一種三維無源光接入網實現多重保護及擴展功能的系統及方法與流程
2023-08-05 19:23:16
本發明涉及光通信領域，具體是一種三維無源光接入網實現多重保護及擴展功能的系統和方法。
背景技術：
基於多波長的波分復用無源光網絡WDM-PON技術，以其大帶寬，高速率，多業務及對多協議的透明性等眾多優勢，在光接入網領域具有廣闊的應用前景，被認為是FTTx未來演進的最佳選擇。然而，隨著接入網用戶數量和其帶寬需求的爆炸性增長，網絡的可靠性和容量已經成為了限制未來WDM-PON技術發展的瓶頸。一方面，相比於傳統的通信服務，實時業務諸如高畫質電視(HDTV)，遠程醫療等更需要高可靠性的網絡支持。但是目前針對WDM-PON保護功能的研究局限於饋線光纖部分，主要基於樹，星，環等二維結構。但是針對最後一公裡分布式光纖的保護方案卻鮮有提及，用戶將不得不因此忍受長時間的網絡故障，這會使運營商逐漸失去市場競爭力。本發明提出的三維網絡結構可以在短時間內對故障用戶節點快速反應，提供不止一條的保護路徑，從而確保網絡的正常通信；另一方面，運營商在建設網絡時還需要考慮人口密度，帶寬需求等多種複雜客觀條件。而接入網是成本敏感型的網絡，相比於為了擴容以適應市場快速發展的拆除重建，本發明中支持不同用戶數量的三維網絡可以應用於不同人口密度的地區，從而可以幫助運營商在長期內的節省建網成本。而且，本發明所述系統還支持相鄰光網絡單元ONU之間的動態波長調度，這解決了單個ONU帶寬阻塞導致業務中斷的難題。
本發明對系統的體系架構進行了合理的布局，系統不僅支持饋線專用保護和分布式光纖的多重共享保護，而且藉助三維拓撲結構可使系統容量成倍擴大，並支持動態波長調度，從而系統在性能和成本間也達到了理想狀態。
技術實現要素：
本發明的目的在於針對現有技術存在的缺陷，和對未來光接入網的高可靠性及大規模接入發展趨勢，提供了一種三維無源光接入網實現多重保護及擴展功能的系統和方法，旨在為接入網用戶終端提供強大的保護功能並支持未來倍增的接入用戶。
為達到上述目的，本發明的核心思想是：在光線路終端OLT處採用光發射機陣列產生N路通信光載波，並經過陣列波導光柵進行合波後通過單模饋線光纖傳輸至遠端節點RN。考慮到遠端節點RN處匯集的信息量巨大，需要完全保護，因此在OLT和遠端節點RN之間採用光開關以實現饋線光纖的專用保護。在RN內部，通過AWG，光耦合器及光環形器的相互連接組成新型光無源陣列，可為光網絡單元ONU輸送正常工作波長及完成當分布式光纖故障時保護波長的路由。ONU內部通過控制光開關可以實現系統正常，保護和動態波長調度三種模式的切換，使下行及上行信號可由專門的路徑傳輸至相應的用戶終端。當系統需要擴容時，只需要在OLT端簡單的增加光收發設備，就可以在所述三維架構的基礎上實現系統容量的翻倍，而不用拆除舊網絡，建設新網絡。
根據上述發明構思，本發明採用下列方案：
1.一種三維無源光接入網實現多重保護及擴展功能的系統，由一個光鏈路終端OLT通過兩根單模饋線光纖連接至遠端節點RN，該遠端節點RN通過分布式光纖連接至N(N≥1)個光網絡單元ONU；其特徵在於：
1)如圖1所示，所述光鏈路終端OLT包含N個光發射機，通過一個第一陣列波導光柵AWG後連接至一個第一三埠光環行器的1口。該三埠光環形器的2口連接至一個第一摻鉺光纖放大器EDFA1。該EDFA1的右端連接一個第一光檢測器D1。所述三埠光環形器的3口連接至一個第二陣列波導光柵AWG，該AWG下掛了另外N個光接收機Rx。所述第一光檢測器D1的右埠連接一個1×2的光開關，此光開關右端兩個接口分別連接兩根單模饋線光纖，這兩根單模光纖連接至一個2×1光耦合器的左邊兩個埠，該光耦合器右邊埠連接至遠端節點RN。
