一种手持式无源光网络的链路故障诊断装置

技术领域

本发明涉及无源光网络系统(xPON)，更具体地，本发明涉及一种用于网络 维护的无源光网络(xPON)链路故障诊断装置。

背景技术

PON技术是新兴的基于以太网的宽带无源光网络技术。其本质是以太网在 接入网领域的延伸。目前被业界广泛看好的主流PON技术有以太网无源光网络 (EPON)、千兆比特无源光网络(GPON)以及波分复用无源光网络(WDM-PON) 等。总体来说，PON技术具有系统容量大、成本低、对数据业务支持好、技术 成熟和维护简单等优点，是实现FTTX的理想方案之一。目前，EPON系统已经 开始规模商用，GPON也已接近成熟，逐步开始试商用。随着EPON和GPON 的规模应用，必然会产生PON网络运行和维护问题。因此需要具有故障诊断工 具，以便于进行便捷的网络安装和维护。

在物理上，无源光网络(包括EPON、GPON等)系统是点对多点结构，每 个光线路终端(OLT：Optical Line Terminal，是PON系统中的局端设备)通过 光分配网络(ODN：Optical Distribution Network)连接多个光网络单元(ONU， Optical Network Unit，是PON系统中的用户端设备)。由于在PON系统的OLT 的一个光接口对应于多个ONU，如果与某个ONU相关的链路或者业务发生故 障，采用介入式网络测试设备容易导致其他ONU的业务也受到影响，因此无法 实施简单的介入式诊断，也就无法对关系到系统是否能正常工作的链路状态进 行监控和分析。

在现有的测试装置中，能够用于PON网络的仪器仪表主要有光功率计(如 EXFO公司生产的PPM-350B)和性能分析仪(如Agilent公司生产的用于EPON 协议分析的N2X)。前者为手持式设备，使用简单，但功能非常有限，只能用来 测量光纤链路上某一点的双向接收光功率，因而不能满足对链路完整状态进行 监测的要求。后者在功能方面更侧重于捕获链路上的报文，不能实时显示对线 路状态关键参数的分析结果，而且为非便携式设备，需要与特定的PC和软件配 套使用，携带和使用很不方便，不适合现场维护。

在PON网络中，故障发生概率最大的两个部分分别是ONU和支路光纤链路。 鉴于这个特点，如果有一个故障诊断装置，能够替代存在故障的ONU，并执行 光链路指标测量、PON协议流程分析、业务属性分析等功能，则可以在很大程 度上提高PON系统地维护效率。

发明内容

针对目前没有便携式PON链路监测装置的问题，提出了一种用于PON网络 链路状态分析和故障诊断的手持式测试装置。

本发明所述手持式PON链路故障诊断的装置由以下几部分组成：光信号处 理子系统、PON子系统、处理器(CPU)子系统、用户接口(I/O)子系统、业务接口 子系统、时钟子系统以及电源子系统。各子系统之间的连接关系如图3所示。 上述各个子系统的具体功能如下：

光信号处理子系统对接收到的下行光信号的光参数(如光功率)进行测量并 将其转化为电信号后发送给PON子系统，光路参数的测量结果则发送给处理器 子系统；另一方面，光信号处理子系统也负责将PON子系统发来的码流(电信 号)转换为符合PON系统要求的光信号并发送到PON光链路。光信号处理子 系统由PON ONU侧光模块、光功率检测模块组成。光功率监测模块通过从输入 信号分固定比例的光信号进行光功率监测，其他的光信号进入ONU侧光模块。 ONU侧光模块执行与普通的ONU的光模块相同的功能，即将接收到的光信号 转换为电信号并送给PON子系统，同时将PON子系统送来的电的码流转换为 光信号后发送到PON光接口。光探测器通过监测光分路器分给它的一部分光信 号进行光功率监测，并将监测结果发送给处理器(CPU)子系统。ONU侧光模 块通过总线与PON子系统相连。光探测器模块与处理器(CPU)子系统之间也 通过CPU外围设备总线相连，以便将光功率监测的结果送给CPU子系统进行处 理。

