ONU的平均带宽为1 000/64=15.63 Mbps, 按总有线电视用户的40%接入交互数字电视, 且同时点播视频节目的用户按40%计算, 一栋楼的交互数字电视用户的带宽为15.63/5040%40%≈2 Mbps, 能满足要求。

2.3 光分配网 (ODN) 的设计与应用

2.3.1 光分配网设计的一般概念

EPON系统中ODN位于分布的光网络中, 包括单模光纤、光分路器等。OLT采用单纤波分复用技术, 通过光纤与分光器与ONU连接, 最大传输距离可达20 km。在ONU侧通过光分路器分送给多达32～64栋楼的用户。

在ODN的设计中主要涉及到光缆布线、安全保证、光分路器的级联等问题。ODN系统的设计主要与城市居民小区的物理分布有关。常规结构的ODN设计较为简单, 如下列举了ODN设计中的一种光分路器级联的方案供参考。

例:4个小区, 每个小区16栋楼, 分前端机房距离第一个分光器5 km, 第一个分光器距离各小区最远2 km。

可采用下列光分路器级联的方式进行设计, 由于光分路器的级联与其级数无关, 只与整个ODN系统的损耗有关, 4个小区, 每个区16栋楼, 可用2个PON口进行覆盖即可, 如图1所示:

此设计方案可大量节省光纤, 使布线更加灵活, 减少了布线过程中所遇到的各种麻烦。其链路损耗如下:

12光分路器损耗:3.2 dB

116光分路器损耗:13.5 dB

光纤损耗:0.32 dB/km (1 310 nm波长)

链路总损耗为:

3.2+13.5+8.20.32+60.5=22.32

如OLT发射功率为PT=0 dBm, ONU接收光功率为PR=-26 dBm, 这是由于下行为数字基带信号, ONU的接收功率一般可达-26 dBm, 则

PT-PR=0- (-26) =26 dB>22.32 dB

这就保证了PT-PR>22.32 dB的链路总损耗, 才能达到IEEE802.3ah对EPON物理层规定数据通道误码率10-12要求。

2.3.2 ODN系统设计的光损耗计算

根据PON系统特点, 覆盖范围从OLT到ONU的各条光链路总长度应在20 km内。ODN系统设计中, 光网络的光损耗应计算OLT到距OLT最远的ONU的光路损耗L:

L=α (11+12+13+14) +1s1+1s2+1s3+a0.5PT-PR=26 dB

式中:α为光纤损耗系数 (dB/km) ;l1为OLT到第一个分光器的距离 (km) ;l2为第一个分光器到第二个分光器的距离 (km) ;l3为第二个分光器到第三个分光器的距离 (km) ;l4为第三个分光器到距离第三个分光器最远的ONU的距离 (km) ;LS1﹑LS2﹑LS3分别为第一级﹑第二级﹑第三级分光器的损耗 (dB) ;a0.5为a个活动光连接起的总损耗 (dB) ;PT为OLT/ONU的发射光功率 (dBm) ;PR为OLT/ONU的接收光功率 (dBm) ;α按1 310 nm波长取值, 即α=0.30～0.35 dB/km, 光纤融熔拉锥型分光器的损耗LS取值如下:

1∶2分光器LS=3.2 dB;1∶4分光器LS=6.4 dB;1∶6分光器LS=8.5 dB;1∶8分光器LS=9.7 dB;1∶16分光器LS=13.5 dB;1∶32分光器LS=18.3 dB。

可以看出, 分光器的分支数越大, 损耗也越大。因此, 从OLT到ONU最多只能用三级分光器。

无源光网络设计时, 在设计光路结构方面, 不能按照设备的接收极限值设计, 通常需要留出至少3 dB的余量。即:

L=α (11+12+13+14) +1s1+1s2+1s3+a0.5 (PT-PR) -3

由于不同厂家选用的光模块不同, 所以, PT-PR的值也不同。实际设计时应根据所选用的设备参数来确定PT-PR的值, 并由此确定L的最终dB值。如本例所选设备其PT-PR=26 dB, 则光路损耗上限L= (PT-PR) -3=23 dB。倘若L超过此值, 则不能满足BER110-12的要求, 须重新设计。

3 EPON 技术的优势

(1) 与现有以太网的兼容性:

以太网技术是迄今为止最成功和成熟的局域网技术。EPON只是对现有IEEE802.3协议作一定补充, 基本上是与其兼容的。EPON与以太网的兼容性是其最大的优势之一。

(2) 高带宽:

EPON的下行信道为百兆/千兆的广播方式, 而上行信道为用户共享的百兆/千兆信道。这比目前的接入方式, 如Mode、ISDN、ADSL都要高得多。

(3) 低成本:

首先, 由于采用PON的结构, EPON网络中减少了大量的光纤和光器件以及维护成本。其次, 以太网本身的价格优势使EPON具有无法比拟的低成本。EPON技术目前还处在研究讨论阶段, 还有一些问题有待解决, 包括上行信道复用技术、测距和时延补偿技术、光器件和突发信号快速同步等方面。

摘要：EPON (Ethernet over Passive Optical Network, 以太无源光网络) 是一种新型的光纤接入网技术, 它采用点到多点结构、无源光网络传输, 在以太网之上提供多种业务。主要研究EPON网络系统的设计和实现, 以及EPON的网络结构特点, 通过逻辑分析与实证相结合的办法, 论述了EPON网的设计过程, 得出了不同接入需求下的设计方案。创新之处在于从用户带宽需求入手实现资源配置最优的效果。