CN101150363B - 一种手持式无源光网络链路监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种手持式无源光网络(PON)链路监测装置，用于对PON链路进行监控、分析和测量。该装置由以下几部分组成：光信号处理子系统、包处理子系统、处理器子系统、用户接口子系统、时钟子系统以及电源子系统。其工作流程如下：光信号处理子系统对光路参数进行测量，然后由包处理子系统对接收到的码流和帧进行分析，最后由用户接口子系统显示结果。处理器子系统对整个装置进行控制和协调。本发明装置具有显著的特点和优点：一是对PON链路状态和各种关键参数进行了更全面的监测，填补了目前PON链路监测装置的空白；二是为手持式设备，可以随身携带，操作简单灵活，显示直观，非常适合PON网络工程开通、验收和维护应用。

Description

一种手持式无源光网络链路监测装置

技术领域

本发明涉及无源光网络系统(PON)，更具体地，本发明涉及一种用于监测无源光网络链路状态和参数的装置。

背景技术

PON是一种宽带光接入网络技术。其本质特征在于从局端设备到终端设备之间的光分配网使用的是无源器件。目前被业界广泛看好的主流PON技术有以太网无源光网络(EPON)、千兆比特无源光网络(GPON)以及正在研究中的波分复用无源光网络(WDM-PON)。总体来说，PON技术具有容量大、成本低、对数据业务支持好、技术成熟和维护简单等优点，是未来实现FTTx的理想方案之一。目前，EPON已经开始规模商用，GPON的商用实验局也已经开通。为了使PON技术能够得到大规模且低成本的应用，不仅要求不同设备厂商的PON光线路终端(OLT)和光网络单元(ONU)设备能够互通，而且还要求能够方便有效地在PON网络开通前完成工程验收，以及在PON网络运行过程中进行便捷的维护。

PON网络是物理上的点对多点结构，逻辑上的点对点结构。其下行数据传送为广播方式，所有光网络单元(ONU)都能在其物理PON口上接收到所有的下行数据帧。而上行则为多址接入方式，各个ONU只能以特定的方式共享上行物理信道。以EPON和GPON为例，上行为时分多址接入(TDMA)方式，每个ONU只在光线路终端(OLT)为其分配的上行授权时隙内发送上行数据。由于这个特点，传统的网络测试设备不能直接介入到PON系统内部，只能通过ONU的用户侧和OLT的网络侧接口进行相关测试，因此就无法监测PON网络内部链路的运行状况，进而也就无法对关系到系统是否能正常工作的链路状态进行监控和分析。

在现有的测试装置中，能够用于PON网络的主要有光功率计(如EXFO的PPM-350B)和性能分析仪(如Agilent的N2X)。前者为手持式设备，使用简单，但功能非常有限，只能用来测量光纤链路上某一点的双向接收光功率，因而不能满足对链路完整状态进行监测的要求。后者在功能方面更侧重于捕获链路上的报文，不能实时显示对线路状态关键参数的分析结果，而且为非便携式设备，需要与特定的软件配套使用，携带和使用很不方便，不适合现场维护。

发明内容

针对目前没有便携式PON链路监测装置的问题，提出了一种用于监测PON网络链路状态的手持式装置。

本发明所述的手持式PON链路监测装置由以下几部分组成：光信号处理子系统、包处理子系统、处理器子系统、用户接口子系统、时钟子系统以及电源子系统。

本发明装置的基本工作流程如下：光信号处理子系统首先将从PON链路上接收到的光信号转换为电信号并对光路参数进行测量后将其发送给包处理子系统，包处理子系统对接收到的码流和帧进行分析，将分析结果保存并通知处理器子系统，然后按工作模式来决定是否转发接收帧到本发明装置的监测口。处理器子系统从光信号处理子系统和包处理子系统中读取测量和分析得到的数据，再将其发送到用户接口子系统，后者则将其显示出来。用户接口子系统与用户进行交互，除了显示监控结果外，还通过处理器子系统对本发明装置的工作模式进行配置。

