第 38卷第 15 期
计算机工程
Computer Engineering
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·网络与通信· 申团分类号 TP393文章偏号 1000-3428σ012)15-→087--03 文献标识码. A
以太网元源光网络自愈环状保护结构
王攘攘飞越酶东 b 赵新伟 c
o可北科技大学 a. 研究生学院 b. 信息科学与工程学院 c. 电气信息学院，石家庄 050018)
摘 要:提出一种适用于以太网无源光网络的双环冗余结构，为光线路终端、光网络单元及光纤链路提供保护，并给出接口设计、故障容
错及恢复机理。与其他保护机制的对比结果表明，该双环冗余结构对于主干光纤故障，恢复时间仅为 TU-T 结构的 %、 SRA 结构的
，}也。
关键词:光纤保护;自愈;环状结构;故障检测;以太网无源光网络
Self-healing Ring Protection Architecture of EPON
WANG Yan-bin., ZHAO Xiao-dongb, ZHAO Xir• weiC
(a. Graduate School; b. College ofInfonnation Science and Engi阴暗ring; c. Col1ege of Electrical and Infonnation,
Hebei University ofScience and Technology, Shijiazhuang 050018, China)
(Abstract) A double-ring optical protection architecture is constructed for Ethemet Passive Optical Networks(EPON) architecture, the Optical
Line Tenninal(OLT)，出e Optical Network Unit(ONU) and all fiber links are protected by this architec阳'e，也e node-architecture，如 fault-tolerant
and the r，臼toring mechanism are explained. The compared results show 也剖， when the backbone fiber are failed，出e resume tÌme of this architecture
is only percent ofITU-T and percent of SRA.
(Key words) optical fiber protection; self-healing; ring architecture; fault detection; Ethemet Passive Optical Network(EPON)
DOI: 1
1 概途
以太网无源光网络(Ethemet Passive Optical Network,
EPON)通过一个光线路终端(Optical Line Terminator, OLT)连
接了多个光网络单元(Optical Network Unit, ONU)，但是，由
于 EPON主干光纤或 OLT 的单点故障有可能导致整个网络服
务停止，因此对网络可靠性有特殊要求的用户，希望加强
EPON 的可靠性。为了改善 PON 的可靠性，文献[1]采用自动
保护开关(Automatic Protection Switching, APS)处理光纤及
ONU 的故障。文献[2]描述了 AOS 的保护措施。文献[3]增加
了冗余光纤环，并在 OLT 上增加了冗余收发器。文献[4]在
OLT 中利用目的地址控制 OS(Optical Switch)，向不同方向的
总线发送信息，并在 ONU 中采用了多个分光器。文献[5]基
于多个 OLT 及 1: N交换机设计了。LT 的冗余保护结构。文
献 [6]提出了→种星形与环形结合的网络结构。文献[7]在
ITU-T 的基础上，增加了对某些 ONU 的保护路径。
文献[8]利用 FBG 及 AWG 设计了环状自愈功能。文献[9]面
向 WDM平ON 设计了单环保护结构。文献[1 0]利用现场可编
程门阵列 (Field Programmable Gate Array, FPGA)实现了
10 Gb/s 的光纤通信系统，为光纤系统的设计提供了思路。本
文提出→种高可靠的 EPON 保护结构，针对不同的故障采用
不同的处理措施，最大限度地减少故障恢复、隔离的时阅。
2 商可靠 EPON 结构
为了提高 EPON 的可靠性，本文设计了双环结构
(Double-ring Architecture, DRA)的 EPON 网络，如图 l 所示。
下行通道采用 1490 nm 的被长，上行通道采用 1310 nm 的波
长;其中，实线表示正常工作环路，虚线表示保护环路，1'"
行方向的数据包采用广播方式，各 ONU 根据 MAC 地址区别
数据，上行数据包采用时分复用(Time Division Multiplexi吨，
TDM)技术，每个 ONU 根据 OLT 分配的时隙上传数据。在正
常运行时， OLT 在每次 POLLING 之后，向各个 ONU 发送
GATE 信息，并接收其 DATA 及 REPORT 信息。
回 1 双环冗余结构
基金项目:河北省教育厅科学研究计划基金资助项目(F20112080l4)
作者简介:王燕滨(1978一)，女，助教、硕士研究生，主研方向:以太网无源光网络;赵晓东，副教授、博士研究生;赵新伟，硕士研究生
收稿日朔 2011-09-05 修回日期 2011-11-23 E-mail: wyb_hbkjdx@
检测故障仅是部分工作，能否成功地容忍故障才是保护 备份线路在主线路出现故障之前保持正常状态，不考虑节点
结构最重要的任务。所有保护结构在检测到故障后，都启用 恢复时间。当网络结构出现故障，到对故障进行处理并恢复
相应的备份线路，只有在收到备份线路传输正常的 REPORT 通信时，称为故障恢复，表 2 列出了所有保护结构的单点故
时，才能表明故障已经得到成功恢复。本文默认所有结构的 障恢复时间。
表 2 单点故障恢复时间
ITU-T-4 SRA
5334 无恢复能力
Architecture, CEPA)结构。系统模型参数如下: OLT 与环之间
距离 20 km，不使用环结构的 ONU 与分光器的距离最长为
5 km，使用环状结构的 ONU 与第一个分光器的距离最短为
1 km，最长为 10 km，每个 OLT 连接 6 个 ONU，各个 ONU
负载均衡，共享 2 ms 的数据带宽，采用 IPACT 的控制调度
方法。表 1 中列出了各个网络模型单点故障最长检测时间。
2012 年 8 月 5 日
μs
DRA
2401
5466
μs
DRA
401
5466
5466
嘈三w-~一---本一旦-♂~ '"一一-立
L司↑?↑(↓ i i i
1490 nm
一一一+
一---~1310nm
CEPA
5334
5334
CEPA
2667
5334
5334
OLTB 接口
ONU 接口
1:2 spliter
SRPA
5334
8619
SRPA
2667
5746
5746
1:2 spliter
回 4
回 3
RPA
5334
无恢复能力
RPA
2667
无法区分
无法区分
E巳。
-m-
来 1 单成就"最长检测时间
ITU-T-4 SRA
2667 2734
5334 无法区分
5334 元法区分
程
分光器结构
工
ONU
1490 nm
--一---.
