分布式光纖傳感技術與PON的融合

馬彩虹

(武警工程學院光纖通信實驗室，陜西西安 710086)

光纖可以用于溫度、應力、振動等多個參數的高靈敏度測量以及安防監測。分布式光纖傳感技術能夠利用一條光纖實現大范圍物理量的測量，還可以與光通信系統共享光纜資源。將分布式光纖傳感技術融合到通信網中，可以實現同時具有通信和傳感功能的新光纖接入綜合業務增值網絡。文中研究了基于OTDR的分布式光纖傳感技術以及基于無源光網絡的光接入技術，提出了將二者融合的具體方案，并通過實驗驗證了該方案的可行性。

1 分布式光纖傳感技術

1.1 分布式光纖傳感技術概述

分布式光纖傳感技術是近年發展較快的新型傳感技術，它利用一條光纖作為傳感和傳導介質，實現大范圍物理量的測量，可以在整個光纖長度上對沿光纖分布的環境參數進行連續測量，同時獲得被測量的空間分布狀態和隨時間變化的信息[1]。分布式光纖傳感技術主要有:基于光纖拉曼散射或布里淵散射的光時域反射(ROTDR/BOTDR)及頻域反射技術(ROFDR/BOFDR)、基于光纖瑞利散射的偏振光時域反射技術(POTDR)[2]、長距離光干涉技術[3-4]以及準分布式光纖布拉格光柵復用技術[5]等。

1.2 OTDR光纖分布式傳感技術的原理

光在光纖中傳輸時發生的散射包括瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射3種類型。瑞利散射是光纖的一種固有特性，是光波在光纖中傳輸時，遇到光纖纖芯折射率在微觀上隨機起伏而引起的線性散射。布里淵散射是入射光與聲波或傳播的壓力波相互作用的結果，這個傳播的壓力波等效于一個以一定速度和頻率移動的密度光柵，當某一頻率的散射光與入射光、壓力波滿足相位匹配條件，即布拉格衍射條件時，此頻率的散射光強為極大值。拉曼散射是入射光波的一個光子被一個聲子散射成為另一個低頻光子，同時聲子完成其兩個振動態之間的躍遷，拉曼散射光含有斯托克斯光和反斯托克斯光[6]。瑞利散射波長不發生變化，而布里淵散射和拉曼散射是光與物質發生非彈性散射時所攜帶出的信息，散射波長相對于入射波長會發生偏移。

OTDR是通過瑞利散射和菲涅耳反射的后向光來獲取檢測信息的儀器，被廣泛用于檢測光纖斷點以及其他各種光纖和光網絡的連接異常。在OTDR系統中，從半導體激光器發出的光脈沖注射入光纖的一端，然后用一個光電探測器檢測處理接收的瑞利后向散射光強度，形成一個后向散射波形圖，如圖1所示。OTDR系統檢測和定位光傳輸過程的一些事件，如因固定接續或光纜彎曲導致的非反射事件以及因活接頭或光纖缺陷導致的菲涅爾反射事件等，都影響了反射光強度，因此后向反射光的各種頻率成分不會產生干涉強度起伏，OTDR曲線是比較平滑連續的曲線[7]。

圖1 OTDR測試曲線

1.3 分布式光纖傳感技術的應用

分布式光纖傳感技術的應用涉及民用工程、航天、海洋、電力、石油化工及醫療等領域。OTDR主要有以下5方面的應用:(1)光纖斷點、光纖接頭松動等故障查找。(2)測量光纖長度。(3)測量光纖總損耗、平均損耗。(4)測量連接器、連接點的損耗。(5)測量連接器的回波損耗。OTDR產品發展迅速，技術不斷成熟。目前商用OTDR的最大動態范圍可達45 dB，最短盲區＜1 m，最高采樣分辨率5 cm，各項性能指標都能適應工程需要[6]。