在上述的手持式PON链路监测装置中，光信号处理子系统负责从PON链路上接收双向(上行和下行)的光信号并将其转化为电信号，此外还负责对光路参数进行检测，如光功率。光信号处理子系统由PON OLT侧光模块、PON ONU侧光模块以及光参数检测模块组成。各部分的连接关系如下：OLT侧光模块、ONU侧光模块以及光参数检测模块分别通过光分路器和光纤与装置外部光路相连。OLT侧光模块和ONU侧光模块分别通过总线与包处理子系统相连，此外还分别通过外围设备总线与处理器子系统相连。光参数检测模块与处理器子系统之间也通过CPU外围设备总线相连。

在上述的手持式PON链路监测装置中，包处理子系统是其功能核心部分。它负责接收经过光信号处理子系统处理过的电信号，并对这些电信号所代表的PON链路上的码流和帧进行分析从而获取PON链路的一些重要的参数值。具体来说，包处理子系统主要完成如下功能：

1)分析PON物理层工作状态和参数：如误码率、OLT侧同步时间、ONU

侧光模块的开关相应时间以及前向纠错编码(FEC)是否使能等；

2)分析PON数据链路层工作状态和参数：如EPON标准IEEE 802.3-2005Section 5所规范的OLT侧和ONU侧多点控制协议(MPCP)状态机的状态和相关参数，以及GPON标准ITU-T G.984.3所规范的GPON传输汇聚(GTC)层OLT侧和ONU层状态机的状态和相关参数等；

3)分析ONU管理链路工作状态及参数：如EPON的操作管理和维护(OAM)链路状态和相关参数以及GPON的ONU管理控制(OMCI)链路状态和相关参数等；

4)分析其他的PON链路相关状态和参数：如动态带宽分配(DBA)状态和参数、带宽分配和利用情况、加密状态和参数、链路标识(如EPON的逻辑链路标识、GPON的ONU标识/T-CONT标识/GEM端口标识等)相关信息等；

5)分析通过PON链路传送的其他业务相关协议的工作状态和参数：如VLAN、组播、QOS、DHCP、PPPOE、802.1X以及CES等；

6)对通过PON链路传送的所有控制协议报文(或帧)和业务数据帧(或报文)进行统计；

7)按照特定规则捕获并镜像PON链路上的帧(或报文)；

包处理子系统一般由现场可编程门阵列(FPGA)模块、缓存模块、PON口侧物理层模块(如串行器/解串器，即Serdes)以及监测口侧物理层模块(如物理接口收发器，即PHY)组成。这些模块的连接关系如下：PON口侧物理层模块通过总线与FPGA相连，缓存为同步动态随机存储器(SDRAM)，通过总线与FPGA相连。监测口侧物理层模块通过特定的媒质无关接口(如GMII)与FPGA相连。

在上述的手持式PON链路监测装置中，处理器子系统是其控制核心部分，负责对本发明装置(主要是指其光信号处理子系统和包处理子系统)的工作模式进行配置，并从相关功能子系统读取对链路状态和参数的监测结果，然后将其输出到用户接口子系统。处理器子系统一般由处理器(CPU)、引导存储器(如BOOTROM)、随机存储器(如SDRAM)和闪速存储器(FLASH)五个模块组成。其中CPU用于运行软件来控制本发明装置的工作，BOOTROM用于存放CPU的启动代码，随机存储器为CPU软件使用的存储器，FLASH则用来保存本发明装置的软件版本。以上述各模块之间的连接关系如下：CPU是控制核心，它通过地址、数据和控制总线分别与BOOTROM、SDRAM和FLASH相连。