机
结构对比分析
本节对比了本文设计的 DRA 结构和 ITU-T 定义
的 4 种保护结构:单环保护结构(Single-Ring-Architecture ，
SRA); 冗余保护结构(Redundant Protection Architecture,
RPA); 星形-环形保护结构(Star-Ring Protection Architecture,
SRPA)结构以及低花费的保护结构(Cost Effective Protection
算
OLT 内部设计了 6 个光收发模块，如图 2、图 3 所示，
其中， Al 用于正常数据传输 A2 判断环路 A 的状态 A3
判断 B 的状态，用于故障模式数据传输 Bl 用于故障模式
数据传输 B2 用于判断环路 B 的状态;因判断 A 状态，用
于故障模式数据传输。 ONU 环路结构如图 4 所示，分光器结
构如图 5 所示。
回 5
计
E
口
DE
寸-
1:2 spliter
ITU-T-3
2667
5334
5334
ITU-T-3
5334
5334
1:2 spliter
OLTA 接口
ITU-T-2
2667
无法区分
无法区分
ITU-T-l ITU-T-2
5334 5334
无恢复能力
回 2
1490 nm
..
4
1310nm
1-
分分
T-ι
区区
U-M
法法
口
E
无无
类别
主干恢复
分支恢复
类别
主干错误
分支错误
节点故障
A
B
88
3
第 38卷第 15 期 王燕滨，赵晓东，赵新伟:以太网无源光网络自愈环状保护结构 89
网络故障多种多样，单点故障仅是网络故障中较少的一
部分，由于实际网络线路距离远，节点较多，多点故障的可
能性也较大，同时由于 DRA 具有环状结构的网络，能利用环
状结构直接获取工作环的状态，因此对环主干光纤状态的诊
断比其他结构更快 DRA 结构的主干光纤故障检测时间只
相当于 ITU-T， RPA、 SRPA、 CEPA 结构的 % ， SRA 结
构的 %; 主干网恢复时间只相当于 ITU-T、 RPA、 SRPA、
CEPA 结构的 % ， SRA 结构的 %; 但是，节点故
障检测、恢复时间较长，约为 ITU-T 结构的 %。与其他
保护结构相比， DRA 不仅增加了主干光纤保护，而且增加了
ONU 分支光纤的保护，能够容忍较多的主干光纤、分支光纤
故障，具有很强的多点容错能力;但是，由于 DRA 结构、控
制方法较为复杂，为了区别分支光纤故障及节点故障，增加
了传输次数，因此在恢复节点分支故障时，恢复时间比其他
结构慢;为了确保备份线路在故障发生时能够可靠工作，在
正常运行时， DRA 可以通过相应的光收发模块对备份线路进
行检测，确定备份线路的工作状态。此外，相比于其他结构，
提供了更多的工作方式，可以针对不同的故障自动选择不同
的传输路径，增强了系统容错能力;与其他网络保护结构相
比， DRA 还增加了精确区别分支、节点故障的能力，为实际
故障的人工修复提供了便利。
4 结束语
本文的 EPON 结构不仅提供了多次容错能力，而且提供
了故障定位能力，为故障的检修提供了便利，与其他网络保
护结构相比，减少了主干网故障的检测、恢复时间，并提供
ONU 的线路保护，适用于对可靠性有特殊要求的 EPON 环
境。目前，该设计已成功应用于某高可靠光纤网络。但 DRA
结构的容错方法相对较复杂，对 OLT 调度算法提出了更高的
要求，这是下一步需要研究的问题。
参考文献
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(上接第 86 页)
显示的数据表明:实验系统对数据的收发操作做出了完
全正确的响应，同时显示了各实验终端的测试进度情况，直
接得出了泊滴电量 q 的测试结果，并据此给出了对实验者的
评定结果。此外，还入为地加入了电磁干扰因素的测试[坷，
发现数据收发也完全正确，充分验证了系统的可靠性。
6 结束语
本文系统通过无线通信方式，各实验终端能把实验数据
实时传输到上位机进行存储、显示、处理，主控端能根据数
据分析结果对各个终端的测试情况做出合理评价，实现了
LabVIEW 控制台对多个实验终端机的同时控制和监测。这种
基于无线通信的实验测试系统，减少了布线的复杂性，增强
了系统的稳定性和抗干扰能力，可应用于其他类似的实验测
试领域。
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