CN114866883B - 一种用于宽带确定性通信的局端设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于宽带确定性通信的局端设备，采用通道化面向连接通信技术，包括ODN接口，传输汇聚功能模块，交叉连接功能模块和业务适配功能模块，使用本装置能降低宽带确定性通信网络的成本，并具有丢包率低，通信时延小，带宽稳定性好的优点。

Description

一种用于宽带确定性通信的局端设备

技术领域

本设备涉及光通信领域，具体涉及一种适用于宽带确定性通信的无源光网络局端光纤接入装置及方法；

专用术语和缩略语：

TC ： Transmission Convergence; (传输汇聚）；

SNI： Service Node Interface; （业务接点接口）；

UNI： User Network Interface ; （用户网络接口）；

NNI： Network to Network Interface ;（网络到网络接口，或局间设备接口）；

OAM： Operation ,Administrator ,Maintenance （操作管理维护）；

PLOAM：Physical Layer OAM ；(物理层操作管理维护）;

PMD: Physical Media Dependent (PMD) layer (物理介质依赖层)；

CSF ： control subframe; (控制子帧) ;

DSF ： data subframe; ( 数据子帧) ;

MFH： multiframe header (复帧头部) ;

UOM ： uplink overhead message （上行开销信息）；

TCLMF ：Transmission Convergence Layer multiframe (传输汇聚层复帧);

NNIMF: Network to Network Interface multiframe (网络到网络接口复帧)；

PONMF: Passive Optical Network Multiframe (PON接口复帧)；

OUHO: ONU Uplink Header Overhead (ONU 上行头部开销)；

PON: Passive Optical Network (无源光网络)；

OLT： Optical line terminal (光线路终端)；

ONU： Optical Network Unit (光网络单元)；

Preamble： （前导）。

背景技术

随着数字经济的进一步发展，出现了许多新的业务形态和业务需求，比如视频会议，工业远程控制，遥操作等业务类型，这类业务需要持续稳定的通信带宽、极低的丢包率和较小的通信时延，目前IP网的时延和丢包率指标仍不理想，IP网基于共享带宽的基础架构，使得提供给用户的带宽很不稳定，这对于实时视频会议等业务形态造成很大的伤害；由于视频码流和音频码流基本上都采用了数字压缩技术，压缩比越来越大，数字压缩技术大幅度减小了通信带宽，但对丢包率的容忍度也下降了，即使较小的丢包率，也会对视频质量造成很大的伤害，表现为图像易出现卡顿、模糊的情况，严重的情况下，图像会出现大面破损和扭曲。

专线由于通道独享和固定连接的特点，具有极佳的通信质量和极低的通信延时，是视频信号的最佳传输技术，但专线的缺点也非常明显，一是非常昂贵，二是开通极为不便，开通时间一般在几个星期以上，三是一个用户只能连接很少数量的用户，连接对象严重受限，影响了网络的价值，但专线的突出优点也是用户所不愿放弃的，本设备可以提高专线的自动化水平，降低专线的成本，使专线业务变得更加方便，更加廉价。

本设备采用点对多点的无源光网络PON架构，一个典型的无源光网络PON组网图如附图14所示，一个OLT设备，通过无源光分路器（或称为分光器）连接多个ONU设备,本设备可实现一根光纤可连接60个以上的ONU，大大降低光纤的使用量，也大大降低了局端光模块的使用数量，成本远低于目前市场上正在使用的SDH和PDH等专线设备，同时本设备除了提供以太网接口外，还提供原生的E1接口，非常方便与SDH,PTN和SMTP等专线设备互联互通。

现有的GPON和EPON是两种非常优秀的光纤接入技术，已经获得了普遍应用，但GPON和EPON主要适用于IP宽带接入，其OLT中采用包交换技术，数据包的长度是可变的，GPON和EPON采用共享出口带宽的技术架构，难以实现确定性通信，表现为每个用户最终获得的带宽不稳定，通信路由不确定，交换和转发延迟时间较长且不确定，丢包率高，容易阻塞，尤其在出口带宽配置不足的情况下，更加容易阻塞；GPON采用了固定周期的8K GTC帧结构，但GPON的基本封装GEM包仍是可变长度的，具有与IP网相同的缺点，难以实现快速交换和快速转发。

本设备充分考虑利用国内已有技术基础，目前国内许多中小型公司已实现SDH，PDH,PCM芯片以及多通道协议转换器芯片的大批量生产，价格低廉，具有国际竞争力，而GPON技术比较特立独行，与已有技术结合不够紧密；GPON和EPON的关键芯片，只有极少数国际大公司才能提供，供应不太稳定，对其改进和增加新功能更加困难重重，本发明充分利用国内已有技术和芯片，有利于国有技术在新的业务形态下继续发展壮大。

本设备采用面向连接的端对端透明传输技术，通信双方在通信之前先建立连接，连接一旦建立，通信双方的数据就在一个封闭的独占的信道中传输，所以转发时延极短且时延确定性好，通信带宽稳定且确定性好，通信完毕，可以拆除连接，通信信道会被收回，以供其它用户继续使用，这种方式可以大幅度提高中继线路使用效率，降低高质量确定性通信业务的使用成本。

发明内容

本设备旨在提供一种用于宽带确定性通信的局端OLT设备，用于解决现有SDH，PTN，PDH等通道化技术组网成本偏高,自动化程度低，使用不方便，而GPON,EPON等无源光网络设备又无法提供高质量确定性通信功能的问题。

为了实现所述目的，本发明实现一种用于宽带确定性通信的局端OLT设备，采用无源光网络PON架构，并采用同步通道化面向连接通信技术，包括：

光分配网ODN接口，提供OLT的PON光接口，在ODN侧OLT提供满足无源光网络单纤双向、点对多点传输要求的PON光接口，PON接口位于光接口板上，一个PON接口可连接60个以上的ONU。

无源光网络PON传输汇聚功能模块，包括：复帧成帧、控制子帧成帧、数据子帧成帧、链路编解码、信道分配、操作管理维护等。

交叉连接功能模块，主要提供交叉连接功能，TC核心模块和业务模块连接就是靠这个模块实现的，通过交叉连接功能，可以调整业务接口号和信道号之间的映射关系；交叉连接功能和相应的配置软件共同提供时隙分配功能；