PON子系统是本发明装置的功能核心部分。它执行PON ONU仿真器(可以 是EPON ONU仿真器，也可以是GPON ONU仿真器，还可以是WDMPON ONU 仿真器)的功能和ONU状态及链路检测功能。PON子系统一方面接受处理器子 系统的指令，完成ONU的发现和注册(包括MAC控制/传输汇聚TC子层的注 册和运行管理及维护-OAM层的注册)，并接受OLT对其进行链路层、业务层 以及管理层的远程配置(即仿真一个标准的ONU的功能)，并将各种控制和管 理报文送给光信号处理子系统。同时，PON子系统按工作模式来决定是否转发 各种协议数据报文或普通的以太网数据帧到业务接口子系统口(如果仪表处于 “桥接模式”，则PON子系统执行对普通的数据业务报文的转发，以便于PC可 以通过本装置进行上网等操作；如果仪表处于“镜像模式”，则PON子系统将 链路控制和管理协议数据报文等信息有选择地镜像到GE口，输出给外接电脑利 用特殊的软件做进一步分析)。另一方面，它也对该ONU仿真模块的状态进行 监测，对从光信号处理子系统接收到的各种以太网帧(包括普通的以太网数据 帧、EPON系统的MPCP协议帧或者GPON系统的GTC(GPON成帧模式的传输 汇聚GEM TC)帧、EPON系统的运行管理和维护OAM帧或者GPON系统的ONU 远程管理和控制接口OMCI帧等)进行处理和分析，分析链路控制和管理功能 的状态和相关参数，并将分析结果保存并通知处理器子系统，进而获取对于链 路故障诊断非常重要的数据。具体来说，它负责完成如下功能：

1)在处理器子系统的控制下发起ONU仿真器的注册、认证，并接受OLT 按照特定用户的SLA属性对其进行远程管理(管理内容包括下行数据加 密、DBA参数配置、基本信息上报、端口管理、VLAN管理、组播管理、 QoS管理等)；

2)提取其ONU仿真器的链路层状态信息，经过处理后将数据送给处理器子 系统；主要包括如下方面：

●ONU的MAC控制层(如EPON系统的MPCP子层)或传输汇聚层(如 GPON系统的GTC子层)状态机的当前状态；

●根据IEEE 802.3-2005 section 5或ITU-T G.984、或其他标准(如特定 机构扩展的OAM标准)规定的OAM协议数据单元(EPON)或者 OMCI消息(GPON)格式和含义来分析其运行管理和维护功能的状态；

3)提取该ONU仿真器获得的链路层、业务层以及OAM层的参数信息，经 分析处理后发送给处理器子系统；主要包括：

●计算下行的接收误码率；

●从捕获的MPCP报文或者GTC帧中提取OLT的同步时间(Sync Time) 等链路层参数；

●显示OLT为本装置分配的LLID或者Port ID的值；

●计算下行的接收错帧率；

●对EPON系统链路上的MAC控制协议报文(如EPON系统的MPCP 帧或GPON系统链路上的GTC帧)进行统计；

●对EPON系统链路上的运行、管理和维护(如EPON系统的OAM或 者GPON系统的OMCI)报文进行统计；

●计算出本装置获得的上行带宽以及DBA调度周期；

●显示ONU本地的上行队列状态；

●对业务帧进行统计，包括单播帧、组播帧和广播帧；

4)数据转发功能，包括：

●对MAC控制协议报文(MPCP或者GTC)和OAM报文(或者OMCI 报文)进行镜像控制，如：将链路上的双向帧打上接收到的时间标签， 然后合并为一条流，再按要求过滤，最后转发到GE口输出；

●对普通的数据报文的转发功能。即对于普通的数据报文进行二层转 发，从而使用户可以利用本装置实现临时上网，以验证系统的业务层 功能是否正常。

PON子系统一般由PON(EPON或GPON或其他PON技术)的核心功能芯 片、缓存模块、PON口侧物理层模块(如Serdes)以及业务接口物理层模块(如 PHY)组成。这些模块的连接关系如下：PON口侧物理层模块通过总线与PON 核心芯片相连，缓存为SDRAM存储器，通过总线与PON核心芯片相连。业务 接口侧物理层模块通过GMII接口与PON核心芯片相连。

处理器子系统是本发明装置的控制核心部分，是整个装置的中央控制器。处 理器子系统一方面控制着本装置中的其他子系统(主要是光信号处理子系统、 PON子系统和业务接口子系统等)，包括配置其他功能子系统的工作模式和参 数、产生及处理高层协议的测试包(例如进行PPPoE拨号、发起Ping包测试并 检测结果、FTP测试、VoIP测试、IPTV测试等)等。另一方面，它也负责接收 从相关其他功能子系统获得的指令、配置信息、链路状态和参数的分析结果等 信息，然后进一步处理后将结果输出到用户接口子系统等其他功能子系统，后 者则进行显示。此外，CPU子系统还支持测试结果的记录保存以及历史测试结 果的查看。处理器子系统一般由CPU、BOOT ROM、MEMORY和FLASH四个 模块组成。其中CPU用于运行软件以控制本发明装置的工作，BOOTROM用于 存放CPU的启动代码，MEMORY为CPU软件使用的存储器，FLASH则用来 保存本发明装置的软件版本。以上述各模块之间的连接关系如下：CPU是控制 核心，它通过地址、数据和控制总线分别与BOOTROM、SDRAM和FLASH相 连。

