CN102882801B - 基于twdm-pon的波长自动调谐方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于TWDM-PON的波长自动调谐方法及系统，其中方法包括在EPON协议栈的多点MAC控制子层上添加一个多波MAC控制子层来协调多个波长对的负载均衡，其工作在所有波长的TDM域，该多波MAC控制子层具体用于：在光网络单元注册时，为光网络单元分配至少一个逻辑链路标识，并将其中一个逻辑链路标识与光网络单元的MAC地址绑定；将已注册的该光网络单元调度到光网络单元数目最少的波长对上。本发明可实现波长对之间的相互协作，并充分利用整个系统的带宽，且可实现波长对之间的负载均衡。

Description

基于TWDM-PON的波长自动调谐方法及系统

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种基于TWDM-PON的波长自动调谐方法及系统。

背景技术

PON（Pas sive Opti cal Network无源光网络）系统是由OLT（Optical LineTerminal光线路终端）、ODN（Optical Distribution Network光分配网络）和ONU（Optical Network Unit光网络单元）三部分组成的。在下行方向（从光线路终端到光网络单元），光线路终端发送的信号通过光分配网络到达各个光网络单元，在上行方向（从光网络单元到光线路终端），光网络单元发送的信号只会到达光线路终端，而不会到达其它光网络单元。光分配网络由光纤和一个或多个无源光分路器等无源光器件组成，在光线路终端和光网络单元间提供光通道。

目前PON系统有两种不同的复用技术，时分复用和波分复用。基于时分复用的无源光网络，上下行都采用单一的波长，对波长带宽的利用率很低。基于波分复用的无源光网络，每个光网络单元都独享一个波长带宽，充分利用了光纤的波长带宽资源，但是系统的总带宽以及用户接入数目受到了波长通道数的限制。

考虑到这两种技术的利弊，人们提出了将这两种技术相结合，形成时分波分混合复用的无源光网络。该系统整个采用波分复用的形式，但在每一个波长内采用时分复用的形式进行传输。

在典型的TWDM-PON（Time Wavelength Division Multiplexing-PassiveOpti cal Network，时分波分复用-无源光网络）架构中，如图1所示，采用4个波长对，每个波长对内为TDM时分域，波长路由使用AWG（Arrayed WaveguideGrating，阵列波导光栅），这样不仅光分配网络有源化，而且需要4种激光器或者一种可调谐成4个波长的可调谐激光器。因为光分配网络部分需要AWG代替第一级分光器，对于运营商来说不是完全重用其原有的光分配网络，又因为有源的温控AWG需要取电，从而在实际工程上不可用。为此FSAN（FullService Access Network，全业务接入网）讨论更多的是光分配网络部分的AWG改为分光器的改进型的TWDM-PON。这个系统可以保持现有光分配网络完全不变，但因为使用了分光器，下行光网络单元会收到全部的4个波长。

图2是对典型TWDM-PON改进后的架构示意图。这是FSAN讨论更多的一种架构。在该架构中，ODN部分的AWG改用分光器，这样就做到了完全重用运营商原有的ODN。与典型TWDM-PON相比，ONU上行仍然需要继续使用波长可调谐激光器，ONU下行则需要使用可调谐光滤波器。这是因为分光器下行将所有的波长都下发给了所有的ONU。但是对于其中波长的具体选择、MAC层协议的设计、系统的设计还没有定论，有待实验验证。且改进后的TWDM-PON协议栈中4个波长对之间是各自独立，没有相关性。这样就可能带来有的波长对上带宽不够而有的波长对上带宽浪费的现象，整个系统的利用率就不高。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中波长对负载不均衡的缺陷，提供一种可使波长对之间相互协作，达到波长对之间的负载均衡的基于TWDM-PON的波长自动调谐方法及系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种基于TWDM-PON的波长自动调谐方法，在EPON协议栈的多点MAC控制子层上添加一个多波MAC控制子层来协调多个波长对的负载均衡，其工作在所有波长的TDM域，该多波MAC控制子层具体用于：

