摘要 本文首先介绍了无源光网络的基本原理和各种拓扑结构，包括星形（树形）、总线形、环形等，接着针对无源光网络不同的物理拓扑结构，分析了相应的系统生存率以及采取的保护方案，并对各类保护方案做了总结比较，最后，介绍了目前业界主流厂商支持保护功能的情况。

关键词 无源光网络；生存性；总线形；星形；环形

1 引 言

    互联网的兴起，尤其是多媒体业务的发展，导致了人们对带宽的需求日渐增长。传统的铜缆接入技术在面对这种情况时显得力不从心，已经很难适应高带宽接入的需求。基于光纤的接入技术具有高带宽、远距离传输能力强、保密性好、抗干扰能力强等优点，能满足目前和未来业务发展对带宽的需求，是接入网的主要实现技术。在各种光纤接入技术中，无源光网络(passive optical network，PON)由于其易维护、高带宽、低成本等优点成为光接入技术中的佼佼者。随着宽带接入网业务的增加，尤其是一些重要客户组网的需要，对PON系统的保护显得非常重要。 目前的PON技术主要可以分为BPON（宽带无源光网络）、EPON（基于以太网的无源光网络）、GPON（千兆无源光网络）和WDM-PON（波分复用无源光网络）。其中，BPON、EPON和GPON都是基于时分复用方式[1～5]，本文讨论的内容针对基于时分复用接入方式的PON。

2 PON的拓扑结构和生存性

    一个典型的无源光网络系统由光线路终端(OLT)、光网络单元(ONU)、光分配网络(ODN)组成。光线路终端放在中心机房，光网络单元放在用户端，光分配网络包括分路器（splitter）和光纤，光分路器是无源光纤分支器，是一个连接光线路终端和光网络单元的无源设备，它的功能是分发下行数据并集中上行数据。在下行方向采用时分复用技术，上行方向执行时分复用相关接入协议。由于上行方向上的给定时刻只允许一个用户传输，为了避免不同用户的冲突，采用了多点控制协议(multi-point control protocol，MPCP)。此外，在实际网络中，由于不同光网络单元对应的光支路的传输时延不同，不同光网络单元的光电/电光转换处理时间不同，以及系统环境温度的变化及器件老化等原因导致传输时延变化，都会引起不同光网络单元发出的信号在光线路终端处发生冲突，为此在无源光网络中还必须进行测距和补偿工作。

2.1 PON的拓扑结构

    PON的拓扑主要有星形和总线形两种基本类型[1]，如图1所示。其它类型的拓扑如树形、环形拓扑均为星形和总线形的组合或变形。

根据所处的位置，可将分路器分为两种：主分路器和支分路器，主分路器定义为连接OLT的第一个分路器，剩下的分路器全部为支分路器。同样，根据所处的位置，也可将光纤分为三种类型：主干光纤、支干光纤和分支光纤，主干光纤定义为OLT 与主分路器之间的光纤，支干光纤定义为分路器之间的光纤，分支光纤定义为分路器与ONU之间的光纤。
    网络中可能发生故障的地方包括线路与设备，设备包括OLT和ONU，线路包括主干光纤、支干光纤、分支光纤和分路器，分路器故障又分为主分路器故障和支分路器故障。
2.2 PON生存性分析
    参考文献[6]定义了一个系统存活率(S)来分析和衡量不同故障对系统生存性的影响，同样也可以用故障影响率(F)来考核和评估系统的生存性。设在具有N个用户的网络系统中，系统某一个故障x引起的系统用户失效数为Nfx，则该故障引起的系统存活率Sx的定义为：

故障系统影响率Fx的定义为

需要说明，本文所有的分析仅考虑一次故障的情况，不考虑多次故障的情况。
    根据上述定义，对于1：32的星形PON结构，不同故障的系统影响率和系统存活率如表1所示

