实现任意ONU间直接通信和保护的三维无源光接入网系统的制作方法

本发明涉及光通信领域，特别是实现任意onu间直接通信和保护的三维无源光接入网系统。

背景技术：

传统的光网络由核心层、汇聚层和接入层构成，通信信号由核心层传输至用户端，在用户端转化为电功率后被相应的用户接收，为满足未来光网络的高性能要求，以减少信号功率损耗和延时等为目的，网络扁平化已经成为光通信网络发展的必然趋势，无源光网络pon架构因其结构简单、网络容量透明和较低的功率损耗等优点成为未来接入网中的主要研究课题。pon结构基于时分复用技术tdm、波分复用技术wdm以及两者混合的时分波分复用技术twdm，为满足未来光通信架构进行平滑的容量升级，时分波分复用无源光网络twdm-pon被认为是下一代接入网方案中最具现实意义的光通信系统，目前，twdm-pon系统在现实应用中可实现40gbps的下行信号传输速率以及10gbps的上行信号传输带宽。汇聚接入一体化将汇聚层和接入层融合为一体，从而有效地减少网络结构的冗余性，扩大网络容量和提高信号传输效率。另外，在传统的光接入网中，onu之间不能进行直接通信，即如果两个onu之间要进行通信，那么通信信号必须返回中心局co和远端节点rn，信号迂回传输势必造成极大的系统延时、co或rn端的信号阻塞以及较大的功率损耗等问题，因此实现各用户单元间高效通信将成为优化系统性能的必然趋势。

本发明提出的系统不仅可以实现任意onu间的直接通信而且还提出了onu间直接通信的最佳路径选择，兼具保护功能，使系统在成本和性能间都能达到理想状态。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术存在的缺陷，和对未来光接入网的高可靠性及大规模接入发展趋势，提供了实现任意onu间直接通信和保护的三维无源光接入网系统，可在物理层面构建不同onu之间虚拟通信链路并提供自愈保护功能，以支持未来倍增的接入用户。其解决的技术方案是，由一个中心局co通过两根单模馈线光纤连接一个由阵列波导光栅awg和粗波分复用器cwdm构成的新型无源远端节点rn，该远端节点通过分布光纤与n×n个onu相连，相邻两个onu由互联光纤相连，同时第一条环上的onu与第n条环上相对应的onu间也通过互联光纤相连，网络支持n×n个onu间三种信号的通信，这三类信号分别是：下行信号、上行信号和直接通信信号，其特征在于：

所述中心局co包括n×n个光发射机阵列tx1¹～tx1ⁿ，tx2¹～tx2ⁿ，txn¹～txnⁿ，发射机阵列连接至由n×n个1×2光开关组成的光开关阵列os1¹～os1ⁿ，os2¹～os2ⁿ，osn¹～osnⁿ，该1×2光开关阵列的上端口连接一个第一波分复用器mux1，下端口连接一个第二波分复用器mux2，所述两个mux的输出端分别与第一、第二掺饵光纤放大器edfa1，edfa2相连，这两个edfa再分别与第一、第二普通光环行器circulator1,circulator2的1口相连，两个普通光环形器的2口连接到一个2×2光开关os1；

所述的第一、第二普通光环形器的3口连接至一个2×1光耦合器coupler1的两个输入端，该2×1光耦合器的输出端连接至一个解波分复用器dmux，其下挂了另外n×n个光接收机rx1¹～rx1ⁿ，rx2¹～rx2ⁿ，rxn¹～rxnⁿ；

所述远端节点rn包括一个n×n阵列波导光栅awg，其左边第一个端口与第一粗波分复用器cwdm1右端口相连，右边第一个端口与第二粗波分复用器cwdm2左端口连接，两个cwdm都被用来分离工作在红色波段和蓝色波段上的通信信号，用onui^j表示第i条横向onu环上的第j个onu，所述第一粗波分复用器cwdm1左端输出两路：1口为第一路连接一个光网络单元onunⁿ；2口为第二路连接至中心局co；

所述第二粗波分复用器cwdm2右端输出两路：1口为第一路连接至中心局co；2口为第二路与一个光网络单元onu1¹相连，awg的其余端口均与相应的光网络单元onu相连，构成三维立体结构；

所述光网络单元，每个光网络单元的内部结构相同，因此以onu1¹为例，包括一个第二2×2光开关os1，其3口通过一个第一封闭光环形器cir1的1口进，2口出连接至一个第五粗波分复用器cwdm3；