用户接口子系统负责完成本发明装置与用户之间的交互。用户接口子系统一 方面显示链路测量和诊断的结果，另一方面也可以通过处理器子系统对本发明 装置的工作模式进行配置。它分为三个模块：一个模块是显示控制模块，由LCD 显示屏和显示控制芯片组成；其中的LCD显示屏与显示控制芯片相连，受控制 芯片的控制，而显示控制芯片自身则通过总线与处理器子系统中的CPU相连， 受CPU控制。另一个模块是键盘控制模块，它由键盘和键盘控制芯片组成。键 盘与键盘控制芯片相连，受键盘控制芯片的控制，而键盘控制芯片则通过总线 与处理器子系统中的CPU相连，受CPU控制。第三个模块是LED指示灯，它 由一组LED组成，用来指示PON链路层的基本状态(如是否检测到光信号、 MAC链路状态是否正常、OAM链路是否正常等)。这些指示灯分别通过信号线 与光信号处理子系统和处理器子系统相连。用户可以通过操作键盘来设置本发 明装置的工作模式以及选择显示的信息内容，然后可以通过LCD显示屏来查看 链路监测的结果。此外，用户还可以通过查看LED指示灯来获知当前链路的基 本状态。

业务接口子系统主要是与PC、电话机、机顶盒等用户终端接口功能，负责 完成用户终端与PON子系统的业务适配功能，主要包括以太网/IP业务适配功 能、VoIP业务仿真功能、IPTV仿真功能等。同时，它也接受处理器子系统的控 制。业务处理子系统提供千兆以太网(GE)或者百兆以太网(FE)电接口、电 话接口(RJ-11)、IPTV接口(连接机顶盒的以太网接口)。业务接口子系统采用 模块化结构，可以根据不同的需求选装不同的模块(例如VoIP业务仿真模块和 IPTV业务仿真模块)，处理器子系统控制各模块执行各自的测试内容。

时钟子系统负责为本发明装置中的其他子系统提供时钟信号。它由时钟芯片 及时钟分配网络组成。其连接关系如下：时钟芯片输出到时钟分配网络，经过 时钟分配网络的处理，再输出多种不同频率的时钟信号，进而通过信号线输送 给其他子系统的各个芯片。

电源子系统负责为本发明装置中其他子系统提供特定的直流电压。该子系统 由蓄电池、电源处理模块和电源分配网络组成。电源处理模块负责对外部提供 的直流电源进行处理，以生成不同芯片所需要的多种电压，电压分配网络则负 责将电源处理模块的输出通过信号线分配给其他子系统中的各个芯片。本发明 装置的可用电源分为两种：一是采用蓄电池(可以是可充电电池，也可以一次 性蓄电池)直接提供直流电源；一是采用外接变压器提供交流转直流的电源。

综上所述，本装置的主要功能包括：

1)PON接口的物理层测试(如测试接收的下行光功率、误码率等)；

2)PON链路层测试(包括MPCP或GTC层状态、OAM或者OMCI状态以 及链路层参数等)；

3)业务层测试(包括数据业务测试、话音业务测试、IPTV业务测试等)；

4)支持测试结果的记录保存以及历史测试结果的查看。

因此，本发明实现了以下技术效果：

与现有装置相比，本发明所述装置具有显著的特点和优点：一是本发明装置 为对PON链路状态和各种关键参数进行了更全面的监测，可以清晰的定位光纤 故障、ONU故障、IAD或机顶盒故障、宽带网络故障等，填补了目前PON系 统性能监测和故障诊断工具方面的空白；二是本发明装置为手持式设备，可以 随身携带，操作简单灵活，显示直观，非常适合PON网络设备安装、工程验收 和维护应用。三是本发明装置采用模块化结构，可以通过增加VoIP业务模块和 IPTV业务模块提供不同的测试功能。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书 中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通 过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分， 本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限 定。在附图中：

