CN1099778C - 基于时分多址的无源光纤网络的延时测距方法 - Google Patents

Abstract

一种基于时分多址的无源光纤网络的延时测距方法，由近端OLT向指定ONU发测距命令，该ONU收到后以其恢复的下行帧同步信号为基准，发测距信号，OLT以自己的下行帧同步信号启动并复位延时计数器，同时搜索测距信号，搜索到则停止计数，根据计数值可推算出该ONU的延时值。由于利用普通同步电路实现测距，简化了硬件结构，节约了成本，又，复帧长度L取值与最大环路延时无关，使复帧长L值可以取得很短，简化了帧结构，缩短了系统的再同步时间，提高了系统性能。

Description

基于时分多址的无源光纤网络的延时测距方法

本发明属于光纤通信领域，具体涉及无源光纤网络系统(Passive Optical Network，简称PON)的测距技术，更具体地说，涉及一种基于TDMA(时分多址)技术的无源光纤网络的延时测距方法。

无源光纤网络(PON)的系统构成如图1所示，在近端光纤线路终端1(Optical line terminal简称OLT)将送往各个用户的信号经过时分复用后变换为光信号，通过光耦合器3分路后送给远端各个光纤网络单元2(Optical network unit简称ONU)，ONU将光信号变换成电信号，并且从时分复用信号中分离出本地的信号，送给用户；来自各个用户的信号在ONU处变换成时分复用脉冲串光信号，经由光耦合器送往OLT；同时，各个ONU按照OLT的指令调整发送脉冲光信号的标识时间，用以时分多址控制，以便在用光耦合器合流各路脉串信号时不发生冲突。

在无源光纤网络中，时分复用(TDM)用于下行，时分多址(TDMA)用于上行，由于从光耦合器到各ONU的光纤长度不同，各个ONU响应的延迟也就不同，而ONU来的信号需在光耦合器处汇合，因此OLT必须控制从每个ONU上信号输出的时间，以使从ONU来的信号不致于碰撞重叠，为达到这个目的，OLT在通信一开始就得对每个ONU的距离延时进行检测，以进行延时补偿，并且给每个ONU指定一个信号传输时间，然后把计算出的延迟控制比特数放在下行信号上，ONU接收到延迟控制比特数之后按照这个值进行延迟调整，调整完毕之后才发送上行突发脉冲串信号。

现有技术中，典型的延时测距方法有以下几种：第一种如美国专利5341365、5469440所述，在上、下行数据流复帧结构中包含一个大的测距头HEAD和正常有效数据帧BFi，如图2所示。测距头HEAD中包括静态测距窗口(Static Ranging Window，简称SWD)和动态测距窗口(Dynamic Ranging Window，简称DWD)，静态测距主要在系统初始化或新加入一ONU时实施，动态测距主要在平时对各ONU进行微测调整。在进行测距时，由OLT向ONU发一测距命令，同时启动计数器进行计数；ONU收到测距命令后，立即在测距窗口内向OLT发一单脉冲测距信号；OLT利用高速A/D转换器检测并分析ONU发来的单测距脉冲的相位，检测到则停止计数，该计数器的计数值即为相应ONU的环路延时，ONU据此值进行延时补偿，补偿值加上环路延时值等于某一预定最大延时值，经过补偿后，各ONU的信号延时即统一起来，消除了因光纤长度不同而引起的时延差别，为了不影响正常数据，整个测距过程均在HEAD中完成。

在上述延时测距方法中，通过搜索ONU发来的单测距脉冲进行测距，其需要一高速A/D转换器，且单脉冲信号易受外界干扰影响。所测的是信号在整个OLT至OUN来回通路中的延时，所有测距过程均在HEAD中完成。假设最大测距范围为20KM时，以光信号在光纤中的延时为5微秒/Km计算，HEAD的长度不应小于2×20×5，即200μS，为使系统有效净荷率不至于太低，则系统复帧长度至少为几个ms，如所述系统为10ms，以系统速率为20.48Mb/S计算，则整个复帧包含204,800个比特，帧结构极为复杂；且由于复帧长度太长，帧同步丢失后，再同步的时间也较长，影响了某些实时业务的承载运输。