所述粗波分复用器cwdm3右端3口连接一个第一分路器splitter1，该splitter1的1口通过一个波长阻隔器wb进入一个第六1×2光耦合器coupler5的下端2口，从coupler5的上端口输出后进入第二封闭光环形器cir2的3口，coupler5的下端1口与一个6端口光开关os2的2口相连；

所述第二封闭光环形器cir2的1口连接至第二2×2光开关的4口；所述第一分路器splitter1的2口与第四普通光环形器cir4的1口相连，该环形器的2口连至一个波长过滤器wf，再与第二分路器splitter2连接，第二分路器splitter2的右端1口连接一个反射式半导体放大器rsoa，右端2口与光接收机rx1相连；

所述粗波分复用器cwdm3右端1口与第三1×2光耦合器coupler2的左端2口连接；

所述第一封闭光环形器cir1的3口与第三粗波分复用器cwdm1左端口连接，第三粗波分复用器cwdm1的右端3口通过第二1×2光耦合器coupler1右端2口后与第四普通光环形器cir4的3口相连，其右端1口与光开关os2的1口相连；

所述第二1×2光耦合器coupler1的右端1口与第四粗波分复用器cwdm2的左端2口相连，该cwdm的右端口连接至第二封闭光环形器cir2的2口，其左端3口与第三1×2光耦合器coupler2的左端1口相连，coupler2的右端口与一个1×2光开关os3的1口连接，该os3的2口连接至第五1×2光耦合器coupler4下端1口后从coupler4的上端口与光开关os2的4口相连；

所述光开关os3的3口与第四1×2光耦合器coupler3的左端2口相连，coupler3的右端口连接至一个4端口的普通光环行器cir3的1口，再从cir3的3口出与光发射机tx相连，coupler3的左端1口连接至光开关os2的5端口；cir3的2口与光接收机rx2连接，其4口与第五1×2光耦合器coupler4下端2口连接，onu中所有的cwdm都可以分离工作在蓝、红和黄波段的信号波长，保证系统在正常工作模式和保护工作模式下均通信正常。

由于以上技术方案的采用，本发明与现有技术相比具有如下优点：在中心局co处采用光发射机阵列产生n×n路光通信信号载波，经过光开关阵列由波分复用器mux合波后通过单模馈线光纤传输至远端节点rn，在co与rn间通过设置光开关和保护光纤实现馈线光纤的专用保护，粗波分复用器cwdm用来分离正常工作模式和保护模式下的上下行信号，并且采用阵列波导光栅awg对通信波长进行路由，为各个onu传送正常工作波长，onu内部通过光开关和光环形器实现正常工作模式和保护模式的切换，不仅可以实现任意onu间的直接通信而且还提出了onu间直接通信的最佳路径选择，并提供自愈保护功能，实现各用户单元间的高效通信，使系统在成本和性能间都能达到理想状态。

附图说明

图1为本发明实现任意onu间直接通信和保护的三维无源光接入网系统结构示意图。

图2为本发明光网络单元onu1¹结构示意图。

图3为本发明光网络单元onu1²结构示意图。

图4为本发明光网络单元onu2¹结构示意图。

图5为本发明光纤故障保护模式下系统结构示意图。

图6为馈线光纤故障时，光网络单元onu1ⁿ结构示意图。

图7为分布光纤故障和互联光纤故障时，光网络单元onu1¹结构示意图。

图8为互联光纤故障时，光网络单元onu1²结构示意图。

图9为互联光纤故障时，光网络单元onu2¹结构示意图。

图10为互联光纤故障时，光网络单元onu2²结构示意图。

具体实施方式

有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图1至图10对实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的结构内容，均是以说明书附图为参考。