图1是PON网络拓朴图。

图2是本发明装置的应用方式示意图。

图3是本发明装置的结构框图。

图4是本发明装置一个实施例的外观示意图。

图5是本发明装置一个实施例的内部结构框图。

具体实施方式

下面参考附图，详细说明本发明的具体实施方式。

本发明针对目前没有便携式PON链路故障诊断装置的问题，提供了一种用 于PON网络链路状态监测和故障诊断的手持式装置。

图1介绍了与本发明装置相关的PON网络拓朴。从图中可以看出，一个OLT PON口下可以通过分光器与多个ONU相连接。从OLT到ONU的下行数据传 送方式为时分复用的物理层广播方式，即每一个下行帧会发送到所有的ONU的 PON端口。从ONU到OLT的上行数据传送方式为TDMA(对EPON和GPON) 方式，即各个ONU在OLT分配给自己使用的上行时隙内发送上行数据。

图2介绍了本发明装置的典型应用方式，即将本装置连接到光无源分配网 络上去，代替存在故障或者可能存在故障的ONU，然后进行利用本装置进行故 障的诊断和定位。

图3为本发明装置的结构框图。本发明装置由光信号处理子系统(201)、PON 子系统(202)、处理器(CPU)子系统(205)、用户接口(I/O)子系统(204)、业务 接口子系统(203)、时钟子系统(206)以及电源子系统(207)等组成。其中， 时钟子系统(206)和电源子系统(207)与其他子系统之间都有连接关系，为 简单起见在图中没有画出这些连接。

本装置各种模块的基本工作流程为：光信号处理子系统(201)一方面对从 PON链路上接收到的光信号进行光路参数测量并将其转换为电信号后发送给 PON子系统(202)，光路参数的测量结果发送给处理器子系统(205)。另一方 面，光信号处理子系统(201)也将PON子系统(202)发来的码流(电信号) 转换为光信号并发送到PON光链路。PON子系统(202)一方面对接收到的各 种以太网帧和协议数据报文(包括MAC控制层(MPCP/GTC)协议帧、运行管 理和维护OAM/OMCI帧等)进行处理和分析，将对MPCP/GTC帧和OAM/OMCI 帧等的分析结果保存并通知处理器子系统(205)，同时按工作模式来决定是否 转发普通的以太网数据帧到业务接口子系统(203)；另一方面，PON子系统(202) 也接受处理器子系统(205)的指令，产生各种MPCP/GTC帧、OAM/OMCI帧 或者对以太网数据帧进行处理，并送给光信号处理子系统(201)。处理器(CPU) 子系统(205)一方面从光信号处理子系统(201)和PON子系统(202)中读 取测量和分析得到的数据，经过处理后将其发送到用户接口子系统(204)，后 者则将其显示出来；另一方面，处理器(CPU)子系统(205)也是整个仪表的 中央控制器，控制着PON子系统(202)及其他模块的工作模式和参数，并进 行高层业务测试。业务接口子系统(203)完成PON子系统(202)与用户终端 的业务适配功能，也接受处理器子系统(205)的控制产生各种业务测试流并测 量业务连通性和业务质量。用户接口子系统(204)的主要功能是对本发明装置 的工作模式和参数进行配置并显示本装置的测试结果。

图4为本发明装置的一个实施例的外观示意图。如图所示，从外观上来看， 本发明装置的特征为手持式设备，由显示屏、LED指示灯组、按键组、PON接 口、业务接口(GE口、IPTV接口(一般为FE口)、电话接口(一般为RJ-11POTS 接口))、电源接口以及电池组成。其中各个部分的具体描述如下：

1)对外接口

对外接口为1个PON接口和至少一个GE电口(也可以增加1个用于连接 IPTV机顶盒的FE电口和一个用户连接电话机的传统电话RJ-11接口)。PON口 用于将本装置连接到PON的无源光分配网上。GE口为电口，负责将双向报文 转发给外部的计算机以便于进一步的分析或者进行业务验证。更具体地，对于 镜像到外部PC的以太网控制和管理报文，本发明装置可以将PON链路上的双 向协议/数据帧按打上接收或产生的时间标签，然后按接收次序合为一条流从GE 电口转发出来。IPTV接口和POTS接口用于进行实际的业务测试。

2)显示屏

显示屏为用户交互接口。其功能为显示本发明装置分析得到的链路状态的具 体内容。

3)LED

本发明装置使用3个LED，分别用于指示下行链路的信号丢失(DW LOS)、 MPCP/GTC注册状态(Register)、OAM/OMCI状态(OAM)。

4)按键

本发明装置共有8个按键，如图所示，分别为“电源”“复位”“模式”以及操作 键组(四个方向键和一个确认键)。其中“电源”键负责打开和关闭电源，“复位” 键负责复位CPU(软复位)，“模式”键用于选择本发明装置的工作模式，各模式 定义如下：