第二种现有技术如美国专利5299044所述，OLT在正常数据信号上叠加一个低频正弦波测距信号，其电平远小于距常数据信号幅度，而周期时间大于最大信号延迟时间；测距时，由OLT向ONU发一测距命令，ONU通过锁相恢复该低频测距信号，收到测距命令后向OLT发回此信号，则OLT恢复ONU发回的测距信号，并与正常信号进行相位检测比较，根据所测的相位差，即可推算出ONU的距离和延时值，进而可进行延时补偿。在上述延时测距方法中，OLT及ONU处均需要一低频信号发生器和锁相电路，OLT处还需一相位检测比较电路，实现比较复杂。

本发明的目的是克服上述现有技术的缺点，提供一种基于TDMA(时分多址)的无源光纤网络的延时测距方法，这种测距方法，改变了常规的延时测距模式，用通常的同步电路实现了测距，在保证测距精度的基础上，简化了系统结构，缩短了复帧长度，降低了系统实现成本。

本发明的目的是这样实现的构造一种基于时分多址的无源光纤网络的延时测距方法，所述无源光纤网络包括多个通过光耦合器3连接到一个近端光纤线路终端(OLT)1的远端光纤网络单元(ONU)2，所述近端光纤线路终端(OLT)1包括带有发送数据总线和接收数据总线的数据处理器101、分别与光耦合器3连接的电光转换器105和光电转换器106、连接在所述电光转换器105与所述数据处理器101之间的快速比特同步器104，还包括一个帧定时发生器102和测距计数器103，其中，所述测距计数器103接收所述快速比特同步器104和帧定时发生器102的输入，而将计数输出到数据处理器101，所述远端光纤网络单元(ONU)2包括带有用户数据处理入口和用户数据出口的数据处理器201、分别与光耦合器3连接的电光转换器205和光电转换器206，所述光电转换器206的输出端通过同步电路202连接到所述数据处理器201，还包括连接在数据处理器201与电光转换器205之间的发送延时定位器204以及一个延时器203，所述延时器203的输入端连接到数据处理器201和同步电路202，而输出端连接到所述发送延时定位器204，所述测距方法的特征在于包括以下步骤：由近端OLT1向指定ONU2发送包含在长度为L的复帧内的测距命令(SYNA)；所述指定的ONU在收到所述测距命令后以自身恢复的下行帧同步信号(SYNB)为基准，发出一个包含特征码流串的测距信号(SYNE)；所述OLT由自身的下行帧同步信号(SYNA)启动并复位延时计数器，同时开始搜索测距信号(SYNE)，如搜索到有来自所述ONU的所述测距信号时则停止记数，根据所测得的计数值N，推算出所述ONU的L-N延时值，利用该方法对各个不同的OUN的静态测距可以在整数个复帧周期内完成。

具体地说，本发明提供的基于时分多址的无源光纤网络的延时测距方法其特征在于，包括以下步骤：

1)由OLT以复帧长度L为周期向ONU发送下行同步信号SYNA(第一同步信号)，同时将测距计数器103的置为零并开始计数；

2)由所述ONU接收所述下行同步信号SYNA并恢复成与其有下行传输延迟DD的第二同步信号SYNB；

3)由所述ONU以所述第二同步信号SYNB为基准，以复帧长度L为周期向OLT发送上行的第三同步信号SYNC，此时，延时器203的延时值置为零；

4)由所述OLT1的快速比特同步器104搜索收所述上行第三同步信号SYNC并恢复成与其有上行传输延迟DU的第四同步信号SYND，同时停止测距计数器103的计数，并将测距计数器103停止计数时的计数值N通过下行公务通道发送给远端ONU2；