在上述的手持式PON链路监测装置中，还包括：用户接口子系统，其负责完成本发明装置与用户之间的交互。它分为三个模块：一个模块是显示控制模块，由液晶(LCD)显示屏和LCD控制芯片组成；其中的LCD显示屏与LCD控制芯片相连，受LCD控制芯片的控制，而LCD控制芯片自身则通过总线与处理器子系统中的CPU相连，受CPU控制。另一个模块是按键控制模块，它由按键和按键控制芯片组成。按键与按键控制芯片相连，受按键控制芯片的控制，而按键控制芯片自身则通过总线与处理器子系统中的CPU相连，受CPU控制。第三个模块是发光二极管(LED)指示灯组，它由一组LED组成，用来指示PON链路的基本状态(如是否检测到光信号等)。这些指示灯分别通过信号线与光信号处理子系统和处理器子系统相连。用户可以通过操作按键来设置本发明装置的工作模式以及选择显示的信息内容，然后可以通过LCD显示屏来查看链路监测的结果。此外，用户还可以通过查看LED指示灯来获知当前链路的基本状态。

在上述的手持式PON链路监测装置中，还包括：时钟子系统，其负责为本发明装置中的其他子系统提供时钟信号。它由时钟芯片及其分配网络组成。两者的连接关系如下：时钟芯片输出到时钟分配网络，经过时钟分配网络的处理，再输出多种不同频率的时钟信号，进而通过信号线输送给其他子系统的各个芯片。

在上述的手持式PON链路监测装置中，还包括：电源子系统，其负责为本发明装置中其他子系统的各个芯片提供特定的直流电压。该子系统由电源处理模块和电源分配网络组成。电源处理模块负责对外部提供的直流电源进行处理，以生成不同芯片所需要的多种电压，电压分配网络则负责将电源处理模块的输出通过信号线分配给其他子系统中的各个芯片。本发明装置的可用电源分为两种：一是采用可充电电池提供直流电源；一是采用外接变压器提供交流转直流的电源。

因此，本发明实现了以下技术效果：

与现有装置相比，本发明所述装置具有显著的特点和优点：一是本发明装置为对PON链路状态和各种关键参数进行了更全面的监测，填补了目前PON链路监测装置的空白；二是本发明装置为手持式设备，可以随身携带，操作简单灵活，显示直观，非常适合PON网络工程验收和维护应用。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明的实施例的PON网络拓朴图。

图2是根据本发明的实施例的应用场景示意图。

图3是根据本发明的实施例的结构框图。

图4是根据本发明的实施例的外观示意图。

图5是根据本发明的实施例的内部结构框图。

具体实施方式

下面参考附图，详细说明本发明的具体实施方式。

本发明针对目前没有便携式PON链路监测装置的问题，提供了一种用于监测PON网络链路状态的手持式装置。

图1介绍了与本发明装置相关的PON网络拓朴。从图中可以看出，一个OLTPON口下可以通过分光器与多个ONU相连接。从OLT到ONU的下行数据传送方式为时分复用的物理层广播方式，即每一个下行帧会发送到所有的ONU的PON端口。从ONU到OLT的上行数据传送方式为TDMA(对EPON和GPON)方式，即各个ONU在OLT分配给自己使用的上行时隙内发送上行数据。

图2介绍了本发明装置的几种应用方式。本发明装置可以有多种应用方式。比如：

1)本发明装置的一种应用方式如图2a)所示。此时，PON网络使用2×N分光器时，可以将本发明装置的OLT侧PON口与分光器的主干侧的一接口相连，而将其ONU侧PON口与分光器的支路侧的一接口相连；