对于32用户的总线形PON结构，不同故障的系统影响率和系统存活率如表2所示。

    在星形PON结构中，OLT 故障、分路器故障和主干光纤故障的系统影响率为100%，各个ONU和分支光纤的故障系统影响率为3.125%。
    在总线形PON结构中，OLT 故障、主分路器故障和主干光纤故障的故障系统影响率为100%，各个ONU和分支光纤的故障系统影响率为3.125%，但是支分路器和支干光纤对系统的影响与分路器以及支干光纤在系统中的位置有关，如果将OLT看作根节点，则离根节点越近的支分路器和支干光纤的故障系统影响率越大，两者呈线性关系。
    显然，部件失效时系统存活率Sx越高，系统故障影响率Fx越低，系统生存性就越好。对于系统存活率较低的故障应重点考虑保护。当然，实际应用中，保护的实施还应结合实际网络中不同种类故障发生的概率综合考虑。

3 网络的保护
3.1星形网络的保护
    对于星形网络，PON国际标准制定了比较详细的保护方法，G.983.3中提出了针对APON的四种保护方法[3]，这些方法同样适用于时分复用方式的EPON、GPON结构，如图2所示，图中，W表示工作，P表示保护。

    方案一只对工作主干光纤提供保护。主干光纤的故障系统影响率降为0，系统存活率变为100%。这类结构中，需要光开关和PON-TC（PON传输会聚）协议，TC层执行故障检测和控制光开关倒换。在切换过程中，信号损失是不可避免的，同时，由于保护光纤和工作光纤的物理距离不同，ONU需重测距。
    方案二除了对工作主干光纤提供保护外，还对OLT的PON(W)工作模块提供冷备份的保护模块，如果工作光纤断裂或PON(W)工作模块失效，启用备用的PON(P)和光纤。主干光纤和OLT的故障系统影响率均降为0，系统存活率均提升为100%。由于冷备份的PON(P)保护模块中的信号发射模块被激发到正常工作状态需要一段较长的时间（>50 ms），同时光网络单元需进行重测距，所以这种保护结构在系统出现故障时不能实现小于50 ms的保护倒换时间。由于开关控制全部在OLT内部实现，无需与ONU进行协商，因此不需要OLT与ONU之间特殊的切换协议。
    方案三则是OLT、ONU、分路器和工作光纤（包括主干和分支）都具有备份的结构，同时，OLT保护模块采用热备份方式。主干光纤、分路器、OLT和ONU的故障系统影响率均降为0，系统存活率均提升为100%。与方案二相比，由于OLT保护模块采用热备份方式，从而在切换过程中，信号损失较小。切换在每个ONU的TC层上进行。需要切换协议。
    方案四是在方案三的基础上增加了两个1:2的光分路器，从而对ODN提供了进一步的保护，PON区间任意点的故障都可以用备份设备来切换，是一种完全双重化的保护结构。主干光纤、分路器、OLT和ONU的故障系统影响率均降为0，系统存活率均提升为100%。在这种方案中，在多个失效同时发生的情况下系统也能得到有效的恢复，与前面三种相比，这种方案自愈能力最强，然而这类防护结构所用的元器件多，成本高，同时需要切换协议和比较复杂的管理。
    从上面的分析来看，方案一只能提供有限的防护并使用光开关元件，方案四存在成本高、管理复杂等不足，因此，方案二和三是PON保护方案的较佳选择。但是，在方案二中还存在一些不足之处：首先，当出现工作OLT失效的情况时，其对应的切换方式是启动备用OLT 和备用保护光纤，冷备份的PON(P)模块中的信号发射模块被激发到正常工作状态需要一段较长的时间；其次，当光终端失效或主干光纤断裂，系统启用了备份的PON(P)保护模块及光纤后，由于工作和保护OLT模块存在差异，为了保证无源光网络的上行信号同步，必须对系统中的所有光网络单元进行重测距过程，所以这种保护结构在系统出现故障时不能实现电信级的保护倒换时间。在方案三中，采用了热备份的OLT和ONU，切换速度较快，所以这种保护结构在系统出现故障时能满足更高倒换时间的要求。
3.2总线形网络的保护
    目前，对于总线形的PON结构，国际标准中没有相应的规定，从上面故障系统影响率的分析来看，OLT 、主分路器和主干光纤的故障系统影响率为100%，与星形PON结构一致，所以总线形PON实际上可以借鉴星形网络的保护方式。仿照G.983标准的思想，设计总线形PON的保护结构如图3所示。

