BPON生存性分析及可存活网络拓扑的研究毕业论文.doc

BPON生存性分析及可存活网络拓扑的研究摘要：分析了宽带无源光网络(BPON)拓扑结构的特点和分类，提出了用”系统存活率”对无源光网络进行生存性分析的概念和方法。据此，研究了各种类型BPON可存活网络的备份保护拓扑结构，特别提出T几种最具开发和应用价值的部分双重配置或共享型的BPON自愈树和自愈环，以解决BPON大规模推广应用时如何能够作到低成本、高系统存活率的难题。关键词：PONBPON生存性系统存活率可存活网络自愈树自愈环1引言我们不得不承认这样一个事实:对于在接人网中前途无量的宽带无源光网络(BPON)，共享光纤和光收发设备”既是它的主要优点，也是它的致命缺点，一旦共享的OLT光收发板或主于光纤发生故障，就会造成全系统中断，使远端几十个完好的oNU/ONT无法工作。对此目前一些厂家尚未采用备份保护；而另一些厂家采用的备份方式，要么使成本大幅度增加，无法被市场接受，要么综合性能不够完善，不能最佳地发挥无源光网络(PON)的网络优势。所以，只有找到一些实用的、低成本的、灵活的备份拓扑结构方式来克服这一缺点，才能实现无源光网络在接人层的全面推广应用，特别是在包含有某些高可靠要求用户的广大区域。大多数宽带无源光网络产品都采用单纤双向传输(波分复用)，本文也主要研究这种单纤宽带PoN网络。这里的”BPON”是指广义的”宽带无源光网络”，不只是限于FSAN/ITU一TG.983标准中所指的基于ATM的BPON，它应包括所有的宽带PON。因它们的物理层都是无源光网络，而其生存性及备份拓扑结构主要与物理层有关，所以本文的研究结果适合所有的PON:APON、EPON、GPON，以及窄带PON。2PON网络拓扑分类及特点本质上是树形拓扑2.1树形拓扑:主干、支干、分支无源光网络最基本的特点是采用无源分光器和光纤构成点到多点的光网络，所以其根本的网络结构特点是基于功率分配的树形分支拓扑，如图1所示。可以看出，典型的PON光分配网络(ODN)由多段光纤和多个分光器(或称光分支器、光藕合器)组成，是一种无源、多级、多分支光网络。笔者认为，可以把构成这种树形拓扑的光纤段归纳为三类，定义如下:主干光纤(trunk)PON网络的首段光纤，即OLT到第一个分光器的光通道，它与OLT的PON光收发板相连。显然，光纤主干和OLT光板为所有ONU(或ONT)共享。分支光纤(branch)每个ONU到其最近一个分光器的光通道，它与该ONU的光收发板相连；它是该ONU的独有光通道段。支干光纤(stem)在主干和分支之间，连接两个分光器，为某一部份ONU共享的光通道。如图中”支干l”为4个ONU(ONU3一ONU6)共享，”支干2，为3个ONU共享(ONU4一ONU6)。2.2树形拓扑特例一星形、链形(总线形)、环形、复合形一般所谓的无源星形、链形(总线形)、环形等，实际上都是树形拓扑的特例，如图2的(a)一(c)所示。图2(a)为星形PON，实际上是由单个多分支的分光器构成的树形拓扑，单级分光，没有支干，分光器可以在远端也可在01挥处。图2(b)为链形或称总线形、线形P()N，是一种支于级连的多级树形拓扑，全用1:2分光器级连构成。图2(c)为环形PON，从逻辑和拓扑结构_L分析，它实质_L是由两条链形PON反向折叠组合构成，起点都为OIT。这是一种双备份拓扑结构，有与SDH环形拓扑相似的形状、结构和自愈能力，但它是无源环形拓扑，可称为BPON自愈环。这种BPON自愈环是一种在发生故障时仍能存活的网络，可称为”可存活网络”(SurvivahleNetworking)图l和图2的四种典型拓扑还可复合生成树形+链形、树形十星形、环形十星形等各种复杂的拓扑结构，可统称为”复合形P()N”、)3系统存活率及BPON网络生存性分析3，1定义系统存活率S笔者提出，可以定义一个系统存活率(TheRateofsystemSurvival)来分析和衡量系统部件失效对系统生存性的影响，实际卜它是指系统的用户存活率。设在具有N个用户的网络系统中，系统某一个部件x的故障失效引起的系统用户失效数为凡；则整个网络相对部件x失效的系统用户存活率只的定义为:正常时N产0，则系统用户存活率为阮=l0()%、应当说明，上面所说的用户失效数Nf，是指附个用户已经不能正常工作，即不能通过网络相关设备发送和接收信息，丧失了通信能力；而其相关设备可能已经”故障失效”，但也可能相关设备木身并没有故障而只是”连带失效”。