在光网络单元注册时，为光网络单元分配至少一个逻辑链路标识，并将其中一个逻辑链路标识与光网络单元的MAC地址绑定；

将已注册的该光网络单元调度到光网络单元数目最少的波长对上。

本发明所述的方法中，所述将其中一个逻辑链路标识与光网络单元的MAC地址绑定具体为：将首个逻辑链路标识与光网络单元的MAC地址绑定。

本发明所述的方法中，所述波长对有n个，n个波长对为在光纤的C波段上选取的2n个不同的波长，上下行各使用n个，其中n为自然数。

本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是：

提供一种基于TWDM-PON的波长自动调谐方法，包括以下步骤：

光线路终端启动后，开启缺省波长对所对应的激光器，关闭其余激光器，并开启所有接收器；

光网络单元启动后，将激光器和接收器调谐到缺省波长对上；

光线路终端在缺省的波长对上对光网络单元进行注册和测距，并发送调谐命令给该光网络单元，以将其调度到光网络单元数目最少的波长对上；

光网络单元接收到调谐命令后，根据该命令相应调谐激光器的发射波长和接收器的接收波长。

本发明所述的方法中，在光网络单元被解注册、光网络单元重启或者光网络单元断电重启后，会自动调谐在缺省波长对上。

本发明解决其技术问题所采用的第三技术方案是：

提供一种基于TWDM-PON的波长自动调谐方法，包括以下步骤：

光线路终端启动后，开启对应所有波长对的激光器和接收器；

光网络单元启动后，调谐到一随机波长对上；

光线路终端在该随机波长对上对光网络单元进行注册和测距，并发送调谐命令给该光网络单元，以将其调度到光网络单元数目最少的波长对上；

光网络单元接收到调谐命令后，根据该命令相应调谐其激光器的发射波长和接收器的接收波长。

本发明解决其技术问题所采用的第四技术方案是：

提供一种基于TWDM-PON的波长自动调谐系统，包括光线路终端、光分配网络和多个光网络单元，其特征在于，

光线路终端，用于在启动后，开启该终端的缺省波长对所对应的激光器，关闭其余激光器，并开启所有接收器，在缺省的波长对上对光网络单元进行注册和测距，并发送调谐命令给该光网络单元，以将其调度到光网络单元数目最少的波长对上，并在该波长对上与该光网络单元进行通信；

光分配网络，用于为光线路终端和光网络单元提供光通路；

光网络单元，用于在注册时，将该光网络单元内的激光器和接收器调谐到缺省波长对上；在接收到光线路终端的调谐命令时，根据该调谐命令相应调谐激光器的发射波长和接收器的接收波长，并在调谐命令所指定的波长对上与光线路终端进行通信。

本发明解决其技术问题所采用的第五技术方案是：

提供一种基于TWDM-PON的波长自动调谐系统，包括光线路终端、光分配网络和多个光网络单元，

光线路终端，用于在启动后，开启该终端的对应所有波长对的激光器和接收器，并在所有波长对上对光网络单元进行注册和测距，并发送调谐命令给该光网络单元，以将其调度到光网络单元数目最少的波长对上，并在该波长对上与该光网络单元进行通信；

光分配网络，用于为光线路终端和光网络单元提供光通路；

光网络单元，用于在注册时，将该光网络单元内的激光器和接收器调谐到随机波长对上；在接收到光线路终端的调谐命令时，根据该调谐命令相应调谐激光器的发射波长和接收器的接收波长，并在调谐命令所指定的波长对上与光线路终端进行通信。