    其中，方案一只对OLT与第一个光分路器间的主干光纤提供保护，方案二除了对主干光纤提供保护外，还对OLT的PON(W)工作模块提供冷备份的保护模块，方案三的结构则是OLT、 ONU和工作光纤（包括主干、支干和分支光纤）都具有备份的结构，OLT保护模块采用热备份方式；方案四是在方案三的基础上增加了两个1:2的光分路器，从而对主分路器提供了进一步的保护。需要说明的是，在图3(a)、(b)中也可以增加对支干光纤的保护。总的来说，总线形PON的各种保护方案的特点与星形PON非常相似，其生存性分析结果也相似。
    除了上面的四种PON的保护结构外，对于总线形的网络，还可以提供另外一类保护结构：PON环。
    PON环目前常见的两种结构如图4和图5所示，图4是单纤PON环[7~8]，图5是双纤PON环[6]。两种PON环除了光纤数目不一样外，连接结构上也有区别，图4的单纤PON环中光纤的首端和未端均连接着OLT，而双纤环则不然。从逻辑上和拓扑结构上分析，图4(a)的单纤PON环实质上是图1(b)总线形结构的变形，一条总线形PON环回反向折叠组合构成，起点和终点都为OLT。图5(b)的双纤PON环实质上是图3(c)的变形，两条总线形PON反向折叠组合构成，起点都为OLT，终点为ONU，从严格意义上讲，双纤PON环不是真正的闭环结构。

    环网所特有的闭合结构特点使之天生就具有对线路的保护功能。在PON环中，线路的保护体现为对主干和支干光纤的保护。
    单纤PON环如图4(a)所示。图中分路器具有方向性，当ONU的开关在位置1时，发自OLT的下行光信号只有通过顺时针方向才能送到ONU，逆时针不行，而来自ONU的上行信号只有通过逆时针才能送到OLT。正常工作时，ONU将各自的开关打到位置1，则系统的下行信号为顺时针方向，各个ONU的上行信号为逆时针方向，当ONU2与ONU3之间的光纤发生故障时，ONU2至ONU32对应的开关将会被切换至位置2，对应的PON系统的下行信号变为逆时针，上行信号变为顺时针。在图4(a)这种结构中，虽然只有一根光纤，但是光纤链路得到了保护。主干光纤和支干光纤故障的故障系统影响率降为0，系统存活率提升为100%。这类结构中需要ONU侧做切换，切换时间由开关决定，切换后要求重测距。这种结构不提供对ONU、OLT和分路器的保护。图4(a) 虚线框内的功能也可以采用 的分路器来实现。
    在图4(b)所示的全保护的单纤PON环中，OLT、 ONU、分路器和工作光纤（包括主干和分支）都具有备份的结构，由于采用了一根光纤，OLT保护模块只能采用冷备份方式。系统的工作原理同图4(a)。实际上对于OLT和ONU设备可以选择性地进行备份，例如，ONU可以对一些重要的客户采用备份，普通用户则不备份。在这种全备份的结构中，主干光纤、分路器、OLT和ONU的故障系统影响率均降为0，对应的系统存活率均提升为100%。切换过程需要切换协议。由于OLT保护模块采用冷备份方式，切换过程较慢，信号损失较多。
    在双纤PON环中，如图5(a)所示。正常工作时，采用工作光纤，下行信号为顺时针方向，各个ONU的上行信号为逆时针方向，当ONU2与ONU3之间的工作光纤发生故障时，ONU2至ONU32将被倒换到保护光纤上，对应的下行信号变为逆时针，上行信号变为顺时针。在这种结构中，主干光纤和支干光纤故障的故障系统影响率降为0，系统存活率提升为100%。切换后要求重测距，在切换过程中，信号损失不可避免的。
    在图5(b)所示的全保护的双纤PON环中，OLT、 ONU、分路器和工作光纤（包括主干和分支）都具有备份的结构，OLT保护模块可采用热备份方式。系统的工作原理同图5(a)。这样，主干光纤、分路器、OLT和ONU的故障系统影响率均降为0，对应的系统存活率均提升为100%。由于OLT保护模块采用热备份方式，从而在切换过程中，信号损失较小。需要切换协议。双纤PON环采用了两根光纤，因此系统具有一定的抗二次支路光纤故障能力，例如当图5(a)中的ONU1和ONU2的工作支路光纤断后，系统能倒换到保护主干光纤和保护支路光纤上恢复正常工作，当ONU1和ONU2的保护支路光纤同时断后，ONU1受影响，可以将ONU1倒换到原来的工作主干光纤上。实际上对于OLT和ONU设备可以选择部分备份。
    采用单纤PON环后，在不增加线路的备份情况下，系统能有效地提升总线形结构的线路生存性。双纤PON环也能有效地升总线形结构的线路生存性，同时还具有一定的抗二次支干光纤故障能力。与其原型结构相比两种PON环结构的抗故障能力上均有一定的提升。