业务适配功能模块，此模块主要提供业务适配功能，可以实现数据子帧DSF (Datasubframe）和业务接口的转换，主要在业务接口板中实现（其中专用NNI接口在光接口板中实现）。

优选的，本设备采用无源光网络PON技术架构，支持点对多点协议，一个局端设备可连接多个用户端设备；具有测距和飞行时间补偿功能，下行传输方向上是一个点对多点的网络，OLT把封装好的数据帧通过ODN中的无源光分路器以广播的方式发送给ONU，每个ONU都收到OLT发送过来的完整的数据帧，下行方向业务数据装入下行复帧结构的数据子帧DSF中，ONU依据ONU_ID号与信道号之间的配置关系，从下行众多数据子帧中提取属于自己的数据；上行方向是多点对一点网络，采用时分复用时分多址方式，ONU将通信端口的业务数据装入ONU突发帧的上行数据子帧的净荷中，并依据时隙分配功能所分配的信道号，在信道号对应的时间片内向OLT发射； OLT设备接收到各个ONU发来的突发数据帧后，从突发数据帧的净荷中提取出业务数据，依据OLT业务接口号与信道号之间的对应关系，从相对应的业务接口输出数据，本设备包含测距和飞行时间补偿功能，保证各个ONU发来的数据，在OLT接收点处不会相互碰撞而造成冲突和干扰。

优选的，本设备PON接口的传输汇聚层TC帧结构采用通道化的时分复用方式，传输汇聚层TC帧结构采用固定周期的复帧结构；复帧结构包含帧头域和多个固定长度的数据子帧区， TC复帧帧头域包含物理同步域，开销比特域等，复帧帧头中的物理同步域由特定长度和特定编码的比特组成，用于确定TC复帧的起始位置，复帧帧头中的开销比特域包含控制子帧，用于传送OLT与ONU之间的管理控制消息；数据子帧区包含大量数据子帧，数据子帧用于传送业务数据，由固定长度的比特组成，业务数据装入数据子帧的净荷中，一个数据子帧占用的时间称为一个时间片或一个时隙。

优选的，本设备是一种面向连接的通信设备，实现端对端的信号传输； TC复帧帧头域中的物理同步域用于确定一个复帧的起始位置，TC复帧中的数据子帧的长度相同，依据数据子帧在TC复帧中的位置，确定复帧中的数据子帧所占用的信道号，OLT业务接口号与信道号之间的对应关系由时隙分配功能设定， ONU_ID号及这一ONU_ID的业务接口号与信道号之间的对应关系也由时隙分配功能设定，通过时隙分配功能，配置ONU业务接口号与OLT业务接口号之间端对端的连接关系；每个数据子帧对应一个信道，每个数据子帧的比特数相同，数据子帧净荷区长度相同，每个信道的通信带宽相同，通过交换数据子帧在TC复帧中的时隙位置，即可实现信道交换和端对端的信号连接。

优选的，本设备是一种应用于宽带确定性通信的局端OLT接入设备，其PON接口下行和上行速率大于1200 Mbit/s，信道数量大于250个，结合使用带宽聚合功能,提供大的通信带宽，满足宽带通信需要。

优选的，本设备采用同步通信技术体系，OLT与OLT设备互联，OLT与传输设备互联，OLT与其它交换设备互联，以及OLT与ONU设备互联，都采用同步技术方案，这种方式便于实现快速交换和转发，并能大幅度减小网络传输抖动和通信时延抖动，传输抖动可控制在100纳秒以内，交换时延可控制在1000微秒以内；本设备具有同步时钟源输入接口，以输入时钟源作为时钟基准信号，通过内部时序电路产生设备所需的各种时序信号，时钟源可以从外部时钟设备输入，也可以采用从某一个业务接口抽取的时钟，设备内部的时序产生及分配电路中设计有锁相环和分频器，通过锁相倍频和分频产生本设备所需要的各种时钟信号。

优选的，本设备应用于宽带确定性通信的局端OLT接入设备，具有网络管理接口和网管软件；网络管理接口与维护台连接，维护管理软件运行于维护台上，在下行方向，维护管理人员通过人机界面向OLT下发各种控制指令，实现对OLT设备和ONU设备的控制和管理，在上行方向，OLT向维护台报告各种命令的执行结果，并由维护管理软件对OLT上报的各种告警消息和异常消息进行显示、管理和分类处理，维护管理软件包含数据库，用以实现对各种记录和消息的增加，删除，修改，查询功能。

所谓确定性通信，就是通信带宽确定，通信路由确定，通信时延确定，本设备是为了实现宽带确定性通信而设计的；采用固定的复帧周期，固定的复帧长度，固定的数据子帧长度和固定长度的净荷区，每个数据子帧占用确定的时隙位置，对应确定的通信信道，每个通信信道对应确定的端口号，每个端口号分配确定的通信带宽，这些措施从根本上保证了通信的确定性；在与其它OLT设备互联，或OLT与传输设备互联时，采用专用NNI接口，并采用同步通信技术体系，非常便于实现大规模传输和快速转发，本设备具有非常丰富的信道资源，可以实现精细的网络切片，在与切片网络组网时，每个用户甚至每个用户的不同业务可单独占用通信信道，从而克服了共享带宽和共享信道资源所带来的各种通信不确定性问题。

本设备侧重于解决通信的时延和丢包率问题，在实时视频通信应用中，用户非常需要更低的图像延迟，更清晰流畅的视频质量；在远程遥控和远程实时控制应用中，需要超低时延，超低丢包率和稳定的传输带宽，本设备在这类应用中具有突出的优势。

采用本设备，线路开通以后，与这条线路相关的时隙和通信带宽以及通信信道都由用户独占，这样就保证了用户在使用期间具有稳定持续的带宽和接近于零的丢包率，本设备还具有通信时延极低的优点，满足用户对实时性的要求，通信质量达到专线质量标准，可以有效克服接入网丢包率高，容易拥塞的问题。