3.2BPON网络的生存性分析下面就利用”系统存活率”的概念来分析BP()N网络的生存性。以图1的典型BPON网络为例，图中任何一个网络部件的失效故障都会带来系统用户的失效，它可能是直接使相关用户失效，也可能带来其它部件和用户的连带失效(即使这些部件完好无损)；如果没有备份，会立即导至系统的部分、甚至全部用户失效。这些部件包括OLT和ONU、任何一段光纤、每一个分光器、连结器等等。图1为包含6个用户的网络，用式(l)可计算出任何网络部件失效时的系统存活率。例如，”支干1”失效(中断)引起的系统存活率较低，为:而”支干2失效时的系统存活率S支卜2则较高，这时有50%的用户存活。任何一个ONU失效时的系统存活率傲)NU则相高，为83.33%。任何一根分支光纤中断时的情况也与ONU相同，有83.33%的用户存活。显然，PON的OLT(主要是光收发板)发生失效故障时所有ONU都会停止工作，此时系统存活率为零:主干光纤中断时的状况与此相同:S主干=0。显然，部件失效时系统存活率Sx越高，系统生存性就越好。另一方面，失效时造成系统存活率Sx越低的部件，在系统中其可靠性要求也应越高，也越应考虑采用双备份保护。由表1可见，OLT光板和主干光纤故障失效的系统存活率为零，全系统的用户都连带失效，是系统的致命故障，是备份保护的重点。而ONU和光纤分支故障失效的系统存活率最高，因为它只导致相关的ONU用户失效，不产生其它任何连带失效。支干失效的系统存活率与其位置有关，靠近主干的系统存活率较低，靠近分支的较高。此外，系统中2个部件同时失效(或一部件失效，故障未排除时又发生另一部件失效)引起的系统存活率也与部件位置有关，这种二次失效的概率很低并与修复时间有关.这里暂不讨论。3.3BPON接入网备份保护系统的特殊要求以上分析可以看出，图1中的典型BPON树形拓扑网络，N端设备中有(N一l)端设备及各分支光纤在自身失效时系统存活率都较高。而且，BPON除局端和用户端设备外，其它线路设备特别是分支节点全由无源器件构成，与同类的有源光网络相比，本身的可靠性就较高。所以总的说来，BPON系统的设备即使没有备份，系统生存性也较好，天生就具有一定的存活率。正因为这样，BPON用于光纤到普通大楼、住宅时，往往就可以采用这种不加备份的树形网络结构，用一根光纤将多个大楼的用户汇聚后接入co局或PoP点，以降低投资较大的宽带接人网的成本。但是，随着宽带接人网业务带宽的增长，人们对宽带网的可靠性和生存性要求会越来越高，特别是对于一些要求保证高可靠通信的银行、大型商业机构、军政机要用户，为确保服务质量就需要考虑双备份配置。在BPON已发展到GPON的时代，单PON接人容量已达到下行2.4Gb/S上行1.2Gb/S，针对如此大容量的BPON接人，要求其网络结构在发生故障时能具备足够的保护能力，也就显得尤为重要了。事实上接入网的备份保护是个新课题从前的窄带网不可能考虑接人层的备份，现今正在建设的宽带网还来不及考虑接人用户的备份，但是实际应用中只有低成本地解决好宽带接人网的备份问题，才能大规模地普及真正的宽带网。因为需要双备份保护的用户毕竟是少数，既然是在用户接人层普及推广宽带网，就是要解决数量较少的要求备份保护的重要用户分散在众多的普通用户中的难题。这正是接人网备份保护系统与骨干传输网、核心网备份保护系统的最大不同点。此外，GPON的网络结构多样而复杂，而且其分支数按标准可达64个，在10km以内实际可达80个，7km以内时可达100个分支用户。要在如此多的用户系统中采用类似SDH的备份保护方式，每个用户OMJ/ONT都备双份光收发板及双份光纤通道，其接人网的成本是不可想象的，显然是行不通的。所以，BPON本身的性能特点和接入网备份保护系统的特殊要求，使得它比以往的有源光网络(PDH，SDH)在备份保护的性能和结构上都要求有更多、更灵活、成本更低的选择。从网络运营商的观点来看，对备份保护的要求则是:在OLT处能进行人工转换；设备在故障时能进行自动转换，而且备份自动转换的时间要短(最好小于50ms)；可选择自动恢复或人工恢复。下面分析BPON可存活网络的各种备份拓扑结构，以寻求综合性能最好、成本最低的应用方式。这里只考虑BPON本身的备份，而不涉及网络接口和用户接口的备份。4BPON自愈树(BPONself一healingtree)具有双重备份的BPON网络，仍然是主干+支干+分支的”树形”拓扑结构，能在发生故障时利用相关备份自动保护恢复工作，参照”SDH自愈环”，可简称它们为”BPON自愈树”。4.1端到端全双重备份自