OLT PON端口內(nèi)置OTDR技術(shù)分析

歐月華，任 艷

（中國(guó)電信股份有限公司廣州研究院 廣州 510630）

1 引言

隨著FTTx大規(guī)模部署，光纖故障檢測(cè)需求越來(lái)越多，外置OTDR（optical time domain reflectometer，光時(shí)域反射儀）的故障檢測(cè)方法存在種種問題：OTDR儀表和光開關(guān)價(jià)格昂貴、局端機(jī)房布線復(fù)雜、與PON（passive optical network，無(wú)源光纖網(wǎng)絡(luò)）設(shè)備不兼容，不能滿足大部分PON故障檢測(cè)低成本和方便管理的需求。為了解決這些問題，把OTDR技術(shù)集成在OLT（optical line terminal，光線路終端）PON端口上，即內(nèi)置OTDR功能的光模塊技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。OLT PON端口內(nèi)置OTDR，以大大低于外置OTDR的成本盡可能保留了外置OTDR的測(cè)量精度，同時(shí)簡(jiǎn)化了局端機(jī)房的設(shè)備連線，降低了運(yùn)維成本。

2 OLT PON端口內(nèi)置OTDR技術(shù)

2.1 基本原理

OLT PON端口內(nèi)置OTDR技術(shù)（以下PON端口內(nèi)置OTDR均指OLT的PON端口內(nèi)置OTDR）能支持各種類型的xPON設(shè)備，在不影響原有的光模塊傳輸功能的基礎(chǔ)上增加OTDR光纖故障檢測(cè)功能，這樣OLT將只需要更換插拔式的具有OTDR的光模塊，其他硬件無(wú)須改動(dòng)，同時(shí)軟件升級(jí)即可實(shí)現(xiàn)OTDR光纖故障檢測(cè)功能，其中的OTDR檢測(cè)基本原理和其他OTDR儀表的原理一樣，都是利用光纖后向散射和菲涅爾反射來(lái)測(cè)量光衰耗和反射事件，從而定位衰減和反射異常。

2.2 3種實(shí)現(xiàn)方案及技術(shù)比較

PON端口內(nèi)置OTDR的實(shí)現(xiàn)按照波長(zhǎng)劃分可以分成3種方案：非通信波長(zhǎng)方案、上行波長(zhǎng)方案、下行波長(zhǎng)方案。下面從實(shí)現(xiàn)上對(duì)這3種方案進(jìn)行分析。

（1）非通信波長(zhǎng)方案

非通信波長(zhǎng)方案不重用原有光模塊的有源器件，OTDR信號(hào)的發(fā)射和接收采用非通信波長(zhǎng)（1 625 nm/1 650 nm）的獨(dú)立器件，因此在線測(cè)試就可以避免影響正常的通信信號(hào)，但由于增加了兩個(gè)新的器件，光模塊的封裝難度較高并且成本略高。

在脈沖技術(shù)實(shí)現(xiàn)上，非通信波長(zhǎng)方案主要有兩種方法：一是采取傳統(tǒng)OTDR儀器中使用的單脈沖OTDR技術(shù)，光發(fā)射器發(fā)送一個(gè)短脈沖到待測(cè)光纖，然后光接收器接收從待測(cè)光纖返回的OTDR信號(hào)，同時(shí)為提高信噪比，需要多次重復(fù)以上過程，然后對(duì)所得數(shù)據(jù)取平均值，最后得到相應(yīng)的OTDR曲線數(shù)據(jù)；二是互補(bǔ)正交多脈沖OTDR技術(shù)，它采用序列相關(guān)技術(shù)，對(duì)比單脈沖技術(shù)，優(yōu)勢(shì)在于可使用較低功率的光發(fā)射器，同時(shí)可縮短檢測(cè)的時(shí)間，提高檢測(cè)的效率。

（2）上行波長(zhǎng)方案

上行波長(zhǎng)方案充分利用原來(lái)光模塊的光接收器，需要在光模塊中增加一個(gè)上行光發(fā)射器，專門發(fā)射OTDR的測(cè)試光。由于重用了原有光模塊的器件，同時(shí)增加的光發(fā)射器的成本較低，因此該方案的總體成本較低。如果采用傳統(tǒng)的單脈沖OTDR技術(shù)，技術(shù)難度也較低，容易實(shí)現(xiàn)。