本发明产生的有益效果是：本发明通过在EPON协议栈的多点MAC控制子层上添加一个多波MAC控制子层来协调多个波长对的负载均衡，其工作在所有波长的TDM域，该多波MAC控制子层具体用于：在光网络单元注册时，为光网络单元分配至少一个逻辑链路标识，并将其中一个逻辑链路标识与光网络单元的MAC地址绑定；将已注册的该光网络单元调度到光网络单元数目最少的波长对上。本发明可实现波长对之间的相互协作，并充分利用整个系统的带宽，且可实现波长对之间的负载均衡。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是典型的TWDM-PON架构示意图；

图2是对典型TWDM-PON改进后的架构示意图；

图3是本发明实施例中的TWDM-PON架构示意图；

图4是本发明实施例TWDM-PON协议栈的结构示意图；

图5是本发明实施例中基于TWDM-PON的波长自动调谐方法下的ONU注册原理示意图；

图6是本发明实施例中改进后的基于TWDM-PON波长自动调谐方法下的ONU注册原理示意图；

图7是本发明实施例中光线路终端的结构示意图；

图8是本发明实施例中光网络单元的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图3是本发明实施例中的TWDM-PON架构示意图。首先将波长对从4对扩展到了n对，n可以为2、3、4、5等。在波长选择上，根据上述波长选择的设计思想，下行λd1-λdn分别选用光纤的C波段低频段的起始为1569.59nm、间隔为200GHz的n个波长值，上行λul-λun则选用光纤的C波段高频段的起始为1535.04nm、间隔为200GHz的n个波长值。

图4是本发明实施例对TWDM-PON协议栈改进后的结构示意图。首先根据图3中对TWDM-PON架构的改进，将波长对由4个变为n个。其次，为了使得波长对之间相互协作，并充分利用整个系统的带宽，在原本的协议栈中新增了一个跨TDM域的MWMC（Multi-Wavelength MAC Control多波MAC控制子层）子层，通过波长自动调谐方法来达到波长对之间的负载均衡。

本发明实施例基于TWDM-PON的波长自动调谐方法，在EPON协议栈的多点MAC控制子层上增加的多波MAC控制子层（即MWMC）工作在所有波长的TDM域，该多波MAC控制子层具体用于：

在光网络单元注册时，为光网络单元分配至少一个逻辑链路标识，并将其中一个逻辑链路标识与光网络单元的MAC地址绑定；

将已注册的该光网络单元调度到光网络单元数目最少的波长对上。

本发明实施例中，将其中一个逻辑链路标识与光网络单元的MAC地址绑定具体为：将首个逻辑链路标识与光网络单元的MAC地址绑定。

其中，波长对有n个，n个波长对为在光纤的C波段上选取的2n个不同的波长，上下行各使用n个，下行使用的频段可低于上行使用的频段，其中n为自然数。

为了实现波长对之间的负载均衡，本发明实施例基于TWDM-PON的波长自动调谐方法，通过增加的MWMC子层统一管理LLID  （Logical LinkIndentifier，逻辑链路标识）资源和时戳，在为ONU分配唯一的或者多个LLID的同时将其首个LLID与ONU的MAC地址绑定，并且绑定关系不因为ONU调谐到不同的波长对而改变。

本发明实施例基于TWDM-PON的波长自动调谐方法，包括以下步骤：

光线路终端启动后，开启缺省波长对λd1/λu1所对应的激光器，关闭λd2、…、λdn其余激光器，并开启所有n个接收器；

光网络单元启动后，将激光器和接收器调谐到缺省波长对上；在光网络单元第一次启动注册窗口后，光线路终端根据光网络单元ONU的数量平均分配这些ONU到不同的波长，并打开对应缺省波长对的激光器；

光线路终端在缺省的波长对λd1/λu1上对光网络单元进行注册和测距，并发送调谐命令给该光网络单元，以将其调度到光网络单元数目最少的波长对上；

光网络单元接收到调谐命令后，根据该命令相应调谐激光器的发射波长和接收器的接收波长。

在上述实施例的基础上，在光网络单元被解注册、光网络单元重启或者光网络单元断电重启后，会自动调谐在缺省波长对λd1/λu1上。光线路终端OLT的DBA的上行时隙分配算法在各波长对上独立进行。