本设备具有带宽聚合功能，在不使用带宽聚合的情况下，局端OLT设备的一个通信接口，占用一个通信信道，用户端ONU设备的一个通信接口，也占用一个通信信道，通信信道与通信接口一一对应，在通信期间，通信信道的带宽由对应的通信接口独占，这种方式与IP共享出口带宽方式有本质区别，通过接口与通信信道之间的一一对应关系，保证了通信的确定性；在使用带宽聚合的情况下，局端设备或用户端设备的一个物理通信接口（比如一个以太网接口），可占用多个通信信道和通信时隙，并能把多个通信信道的带宽汇聚在一起供这个物理通信接口（比如以太网接口）使用，通过这种方式实现带宽按需定制。

通过实施本发明可以取得以下有益技术效果：用于宽带专线组网时，能大幅度降低高质量宽带专线网络的组网成本，与SDH,MSTP,PTN等技术互联组网时，可组建大容量网络,与切片网络或SDN（软件定义网络）技术结合，可解决接入网段的拥塞问题，具有丢包率低，通信时延小，带宽稳定性好的优点，可满足实时视频通信、工业远程控制等新业务对通信质量的要求。

为了更清楚地说明本实施例或现有技术中的技术方案，下面将对本发明中所需要使用的附图作简单地介绍。

附图说明

图1、OLT与传输和交换设备组网图；

图2、无源光网络标准模型；

图3、OLT功能模型；

图4、OLT分层模型

图5、OLT协议栈；

图6、OLT PON口帧结构；

图7、数据子帧DSF结构；

图8、电路板连接结构；

图9、业务接口板下行电路；

图10、业务接口板上行电路；

图11、光接口板下行电路；

图12、 NNI专用接口复帧结构；

图13、光接口板上行电路；

图14、无源光网络PON组网图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

本设备TC帧结构如附图6所示，数据子帧结构如附图7所示，数据子帧包含物理同步域，数据子帧的净荷中可以封装以太网，E1，VC12等各种业务类型，本设备具有原生的E1和以太网接口，而市场上已在销售的GPON和EPON设备都只能提供以太网接口，E1接口需要通过电路仿真方式实现，电路仿真方式存在通信质量较低，价格昂贵，容易失步的缺点，难以成为主流应用。

本设备设计有专用NNI接口，速率高达1200Mbps以上，NNI接口帧结构如附图12所示， NNI接口用于OLT与传输设备互联、OLT设备与OLT设备互联、以及OLT与其它交换设备互联； NNI接口采用与PON口TC复帧相似的帧结构，采用固定复帧周期，固定复帧长度，固定传输带宽的数据子帧DSF；如附图1所示， OLT通过与传输设备互联组网，再经过NNI接口适配器，本设备可以连接SDN网络（软件定义网络）或切片网络，组成高质量大规模网络，可为大量公众用户提供通信服务；尤其与确定性交换设备互联组网，可组建大规模确定性通信网络，本设备有信令接口，可与信令系统结合，实现用户可控的面向连接的通信功能，用户可通过拨号装置通知信令设备所需连接的目标用户，再由信令系统控制本设备实现数据交换功能，通信完毕，只要挂断通信，就可以释放中继线路和信道资源，以供其它用户继续使用，通过这一方式，实现长途通信通道的分时租用，大大提高长途线路的利用率，降低通信成本。

本实施例优选的TC复帧周期为125 微秒,每个信道的带宽约为2Mbps，选用的复帧周期较短时，有利于进一步降低交换延迟，但会减少交换容量，每个信道的带宽选用较大时，信道数量减少，有利于简化设备，降低成本，但带宽的颗粒度较大，有可能造成带宽浪费，本领域其它技术人员可选用其它TC复帧周期和信道带宽，但基本思想与本设备一致时，也受本专利保护。

本实施例优选的TC层信道数量较大，达数百个，每个信道带宽约为2Mbps，每个用户端ONU设备可提供4至16个信道，现有视频压缩技术，可在一个信道内实现流畅的720P和1080P标准的视频传输，两个信道聚合可以达到4Mbps带宽，足以满足高质量的1080P视频的传输需求，4个信道聚合，可以满足2K清晰度视频的传输需求，4K视频采用H.265标准压缩后，占用的带宽为15~22 Mbps(此数据依据目前主流视频网站所采用的带宽标准，如Youtube，Netflix,Comcast等)，16个信道聚合可以达到32 Mbps带宽，足以满足4K视频的传输需要。

无源光网络标准模型

如附图2和附图14所示，局端设备OLT一般位于中心机房，向上通过业务接口板上的以太网接口，E1接口，或STM_1接口与广域网相连，也可通过光接口板上的专用NNI接口与广域网相连，向下和ODN连接，并提供高达1.2 Gbps以上速率的光接口。用户端ONU的业务数据只有通过OLT才能到达广域网，而广域网的数据也只有通过OLT才能传给ONU; ONU主要应用于用户端，通过UNI接口和用户连接，并提供以太网，E1等多业务流的接入，它的运行受OLT集中控制。

局端OLT和用户端ONU之间的通信通过ODN进行，在下行方向OLT发送的数据通过ODN分发给所有连接的ONU,而在上行方向ODN则把各用户发送过来的数据集中传给OLT；ODN主要由无源光分路器和光耦合器构成，本发明是关于局端设备OLT的申请资料。

局端OLT功能模型，如附图3所示，包含ODN接口，PON传输汇聚功能，交叉连接功能和业务适配功能；OLT通过四种接口连接到广域网络，第一是以太网接口，第二是SDH STM-1接口，第三是E1接口，第四是专用NNI接口；其中以太网接口，E1接口和SDH STM_1接口以及与之相适应的业务适配功能在业务接口板中实现； PON传输汇聚功能和交叉连接功能在光接口板中实现，专用NNI接口在光接口板中实现；在ODN侧，OLT提供符合无源光网络单纤双向、点对多点传输要求的PON光接口，PON接口位于光接口板上，一个PON接口可连接60个以上的ONU。

局端OLT主要由以下三个功能模块组成：

1）TC核心模块

主要由ODN接口功能和PON 传输汇聚功能两部分组成。其中PON 传输汇聚功能包括：复帧成帧、控制子帧成帧、数据子帧成帧、链路编解码、信道分配、操作管理维护等。

）交叉连接模块

此模块主要提供了交叉连接功能，TC核心模块和业务模块连接就是靠这个模块实现的，通过交叉连接功能，可以调整业务接口号和信道号之间的映射关系。

）业务接口模块

此模块主要提供业务适配功能，可以实现数据子帧DSF (Data subframe）和业务接口的转换，主要在业务接口板中实现（其中专用NNI接口在光接口板中实现）。