但是上行波長(zhǎng)方案OTDR測(cè)試時(shí)需要占用上行帶寬，要依賴OLT調(diào)度OTDR的測(cè)試時(shí)隙，測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)。

（3）下行波長(zhǎng)方案

下行波長(zhǎng)方案采用下行光波長(zhǎng)作為OTDR的檢測(cè)光波長(zhǎng)，重用原來(lái)的光發(fā)射器，即在下行數(shù)據(jù)上調(diào)制一定幅度的OTDR的信號(hào)，同時(shí)需要增加一個(gè)下行光波長(zhǎng)的光接收器接收返回的測(cè)試信號(hào)。下行波長(zhǎng)方案的調(diào)制技術(shù)有兩種：一是正弦波調(diào)制，在原有的下行數(shù)字化數(shù)據(jù)上加了一個(gè)低頻正弦波的調(diào)制；二是編碼序列調(diào)制，在原有的下行光信號(hào)基礎(chǔ)上調(diào)制偽隨機(jī)編碼序列，在接收端采用相關(guān)運(yùn)算恢復(fù)OTDR測(cè)試數(shù)據(jù)，編碼序列調(diào)制是在正弦波調(diào)制基礎(chǔ)上的改進(jìn)，利用偽隨機(jī)編碼序列的方法減少了噪聲對(duì)信號(hào)的影響，提高了信噪比。但是由于下行波長(zhǎng)方案中OTDR的信號(hào)是加載在下行通信光上的，需要占用下行通信光的功率預(yù)算，并且對(duì)發(fā)光功率、眼圖、抖動(dòng)等有影響，ONU（optical network unit，光網(wǎng)絡(luò)單元）的靈敏度和發(fā)送抖動(dòng)也都會(huì)隨著劣化。為了減輕對(duì)下行通信光影響，需要增加下行通信光的功率或者控制OTDR測(cè)試信號(hào)調(diào)制幅度。

以上3種不同波長(zhǎng)方案的PON端口內(nèi)置OTDR技術(shù)由于實(shí)現(xiàn)原理不同，導(dǎo)致成本、性能等有所差異。表1簡(jiǎn)單總結(jié)了這幾種方案的優(yōu)劣，并在性能和網(wǎng)絡(luò)升級(jí)方面進(jìn)行了分析比較。

2.3 器件成本分析

外置OTDR的成本受光開關(guān)和合波器的成本影響較大，而且端口越多光開關(guān)和合波器的成本就越大，PON端口內(nèi)置OTDR技術(shù)不需要采用光開關(guān)和合波器，因此相比外置OTDR，它的成本優(yōu)勢(shì)在于可以避免光開關(guān)和合波器的開銷，主要在于芯片、新器件增加以及原有器件調(diào)整和模塊封裝等成本。

由于3種波長(zhǎng)方案的PON端口內(nèi)置OTDR在實(shí)現(xiàn)上的差異，它們?cè)诔杀旧弦采杂胁町?，?給出了小規(guī)模商用下（約100萬(wàn)個(gè)PON端口）3種方案的成本估算，非通信波長(zhǎng)方案增加了兩個(gè)光器件，所以相比其他內(nèi)置方案成本略高。預(yù)計(jì)大規(guī)模商用后，PON端口內(nèi)置方案OTDR芯片以及其他器件成本有望進(jìn)一步降低，估計(jì)每個(gè)PON端口可以再降低160元左右。

3 基于PON端口內(nèi)置OTDR的PON系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于PON端口內(nèi)置OTDR的PON系統(tǒng)架構(gòu)和各個(gè)模塊連接如圖1所示，在該架構(gòu)中除了原來(lái)PON系統(tǒng)中的EMS、OLT、ODN（optical distribution network，光分配網(wǎng)絡(luò)）