●镜像模式：本装置测量PON链路上的光功率，并将链路上的上下行 以太网控制和管理报文等信息有选择地镜像到GE口，输出给电脑

(PC)利用特殊的软件做进一步分析；

●桥接分析模式：本装置在进行链路参数测量、状态监测和分析的同时 允许用户电脑(PC)等终端以二层桥接的模式登陆互联网并进行正常 的通信；

●业务分析模式：本装置在进行链路层参数测量、状态监测和分析的同 时进行PPPoE测试(包括PPPoE拨号、用户名和密码测试等)和IP 层测试(Ping包测试、FTP下载测试、网页浏览测试、VoIP测试、IPTV 测试等)甚至更高层的功能。

上述三种模式中，在选择进入特定模式后，显示屏上还需要列出该模式下的 功能项以供进一步选择。特定模式可能包含下面列出的全部或者部分功能：

●接收光功率；

●接收误码率；

●OLT的同步时间等链路层参数；

●本装置获取的LLID或者Port ID的值；

●接收误帧率；

●MPCP或者GTC协议状态；

●MPCP或者GTC帧统计；

●OAM或者OMCI链路状态；

●OAM或者OMCI帧统计；

●DBA调度周期分析；

●本装置的实时带宽分配表；

●ONU队列状态分析；

●加密状态

●业务属性(端口管理、VLAN、QoS策略、组播、自协商等)

●业务帧统计，包括单播包、组播包和广播包；

●PPPoE测试

●PING包测试

●FTP测试(验证用户的可达速率)

●网页浏览测试

●语音(VoIP)业务测试

●IPTV业务测试

5)电源

本发明装置使用直流电源(内置蓄电池，并提供外置整流器)供电。

图5介绍了本发明装置一个实施例的内部结构。如图所示，本装置的关键 部件是PON核心芯片和CPU，此外还有CPU需要的SDRAM、FLASH和 BOOTROM，与用户交互所需的LCD模块和键盘控制模块，接收光路信号的光 分路器、光探测器和ONU侧光模块及对应的Serdes，业务接口输入/输出需要的 以太网PHY、VoIP和IPTV业务模块等，保存链路数据帧的缓存，以及时钟模 块和电源模块。

PON核心芯片是本发明装置实现PON链路分析功能的核心器件。它负责对 两个光模块接收到的码流和帧进行分析，具体来说实现如下功能：

1)计算下向的接收误码率；

2)计算下行的接收错帧率；

3)从捕获的MPCP报文中提取OLT的同步时间参数；

4)显示OLT为本装置分配的LLID的值；

5)根据MPCP协议帧或GTC帧交互分析出MPCP/GTC状态机的当前状态；

6)对链路上的MPCP/GTC帧进行统计；

7)根据OAM PDU/OMCI帧分析OAM链路的当前状态；

8)对OAM/OMCI帧进行统计；

9)计算出DBA调度周期；

10)计算出本装置获得的上行带宽；

11)显示ONU本地的上行队列状态；

12)对业务帧进行统计，包括单播、组播和广播；

13)镜像控制：将链路上的双向帧打上接收到的时间标签，然后合并为一条 流，再按要求过滤，最后转发到业务接口(GE口)；

14)加密状态检测；

15)业务属性(端口管理、VLAN、QoS策略、组播、自协商等)分析

16)转发普通的以太网数据报文；

17)本装置仿真ONU时需要能够修改自身的MAC(EPON)地址或序列号 SN(GPON)；

CPU是本发明装置的控制核心器件，它负责从键盘输入中获取工作模式信 息，然后从PON核心芯片和光探测器中读取所需的链路状态参数，并通过LCD 显示出相应的内容。此外，CPU还负责控制业务接口子系统进行业务层测试(以 太网/IP测试、VoIP业务测试、IPTV业务测试等)。CPU的系统导入(Boot)信 息放在Boot Rom中，软件版本和PON核心芯片版本存放在FLASH中。此外， CPU还负责执行PPPoE拨号以及PING包、FTP下载、网页浏览等IP层乃至更 高层的功能，以支持更高层次的故障诊断。此外，CPU还支持将文件管理，将 测试结果记录保存在存储器中，并且可以使用户可以查看历史测试结果。

以上仅为本发明针对PON技术中的EPON的优选实施例而已，并不用于限 制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在 本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在 本发明的保护范围之内。