2)本发明装置的一种应用方式如图2b)所示。此时，可以将本发明装置通过自带的一个2×2分光器串接到PON网络的主干光路上去；

3)本发明装置的一种应用方式如图2c)所示。此时，可以将本发明装置通过自带的一个2×2分光器串接到PON网络的一条分支光路上去；

图3为本发明装置的结构框图。本发明装置300几个子系统的关系如图所示。其中，时钟子系统310和电源子系统312与其他子系统之间都有连接关系，为简单起见在图中没有画出这些连接。本发明装置的基本工作流程为：PON链路上光信号首先送入光信号处理子系统302，后者将其转换为电信号并对光路参数进行测量后发送给后续的包处理子系统304，包处理子系统304对码流和帧做进一步分析，将分析结果保存并通知处理器子系统306，然后按工作模式来决定是否转发接收帧到本发明装置的监测口(GE口)。处理器子系统306从光信号处理子系统302和包处理子系统304中读取数据，再将通过用户接口子系统308显示出来。用户接口子系统308还可以通过处理器子系统306对本发明装置的工作模式进行配置。

图4为本发明装置的一个实施例的外观示意图。如图所示，本实施例的特征为手持式设备，由显示屏、LED指示灯组、按键组、PON口组、GE口、电源接口以及电池组成。尺寸(长×宽×高)为190mm×120mm×60mm。其各个部分的具体描述如下：

1.对外接口

对外接口为两个PON接口和一个GE电口。两个PON口分别为OLT侧接口和ONU侧接口。GE口为电口，负责将从链路上捕获的双向报文转发给外部的计算机以便于做进一步的分析。更具体地，本实施例可以将PON链路上的双向协议/数据帧按打上接收的时间标签，然后按接收次序合为一条流从GE电口转发出来。

2.显示屏

显示屏为用户交互接口。其功能为显示监测到的链路状态的具体内容。

3.LED

本实施例使用4个LED，分别用于指示OLT侧LOS(无光时点亮)、ONU侧LOS(无光时点亮)、ONU注册状态(没有任何ONU注册成功时点亮)、ONU管理通道状态(没有任何标准的ONU管理链路建立时点亮)，该管理通道随不同的PON技术而不同，如：对于EPON，它是OAM，而对于GPON，它为OMCI)。

4.按键

本实施例共有8个按键，如图所示，分别为“电源”“复位”“模式”以及操作键组(四个方向键和一个确认键)。其中“电源”键负责打开和关闭电源，“复位”键负责复位CPU(软复位)，“模式”键用于选择本发明装置的工作模式，各模式定义如下：

1)透传模式：转发的同时测量光功率；

2)镜像模式：转发、测量光功率，并将链路上的报文有选择地镜像到GE口，输出给电脑做进一步分析；

3)分析模式：转发的同时对链路状态进行完整的分析，但不具备镜像链路上报文的功能；

4)分析镜像模式：转发的同时对链路状态进行完整的分析，并将链路上的报文有选择地镜像到GE口；

对于上述的分析模式和分析镜像模式，在选择进入该模式后，显示屏上还需要列出该模式下的功能项以供进一步选择。具体的功能项视具体的PON技术而定，以EPON为例，这些功能项包括：

1)接收光功率；

2)接收误码率；

3)OLT的同步时间；

4)链路中的LLID和ONU MAC地址对照表；

5)链路中的LLID和数据帧源MAC地址对照表；

6)接收误帧率；

7)MPCP协议状态；

8)MPCP帧统计；

9)标准OAM链路状态；

10)扩展OAM链路状态；

11)OAM帧统计；

12)DBA调度周期分析；

13)带宽分配分析：LLID的实时带宽分配表；

14)ONU队列状态分析；

15)业务帧统计：单播、组播和广播；

16)其他链路状态和参数；

对于GPON来说，上述列出功能会有所不同，但同样应包含其物理层、GTC层和管理层的状态、参数以及各种业务报文、链路和网络控制管理报文的统计信息。

5.电源

本实施例使用交流转直流电源或使用可充电电池供电。

图5介绍了本发明装置一个实施例的内部结构。如图所示，核心是FPGA和CPU，此外还有CPU需要的SDRAM、FLASH和BOOTROM，与用户交互所需的LCD模块和按键控制模块，接收光路信号的OLT侧光模块和ONU侧光模块及对应的Serdes，GE口输出需要的PHY，保存链路数据帧的缓存，以及时钟模块和电源模块。