和ONU外，主要增加PON ODN測(cè)試診斷模塊、OTDR管理模塊（內(nèi)置在EMS中）和OTDR功能模塊（內(nèi)置在OLT中，其中光模塊具備OTDR能力）。

表1 PON端口內(nèi)置OTDR方案的比較

表2 成本分析比較

圖1 基于PON端口內(nèi)置OTDR的PON系統(tǒng)架構(gòu)

其中，PON ODN測(cè)試診斷模塊可以存在于運(yùn)營(yíng)商的OSS（operation support system，運(yùn)營(yíng)支撐系統(tǒng)）或其他系統(tǒng)中，也可以獨(dú)立存在，主要功能是實(shí)現(xiàn)PON的光層參數(shù)測(cè)試診斷和OTDR測(cè)試診斷，能夠綜合光層參數(shù)測(cè)試和OTDR測(cè)試的結(jié)果分析PON健康狀態(tài)，定位網(wǎng)絡(luò)故障和找到故障原因。

OTDR管理模塊內(nèi)置在EMS中，這樣就可以不用單獨(dú)外設(shè)服務(wù)器，只要在EMS里進(jìn)行軟件升級(jí)就可以實(shí)現(xiàn)快速部署。OTDR管理模塊的主要功能在于：OTDR管理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)OLT中所有的OTDR功能模塊包括OTDR功能模塊的測(cè)試能力、配置和狀態(tài)等方面的管理；另外，OTDR管理模塊通過北向接口L與PON ODN測(cè)試診斷模塊通信，接收來(lái)自PON ODN測(cè)試診斷模塊的查詢和測(cè)試命令，然后命令OTDR功能模塊對(duì)PON端口下待測(cè)ODN進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試完畢后從OTDR功能模塊中獲取相關(guān)OTDR測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并向PON ODN測(cè)試診斷模塊發(fā)送處理后的測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)。

OTDR功能模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)ODN鏈路的OTDR測(cè)試，完成測(cè)試后把測(cè)試數(shù)據(jù)返回給OTDR管理模塊，確定光纖的損耗、光纖鏈路上的反射事件和衰減事件等。在基于PON端口內(nèi)置OTDR的PON系統(tǒng)架構(gòu)中，OTDR功能模塊是由OTDR控制單元、OTDR處理單元和OTDR測(cè)試單元組成。

·OTDR控制單元是在OLT設(shè)備中管理OTDR處理單元的軟件單元，其基本功能是管理和控制OTDR處理單元以及處理OTDR測(cè)試原始數(shù)據(jù)。

·OTDR處理單元的主要功能是接收OTDR控制單元的指令，啟動(dòng)OTDR測(cè)試以及處理由OTDR測(cè)試單元傳送的OTDR信號(hào)，生成OTDR原始采樣數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)傳輸給OTDR控制單元。

·OTDR測(cè)試單元的主要功能是發(fā)射測(cè)試信號(hào)以及采集OTDR返回信號(hào)，主要由OTDR測(cè)試信號(hào)發(fā)射器件和接收器件組成。

基于PON端口內(nèi)置OTDR的PON系統(tǒng)架構(gòu)的接口定義如下。

·B接口：PON ODN測(cè)試診斷模塊與EMS通過B接口相互關(guān)聯(lián)。B接口應(yīng)支持從PON ODN測(cè)試診斷模塊下發(fā)PON設(shè)備信息查詢、告警查詢和OTDR測(cè)試等命令到EMS，從EMS返回結(jié)果以及EMS自動(dòng)上報(bào)的相關(guān)告警信息。

·C接口：EMS對(duì)OLT設(shè)備的管理接口。

·D接口：OLT PON端口與ODN之間的接口，是物理接口。

·E接口：ODN與ONU PON端口之間的接口，是物理接口。

·I接口：OTDR管理模塊與OTDR功能模塊之間的接口。OTDR管理模塊通過I接口查詢和獲取OTDR功能模塊能力參數(shù)、配置、狀態(tài)和模塊故障信息等；OTDR管理模塊啟動(dòng)OTDR功能模塊進(jìn)行OTDR測(cè)試并獲取初步測(cè)試結(jié)果。