局端OLT分层模型,如附图4所示；OLT按层次可分为传输汇聚层（TC）和物理媒质层（PMD）。其中PMD层主要完成光纤连接、O/E适配和波分复用。

本设备传输汇聚层TC又分为子帧适配层和TC复帧成帧层，TC复帧成帧层主要完成TC复帧的封装，实现ONU测距，信道分配，加密，保护倒换等功能；TC复帧的开销中包含控制子帧，控制子帧适配层用于OLT与ONU之间管理控制消息的适配，主要用于ONU的控制和管理；数据子帧适配层的主要功能是完成业务接口信号到数据子帧的转换。

局端OLT协议栈，如附图5所示；

1、传输汇聚TC协议栈

主要由汇聚层TC复帧成帧层、数据子帧适配层组成； OLT PON口TC帧结构见附图6，在TC复帧成帧层，TC复帧帧头MFH、数据子帧DSF组成汇聚层TC复帧(TCLMF)，TC复帧帧头的开销中包含控制子帧CSF; 控制子帧CSF中携带PLOAM管理控制通道信息，ONU的信道分配消息，测距消息，注册消息，密钥更新消息，用户信令消息等通过CSF中的PLOAM消息传送。

下行传输方向上是一个点对多点的网络，OLT把包装好的数据帧通过ODN中的无源光分路器以广播的方式发送给ONU，每个ONU都收到OLT发送过来的完整的数据帧，下行方向业务数据装入下行复帧结构中的数据子帧DSF中，ONU依据ONU_ID号与信道号之间的配置关系，从下行众多数据子帧中提取属于自己的数据；上行方向是多点对一点网络，采用时分多址（TDMA）方式，ONU依据时隙分配功能所分配的信道号，将业务接口的数据装入ONU突发帧的上行数据子帧的净荷中，并在信道号对应的时间片内向OLT发射； OLT设备接收到各个ONU发来的突发数据帧后，从突发数据帧的净荷中提取出业务数据，再从OLT业务接口输出，本设备包含测距和飞行时间补偿功能，保证各个ONU发来的数据，在OLT接收点处不会相互碰撞而造成冲突和干扰；为了保证用户数据的安全性，下行数据在传输过程中还提供了加密机制，确保其它用户不会窃听到有效信息。

本设备是面向连接的通信设备，与GPON和EPON等以分析数据包地址，然后依据地址确定转发路由的方式不同，本设备采用面向连接的通信方式，实现通信通道的确定性，由于不需要分析数据包地址，所以省去了分析数据包所需要的时间，大大降低了通信延迟；PON接口的传输汇聚层TC帧结构经过特别设计，采用通道化的时分复用方式，实现端对端的信号传输；传输汇聚层TC帧结构采用固定周期的复帧结构，复帧结构包含帧头域和多个固定长度的数据子帧区； TC复帧帧头域包含物理同步域，开销比特域等，复帧帧头中的物理同步域由特定长度和特定编码的比特组成，用于确定TC复帧的起始位置，复帧中的开销比特域包含控制子帧，用于传送OLT与ONU之间的管理控制消息；数据子帧区包含大量数据子帧，数据子帧由固定长度的比特组成，一个数据子帧占用的时间称为一个时间片或一个时隙，每个数据子帧占用一个时隙，每个信道对应一个数据子帧。

本设备是一种面向连接的通信设备，实现端对端的信号传输，TC复帧帧头域中的物理同步域用于确定一个复帧的起始位置，TC复帧中的数据子帧的长度相同，每个信道的通信带宽相同，依据数据子帧在TC复帧中的位置，确定复帧中的数据子帧所占用的信道号；OLT业务接口号与信道号之间的对应关系由时隙分配功能设定， ONU_ID号及这一ONU_ID的业务接口号与信道号之间的对应关系也由时隙分配功能设定，通过时隙分配功能，配置ONU业务接口号与OLT业务接口号之间端对端的连接关系；在下行方向，OLT业务接口的数据依次装入与各个接口对应的信道的数据子帧中，再通过下行TC复帧成帧器形成下行TC复帧，向ONU发送，ONU收到下行复帧后，对下行TC复帧解帧； ONU依据其ONU_ID号与信道号的对应关系提取属于这个ONU_ID的下行数据子帧，然后再依据ONU业务接口号与信道号的对应关系，依次将信道中的数据子帧提取出来，再对数据子帧解帧，提取出数据子帧中的净荷，从对应的ONU业务接口输出；下行方向，OLT业务接口号与信道号之间的对应关系通过时隙分配功能设置，ONU_ID号以及这个ONU_ID的业务接口与下行信道号之间的对应关系也由时隙分配功能设置，通过时隙分配功能，实现OLT业务接口号与ONU业务接口号下行通信通道端对端的指定连接；在上行方向，ONU接收业务接口输入数据，通过数据子帧成帧器形成数据子帧，然后加上ONU上行头部开销，ONU依据其ONU_ID号与上行信道号的对应关系，在属于这个ONU的时间片内发送数据子帧，OLT接收各个ONU发来的数据后，再依据OLT业务接口号与信道号之间的对应关系，将数据子帧发往各个业务接口的数据子帧解帧器，再由业务接口板中的数据子帧解帧器提取数据子帧中的净荷数据，从对应的OLT业务接口输出；上行方向，ONU_ID号以及这个ONU_ID的业务接口号与上行信道之间的对应关系通过时隙分配功能设置，OLT的业务接口号与上行信道号之间的对应关系也由时隙分配功能设置，通过时隙分配功能，实现ONU业务接口号与OLT业务接口号上行通信通道的端对端指定连接；本设备设计有信令接口，也可通过信令接口设定OLT业务接口与ONU业务接口的连接关系，从而实现通信通道按用户需求快速自动接通。

物理层OAM消息是用于OLT和ONU之间承载OAM功能的消息，下行方向由OLT发送至ONU，消息映射在下行方向控制子帧DCSF中，上行方向由ONU发送至OLT，消息映射在上行方向控制子帧UCSF中,用于支持PON 汇聚层管理功能，包括ONU激活、信道配置设定、加密配置、密钥管理和告警通知、用户信令传送等。