2 光接入網與PON

2.1 PON的概念與分類

光接入網是共享相同網絡側接口并由光接入傳輸系統所支持的接入鏈路群，也稱為光纖環路系統。ITU-T G.982建議提出的關于光接入網功能參考配置如圖2所示。

圖2 光接入網功能參考配置圖

圖中OLT(Optical Line Terminal)為光線路終端，位于接入網的局端，其作用是為光接入網提供網絡側和本地交換機之間的接口，并通過光分配網(ODN:Optical Distribution Network)與用戶端的光網絡單元(ONU:Optical Network Unit)通信，分離交換與非交換業務，管理來自ONU的信令和監控業務，為ONU提供維護和指配功能。ODN的作用是在一個OLT和一個或多個ONU之間提供一條或多條光傳輸通道。ONU的作用是為光接入網提供直接或遠端的用戶端接口，位于ODN的用戶側，終結來自ODN的信息，處理光信號并為若干用戶提供業務接口，完成光/電轉換功能，以及對語音信號的數模轉換、信號處理、復用、維護管理等功能。

光接入網根據OLT到各ONU之間是否含有有源設備，可劃分為無源光網絡PON(Passive Optical Network)和有源光網絡AON(All Optical Network)。由于PON中不包含任何有源器件，且具有價格低、安裝、維護方便等優點，因而成為最有效的光接入網解決方案。

PON接入技術有異步傳輸模式無源光網絡(APON:ATM based PON)，以太網無源光網絡(EPON:Ethernet based PON)，吉比特無源光網絡(GPON:Gigabit PON)和 WDM無源光網絡(WDMPON)幾種。其中EPON是將Ethernet技術和PON技術結合，其目標是用簡單的方式實現一點到多點結構吉比特以太網的光纖接入系統，大大節省光纖用量和管理成本。無源網絡設備代替傳統的ATM/SONET寬帶接入系統中的中繼器、放大器和激光器，減少了局端所需的激光器的數目，并且OLT由許多ONU用戶共享。EPON利用以太網技術，采用標準以太幀，無須任何轉換就可以承載目前的主流業務。因此，EPON簡單、高效、建設費用低、維護費用低，是適合寬帶接入網需求的技術[8]。

2.2 EPON的網絡結構

以太網無源光網絡(EPON)采用單點到多點結構的單纖雙向光接入網，其典型的拓撲結構如圖3所示。PON是指在OLT和ONU之間的ODN沒有任何有源電子部件的光接入網，ODN全部由無源光分束器(POS:Passive Optica Splitter)等無源器件組成。OLT放置于中心機房，ONU為用戶端設備。ODN由分光器連接OLT和ONU，負責分發下行數據并集中上行數據，完成光信號功率分配和波長復用等功能。POS是個簡單器件，不需要電源，可以置于全天候的環境中，分束量一般為2、4或8，可以多級連接。ONU為網絡提供用戶側的接口，完成下行光到電、上行電到光的轉換，實現各類業務的接入。OLT既是一個交換機或路由器，又是一個多業務提供平臺，提供面向PON的光纖接口以及面向Internet的上聯口。另外，OLT還可以針對用戶的不同要求進行帶寬分配、網絡安全和管理配置。

圖3 EPON的網絡拓撲結構

2.3 EPON的關鍵技術

EPON系統的關鍵技術主要包括測距、系統同步、QoS以及動態帶寬分配等[8]。

(1)測距。在EPON中，上下行傳輸采用不同的技術，下行采用TDM傳輸方式，上行傳輸采用TDMA傳輸方式。PON系統在下行方向采用TDM的廣播方式，由各個ONU判斷屬于自己的信息，因此下行方向不會有時隙沖突。但對于上行方向，由于不同光支路的路徑長短不同而有可能同時到達光合路器從而造成沖突，就會引發大量誤碼或同步丟失。為避免這種情況發生，必須測得OLT到ONU的時延即測距，以安排各ONU上行時隙以保證它們不重疊復用。因此測距的目的是補償因ONU與OLT之間的距離不同而引起的傳輸實驗差異，使所有ONU感覺到與OLT的邏輯距離相同。

(2)系統同步。由于EPON為多點到單點的拓撲結構，上行過程中，每個ONU的發送時隙必須與OLT分配的時隙保持一致，以防止各個ONU上行數據發生碰撞，因此，ONU側的時鐘應與OLT側的時鐘同步。EPON系統采用時間戳方式進行系統同步。

(3)動態帶寬分配。在EPON系統中的上行方向，所有ONU共享同一個傳輸通道。這樣，就需要一個MAC仲裁機制給各個ONU分配一定的上行時隙，以避免不同ONU上行數據流產生碰撞。即需要有優秀的帶寬分配算法使OLT公平地分配帶寬，并且保證不同業務的QoS和高帶寬利用率。常規的靜態帶寬分配算法不能滿足網內負載的不均衡性，并造成帶寬的浪費，為此EPON中采用動態帶寬分配算法，能根據ONU突發業務的要求，實時改變ONU的上行帶寬分配方案。