FPGA是本发明装置实现PON链路分析功能的核心器件。它负责对OLT侧光模块和ONU侧光模块接收到的码流和帧进行分析，具体功能也视具体的PON技术而定。以EPON为例，其实现如下功能：

1)计算双向的接收误码率；

2)从捕获的MPCP报文中提取OLT的同步时间参数；

3)从捕获的链路交互帧中提取LLID和ONU MAC地址信息，建立对照表；

4)从捕获的链路交互帧中提取LLID和数据帧源MAC地址信息，建立对照表；

5)计算双向的接收误帧率；

6)根据MPCP协议帧交互分析出MPCP状态机的当前状态；

7)对链路上的MPCP帧进行统计；

8)根据标准OAMPDU分析标准OAM链路的当前状态；

9)根据扩展OAMPDU分析扩展OAM链路的当前状态；

10)对OAM帧进行统计；

11)根据特定发送给特定LLID的Gate帧发送周期来计算出DBA调度周期；

12)根据调度周期和每周期内授权给每个LLID的Grant时隙大小计算出LLID获得的带宽；

13)根据MPCPreport帧的内容分析ONU队列状态；

14)对除MPCP和OAM之外的业务帧进行统计，包括单播、组播和广播；

15)镜像控制：将链路上的双向帧打上接收到的时间标签，然后合并为一条流，再按要求过滤，最后转发到GE口；

16)其他功能；

对于GPON来说，FPGA实现的功能与上述基本类似，但有所不同，不过同样应该包括对物理层、GTC层以及管理层的状态分析、参数捕获和报文统计功能

CPU是本发明装置的控制核心器件，它负责从按键输入中获取工作模式信息，然后从FPGA、OLT侧光模块和ONU侧光模块中读取所需的链路状态参数，并通过LCD模块显示出相应的内容。CPU的Boot信息放在BOOTROM中，软件版本和FPGA版本存放在FLASH中。

以上主要以EPON为例说明了具体实施方式，仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以用于各种PON网络，并且有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种手持式无源光网络链路监测装置，其特征在于，包括：

光信号处理子系统，负责从PON链路上接收上行和下行的光信号并将其转化为电信号，此外还负责对光路参数进行检测；以及

包处理子系统，由FPGA模块、缓存模块、PON口侧物理层模块以及监测口侧物理层模块组成，它们之间的连接关系如下：PON口侧物理层模块通过总线与FPGA相连，缓存通过总线与FPGA相连，监测口侧物理层模块通过特定的媒质无关接口与FPGA相连；所述包处理子系统负责接收经过光信号处理子系统处理过的电信号，并对这些电信号所代表的PON链路上的码流和帧进行分析从而获取PON链路的状态和性能参数值，包括如下功能：分析PON物理层工作状态和参数，至少包括误码率、OLT侧同步时间、ONU侧光模块的开关相应时间以及前向纠错编码(FEC)是否使能之一；分析PON数据链路层工作状态和参数，包括EPON标准IEEE802.3-2005Section 5所规范的OLT侧和ONU侧多点控制协议(MPCP)状态机的状态和相关参数，以及GPON标准ITU-T G.984.3所规范的GPON传输汇聚(GTC)层OLT侧和ONU层状态机的状态和相关参数；分析ONU管理链路工作状态及参数，包括EPON的操作管理和维护(OAM)链路状态和相关参数以及GPON的ONU管理控制(OMCI)链路状态和相关参数；分析其他的PON链路相关状态和参数，至少包括动态带宽分配(DBA)状态和参数、带宽分配和利用情况、加密状态和参数、链路标识之一；分析通过PON链路传送的其他业务相关协议的工作状态和参数，至少包括VLAN、组播、QOS、DHCP、PPPOE、802.1X以及CES之一；对通过PON链路传送的所有控制协议帧和业务数据帧进行统计；按照特 定规则捕获并镜像PON链路上的帧； 以及