无源光网络PON TC帧结构：

如附图6所示，TCLMF复帧结构，包含帧头域和固定长度的块状子帧域，TCLMF复帧包含以下区域：

1.1 物理同步域，由特定长度和特定编码的比特组成，用于确定复帧起始位置；

1.2 开销比特域，用于传送物理层辅助管理信息；

1.3 CRC比特域，帧头域的CRC检验比特，用于接收端对帧头域进行比特校验；

1.4 备用比特域，用于扩展新功能时使用；

1.4 下行控制子帧域DCSF，OLT至ONU方向的OAM维护管理消息装入下行控制子帧DCSF的净荷中；上行控制子帧域UCSF，ONU至OLT方向的OAM维护管理消息装入上行控制子帧UCSF的净荷中；

1.5 数据子帧域DSF，包含若干个数据子帧，业务数据装入数据子帧的净荷中，每个信道对应一个数据子帧。

数据子帧DSF的结构:

如附图7所示，数据子帧由固定长度的比特组成，一个数据子帧占用一个时隙，数据子帧域包含以下区域：

2.1 保护间隔和引导比特；

2.2 物理同步比特域，由特定长度和特定编码的比特组成，用于确定数据子帧的起始位置；

2.3 CRC校验比特域，数据子帧的CRC校验比特，用于接收端对数据子帧进行CRC校验；

2.4 净荷类型指示域，用于指示装入净荷区的数据业务的类型；

2.5 备用比特域，用于扩展新功能时使用；

2.6 净荷区，业务数据装入数据子帧的净荷区中，每个信道对应一个数据子帧，本设备业务数据主要包含E1口经过码速调整后的数据、以太网数据或符合SDH标准的VC12数据；

控制子帧CSF的结构:

控制子帧由固定长度的比特组成，控制子帧域包含以下区域：

3.1 保护间隔和引导比特；

3.2 物理同步比特域，由特定长度和特定编码的比特组成，用于确定控制子帧的起始位置；

3.3 CRC校验比特域，控制子帧的CRC校验比特，用于接收端对控制子帧进行CRC校验；

3.4 备用比特域，用于扩展新功能时使用；

3.5 净荷区，OAM操作维护管理信息装入控制子帧的净荷区中。

一个优选的数据子帧结构如附图7所示（本领域其它技术人员，采用其它数据子帧结构，比如调整比特数或比特位置，增加或减少比特域等，但整体思想与本发明一致，也在本发明保护范围之内），包含以下比特：

4.1 保护间隔比特；

4.2 前导比特；

4.3 12比特物理同步域；

4.4 4比特CRC校验比特；

4.5 2比特净荷类型指示；

4.6 12比特备用比特；

4.7 288比特净荷；

如附图8所示，一个基本的OLT单元包含多块业务接口板和一块光接口板，为了提高集成度，节约机架空间，一个机框集成多个OLT单元，业务接口板和光接口板通过背板上的总线相连；业务接口板包含以太网接口、E1接口、以及符合SDH标准的STM-1接口，光接口板包含PON接口和用于与交换网络模块相连的专用NNI接口，其中PON接口用于与用户端设备ONU通信，可采用GPON或EPON光模块，为了与GPON和EPON系统共用光纤，PON口光模块可采用1310纳米和1490纳米以外的其它波长，TC层帧结构采用经过优化的帧结构，如附图6所示，这种帧结构具有以下特点： TC复帧的周期是固定的，复帧的长度是固定的，数据子帧的长度也是固定的，净荷区的大小是固定的，这就决定了每个信道可以接入的数据的带宽是固定的，提供给用户的带宽是确定的，不会出现IP网带宽忽大忽小的情况；为了适应用户对通信带宽大小不同的需求，本设备支持多端口带宽聚合功能，比如一个通道的带宽为2兆，用户业务需要4兆带宽，则需要两个端口的带宽聚合在一起提供4兆带宽，更多带宽的需求也可通过更多的端口聚合实现。

业务接口板

业务接口板下行电路如附图9所示，下行TC复帧包含物理同步比特域，开销比特域，ＣＲＣ比特域，备用比特域以及多达几百个数据子帧，IＰ数据和Ｅ１数据输入数据子帧成帧器，转换成统一的适合在本设备中传送的数据子帧，数据子帧具有固定的长度；当输入的是Ｅ１协议的数据时，需要码速调整功能，以保证Ｅ１数据从本装置输出时，能够实现比特透明和时钟透明，这对于一些对时钟要求较高的通信服务是非常重要的，比如窄带电话应用、通信专网应用、时钟定时应用等；码速调整的原理是，当输入数据的时钟频率低于本装置业务接口的时钟频率时，插入额外的开销比特，使数据的比特时钟提高，并在帧结构的特定位置进行标记，当数据从目标端口输出时，再把插入的开销比特扣除，并采用数字滤波器和数字锁相环恢复原来的时钟频率；当输入数据的比特时钟高于本装置业务接口的时钟频率时，则不插入开销比特，并且把预留的特定比特位置用于传送数据。

数据子帧成帧器用于形成固定长度的突发型的数据子帧，从码速调整电路来的数据，作为净荷由数据子帧成帧器装入数据子帧的净荷区中，另外依次加上物理同步比特，开销比特，CRC校验比特，备用比特，以及业务类型指示比特，形成完整的数据子帧结构。

同步数字体系SDH的STM_1业务，通过光模块输入，经由SDH STM_1适配器，分解出其中的VC12容器，由于V12容器已经过码速调整，所以不必再进行码速调整，直接装入数据子帧DSF成帧器中，每个数据子帧装入一个VC12; 一个 STM_1有63个VC12容器，可以形成63个数据子帧。

以太网信号是异步信号，不需要做码速调整，可以直接装入数据子帧的净荷中；以太网信号也可以通过E1协议转换器接入，这样做的好处在于E1是标准信号，可以与SDH,PTN,SMTP等设备互联互通，缺点是设备成本和复杂性提高，在实际使用中，需要根据需要选用合适的方式。