如图5所示，是本发明实施例中基于TWDM-PON的波长自动调谐方法下的ONU注册原理示意图。具体注册流程如下所示：

1）OLT第一波长（λd1）广播GATE允许帧（发现窗口）给该波长下的在线ONU，指明注册开始时间和持续时长；

2）ONU收到GATE帧后，在允许的时间窗口内等待一个随机的时间后通过λu1波长向OLT发送REGISTER_REQ报文告知该ONU的MAC地址和最大未决允许数。如果没有发生碰撞，OLT在注册时间窗口将收到一个或多个有效的注册请求帧，OLT即为这些ONU注册并给每个ONU分配唯一的LLID，且将该LLID和该ONU的MAC地址绑定，该LLID和MAC地址的绑定关系不因为ONU调谐到不同的波长对而改变（LLID资源由MWMC子层统一调度）。

3）OLT判断当前哪个波长（对应一个MPMC域）的ONU数目最少（第一次启动的时候均为0），然后平均将这些新接收到的注册请求调度到各波长上，使各波长的ONU数目平衡（λd1/λu1波长上少分配一些ONU以利于注册，具体的豁免数目可根据在线ONU数目动态定义）。OLT用λd1波长给ONU发送REGISTER消息，该消息包含了该ONU的LLID和ONU所需的同步时间，并回显该ONU的最大未决允许数以及其所需要调谐到的波长的命令。OLT通过该消息来告知ONU的LLID并令其发送和接收波长调谐到λux和λdx上。ONU依令将其发送和接收波长调谐到λux和λdx上（假设调谐时间为Tt）。

4）OLT所确定的那个波长（λux/λdx）的MPMC在至少等待Tt时间后用λdx波长发送GATE帧给ONU，以允许ONU回传REGISTER_ACK信息。

5）ONU通过λux波长发送REGISTER ACK信息给OLT，至此ONU已经注册到第x个波长对上。

上述实施例的波长自动调谐方法的问题在于λd1/λu1波长对地位非常特殊，一旦该路发生故障那么整个系统就将瘫痪。为了更好的实现负载均衡的目的，以及提高系统的健壮性，本发明还对上述实施例的波长自动调谐方法进行了改进对其改进如下：

首先，OLT的n个波长对的激光器和接收器一开始均开启；其次，ONU启动后不再缺省工作在λd1/λu1波长对上，而是随机的调谐到某一波长对上。这样不仅可以加快注册的进程，而且n个波长对是对等的，无论哪路发生故障都不会导致整个系统瘫痪，提高了系统的健壮性。

本发明实施例改进后的基于TWDM-PON的波长自动调谐方法，包括以下步骤：

光线路终端启动后，开启对应所有波长对的激光器和接收器；

光网络单元启动后，调谐到一随机波长对上；

光线路终端在该随机波长对上对光网络单元进行注册和测距，并发送调谐命令给该光网络单元，以将其调度到光网络单元数目最少的波长对上；

光网络单元接收到调谐命令后，根据该命令相应调谐其激光器的发射波长和接收器的接收波长。

如图6所示，为本发明实施例中改进的基于TWDM-PON的波长自动调谐方法下的ONU注册原理示意图。ONU的注册流程与图5中的流程基本相同，只是将λd1/λu1变为随机的第r个波长对λdr/λur。在从r切换到x的时候，也同样需要MWMC子层判断当前哪个波长对上的ONU数目最少，哪个最少就调谐到哪个波长对上。

本发明实施例基于TWDM-PON的波长自动调谐系统，用于实现上述改进之前的基于TWDM-PON的波长自动调谐方法，该系统包括光线路终端、光分配网络和多个光网络单元。