2)如圖1中所述遠端節點RN包括：一個第二三埠光環形器，其2口連接一個1×7的光功率分路器。此1×7光功率分路器的右邊7個埠分別連接七個結構相同的陣列波導光柵AWG，稱之為第三、第四、第五、第六、第七、第八和第九陣列波導光柵AWG。此七個陣列波導光柵AWG的各輸出埠和N個7×1光耦合器的輸入埠連接。所述N個7×1光耦合器的右埠分別對應連接N個第三三埠光環行器的1口進，其2口出分別連接至N條單模光纖。這N個三埠光環行器的3口連接至一個N×1的光耦合器的輸入埠，其輸出埠連接至一個第二摻餌光纖放大器EDFA2的輸入埠。該第二摻餌光纖放大器EDFA2的輸出埠連接至所述第三三埠光環形器的3口。
3)如圖2，以ONUN為中心，上下左右前後六個方向均連接結構相同的ONU，分別為ONUN+3，ONUN-3，ONUN-2，ONUN+2，ONUN-1和ONUN+1。如圖3，每個ONU的結構相同，其中包括：一個第十陣列波導光柵，六個1×2光功率分路器，一個7×1光開關，一個7×3光功率分路器，一個波長可調接收機，一個第二光檢測器和一個反射式半導體光放大器；所述第十陣列波導光柵AWG的最中間的接口與7×1光開關的1口相連。所述第十AWG右側輸出端上下方還共有六個接口，將分別連接六個1×2光功率分路器，這六個1×2光功率分路器的輸出埠分別對應連接ONUN和與其相鄰的六個ONU；所述7×3光功率分路器的左端7個口分別連接7×1光開關的1口和六個ONU，而右端分為三路：第一路連接至一個波長可調接收機，第二路連接至一個第二檢測器D2，第三路連接至一個反射式半導體光放大器RSOA。
上述系統的各功能實現方法：
在遠端節點RN中，通過陣列波導光柵AWG和光耦合器的邏輯連接，實現了對N個ONU的多重保護功能。設RN中，Ai(1≤i≤7)為AWG的輸入埠，Oij代表第i個AWG的第j(1≤j≤N+2)個輸出埠,Cn為第N個光耦合器的輸入埠，
AWG的輸入埠陣列[A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7]
AWG的輸出埠陣列
N個7×1光耦合器的輸入埠陣列C＝[C1 C2 … CN]
則AWG和光耦合器之間的邏輯關係為：
CN＝O1N+O2(N-1)+O3(N+1)+O4(N-2)+O5(N+2)+O6(N-3)+O7(N+3)
由該邏輯連接關係可以看出，λN-3,λN-2,λN-1,λN+1,λN+2,λN+3通過分布式光纖連接到ONUN。當ONUN出現由於大容量通信業務導致帶寬稀缺的問題時，位於該ONUN內部的7×3光功率分路器可以靈活的調度λN-3,λN-2,λN-1,λN+1,λN+2,λN+3中多餘的帶寬資源，實現這六種波長通過時分復用的方式共享。在實際應用時，根據當地的用戶密度，通過在收發端添加光收發設備可以對該三維網絡進行平滑升級擴容，延長網絡的使用壽命，降低建網成本。
當從所述光鏈路終端OLT連接到遠端節點RN之間的饋線光纖出現故障時，所有N路光波長均無法到達遠端節點RN，位於光鏈路終端OLT中的第一光檢測器D1將會檢測到上行光信號的丟失，從而發出控制信令將位於OLT和RN之間的1×2光開關從上方埠切換置於下放埠的位置。此時，所有N路光波長經由專用饋線保護光纖傳輸至遠端節點RN，從而保證了系統的正常通信。上行方向，由反射式半導體光放大器RSOA擦除原有信息並重調製加載上行傳輸信息後形成N路上行信號。這N路上行信號通過分布式光纖傳輸至遠端節點RN，再通過相應N個三埠光環行器的3口，經N×1光耦合器耦合為一根波長。隨後經過第二摻鉺光纖放大器EDFA2彌補鏈路損耗後，經下方饋線光纖傳至OLT中的接收機陣列解調。
當從所述遠端節點RN連接到光網絡單元ONUN的分布式光纖出現故障時，下行信號λN無法直接到達ONUN，位於ONUN中的第二光檢測器D2將會檢測到下行光信號的損失，從而發出控制信令將7×1光開關置於2口的位置。此時在ONUN+3分出的下行信號λN將會通過分布式光纖(ONUN和ONUN+3之間)傳送至ONUN。而通過反射式半導體光放大器RSOA對下行信號λN進行重調製以加載的上行信號也會按照相同路徑返回遠端節點RN，從而實現了對ONUN在上下行方向的第一重保護。對ONUN中經過反射式半導體光放大器RSOA擦除原有信息並重調製加載上行傳輸信息後形成的上行信號，將會同樣沿著ONUN和ONUN+3之間的分布式光纖返回光鏈路終端OLT。