每块业务接口板产生的数据子帧，形成串行差分信号线，通过背板输入光接口板；串行码流需要帧起始定位信号，用于指示每帧的起始比特位置，此帧起始定位信号由光接口板上的时序分配电路产生，并通过背板上的LVDS差分信号线传送到业务接口板。

业务接口板上行方向的电路结构，如附图10所示，从背板输入到业务接口板的上行串行码流，是符合数据子帧结构的串行码流，但比特率比较低，数据子帧解帧器首先要根据帧起始信号，对数据子帧的起始时间位置进行初步定位，然后对数据子帧信号进行切分，从串行数据线上划出每个数据子帧信号，存入缓冲区，缓冲区为双端口RAM,缓冲区的写入端是高速写入时钟，读出端为低速读出时钟，通过这种方式对信号进行降速，以便于FPGA处理，数据子帧数据从缓冲区读出以后，首先经过帧同步电路，搜索出12比特（注意这是数据子帧的同步比特，与TCLMF复帧物理同步比特不同）同步比特，然后以帧同步比特的位置对数据子帧进行定位，再进一步提取出业务类型比特和净荷数据比特；依据净荷业务类型比特，如果是E1数据，则需要经过码速恢复电路处理，恢复出时钟和E1数据，如果是SDH的VC12容器，则先取出VC12容器数据，经过SDH STM-1接口适配器，适配成符合STM-1接口芯片的数据格式，输入SDH STM-1芯片； STM-1信号速率为155.520兆，速率较高，通过光模块输出。

光接口板下行处理电路

光接口板下行处理电路，如附图11所示，从背板输入的低速串行数据子帧信号，是由多个数据子帧依时间顺序排列的串行码流，进入局端下行交叉器，对数据子帧顺序进行重新排列；局端下行交叉器由CPU控制，可以通过软件配置，实现对数据子帧顺序重新排列，用于指定局端的业务端口号与数据子帧号之间的对应关系。

专用NNI接口，其帧结构如附图12所示，下行方向，通过专用NNI接口，接收从其它联网设备发来的数据，经过NNI 接口TC复帧解帧器，提取出其中的数据子帧，再经过下行PON复帧成帧器，把提取出的数据子帧DSF嵌入到下行PON TC复帧中的数据子帧区，然后再发往ONU。

下行复帧成帧器，主要形成PON 下行TC复帧的帧结构，生成复帧帧头的物理同步域，开销比特域，CRC比特域，备用比特域，再加入数据子帧区，形成完整的下行PON TC复帧结构。

下行TC复帧结构的数据子帧区是由突发型（burst）的块状数据子帧组成的，数据之帧之间有保护间隔和引导比特，这种比特流很难通过普通光模块传输，通过8B/10B变换，可以把保护间隔区域的连‘0’信号变换成连续的‘0’和‘1’交替的信号，且‘0’和‘1’比特出现的概率相同，从而实现良好的直流平衡；下行光信号速率在1200兆以上，这么高的信号速率，普通FPGA是处理不了的，采用专用SERDES芯片，可以把低速并行信号，变换为高速串行信号，并能在并行码流中加入复帧帧头物理同步码，物理同步码采用8B/10B编码中的控制码，这种控制码在数据码流中是没有的，具有唯一性，以便于SERDES识别和实现字对齐；经过SERDES芯片以后，信号速率提升到1200兆以上，直接送往光模块发送端发射。

本设备支持双光平面保护倒换功能，设计有A平面和B平面两个光平面，可以连接两套ODN光网络，下行方向，高速信号直接发往两个光平面所对应的PON光模块的下行发送接口。

下行控制子帧成帧处理：

物理层OAM消息用于OLT和ONU之间承载OAM功能的消息，下行方向由OLT发送至ONU，消息映射在下行方向控制子帧DCSF中，上行方向由ONU发送至OLT，消息映射在上行方向控制子帧UCSF中，用于支持PON 汇聚层管理功能，包括ONU激活、信道配置设定、加密配置、密钥管理和告警通知、用户信令传送等。

下行物理层开销比特主要由下行测距控制比特、公务电话比特、CPU控制通道通信比特、ONU_ID比特(ONU ID号)、超帧指示比特等组成，这些比特映射到下行方向的控制子帧DCSF的净荷区中，下行测距控制比特向用户端设备ONU发送下行测距控制消息，下行测距控制消息中包含ONU_ID, 只有ONU_ID号与下行测距消息中的ONU_ID相同的ONU才允许发送上行测距响应消息，OLT收到上行测距响应信号后，测量OLT与ONU之间的距离，依据这个距离值计算飞行时间补偿值，通过下行控制子帧DCSF向ONU发送，ONU收到测距补偿值后，写入飞行时间补偿寄存器；超帧指示比特用于下行秘钥切换，ONU接收到超帧指示比特后，进行秘钥更换。

网管接口

网管接口采用RS232和以太网两种接口与维护台通信，维护管理软件运行于维护台上，在下行方向，维护管理人员通过人机界面向OLT下发各种控制指令，实现对OLT设备和ONU设备的控制和管理，在上行方向，OLT向维护台报告各种命令的执行结果，由维护管理软件对OLT上报的各种告警消息和异常消息进行显示、管理和分类处理，方便维护管理人员及时了解网络状况，维护管理软件包含数据库，用以实现对各种记录和消息的增加，删除，修改，查询功能。

光接口板上行处理电路：

光接口板上行电路如附图13所示，PON口接收从各个ONU发来的上行光，帧结构如附图6中上行TC帧结构所示，上行方向控制子帧UCSF用于ONU向OLT传送OAM消息，上行方向的测距消息，公务电话消息，联络消息，配置消息，注册消息，用户信令消息等，装入上行控制子帧UCSF的净荷中；上行方向业务数据装入上行方向数据子帧DSF的净荷中，一个ONU设备可以发送4至16个数据子帧，数据子帧的头部是ONU上行头部开销OUHO，OUHO主要由保护间隔比特和引导比特组成，另外还包含8B10B编码中定义的K28.5字对齐比特，由于测距会有误差，光纤也会因为气温变化而导致传输延时的变化，保护间隔在上行突发数据之间留下一定宽度的空白区域，允许突发数据的位置在保护间隔内有所变化；上行引导比特主要用于电路适应和训练目的，上行是突发传送，OLT的PON口光模块的上行接收部分，以及光模块后级的快速时钟恢复芯片都需要一定数量的训练比特，上行引导比特提供了训练所需要的比特。