实施例一：实现任意onu间直接通信和保护的三维无源光接入网系统，参见图1和图2，由一个中心局co1通过两根单模馈线光纤8,9连接一个由阵列波导光栅awg12和粗波分复用器cwdm10,13构成的新型无源远端节点rn11，该远端节点通过分布光纤14与n×n个onu16相连，相邻两个onu16由互联光纤15相连，同时第一条环上的onu16与第n条环上相对应的onu16间也通过互联光纤15相连，网络支持n×n个onu16间三种信号的通信，这三类信号分别是：下行信号、上行信号和直接通信信号；如图1所示，中心局co1包括n×n个光发射机阵列tx1¹～tx1ⁿ，tx2¹～tx2ⁿ，txn¹～txnⁿ2，发射机阵列连接至由n×n个1×2光开关组成的光开关阵列os1¹～os1ⁿ，os2¹～os2ⁿ，osn¹～osnⁿ3，该1×2光开关阵列3的上端口连接一个第一波分复用器mux14，下端口连接一个第二波分复用器mux219，所述两个mux4,19的输出端分别与第一、第二掺饵光纤放大器edfa15，edfa220相连，这两个edfa5,20再分别与第一、第二普通光环行器circulator16,circulator221的1口相连，两个普通光环形器6,21的2口连接到一个2×2光开关os17，所述的第一、第二普通光环形器6,21的3口连接至一个2×1光耦合器coupler118的两个输入端，该2×1光耦合器18的输出端连接至一个解波分复用器dmux17，其下挂了另外n×n个光接收机rx1¹～rx1ⁿ，rx2¹～rx2ⁿ，rxn¹～rxnⁿ22；

如图1中所示，远端节点rn11包括一个n×n阵列波导光栅awg12，其左边第一个端口与第一粗波分复用器cwdm110右端口相连，右边第一个端口与第二粗波分复用器cwdm213左端口连接，两个cwdm10,13都被用来分离工作在红色波段和蓝色波段上的通信信号，用onui^j表示第i条横向onu环上的第j个onu，所述第一粗波分复用器cwdm110左端输出两路：1口为第一路连接一个光网络单元onunⁿ16；2口为第二路连接至中心局co1，所述第二粗波分复用器cwdm213右端输出两路：1口为第一路连接至中心局co1；2口为第二路与一个光网络单元onu1¹44相连，awg12的其余端口均与相应的光网络单元onu16相连，构成三维立体结构；

如图2中所述光网络单元，每个光网络单元的内部结构相同，因此以onu1¹44为例，包括一个第二2×2光开关os124，其3口通过一个第一封闭光环形器cir123的1口进，2口出连接至一个第五粗波分复用器cwdm343，所述粗波分复用器cwdm343右端3口连接一个第一分路器splitter138，该splitter138的1口通过一个波长阻隔器wb37进入一个第六1×2光耦合器coupler527的下端2口，从coupler527的上端口输出后进入第二封闭光环形器cir226的3口，coupler527的下端1口与一个6端口光开关os245的2口相连，所述第二封闭光环形器cir226的1口连接至第二2×2光开关45的4口，所述第一分路器splitter138的2口与第四普通光环形器cir436的1口相连，该环形器的2口连至一个波长过滤器wf34，再与第二分路器splitter233连接，第二分路器splitter233的右端1口连接一个反射式半导体放大器rsoa31，右端2口与光接收机rx132相连，所述粗波分复用器cwdm343右端1口与第三1×2光耦合器coupler241的左端2口连接，所述第一封闭光环形器cir123的3口与第三粗波分复用器cwdm139左端口连接，第三粗波分复用器cwdm139的右端3口通过第二1×2光耦合器coupler140右端2口后与第四普通光环形器cir436的3口相连，其右端1口与光开关os245的1口相连，所述第二1×2光耦合器coupler140的右端1口与第四粗波分复用器cwdm225的左端2口相连，该cwdm25的右端口连接至第二封闭光环形器cir226的2口，其左端3口与第三1×2光耦合器coupler241的左端1口相连，coupler241的右端口与一个1×2光开关os342的1口连接，该os342的2口连接至第五1×2光耦合器coupler428下端1口后从coupler428的上端口与光开关os245的4口相连，所述光开关os342的3口与第四1×2光耦合器coupler335的左端2口相连，coupler335的右端口连接至一个4端口的普通光环行器cir346的1口，再从cir346的3口出与光发射机tx29相连，coupler335的左端1口连接至光开关os245的5端口；cir346的2口与光接收机rx230连接，其4口与第五1×2光耦合器coupler428下端2口连接，onu16中所有的cwdm25,39,43都可以分离工作在蓝、红和黄波段的信号波长，保证系统在正常和保护工作模式下均通信正常。