4 应用情况
    从PON技术的历史来看，APON技术最早提出，在国外尤其是日本有较多的应用。但是，鉴于APON技术本身的不足，近两年，设备厂商的重点已经开始集中在EPON的开发和GPON的研究上，由于EPON的标准、配套芯片以及市场需求等条件已经比较成熟，国内外已经有大量的EPON设备供应商，EPON的应用已经开始，而GPON的标准和配套芯片还相对不成熟，所以目前多数还处于研发阶段，只有2个厂商能提供成型的GPON设备。从近期接触的10个EPON和GPON厂商中，有一个EPON厂商能提供星形网络的骨干光纤保护，有一个GPON厂商能提供总线形双纤PON环保护结构。而大多数厂商则表示考虑到成本以及应用前景，目前均处于计划开发阶段。

5 结束语
    本文对目前两种基本的PON拓扑进行了生存性分析。通过对OLT、主干光纤以及主分路器的保护可以有效地提高PON系统的抗故障能力。在此基础上，比较了星形结构的四种保护方案，方案二和方案三更接近实际应用。对于总线形网络，采用PON环后，能有效地提升总线形结构的线路生存性，与其原型结构相比PON环结构的抗故障能力有一定的提升。从各种保护方案的比较中可以看出，系统生存的性能随着保护策略中成本的提高而得到改善，所以实际方案的选择可以根据预算和实际应用场合来选择最佳的组合方案。
    本文仅仅对PON的生存性做了一些简单的定性分析，对于各种结构PON的生存性定量分析、性价比比较以及各种应用等课题正在进一步的研究中。

    参考文献
1 Kramer G. Ethernet passive optical network. McGrwa Hill, 2004
2 http://www.ieee802.org/3/efm
3 ITU-T Recommendation G.983. www.itu.int，2005
4 ITU-T Recommendation G.984. www.itu.int ，2005
5 刘建平.基于ATM的无源光网络关键技术的研究. 西安电子科技大学，硕士论文，2001
6 全弘林. BPON生存性分析及可存活网络拓扑的研究. 光通信技术，2003（9）
7 刘丽敏，陈雪. PON环的生存性分析. 光通信技术，2004（9）
8 Edward E H. Louis Viktor Haze. Protection scheme for single fiber bi-directional passive optical point-to-multipoint network architectures. Patent No：US 6，327，400B