如果遇到更糟的情況，即當ONUN和ONUN+3之間的分布式光纖也損壞時，第二光檢測器D2將會發出新的控制指令，快速將7×1光開關由2口置於3口的位置。此時在ONUn+2分出的下行信號λN將會通過分布式光纖(ONUN和ONUN+2之間)傳送至ONUN。基於相同的原理，藉助7×1光開關的2,3,4,5,6,7口以及在ONUN-3，ONUN-2，ONUN-1，ONUN+1，ONUN+2及ONUN+3預留的保護波長λN，本發明可以支持最多六重針對分布式光纖故障的上下行信號保護方案。
當ONUN需要更多的帶寬資源時，而其自身的直通通信波長λN無法滿足該需求，則ONUN會發送所需帶寬請求到光線路終端OLT。當OLT收到請求後，會允許ONUN使用與它相鄰的ONUN-3，ONUN-2，ONUN-1，ONUN+1，ONUN+2及ONUN+3中空閒的帶寬。上述ONU對應的波長λN-3,λN-2,λN-1,λN+1,λN+2,λN+3會按照時分復用的方式通過ONU之間的連接光纖和光功率分路器被波長可調的接收機接收並解調，從而解決了單個光網絡單元ONU的帶寬阻塞問題。
與現有技術相比，本發明的獨有優勢和顯著特色在於：1、通過在遠端節點RN中採用陣列波導光柵AWG和光耦合器組成的光無源陣列，首次實現了三維拓撲結構在多波長波分復用網絡WDM-PON中的應用。通過簡單添加相應的光收發設備，即可實現對三維網絡架構的多層擴展，成倍的提高了光接入網所能支持的用戶數量。2、通過使用光開關和相鄰光網絡單元ONU之間的連接光纖，首次在接入網中實現了分布式光纖的多重保護，極大的提高了網絡的可靠性和抗毀性；3、通過AWG和光耦合器之間的邏輯連接，在ONU之間實現了靈活的波長重用，提高了網絡資源的利用效率。4.相比於傳統的專用1+1備份保護，本發明通過無源光網絡的設計實現了相鄰ONU之間的共享保護，不僅支持更多的保護路徑，而且隨著ONU數量的增多，在長期內可以幫助運營商減少網絡建設和維護成本，因此可以廣泛應用於實際的生產生活中。
附圖說明
圖1為本發明一種三維無源光接入網實現多重保護及擴展功能的系統結構示意圖。
圖2為本發明所述光網絡單元ONU組成的三維立體結構示意圖。
圖3為系統正常工作模式下ONUN的內部結構示意圖。
圖4為饋線光纖故障時，三維無源光接入網系統結構示意圖。
圖5為分布式光纖故障時，多重保護模式下ONUN的內部結構示意圖。
圖6為系統動態波長調度時，ONUN的內部結構示意圖。
具體實施方式
本發明的優選實施例結合附圖詳述如下：
實施例一：
參見圖1-圖3，本三維無源光接入網實現多重保護及擴展功能的系統，由一個光鏈路終端OLT(1)通過兩根單模饋線光纖(11,12)連接至遠端節點RN(14)，該遠端節點RN(14)通過分布式光纖(26)連接至N(N≥1)個光網絡單元ONU(27)；其特徵在於：
1)如圖1所示，所述光鏈路終端OLT(1)包含N個光發射機(2)，通過一個第一陣列波導光柵AWG(4)後連接至一個第一三埠光環行器(5)的1口。該三埠光環形器(5)的2口連接至一個第一摻鉺光纖放大器EDFA1(6)。該EDFA1(6)的右端連接一個第一光檢測器D1(7)。所述三埠光環形器(5)的3口連接至一個第二陣列波導光柵AWG(8)，該AWG(8)下掛了另外N個光接收機Rx(9)。所述第一光檢測器D1(7)的右埠連接一個1×2的光開關(10)，此光開關(10)右端兩個接口分別連接兩根單模饋線光纖(11,12)。這兩根單模光纖(11,12)連接至一個2×1光耦合器(13)的左邊兩個埠，該光耦合器(13)右邊一個埠連接至遠端節點RN(14)。
