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无源光纤保护

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最近思科在 VNI Global Mobile Data Traffic Forecast( VNI 全球移动数据流量预测)中透露,在今后五年内,将出现 40 亿以上新的移动设备和连接,而平均移动连接速度将增加 2.4 倍[1]。思杰(Citrix )在 2014 年对手机消费者调查显示: 如果页面加载缓慢,54% 的移动用户将在不到 10 秒的时间内放弃该页面,而 63% 的新生代更会将移动视频的卡机归咎于移动网络[2]。随着智能设备、云服务、固定和无线连接中的新技术、以及非常着急的用户的出现,加强网络的接入和移动回程部分的任务压力山大。

在与企业和塔进行的连接中,由于使用铜电缆无法满足容量出现爆炸性的需求,因此导致了光纤使用量的增加。正如已经在世界范围内的许多系统所证实的那样,最好的方法是利用现有的光纤基础设施(如光纤到节点或机柜)为商业企业提供性价比高的互连,并同时为小型到微蜂窝网络提供额外服务[3]。利用多路复用技术,以光纤为基础的网络可以实现永恒使用,并以很便宜的价格来满足功率和空间的要求。

与其他任何网络一样,光纤到 x (x: 机柜、天线、企业等)也会因线路切断或设备失灵而出现故障。针对此类故障制定保护措施,以及确保高水平的网络性能是网络设计的一个关键,特别是在数据流量中断的每一秒都会导致经济损失和占用宝贵的资源 (时间和专家人员)从而耽误了其他应该照顾的业务等情况。经典的多路径传输技术会在发生故障时提供冗余路径或备份设备,因此, 去程或回程网络和企业接入网络可以受益于这一经典的技术。

本文简要介绍了得到广泛使用的经典的光纤线路保护方法。还介绍了一种适用于受功率和时延约束的固定和无线应用的新型半无源布局。在企业和去程架构的应用方法中,对半无源方法进行了详细说明。

光纤线保护

对于运营商来说,网络设计要在发生故障时快速恢复,并使通信中断降至最低, 这一点非常重要。实际上,通过更高的层协议可以实现对光纤故障提供保护和链路恢复,但是其会变得非常缓慢。低延迟保护是财务和无线应用的关键因素。

因此,光纤线保护通过在光纤层上进行交换来对链接提供保护的技术受到了越来越多的关注,特别是因为其速度快,而且数据速率、波长和协议都透明。这种保护方案称为光纤保护交换 (OPS), 其是一种用于需要在故障发生后的几秒钟内恢复连接的自动故障恢复系统。

这里有许多光纤保护切换布局。在经典方案中,一个有源 OPS 模块包含一个 3 - db 分路器和一个交换机。图 1 所示的有源 OPS 模块会对称地部署在客户设备后的双光纤链路两端,以对客户信号提供保护。OPS 模块中的分路器会复制客户信号,并将其传输到工作和备份线路上。在接收器上,从工作或主线路接收到的光功率会被测量,并与某个阈值进行比较。如果在工作线上检测到的光功率低于预先为防止网络中断而设定的阈值,则 OPS 会切换到备用线路。

OPS 也可以在手动切换模式下使用,这时,当收到来自用户的适当命令后,系统会进行切换。经典的 OPS 可以用于点到点和环形架构两种系统, 并且与数据速率、波长和协议等无关。然而,这种类型的 OPS 两端都需要有电源和管理接口。如果客户的应用环境有严格的空间和电源限制,那么就需要一个半无源的解决方案。

半无源的 OPS 顾名思义是一个新的方案,这时,无源 3 dB 耦合器部署在客户的边缘,而一个有源的交换机安装在中央办公室。应用环境的容量和操作复杂性要求不同时候,设计会有所不同。一个单一的半无源 OPS 模块的设计可以包含多个分配器, 以增加密度和容量。在下面的部分中, 我们就半无源 OPS 在去程和企业网络中的应用进行说明。