光线路终端，用于在启动后，开启该终端的缺省波长对所对应的激光器，关闭其余激光器，并开启所有接收器，在缺省的波长对上对光网络单元进行注册和测距，并发送调谐命令给该光网络单元，以将其调度到光网络单元数目最少的波长对上，并在该波长对上与该光网络单元进行通信；

光分配网络，用于为光线路终端和光网络单元提供光通路，可为分光器；

光网络单元，用于在注册时，将该光网络单元内的激光器和接收器调谐到缺省波长对上；在接收到光线路终端的调谐命令时，根据该调谐命令相应调谐激光器的发射波长和接收器的接收波长，并在调谐命令所指定的波长对上与光线路终端进行通信。

如图7所示，本发明实施例中光线路终端主要包括交换处理逻辑单元、PON处理逻辑单元、多个光收发模块TRX和波分复用器件WDM。其中：

交换处理逻辑单元用于处理交换业务，例如服务网络接口管理、访问控制管理等。硬件包含交换芯片及外围器件与电路等。

PON处理逻辑单元：处理PON业务，例如MPCP注册流程、OAM和业务控制信息、用户数据业务等。硬件包含PON芯片及外围器件与电路等。

光收发模块TRX：在OLT侧因为使用量少，可以考虑使用低成本的特定波长激光器（无需使用昂贵的波长可调谐激光器），接收器可以根据所选用的波段使用相应的普通光接收器。对于OLT来说，由于是n个PON MAC堆叠，具有n个光收发模块TRX，每个模块只用收发一个特定波长。

波分复用器件WDM：可仍然使用AWG（Arrayed Waveguide Grating，阵列波导光栅），需要控制好每个ONU上下行波长间隔为FSR（Free Spectral Range，自由光谱区）的整数倍。

本发明实施例中，如图8所示，光网络单元包括可调激光器、可调光滤波器、PON处理逻辑单元和交换处理逻辑单元。其中：

可调激光器：能够产生不同的波长，用来使ONU上行根据OLT的调谐命令调谐可调激光器发出n个波长中的一个特定波长。

可调光滤波器：能够滤出特定的波长，用来使ONU根据OLT下发的调谐命令调谐可调光滤波器接收n个波长中的一个特定波长。

PON处理逻辑单元：用于处理PON业务，例如MPCP注册流程、OAM和业务控制信息、用户数据业务等。硬件包含PON芯片及外围器件与电路等。

交换处理逻辑单元：用于处理交换业务，例如用户网络接口管理、访问控制管理等。硬件包含交换芯片及外围器件与电路等。

本发明另一实施例基于TWDM-PON的波长自动调谐系统，用于实现上述改进之后的基于TWDM-PON的波长自动调谐方法，该系统包括光线路终端、光分配网络和多个光网络单元。其中：

光线路终端，用于在启动后，开启该终端的对应所有波长对的激光器和接收器，并在所有波长对上对光网络单元进行注册和测距，并发送调谐命令给该光网络单元，以将其调度到光网络单元数目最少的波长对上，并在该波长对上与该光网络单元进行通信；

光分配网络，用于为光线路终端和光网络单元提供光通路；

光网络单元，用于在注册时，将该光网络单元内的激光器和接收器调谐到随机波长对上；在接收到光线路终端的调谐命令时，根据该调谐命令相应调谐激光器的发射波长和接收器的接收波长，并在调谐命令所指定的波长对上与光线路终端进行通信。

光线路终端和多个光网络单元的具体结构与改进前的系统结构类似，只是根据改进后的方法对软件进行了相应改变。

本发明所述方法，并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。对于本领域的技术人员来说，可根据本发明作出各种相应的更改和变型，例如选用其它波段、选用其它波长间隔、选用其它波长起始值或者应用到其它TWDM的PON系统中等等，而所有这些相应的更改和变型都属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于TWDM-PON的波长自动调谐方法，其特征在于，包括以下步骤：