本设备支持双光平面自愈保护功能，以A平面为例， A平面上行接收光模块，接收A平面的上行光信号，转换为高速差分电信号，送往SERDES电路，进行串行至并行变换，变换为并行低速信号，SERDES芯片采用自带字同步和同步字搜索功能的芯片，SERDES芯片从串行码流提取时钟和数据，转换为并行低速信号输出。

串行和解串行SERDES芯片需要训练时间，所以从用户端设备ONU发来的突发数据，需要一定数量的引导比特，另外需要一定数量的保护间隔比特，防止各个ONU发来的数据在OLT接收点处发生重叠和冲突；保护间隔比特和训练比特由ONU上行头部开销OUHO提供；SERDES芯片还从上行头部开销OUHO中，搜索同步比特，一旦搜索到同步比特，就能立刻实现上行字对齐。

经过SERDES处理后，输入的突发数据变换为低速并行数据，在FPGA中很容易处理，A平面上行控制子帧（UCSF）解帧器，用于上行物理层OAM消息处理，从上行控制子帧UCSF中提取出控制比特，主要包含上行控制通道通信比特，ONU_ID比特，上行公务电话比特，上行测距控制比特，其中上行控制通道通信比特，用于ONU至OLT方向的控制消息的传送，上行公务电话比特，用于ONU与OLT之间的公务电话，OLT与ONU之间调试时，公务电话提供了一种方便的通信调试工具；上行测距控制比特，用于OLT和ONU之间的测距；上行控制子帧区由OLT统一分配使用权，只有获得使用权限的ONU，才能发送上行控制帧。

局端上行交叉器，用于上行数据子帧的重新排列，能够调整数据子帧的时隙位置，通过网管维护台，可以设定上行数据子帧中的净荷与业务接口板上的接口号之间的对应关系；CRC误码监测电路从上行的每个数据子帧中提取出CRC比特，并从上行数据子帧重新产生CRC比特，重新产生的CRC比特与从数据子帧中提取出的CRC比特进行比较，如果相等则证明上行传输正确，如果不相等说明上行传送出现错误，通过网管接口向管理维护台报告。

专用NNI接口上行处理电路，用于将上行方向的数据子帧重新组装成NNI复帧，NNI复帧结构如附图12所示；从ONU接收的上行数据子帧，去掉引导比特后,经过局端上行交叉器调整顺序，再加上NNI复帧的开销比特，形成NNI复帧结构，经SERDES变换成高速差分信号，由光模块发射。

本设备支持双光平面自动保护倒换功能，采用并发优收保护策略，局端设备OLT同时接收来自两个ODN网络的上行信号，通过CRC电路检测出正确的上行信号通往后续电路处理，本设备可对每一个上行数据子帧逐一检查，并对每一个数据子帧分别处理；如果两个光平面的上行信号全部正确，则选取其中一个光平面的上行信号接收，如果只有一个光平面的数据正确，则接收正确的上行信号，丢弃错误的上行信号；由于两个光平面接收的信号，经过的ODN网络不同，到ONU的传输距离不同，所以需要两套测距电路，在用户端设备ONU中，有两套飞行时间补偿电路，分别补偿两个ODN光平面的距离。

本设备采用同步通信技术体系，OLT与OLT设备互联，OLT与传输设备互联， OLT与其它交换设备互联，以及OLT与ONU设备互联，都采用同步技术体系，外部同步时钟源信号从背板输入到光接口板，时钟源可以采用全球定位系统（GPS）的时钟，或采用北斗系统或原子钟的时钟，也可以采用从某一业务接口抽取的时钟作为时钟源，在光接口板的时序产生及分配电路中，设计有锁相环和分频器，用以产生本设备所需要的各种时钟信号；如复帧同步信号，数据子帧帧间指示信号，SERDES电路所需要的时钟信号，业务接口板数据子帧帧起始定位信号，以及业务接口板需要的各种时序信号等。

本设备OLT主要由光接口板，背板和业务接口板组成，背板提供电源接入、同步时钟源接入以及业务接口板和光接口板之间的连接功能；业务接口板供以太网，E1及STM_1接口至数据子帧之间的转换和适配功能。

业务接口板主要由接口芯片和FPGA芯片组成，包含以太网接口，E1接口，STM-1接口，接口种类丰富，可以方便地与各种设备互联互通；FPGA芯片采用xilinx公司的spartan系列FPGA，成本低，集成度高，国内也有对应的可替代芯片可供选择。

以太网PHY接口芯片标准化程度很高，选择范围很宽，本实施例选用AC101芯片实现，选用其它型号的芯片也是完全可以的。 AC101是一款低成本的单通道以太网PHY收发器，符合10BASE-T/100BASE-TX/FX IEEE802.3u快速以太网标准,内部集成编解码，链路监控，自动协商，线路均衡，时钟数据恢复，基线校正，扰码和解扰码等功能； AC101 PHY接口信号连接以太网的RJ45接口，MII接口连接FPGA，下行方向在FPGA中实现把AC101 MII接口接收的以太网数据包装入到数据子帧的净荷中，上行方向，FPGA接收从光接口板发来的上行数据子帧，把数据子帧中的净荷取出，转化为以太网数据包，并通过MII接口发送到AC101。

同步数字体系SDH的STM-1接口采用国产芯片RC7880A1芯片实现； RC7880A1是一款单片式SDH分插复用器（ADM）芯片，单芯片可实现24路E1至2路STM-1光接口的分插复用，提供24路E1的异步映射和解映射处理，外接少量接口芯片和CPU就可构成一个完整的STM-1ADM设备；RC7880A1提供双路38.88MHZ简单电信总线接口，这个接口连接FPGA，可在FPGA中提取出VC12容器； RC7880A1内置155.520Mb/s时钟数据恢复电路，可直接连接光模块，具有集成度高，使用简便的优点；在下行方向，STM-1数据由RC7880A1接收处理，通过38.88MHZ简单电信总线接口连接FPGA，在FPGA中提取出VC12容器，将VC12容器装入数据子帧的净荷中；上行方向，业务接口板从光接口板接收数据子帧，将数据子帧中的净荷装入VC12容器，发送到RC7880A1芯片，转换为STM-1接口。