5)由所述ONU2接收所述计数值N，以所述第二同步信号SYNB为基准，通过延时器203延时复帧长度L与所述计数值N之差L-N，作为自己的上行帧同步信号SYNE(第四同步信号)，并控制发送延时定位器204进行发送延时控制，此时延时器203的延时值为L-N；

6)由所述OLT1的快速比特同步器104搜索收所述上行第四同步信号SYNE并恢复成与其有上行传输延迟DU的第五同步信号SYNF，此信号与所述第一同步信号SYNA吻合一致，从而实现在同步过程中检测出延时为L-N。

按照本发明提供的延时测距方法，其特征在于，在进行动态测距中，测距窗口为复帧中的头部HEAD，而被测距的远端ONU中的所述延时器203以已测得的延时值为基准，在所述头部HEAD的中间位置发送测距信号，而在所述近端OLT1中的所述快速比特同步器104也仅对复帧头部HEAD测距窗口搜索测距信号。

按照本发明提供的延时测距方法，其特征在于，所述测距窗口在静态测距时为复帧长度L；所述测距窗口在动态测距时为复帧中头部HEAD的长度。

按照本发明提供的延时测距方法，其特征在于，所述测距窗口的宽度取值与最大环路延时并无关。

按照本发明提供的延时测距方法，其特征在于，所述测距信号属于同步信号。

实施本发明提供的基于TDMA技术的无源光纤网络的延时测距方法，完全改变了传统的延时测距方法，将延时测距与同步电路有机地结合与一体，在保证测距精度的基础上，简化了系统结构，缩短了复帧长度，减少了重新测距的时间，降低了系统实现成本。

结合附图和实施例，进一步说明本发明的特点，附图中：

图1是无源光纤的系统结构示意图；

图2是现有技术中数据流复帧结构示意图；

图3是本发明的基于TDMA技术的无源光纤网络的延时测距方法所用的近端光纤线路终端(OLT)和远端光纤网络单元(ONU)的结构示意图；

图4是本发明的基于TDMA技术的无源光纤网络的延时测距方法所用的复帧结构示意图；

图5是说明本发明延时测距方法的一个实施例静态测距过程的时序图；

图6是说明本发明延时测距方法中，复帧长度L与最大环路延迟关系的时序图。

如图3所示，在应用本发明方法的一个系统中，近端光纤线路终端(OLT)1包括数据处理器101、帧定时发生器102、测距计数器103、快速比特同步器104、电光转换器105和光电转换器106。数据传输时，由数据处理器101将来自发送数据总线的数据转换为一定的复帧格式，复帧格式如图4所示，以该复帧结构为格式的数据通过电光转换器105经过光纤发给远端光纤网络单元(ONU)2；帧定时发生器102产生下行帧定位时标控制数据处理器101，并同时启动和复位测距计数器103；快速比特同步器104对经过光电转换器106的上行数据进行同步处理，处理后的数据送往数据处理器101，转换为数据总线格式输出。同样，如图3所示，每个远端远端光纤网络单元2(图中只示出一个)(ONU)包括数据处理器201、同步电路202、延时器203、发送延时定位器204、电光转换器205及光电转换器206。同步电路202对经过光电转换器206转换的下行数据进行同步处理，处理后的数据送往数据处理器201，并将数据转换为用户数据输出；数据处理器201还从下行数据中提取延时信息，控制延时器203的延时值，以发送延时定位器204产生发送延时定位信号；送来的用户数据经数据处理器处理后，在发送延时定位信号控制下，送往电光转换器205，转换为光信号发给近端OLT。

在如3所示的无源光纤网络中，各ONU2的上行数据在光耦合器3处汇合送到近端OLT1，为使数据在光耦合器3处不至发生碰撞，需对各ONU2指定一延时值，以抵消因光耦合器3至各ONU2距离不同而带来的时延差别。

测距分静态测距(Static Ranging)和动态测距(DynamicRanging)，静态测距主要在系统初始化或新加入一ONU时实施，其测距窗口为整个复帧范围；动态测距主要在平时对各ONU进行微测调整，其测距窗口为测距头HEAD。复帧结构如图4所示。