光线路终端启动后，开启缺省波长对所对应的激光器，关闭其余激光器，并开启所有接收器；

光网络单元启动后，将激光器和接收器调谐到缺省波长对上；

光线路终端在缺省的波长对上对光网络单元进行注册和测距，并发送调谐命令给该光网络单元，以通过多波MAC控制子层将其调度到光网络单元数目最少的波长对上；所述多波MAC控制子层为：在EPON协议栈的多点MAC控制子层上添加的、用来协调多个波长对的负载均衡的子层，其工作在所有波长的TDM域；

光网络单元接收到调谐命令后，根据该命令相应调谐激光器的发射波长和接收器的接收波长。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该多波MAC控制子层在光网络单元注册时，为光网络单元分配至少一个逻辑链路标识，并将其中一个逻辑链路标识与光网络单元的MAC地址绑定。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述将其中一个逻辑链路标识与光网络单元的MAC地址绑定具体为：将首个逻辑链路标识与光网络单元的MAC地址绑定。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤“以通过多波MAC控制子层将其调度到光网络单元数目最少的波长对上”中所述的波长对有n 个，n个波长对为在光纤的C波段上选取的2n个不同的波长，上下行各使用n个，其中n为自然数。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在光网络单元被解注册、光网络单元重启或者光网络单元断电重启后，会自动调谐在缺省波长对上。

6.一种基于TWDM-PON的波长自动调谐方法，其特征在于，包括以下步骤：

光线路终端启动后，开启对应所有波长对的激光器和接收器；

光网络单元启动后，调谐到一随机波长对上；

光线路终端在该随机波长对上对光网络单元进行注册和测距，并发送调谐命令给该光网络单元，以通过多波MAC控制子层将其调度到光网络单元数目最少的波长对上；所述多波MAC控制子层为：在EPON协议栈的多点MAC控制子层上添加的、用来协调多个波长对的负载均衡的子层，其工作在所有波长的TDM域；

光网络单元接收到调谐命令后，根据该命令相应调谐其激光器的发射波长和接收器的接收波长。

7.一种基于TWDM-PON的波长自动调谐系统，包括光线路终端、光分配网络和多个光网络单元，其特征在于，

光线路终端，用于在启动后，开启该终端的缺省波长对所对应的激光器，关闭其余激光器，并开启所有接收器，在缺省的波长对上对光网络单元进行注册和测距，并发送调谐命令给该光网络单元，以通过多波MAC控制子层将其调度到光网络单元数目最少的波长对上，并在该波长对上与该光网络单元进行通信；所述多波MAC控制子层为：在EPON协议栈的多点MAC控制子层上添加的、用来协调多个波长对的负载均衡的子层，其工作在所有波长的TDM域；

光分配网络，用于为光线路终端和光网络单元提供光通路；

光网络单元，用于在注册时，将该光网络单元内的激光器和接收器调谐到缺省波长对上；在接收到光线路终端的调谐命令时，根据该调谐命令相应调谐激光器的发射波长和接收器的接收波长，并在调谐命令所指定的波长对上与光线路终端进行通信。

8.一种基于TWDM-PON的波长自动调谐系统，包括光线路终端、光分配网络和多个光网络单元，其特征在于，

光线路终端，用于在启动后，开启该终端的对应所有波长对的激光器和接收器，并在所有波长对上对光网络单元进行注册和测距，并发送调谐命令给该光网络单元，以通过多波MAC控制子层将其调度到光网络单元数目最少的波长对上，并在该波长对上与该光网络单元进行通信；所述多波MAC控制子层为：在EPON协议栈的多点MAC控制子层上添加的、用来协调多个波长对的负载均衡的子层，其工作在所有波长的TDM域；

光分配网络，用于为光线路终端和光网络单元提供光通路；

光网络单元，用于在注册时，将该光网络单元内的激光器和接收器调谐到随机波长对上；在接收到光线路终端的调谐命令时，根据该调谐命令相应调谐激光器的发射波长和接收器的接收波长，并在调谐命令所指定的波长对上与光线路终端进行通信。