实施例二，在实施例一的基础上，上述onu正常工作模式为：

波长λi^bj表示该波长工作在蓝带，并且被分配给onui^j传输正常工作模式下的上下行信号，波长λi^yj意味着该波长工作在黄带，为onui^j传输内部直接通信信号，在正常工作模式下，如图1所示，中心局co1中光发射机阵列2采用dpsk调制n×n个蓝波段波长λ1^b1～λ1^bn，λ2^b1～λ2^bn，…，λn^b1～λn^bn作为onu16下行信号波长，这些下行信号通过1×2光开关阵列3的1口进，3口输出至波分复用器mux219，复用后通过掺铒光纤放大器edfa220放大，放大后的信号进入光环形器circulator221的1口再从2口输出，之后进入os17的2口再从4口输出，下行信号沿着工作光纤9从co1传输至rn11，进入rn11后，信号从rn11中cwdm110的下端口输出后到达awg12的端口l1，利用awg的周期频谱循环特性，下行信号依次从端口r1至rn输出并通过分布光纤14，47传输至onu16，如图2所示，以onu1¹44为例，下行信号λ1^b1～λ1^bn由光开关os124的1口进入，3口输出，再经过封闭光环形器cir123和粗波分复用器cwdm343，随后进入分路器splitter138，splitter138按功率比1：1将下行信号分成两路信号，一路信号到达波长阻断器wb37，wb37阻断onu1¹44的下行信号波长而允许onu1²～onu1ⁿ16的下行信号波长通过，onu1²～onu1ⁿ16的下行信号经过coupler527，接着到达cir226的3口再从1口输出，信号进入os124的4口，再从os124的2口输出后经由互联光纤15沿横向onu环顺时针方向传输至onu1²16，依次类推，直到下行信号传输至onu1ⁿ16，另一路信号到达cir436的1口再从2口输出，之后通过波长滤波器wf34，wf34滤出onu1¹44的下行信号波长并允许其通过，而阻断onu1²～onu1ⁿ16的下行信号，滤得的onu1¹44下行信号再次经过分路器splitter233后，onu1¹44下行信号被分为两路信号，一路信号被onu1¹44的光接收机rx132接收，另一路信号被注入到rsoa31中，rsoa31将onu1¹44下行信号放大和擦除后重新调制为上行信号；

同样地，如图2所示，以onu1¹44为例，上行信号从cir436的2口输入，再从3口输出后到达coupler140，来自onu1²～onu1ⁿ16的上行信号经过os124的2口和4口再经过cir226的1口和2口到达cwdm225的2口，输出后经过coupler140，coupler140将onu1¹44的上行信号和onu1²～onu1ⁿ16的上行信号耦合成一路信号，耦合后的onu1¹～onu1ⁿ16的上行信号从cwdm139的3口输出，之后信号从cir123的3口输入1口输出，然后信号到达os124的3口再由1口输出，经由分布光纤14，47传递到rn12中的cwdm213，上行信号沿横向onu环逆时针方向传输至rn12，信号从cwdm213的2口输入后到达awg12的r1口，利用awg的周期性分配特性，信号将从awg12的l1口输出，经由馈线光纤9传回中心局co1，在co1中上行信号经由光开关os17的4口进，2口出到达光环形器cir221的2口，再由cir221的3口出进入解复用器dmux17，经解复用器解复用后被光接收机阵列接收。

实施例三，在实施例一的基础上，所述onu间直接通信为：如图2和图3所示，当onu1¹44与onu1²63通信时，onu1¹44中的可调谐发射机tx29将产生onu1²63的内部通信信号λ1^y2，直接通信信号λ1^y2经由光环形器cir346的3口输入再从4口输出，到达耦合器coupler428再经过光开关os245的4口，信号从光开关os245的2口输出后到达cir226的3口，从cir226的1口输出后通过光开关os124传输至onu1²63，在onu1²63中信号经过cir152和cwdm364后从其1口输出进入coupler261，信号进入光开关os362的端口1后从端口3输出到达coupler360，接着经由cir356的1口进，2口出后被onu1²63的信号接收机rx258接收；

如图2和图4所示，当onu1¹44与onu2¹109进行通信，onu1¹44中的可调谐信号发射机tx29产生onu2¹109的直接通信信号λ2^y1，信号依次经过cir346和coupler428后到达os245的4口，信号从os245的3口输出后沿着互联光纤50，81到达onu2¹的os287的6口，从os287的5口输出后信号coupler4105和cir389再被onu2¹109中的信号接收机rx2100接收，在无需往返中心局co和远端节点rn的前提下，网络完成一次光网络单元onu间的直接通信。