2)如圖1中所述遠端節點RN(14)包括：一個第二三埠光環形器(15)，其2口連接一個1×7的光功率分路器(16)。此1×7光功率分路器(16)的右邊7個埠分別連接七個結構相同的陣列波導光柵AWG(17-23)，稱之為第三、第四、第五、第六、第七、第八和第九陣列波導光柵AWG(17-23)。此七個陣列波導光柵AWG(17-23)的各輸出埠和N個7×1光耦合器(24)的輸入埠連接。所述N個7×1光耦合器(24)的右埠分別對應連接N個第三三埠光環行器(25)的1口進，其2口出分別連接至N條單模光纖(26)。這N個第三三埠光環行器(25)的3口分別連接至一個N×1的光耦合器(28)的輸入埠，該光耦合器(28)輸出埠連接至一個第二摻餌光纖放大器EDFA2(29)的輸入埠。該第二摻餌光纖放大器EDFA2(29)的輸出埠連接至所述第三三埠光環形器(15)的3口。
3)如圖2，所述光網絡單元ONU(27)：以ONUN(30)為中心，上下左右前後六個方向均連接結構相同的ONU，分別為ONUN+3(31)，ONUN-3(32)，ONUN-2(33)，ONUN+2(34)，ONUN-1(35)和ONUN+1(36)。如圖3，每個ONU(27)的結構相同，其中包括：一個第十陣列波導光柵(37)，六個1×2光功率分路器(38)，一個7×1光開關(39)，一個7×3光功率分路器(40)，一個波長可調接收機(41)，一個第二光檢測器(42)和一個反射式半導體光放大器(43)。第十陣列波導光柵AWG(37)的最中間的接口與7×1光開關(39)的1口相連。所述第十AWG(37)右側輸出端上下方還共有六個接口，將分別連接六個1×2光功率分路器(38)，這六個1×2光功率分路器(38)的輸出埠分別對應連接ONUN(30)和與其相鄰的六個ONU(31-36)。所述7×3光功率分路器的左端7個口分別連接7×1光開關(39)的1口和六個ONU(31-36)，而右端分為三路：第一路連接至一個波長可調接收機(41)，第二路連接
至一個第二檢測器D2(42)，第三路連接至一個反射式半導體光放大器RSOA(43)。
實施例二：
本發明提出的一種三維無源光接入網實現多重保護及擴展功能的系統，採用實施例一的系統進行操作如下：
在正常工作模式下，由光鏈路終端OLT(1)的發射機陣列(2)產生N個波長(3)，經過第一AWG(4)合波後，通過三埠光環行器(5)，第一摻餌光纖放大器(6)和第一光檢測器D1(7)後，連接至一個1×2光開關(10)。如圖1所示，在正常工作模式下，該光開關(10)置於上埠位置。下行方向：N路經過第一AWG(4)合波為1路後的下行光信號通過一根單模饋線光纖(11)和2×1光耦合器(13)的輸出埠後到達遠端節點RN(14)。所述下行信號通過RN(14)中的三埠光環形器(15)後，被一個1×7光功率分路器(16)均分為七個部分，並對應連接到七個結構相同的AWG(17-23)上。其中，第三AWG(17)負責分波後，將各光網絡單元ONU(27)所需的直通波長信號(λ1-λN)傳送給相應光耦合器(24)。第四到第九AWG(18-23)負責將針對ONUN的備份保護波長傳輸至相應的光耦合器(24)。所述光耦合器(24)的輸出信號經過N個三埠光環形器(25)和分布式光纖(26)的傳輸後，抵達相應的ONU(27)。如圖3所示，到達ONUN(30)的波長包括了λN-3,λN-2,λN-1,λN,λN+1,λN+2,λN+3所攜帶的信息。上述波長被第十AWG(37)分波後成為七根獨立的波長。攜帶ONUN(30)所需信息的波長λN從7×1光開關(39)的1口經過光功率分路器(40)後分成三路，第一路被波長可調的接收機(41)接收解調，第一路連接至第二檢測器D2(42)用以實時監測分布式光纖的連接狀態，第三路連接至一個反射式半導體光放大器RSOA(43)，以擦除原有信息並重調製加載上行傳輸信息。除λN外，其餘六路λN-3,λN-2,λN-1,λN,λN+1,λN+2,λN+3波長分別通過光開關(39)的2,3,4,5,6，和7口以連接ONUN(30)和相鄰的ONUN-3(32)，ONUN-2(33)，ONUN-1(35)，ONUN+1(36)，ONUN+2(34)及ONUN+3(31)，這樣通過連接光纖可以實現當ONUN(30)自身帶寬資源緊缺時，對相鄰6個ONU(31-36)波長的靈活調度，提高資源的利用率。上行方向：由反射式半導體光放大器RSOA(43)擦除原有信息並重調製加載上行傳輸信息後形成N路上行信號。這N路上行信號通過分布式光纖(26)傳輸至遠端節點RN(14)，再通過相應N個三埠光環行器(25)的3口，經N×1光耦合器(28)耦合為一根波長。隨後經過第二摻鉺光纖放大器(29)彌補鏈路損耗後，經上方饋線光纖(11)傳至OLT(1)中的接收機陣列(9)解調。從而，實現了光網絡單元ONU(27)和光線路終端OLT(1)之間的通信。