·L接口：PON ODN測(cè)試診斷模塊與OTDR管理模塊之間的接口，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)模塊間OTDR數(shù)據(jù)傳輸，尤其完成OTDR測(cè)試時(shí)，OTDR管理模塊傳遞分析后的測(cè)試結(jié)果文件到PON ODN測(cè)試診斷模塊。

·K接口：OLT中的OTDR控制單元與OTDR處理單元的接口，負(fù)責(zé)傳輸OTDR查詢命令、測(cè)試命令和測(cè)試完成后的原始數(shù)據(jù)等。

3.2 工作流程

PON端口內(nèi)置OTDR在PON系統(tǒng)架構(gòu)中的工作流程如下。

PON ODN測(cè)試診斷模塊自動(dòng)或者由用戶或外部系統(tǒng)觸發(fā)啟動(dòng)OTDR測(cè)試，通過EMS中的OTDR管理模塊向OLT發(fā)出光纖檢測(cè)的命令，OLT中的OTDR控制單元接收該命令，同時(shí)通過MAC芯片向光模塊轉(zhuǎn)發(fā)該命令，光模塊接收到該命令后進(jìn)行OTDR的檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理，完成后把測(cè)試結(jié)果返回給OLT的OTDR控制單元，OLT再通過EMS的OTDR管理模塊轉(zhuǎn)發(fā)給PON ODN測(cè)試診斷模塊，PON ODN測(cè)試診斷模塊對(duì)該測(cè)試結(jié)果評(píng)估是否需要繼續(xù)檢測(cè)或結(jié)束這次檢測(cè)，然后將結(jié)論通過EMS通知OLT，如果OLT得到繼續(xù)檢測(cè)的命令，就重復(fù)以上步驟；如果OLT得到結(jié)束檢測(cè)的命令，就通知光模塊關(guān)閉OTDR功能，使其處于待定的狀態(tài)，等待下一次啟動(dòng)命令。

3.3 方案應(yīng)用中的考慮和建議

3.3.1 OTDR測(cè)試性能

運(yùn)營(yíng)商選擇PON端口內(nèi)置OTDR技術(shù)的考慮因素，除了包括可接受的成本外，還包括要滿足運(yùn)營(yíng)商級(jí)OTDR檢測(cè)性能。

PON組網(wǎng)復(fù)雜，故障類型較多，主要故障包括光纖斷裂或被壓碎、光纜彎曲、連接器污損或連接不當(dāng)?shù)?，通常這些故障在OTDR測(cè)試中表現(xiàn)為OTDR檢測(cè)的反射和衰減事件。本文將反射事件和衰減事件定量化，代表不同程度的光纖斷裂、光纖彎曲、連接器開路和連接器污損等問題。

因此，對(duì)PON端口內(nèi)置OTDR的要求如下。

（1）測(cè)試時(shí)間：應(yīng)能夠在有限測(cè)試時(shí)間內(nèi)（快速測(cè)試是3 min內(nèi)，較長(zhǎng)測(cè)試是30 min內(nèi)）完成一定程度的反射事件和衰減事件的檢測(cè)。太長(zhǎng)的測(cè)試時(shí)間難以被運(yùn)營(yíng)商接受，不滿足運(yùn)維中對(duì)故障快速響應(yīng)的要求。

（2）OTDR應(yīng)該能夠檢測(cè)的反射事件如下。

·回波損耗為60 dB反射事件（95%斷纖：實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中95%斷纖處的回波損耗在60 dB以內(nèi)，能夠監(jiān)測(cè)60 dB的反射事件，代表能夠檢測(cè)至少95%的斷纖問題），同時(shí)OTDR與該反射事件之間的ODN衰減為10 dB（約相當(dāng)于ODN中20 km光纖和4個(gè)連接器損耗的總和）。OTDR檢測(cè)該事件的能力相當(dāng)于OTDR能夠檢測(cè)距離OLT 20 km以內(nèi)的主干上至少95%的斷纖故障以及連接器。