结合图5各图，说明本发明方法的静态测距(Static Ranging)测量过程如下：

1、假设在本方法所用系统中，复帧长度为L，由近端OLT1的帧定时发生器102产生下行帧同步信号为第一同步信号SYNA，如图5(a)所示；

2、远端ONU2的同步电路202恢复的下行帧同步信号为SYNB，如图5(b)，则其在时间轴相对SYNA应有一反映其间距离的延时DD(代表下行传输延时)，在时间关系上，可以表示为SYNB＝SYNA-DD(式1)，即第二同步信号SYNB比起第一同步信号SYNA延迟的时间为DD；

3、测距时，ONU以恢复的下行帧同步信号SYNB为基准向近端OLT发上行测距信号即第三同步信号SYNC，即SYNB＝SYNC(表示第二同步信号SYNB与第一同步信号SYNA同步)如图5(c)所示，此测距信号为正常的上行同步信号，此时ONU处延时器的延时值为’0’：

4、所述第三同步信号SYNC到达OLT1时，经快速比特同步电路104恢复的测距信号为第四同步信号SYND，与第三同步信号SYNC相比有延时DU(上行传输延时)，即SYND＝SYNC-DU，如图5(d)所示；OLT1用自己的帧同步信号SYNA，启动并复位测距计数器103，同时通过快速比特同步电路104搜索ONU2发来的测距信号SYND，搜索到则停止计数，如果停止时，该测距计数器103计数值为N，可以看出，N＝DD+DU，即N等于上行延时DU与下行延时DD之和；OLT1将该延时数值N发给远端ONU2；

5、ONU2提取延时信息N，将恢复的下行帧同步信号SYNB，通过延时器203延时L-N，产生SYNE，即SYNE＝SYNB-(L-N)(式2)，如图5(e)所示，作为自己的上行帧同步信号，控制发送延时定位器204进行发送延时控制，此时ONU处延时器203延时值置为L-N，即得到该ONU的延时值；

6、延时后的SYNE到达近端OLT1，经快速比特同步器104恢*复的上行帧同步信号为SYNF，与SYNE相比有延时DU，即SYNF＝SYNE-DU＝SYNA-L(由式(1)和式(2)可得)，可见，因SYNA周期为L，故如图5(f)，其与OLT1的下行帧同步信号SYNA在时间轴上一致，从而使两者在时间轴上得以统一。

7、即所有ONU的上行帧同步信号，在OLT1处均以SYNA为基准统一起来，消除了各ONU的延时差别。因此，各ONU以自己的SYNE为基准，加上预先分配给自己的地址偏移，则可保证在光耦器处汇合时，不会与其它ONU数据发生碰撞。

复帧长度L取值与最大环路延时并无确定的关系，L值可以取得很短，即使实际的环路延时值DD+DU大于L(下面设(DD+DU)大于K倍的L，K为自然数)。如图6所示，也不会影响此测距方法的正确性。此时计数值N＝DU+DD-K*L，ONU延时为L-N＝(K+1)*L-DU-DD，其中，K是实际环路延时值DD+DU大于L的倍数，在时间轴上，上行帧同步脉冲SYNF仍与下行SYNA帧同步脉冲一致，保证了各ONU信息不会发生碰撞。

动态测距(Dynamic Ranging)测量过程与静态测距测量过程大致相同，但与静态测距不同的是，此时测距窗口为测距头HEAD而不是整个复帧，远端ONU处延时器以已测的延时值为基准，在HEAD的中心位置发送测距信号(与正常上行同步信号相同)，保证测距信号不会与正常数据信号冲突；近端OLT处快速比特同步器在HEAD范围内搜索到的同步信号，即认为是测距信号，进行相应的测距控制处理。