實施例三：
本發明提出的具有一種三維無源光接入網實現多重保護及擴展功能的系統，實現多重保護及動態波長調度的方法如下：
1)饋線專用保護方法
參照圖4，當從光鏈路終端OLT(1)連接到遠端節點RN(14)之間的饋線光纖(11)出現故障時，所有下行N路光波長(3)均無法到達遠端節點RN(14)，位於光鏈路終端OLT(1)中的第一光檢測器D1(7)將會檢測到光信號的丟失，從而發出控制信令將位於OLT(1)和RN(14)之間的1×2光開關(10)從上方埠切換置於下方埠的位置。此時，所有N路光波長經由專用饋線保護光纖(12)傳輸至遠端節點RN(14)，從而保證了系統的正常通信。上行方向，由反射式半導體光放大器RSOA(43)擦除原有信息並重調製加載上行傳輸信息後形成N路上行信號。這N路上行信號通過分布式光纖(26)傳輸至遠端節點RN(14)，再通過相應N個三埠光環行器(25)的3口，經N×1光耦合器(28)耦合為一根波長。隨後經過第二摻鉺光纖放大器EDFA2(29)彌補鏈路損耗後，經下方饋線光纖(12)傳至OLT(1)中的接收機陣列(9)解調。
2)分布式光纖的多重保護方法
參照圖1，2和5，當從所述遠端節點RN(14)連接到光網絡單元ONUN(30)的分布式光纖(44)出現故障時，下行信號λN無法直接到達ONUN(30)，位於ONUN(30)中的第二光檢測器D2(42)將會檢測到下行光信號的損失，從而發出控制信令將7×1光開關(39)置於2口的位置。此時在ONUN+3分出的下行信號λN將會通過分布式光纖(ONUN和ONUN+3之間)傳送至ONUN(30)。而通過反射式半導體光放大器RSOA(43)對下行信號λN進行重調製以加載的上行信號也會按照相同路徑返回遠端節點RN(14)，從而實現了對ONUN(30)在下行方向的第一重保護。對ONUN(30)中經過反射式半導體光放大器RSOA(43)擦除原有信息並重調製加載上行傳輸信息後形成的上行信號，將會同樣沿著ONUN(30)和ONUN+3(31)之間的分布式光纖返回光鏈路終端OLT(1)。如果遇到更糟的情況，即當ONUN(30)和ONUN+3(31)之間的分布式光纖也損壞時，第二光檢測器D2(42)將會發出新的控制指令，快速將7×1光開關(39)由2口置於3口的位置。此時在ONUn+2(34)分出的下行信號λN將會通過分布式光纖(ONUN和ONUN+2之間)傳送至ONUN(30)。基於相同的原理，藉助7×1光開關(39)的2,3,4,5,6,7口以及在ONUN-3(32)，ONUN-2(33)，ONUN-1(35)，ONUN+1(36)，ONUN+2(34)及ONUN+3(31)預留的保護波長λN，本發明可以支持最多六重針對分布式光纖故障的上下行信號保護方案。
3)動態波長調度方法
參照圖6，當ONUN(30)需要更多的帶寬資源時，而其自身的直通通信波長λN無法滿足該需求，則ONUN(30)會發送所需帶寬請求到光線路終端OLT(1)。當OLT(1)收到請求後，會允許ONUN(30)使用與它相鄰的ONUN-3(32)，ONUN-2(33)，ONUN-1(35)，ONUN+1(36)，ONUN+2(34)及ONUN+3(31)中空閒的帶寬。上述ONU對應的波長λN-3,λN-2,λN-1,λN+1,λN+2,λN+3會按照時分復用的方式通過ONU之間的連接光纖和光功率分路器(40)被波長可調的接收機(41)接收並解調，從而解決了單個光網絡單元ONU的帶寬阻塞問題。