·回波損耗為41 dB（50%斷纖）和51 dB反射事件（90%斷纖），同時(shí)OTDR與該反射事件之間的ODN衰減21 dB（相當(dāng)于ODN中20 km光纖和1∶8分光器和連接器損耗的總和）。OTDR檢測(cè)回波損耗51 dB的反射事件的能力，相當(dāng)于OTDR能夠檢測(cè)距離OLT 20 km以內(nèi)、1∶8分光器分光后的配線光纜上至少90%的斷纖故障。在同樣ODN場(chǎng)景下，檢測(cè)到41 dB的反射事件的事件分辨率應(yīng)該比檢測(cè)51 dB的反射事件高。

·回波損耗為15 dB反射事件（相當(dāng)于SC連接器開路時(shí)UPC端面的回波損耗），同時(shí)OTDR與該反射事件之間的ODN衰減為32 dB（相當(dāng)于ODN中20 km光纖和1∶64分光器和連接器損耗的總和）。OTDR檢測(cè)該事件的能力相當(dāng)于OTDR能夠檢測(cè)距離OLT 20 km以內(nèi)、1∶64分光器分光后入戶光纜上開路的光纖活動(dòng)連接器。

（3）應(yīng)該能夠檢測(cè)的衰減事件包括主干上衰減0.3 dB及以上的衰減事件，前提是OTDR與該衰減事件之間的ODN鏈路衰減值加上衰減事件的衰減值小于5 dB。

總的來(lái)說(shuō)，只有PON端口內(nèi)置OTDR具備以上的檢測(cè)能力，才能夠適用于實(shí)際PON的建設(shè)運(yùn)維。

3.3.2 限制設(shè)備、通信業(yè)務(wù)影響的要求

OTDR是內(nèi)置在OLT的光模塊中的一部分，除了要滿足以上的測(cè)試性能外，還必須要與現(xiàn)有PON規(guī)范兼容，不能降低現(xiàn)有PON端口物理指標(biāo)以及影響在線業(yè)務(wù)，因此對(duì)各個(gè)波長(zhǎng)方案的內(nèi)置OTDR建議如下。

·OLT光模塊在加載了OTDR測(cè)試信號(hào)后，光模塊的附加功耗應(yīng)不大于1 W。

·當(dāng)OLT光模塊內(nèi)置OTDR采用上行通信波長(zhǎng)時(shí)，OTDR測(cè)試對(duì)PON系統(tǒng)上行帶寬的占用率應(yīng)可配置，建議不大于20%，OTDR測(cè)試優(yōu)先級(jí)的缺省值應(yīng)低于通信業(yè)務(wù)，但可根據(jù)需要提高OTDR測(cè)試優(yōu)先級(jí)。

·當(dāng)OLT光模塊內(nèi)置OTDR采用下行通信波長(zhǎng)時(shí)，OTDR測(cè)試信號(hào)調(diào)制度應(yīng)可配置，調(diào)制度精度應(yīng)不大于5%；應(yīng)能選擇合適的調(diào)制度，在加載了測(cè)試信號(hào)后，相關(guān)的光接口性能仍滿足相關(guān)PON規(guī)范的要求，調(diào)制度建議不超過10%。

·當(dāng)OLT光模塊內(nèi)置OTDR采用非通信波長(zhǎng)時(shí)，ONU接收機(jī)對(duì)測(cè)試信號(hào)的隔離度應(yīng)不小于30 dB。

4 結(jié)束語(yǔ)

PON端口內(nèi)置OTDR是一種新興的光鏈路檢測(cè)技術(shù)，能幫助運(yùn)營(yíng)商及其他最終用戶節(jié)省相當(dāng)大的維護(hù)成本。目前，該技術(shù)還處于快速發(fā)展中，各種波長(zhǎng)方案的OTDR光模塊已經(jīng)出現(xiàn)，技術(shù)能力能夠滿足基本的運(yùn)維需求，但是在ODN中動(dòng)態(tài)范圍、事件分辨率、檢測(cè)時(shí)間等OTDR檢測(cè)能力參數(shù)有待進(jìn)一步提高，特別是對(duì)入戶光纖的衰減和反射事件的檢測(cè)能力有待進(jìn)一步增強(qiáng)。

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