在本发明的测距方法中，所采用的测距电路，如快速比特同步器，发送延时定位器等，与常规的系统数据信号处理电路完全一致，在硬件上可统一起来，简化了硬件结构，节约了系统硬件成本。在实施本发明方法的系统中，所采用的复帧长度L可以取得很小，如等于125μS(标准E1接口的复帧周期)，极大地简化了帧结构，从而缩短了系统再同步的时间，提高了系统的性能。

Claims (9)

1.一种基于时分多址的无源光纤网络的延时测距方法，所述无源光纤网络包括多个通过光耦合器(3)连接到一个近端光纤线路终端(1)的远端光纤网络单元(2)，所述测距方法的特征在于包括以下步骤：

a、由近端光纤线路终端(1)向指定远端光纤网络单元(2)发送包含在长度为L的复帧内的测距命令SYNA；

b、所述指定的远端光纤网络单元(2)在收到所述测距命令后以自身恢复的下行帧同步信号SYNB为基准，发出一个包含特征码流串的测距信号SYNE；

c、所述近端光纤线路终端(1)由自身的下行帧同步信号SYNA启动并复位延时计数器，同时开始搜索测距信号SYNE，如搜索到有来自所述远端光纤网络单元(2)的所述测距信号SYNE时则停止记数，根据所测得的计数值N，推算出所述远端光纤网络单元(2)的L-N延时值。

2.根据权利要求1所述的延时测距方法，其特征在于，所述近端光纤线路终端(1)包括快速比特同步器(104)、帧定时发生器(102)和测距计数器(103)，所述远端光纤网络单元(2)包括同步电路(202)、发送延时定位器(204)以及一个延时器(203)。

3、根据权利要求2所述的延时测距方法，其特征在于，步骤a还包括：近端光纤线路终端(1)向远端光纤网络单元(2)发送下行的第一同步信号SYNA的同时，将测距计数器(103)的置为零并开始计数；

4.根据权利要求2所述的延时测距方法，其特征在于，步骤b还包括：

b1、所述远端光纤网络单元(2)接收所述下行同步信号SYNA并恢复成与其有下行传输延迟DD的第二同步信号SYNB；

b2、由所述远端光纤网络单元(2)以所述第二同步信号SYNB为基准，以复帧长度L为周期向近端光纤线路终端(1)发送上行的第三同步信号SYNC，此时延时器(203)的延时值为零；

b3、由所述近端光纤线路终端(1)的快速比特同步器(104)搜索收所述上行第三同步信号SYNC并恢复成与其有上行传输延迟DU的第四同步信号SYND，同时停止测距计数器(103)的计数，并将测距计数器(103)停止计数时的计数值N通过下行公务信道发送给远端光纤网络单元(2)；

b4、由所述远端光纤网络单元(2)接收所述计数值N，以所述第二同步信号SYNB为基准，通过延时器(203)延时复帧长度L与所述计数值N之差L-N，作为自己的上行帧第四同步信号SYNE，通过发送延时定位器进行发送延时控制，此时延时器(203)的延时值为L-N；

5.根据权利要求2所述的延时测距方法，其特征在于，步骤c包括：由所述近端光纤线路终端(1)由快速比特同步器(104)搜索所述上行第四同步信号SYNE并恢复成与其有上行传输延迟DU的第五同步信号SYNF，此信号与所述第一同步信号SYNA吻合一致，从而在同步过程中检测出延时和距离。

6.根据权利要求2所述的延时测距方法，其特征在于，在进行动态测距中，测距窗口为复帧中的头部HEAD，而被测距的述头部HEAD的中间位置发送测距信号，而在所述近端光纤线路终端(1)中的所述快速比特同步器(104)也仅对复帧头部HEAD测距窗口搜索测距信号。

7.根据权利要求2所述的延时测距方法，其特征在于，所述测距窗口在静态测距时为复帧长度L。

8.根据权利要求2所述的延时测距方法，其特征在于，所述测距窗口在动态测距时为复帧中头部HEAD的长度。

9.根据权利要求2所述的延时测距方法，其特征在于，所述测距窗口的宽度取值与最大环路延时并无关。

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