企业网络的保护

所有的当地流量,如从金融机构到医疗、保险和商业企业等传输到数据中心的视频、语音和敏感数据等流量等都将通过光纤网络链接到其他地点。因此,最重要的是: 网络对光纤的切断要有弹性, 且要在不到一秒时间内恢复。现在,网络运营商为客户提供基于光纤的企业服务时,最终客户通常在自己的场所内有 ONT 设备。在这种情况下,运营商很难监视光纤,也很难在故障发生时快速恢复服务。

为了网络的平稳运行,在这种情况下,运营商需要在客户那里使用一个完全无源的解决方案,从而在对流量和客户的干扰都最小的情况下,实现光纤故障的恢复。
图 2 描述了企业和中央办公室之间的、单光纤双向传输的半无源 OPS 部署的示例。CPE 的 WDM 信号会复用到单光纤。为了实现光纤线保护,要在远程客户一端部署一个无源耦合器,而在中央办公室使用有源交换机。在中央办公室,在多路复用器之后的 WDM 信号会连接到适当的 OLT。

有了这种半无源的 OPS 架构,由于远程客户节点不需要任何电源和管理,因此运行成本最小。系统的延迟也保持在了最小值。半无源的 OPS 对波长、数据速率和协议都是透明的,从此给运营商提供了用单一解决方案解决所有问题的灵活性。

去程/回程网络的保护

由于移动数据服务的每位数据的收入非常低,因此必须部署一个在资本支出和运营成本中都具有成本效益的解决方案,其还要是不会过时的技术,并可以实现无缝通信。虽然成本可能是一个重要的决定因素,但在小基站到宏基站部署的光纤线路保护也需要有弹性,以支持苛刻的环境条件并不惧电力中断。

图 3 是半无源 OPS 在移动去程应用中的情况。本示例假定:中央办公室和远程射频头 (RRH) 节点之间使用双光纤进行双向传输。在 RRH 节点上部署了一个无源耦合器,而在中央办公室使用了有源交换机。一个 RRH 节点通常有三个或更多个 RRH。在这个例子中,假设使用了三个独立运行于三个不同的波长的 RRH 。

可通过在 RRH 中插入相应的收发器来得到适当的波长。在多路复用器的帮助下,三根光纤中的三种不同波长的会被组合成一根光纤。多路复用器后面的 3-dB 耦合器会将 WDM 信号分裂成两个工作和备份线路。在中央办公室, 有源交换机会检测工作线路的信号, 并在发生故障时切换到备份线路。

由于在 RRH 端使用了纯粹的无源耦合器,因此,在使用上述的半无源 OPS 架构时,在远程节点上不需要任何电源,从而使运行成本降到最低,并使得设计对电力浪涌具有弹性。在需要时,也有可能通过在 RRH 节点上使用反射器,来实现无源远程监视和管理。此设计适用于苛刻的环境和扩展的温度范围,并且可以在点到点和环形拓扑中,支持进行 WDM 或光纤添加/删除 (OADM) 的集成。在中央办公室的基带单元 ()BBU) 单元具有需要监测的交换机的网络管理权限,以及用户定义的阈值。

结论

由于光纤与企业和移动网络的融合是一种需求不断变化的苛刻应用,因此对于所有移动运营商来说,网络弹性将是一个大家都感兴趣的话题。虽然经典的 OPS 对光纤故障提供了一个很好的保护,但在某些应用环境,远程客户或 RRH 节点的还是想要做到完全无源。其目的可以是降低成本和功耗,或者是使架构简单从而不需要管理。

通过在远端使用无源耦合器,并在中央办公室使用有源交换机,半无源 OPS 可以完成这项工作。半无源 OPS 对波长、数据速率和协议都不敏感,具有经济、坚固、低延迟和灵活的设计功能等特点,从而可以减少停机时间,并提供一个优越的网络连接,理所当然在线保护方面具有优势。