以太网接口的另一种实现方式是通过协议转换器，这种方式先把以太网数据转换为E1数据，然后再将E1数据通过码速调整后，装入数据子帧的净荷中；这种方式成本较高，但优点是转换方式符合SDH和PDH等标准，有利于实现与其它设备互联互通；多通道协议转换器芯片支持虚级连(VCAT)及链路容量调整规范（LCAS），支持E1线路延迟差检测功能，支持带宽无损伤增加和减少，故障E1通道能自动删除和恢复。

光接口板提供TC层的大部分功能，光接口板上集成FPGA和CPU，采用vxworks实时多任务操作系统；CPU采用xilinx公司spartan系列FPGA，具有成本低，集成度高的优点。

局端OLT A平面和B平面PON口下行是连续模式发光，上行是突发模式接收，需要采用PON专用光模块，由于采用了8B/10B编码，直流平衡特性非常好，连‘0’和连‘1’比特不会超过5个，采用GPON和EPON光模块均可满足要求，但如果避开GPON或EPON光模块的波长，选用其它波长的激光管，可实现与GPON或EPON共用光纤，这样可以省去重新铺设光缆的成本，这显然是一种更好的选择。

专用NNI接口，采用与PON口TC复帧相似的帧结构，帧结构如附图12所示，采用固定复帧周期，固定复帧长度的复帧结构，而数据子帧区采用固定传输带宽的数据子帧，PON口的TC复帧只需要非常简单的处理，就可以装入NNI接口的复帧结构中，NNI接口是普通连续模式数据，采用普通千兆光模块即可。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种用于宽带确定性通信的局端接入设备，其特征在于，采用无源光网络PON架构，并采用时分复用，同步通道化面向连接通信技术，传输汇聚TC层复帧结构采用固定周期、固定长度的复帧结构，数据子帧和数据净荷采用固定长度的帧结构，每个数据子帧占用确定的时隙位置，对应确定的通信信道，每个通信信道对应确定的端口号，每个端口号分配确定的通信带宽，通过交换数据子帧在TC复帧中的时隙位置，实现信道交换和端对端的信号连接； 包括ODN接口，PON传输汇聚功能模块，交叉连接功能模块和业务适配功能模块。

2.如权利要求1所述一种用于宽带确定性通信的局端接入设备，其特征在于，是一种无源光网络PON局端接入设备OLT，支持点对多点协议，采用时分复用时分多址方式，一个局端接入设备OLT连接多个用户端接入设备ONU，包含测距和飞行时间补偿功能，保证各个ONU发来的数据 ，在OLT接收点处不会相互碰撞而造成冲突和干扰；下行传输方向上是一个点对多点的网络，OLT把封装好的数据子帧通过ODN中的无源光分路器以广播的方式发送给用户端接入设备ONU，ONU依据ONU号与信道号之间的配置关系，从下行数据子帧中提取数据；上行方向是多点对一点网络, ONU将业务数据装入上行突发帧的净荷中，采用突发发射方式，依据时隙分配功能所分配的信道号，在信道号对应的时间片内向局端接入设备OLT发射。

3.如权利要求1所述一种用于宽带确定性通信的局端接入设备，其特征在于，PON接口的传输汇聚层TC帧结构采用通道化时分复用方式， 传输汇聚层TC帧结构采用固定周期的复帧结构；复帧结构包含帧头域和多个固定长度的数据子帧区， TC复帧帧头域包含物理同步域，复帧帧头中的物理同步域由特定长度和特定编码的比特组成，用于确定TC复帧的起始位置；数据子帧区包含数据子帧，数据子帧用于传送业务数据，由固定长度的比特组成，业务数据装入数据子帧的净荷中，每个信道对应一个数据子帧。

4.如权利要求1所述一种用于宽带确定性通信的局端接入设备，其特征在于，是一种面向连接的通信设备； TC复帧帧头域中的物理同步域用于确定一个复帧的起始位置，TC复帧中的数据子帧的长度相同，依据数据子帧在TC复帧中的位置，确定复帧中的数据子帧所占用的信道号，局端接入设备OLT业务接口号与信道号之间的对应关系由时隙分配功能设定，通过时隙分配功能，配置用户端接入设备ONU业务接口号与局端接入设备OLT业务接口号之间端对端的连接关系，通过交换数据子帧在TC复帧中的时隙位置，实现信道交换和端对端的信号连接。

5.如权利要求1所述一种用于宽带确定性通信的局端接入设备，其特征在于，PON接口速率不小于500 Mbps，信道数量不小于60个，结合使用带宽聚合功能，每个ONU提供的通信带宽以每个信道提供的带宽为单位叠加，每个局端接入设备OLT PON口提供不低于500Mbps的确定性通信带宽。

6.如权利要求1所述一种用于宽带确定性通信的局端接入设备，其特征在于，用于宽带确定性通信的局端接入设备，采用同步通信技术，局端接入设备OLT与OLT设备互联，OLT与传输设备互联， OLT与其它交换设备互联，以及局端接入设备OLT与用户端接入设备ONU互联，采用同步技术方案；OLT具有同步时钟源输入接口，以输入时钟源作为时钟基准信号，通过内部时序电路产生OLT所需的时序信号，时钟源从外部时钟输入，或者从业务接口抽取的时钟作为时钟源，OLT内部的时序产生及分配电路中设计有锁相环和分频器，以时钟源为基准，通过锁相倍频和分频产生OLT所需要的时钟信号。

7.如权利要求1所述一种用于宽带确定性通信的局端接入设备，其特征在于，用于宽带确定性通信的局端接入设备，具有网络管理功能； 局端接入设备OLT网络管理接口与维护台连接，维护管理软件运行于维护台上，在下行方向，维护管理人员通过人机界面向OLT下发控制指令，实现对局端接入设备OLT和用户端接入设备ONU的控制和管理，在上行方向，OLT向维护台报告命令的执行结果，并由维护管理软件对OLT上报的告警消息和异常消息进行显示、管理和分类处理，维护管理软件包含数据库，用以实现对记录和消息的增加，删除，修改，查询功能。

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