实施例四，在实施例一的基础上，所述onu保护模式包括馈线光纤专用保护方法、分布光纤故障保护方案、互联光纤故障保护方案三种；

馈线光纤专用保护方法：当中心局co1与远端节点rn11间的馈线光纤47发生故障，故障点如图5中ⅰ所示，co1中1×2光开关阵列31口与2口相连，可调谐发射机阵列2采用dpsk调制n×n个红波段波长λ1^r1～λ1^rn，λ2^r1～λ2^rn，…，λn^r1～λn^rn作为保护模式下onu16下行信号波长，经过光复用器mux14，edfa15和circulator16后进入os17，os17的1口与3口相连，信号将被切换到备份通道上再经过保护光纤8传输至rn11中cwdm213，信号从awg12的r1口进，利用awg的周期频谱循环特性，下行信号依次从l1口至ln口输出并通过分布光纤14，47传输至onu16，上下行信号传输方向与正常工作模式下网络的上下行信号传输方向相反，网络通信得以恢复，保护模式下，以onu1ⁿ127为例，如图6所示，下行信号通过分布光纤114到达os1112的2口，再从3口输出，信号依次经过cir1111，cwdm3126和splitter1123后被分为两路信号，一路经过cir4121，wf120和splitter2119到达rx1118和rsoa117，完成下行信号接收和重调制；另一路经过wb122，coupler5116和cir2115到达os1112的4口，从os1112的4口进1口出，经由互联光纤110到达onu1^(n-1)16，依次类推，直到下行信号传送至onu1¹44，恢复通信，onu1ⁿ127内的rsoa117将接收到的下行信号重调制为上行信号，该信号经过splitter2119，wf120和cir4121再通过coupler1125，来自onu1¹～onu1^(n-1)16的上行信号经过os1112的1口和4口到达cir2115，信号从cir2115的1口输入再从2口输出到达cwdm2113，工作在红波段的上行信号从cwdm2113的1口输出到达coupler1125，coupler1125将onu1ⁿ127的上行信号和onu1¹～onu1^(n-1)16的上行信号耦合成一路信号，耦合后的信号经过cir1111和os1112，从os1112的2口输出后经由分布光纤114传送至rn11的cwdm213，然后到达awg12的l1口，利用awg的周期性分配特性，信号将从awg12的r1口输出，经由保护光纤8传回中心局co1，经由光开关os17

的3口进1口出，再经过光环形器circulator16的2口进3口出，经过耦合器coupler118和光解复用器dmux17后由接收机阵列rx22接收，完成上行信号恢复；

分布光纤故障保护方案：如图5中ⅱ所示，当分布光纤14，47发生故障时，在保护模式下，其保护机制与馈线光纤故障保护相同，co1中1×2光开关阵列31口与2口相连，可调谐发射机阵列2采用dpsk调制n×n个红波段波长λ1^r1～λ1^rn，λ2^r1～λ2^rn，…，λn^r1～λn^rn作为保护模式下onu16下行信号波长，上下行信号传输方向与正常工作模式下网络的上下行信号传输方向相反，网络通信得以恢复；

互联光纤故障保护方案：当onu16间的互联光纤15，48，51发生单点故障时，如图5中ⅲ所示，以故障点为分界点，横向onu环分为上下半环，上半环onu处于正常工作模式，下半环onu则处于保护模式，正常模式下的onu上下行信号工作在蓝波段，保护模式下的onu上下行信号工作在红波段，该架构同样可以提供互联光纤的多点故障保护，多点故障保护机制与单点故障相同，如图7-图10所示，若onu1¹44与onu1²63直接通信,则onu1¹44将载有onu1²63直接通信信号的波长λ1^y2经由纵向互联光纤50，81传输至onu2¹109的os287的6口，从os287的1口出，经由cwdm1128的1口进左端口出，经过封闭光环形器cir180的3口进1口出，通过os182的3口进2口出，再经过横向互联光纤84，129传送至onu2²140的os1131的1口，从os1131的4口出，经过cir2133和cwdm2132，从cwdm2132的3口出，通过coupler2138后经由os3139的1口进2口出，经过coupler4136，从os2135的4口进6口出，最后再经过纵向互联光纤59，130传输至onu1²63的os254的3口，5口出进入coupler360，经由cir356的1口进2口出，最后被光接收机rx258接收，完成信号恢复。