处理器子系统，负责对所述装置的工作模式进行配置，并从相关功能子系统读取对链路状态和参数的监测结果，然后将其输出到用户接口子系统；以及

用户接口子系统，负责完成所述装置与用户之间的交互；以及

时钟子系统，负责为所述装置中的其他子系统提供时钟信号；以及

电源子系统，负责为所述装置中其他子系统的各个芯片提供特定的直流电压。

2.根据权利要求1所述的手持式无源光网络链路监测装置，其特征还在于，工作流程如下：

光信号处理子系统首先将从PON链路上接收到的光信号转换为电信号并对光路参数进行测量后将其发送给包处理子系统，包处理子系统对接收到的码流和帧进行分析，将分析结果保存并通知处理器子系统，然后按工作模式来决定是否转发接收帧，处理器子系统从光信号处理子系统和包处理子系统中读取测量和分析得到的数据，再将其发送到用户接口子系统，后者则将其显示出来，用户接口子系统与用户进行交互，除了显示监控结果外，还通过处理器子系统对所述装置的工作模式进行设置。

3.根据权利要求1所述的手持式无源光网络链路监测装置，其特征还在于，所述的光信号处理子系统包括：

PON OLT侧光模块、PON ONU侧光模块以及光参数检测模块，它们 之间的连接关系如下：OLT侧光模块、ONU侧光模块以及光参数检测模块分别通过光分路器和光纤与装置外部光路相连，OLT侧光模块和ONU侧光模块分别通过总线与包处理子系统相连，此外还分别通过外围设备总线与处理器子系统相连，光参数检测模块与处理器子系统之间也通过CPU外围设备总线相连。

4.根据权利要求1所述的手持式无源光网络链路监测装置，其特征还在于，所述的处理器子系统包括：

处理器(CPU)、引导存储器(BOOTROM)、随机存储器(SDRAM)和闪速存储器(FLASH)，它们之间的连接关系如下：CPU是控制核心，它通过总线分别与BOOTROM、SDRAM和FLASH相连。

5.根据权利要求1所述的手持式无源光网络链路监测装置，其特征还在于，所述的用户接口子系统包括：

显示控制模块，由LCD显示屏和控制芯片组成；按键控制模块，由按键和控制芯片组成；指示灯组，由一组LED组成，它们之间的连接关系如下：LCD显示屏与LCD控制芯片相连，受LCD控制芯片的控制，而LCD控制芯片自身则通过总线与处理器子系统中的CPU相连，受CPU控制，按键与按键控制芯片相连，受按键控制芯片的控制，而按键控制芯片自身则通过总线与处理器子系统中的CPU相连，受CPU控制，LED指示灯组中的各个LED指示灯分别通过信号线与光信号处理子系统和处理器子系统相连。 

6.根据权利要求1所述的手持式无源光网络链路监测装置，其特征还在于，所述的时钟子系统包括：

时钟芯片和时钟分配网络，它们之间的连接关系如下：时钟芯片输出到时钟分配网络，经过时钟分配网络的处理，再输出多种不同频率的时钟信号，进而通过信号线输送给其他子系统的各个芯片。

7.根据权利要求1所述的手持式无源光网络链路监测装置，其特征还在于，所述的电源子系统包括：

电源处理模块和电源分配网络，它们之间的连接关系如下：电源处理模块负责对外部提供的直流电源进行处理，以生成不同芯片所需要的多种电压，电压分配网络则负责将电源处理模块的输出通过信号线分配给其他子系统中的各个芯片。

8.根据权利要求1所述的手持式无源光网络链路监测装置，其特征还在于，所述的电源子系统的可用电源分为两种：

一是采用可充电电池提供直流电源；一是采用外接变压器提供交流转直流的电源。 

Images