(4)QoS。EPON作為一項接入網技術，必須能支持以太網中各類通信業務不同的QoS要求，包括數據、視頻和語音等綜合業務。如何為各類業務提供最好的QoS支持，特別是保障實時及時延敏感型業務的QoS已成為當前EPON技術研究的熱點。EPON系統中通常采取引入業務分級機制和ONU內優先級隊列調度機制實現QoS的要求。

3 分布式光纖傳感技術與EPON的融合

將分布式光纖傳感技術融入到以太網光纖無源接入網中，實現網絡故障診斷，并引入安防功能，使無源光網絡成為具有網絡故障診斷和安防功能以及以太網數據傳輸的多業務綜合網。具體表現在將傳感業務引入到EPON中，該方案能保證網絡升級的兼容性和平滑性，并利用OLT或者ONU的數據接口，將傳感信息融合到通信數據中傳輸，以提供增值業務。

3.1 融合方案

采用波分復用(WDM:Wavelength Divided Multiplexer)技術和窄線寬可調激光器，將通信光信號和傳感光信號同時送入同一根光纖，這樣可以將具有火險報警功能的BODTR、盜險報警功能的φ-OTDR[9]業務引入到現有EPON中。并且利用OLT的數據接口，將探測到的傳感信息送入OLT中再下行傳輸到ONU，從而及時通知用戶并采取相應的防火或者防盜措施，避免事故發生。鑒于目前的光無源接入網采用不同的上下行通信波長，因此可調激光器工作在另外的波段，這樣在不影響正常通信的前提下，通過密集波分復用(DWDM)器將各個波長的激光信號分開，具體方案如圖4所示。

圖4 基于OTDR的光纖故障傳感定位系統與PON融合方案

可調激光器產生的窄線寬激光經調制后，EDFA進行光信號放大，與OLT下行信號一起耦合進單模光纖。在ONU端，粗波分復用器(CWDM)將OLT下行通信信號和用于傳感的多波長激光分離，通信信號進入1×N的光分束器后仍進行正常傳輸，而多波長的可調激光器通過一個DWDM進一步分離成多個不同波長，每一路波長進入一路選定的ONU，可以同時起到傳感和識別ONU的作用。每個ONU的上行信號和傳感光的后向散射光經一個CWDM分離，其中上行信號通過分束器后再經過另兩個CWDM回傳到OLT;而傳感后向散射光經過DWDM和另兩個CWDM返回到光傳感終端進行后續信號處理[7]。傳感信號處理得到的結果可用于控制可調激光器的功率和調制器的調制速率等，以自動適應不同PON的結構，優化傳感信息。同時通過將命令信息打包入下行信道，通知ONU客戶進行響應，比如發出火警、匪警等。

3.2 實驗結果分析

光纖傳感系統采用如圖4虛線框內所示基于OTDR的實驗系統進行傳感信息獲取。采用圖4的融合方案搭建能夠提供光纖故障監測的光纖無源接入網，實驗僅演示其中兩路分支即CWDM1和CWDM2。可調諧激光器輸出光信號波長分別為1 547.80 nm和1 549.4 nm。所用CWDM共6個，共2個通道，其響應波長分別為1 550±10 nm和1 310±40 nm，其中兩路分支CWDM1和CWDM2的插入損耗為0.29 dB和0.32 dB;DWDM一個，共4個通道，響應波長分別為 1 547.73 nm、1 549.36 nm、1 550.88 nm和1 552.52 nm，3 dB帶寬為1 nm，通道一和通道二的插入損耗分別為1.02 dB和0.89 dB。主干光纖為1.70 km，ONU分支一、二光纖長度分別為24.70 km和10.54 km。可調諧激光器發射波長為1 547.80 nm時，設置D/A卡信號重復率為3.2 kHz，脈沖寬度為0.1%，TTL電平輸出;當可調諧激光器發射波長為1 549.40 nm時設置D/A卡信號重復率為5 kHz，脈沖寬度為0.1%。調節電光調制器直流偏置電壓和偏振態，使調制輸出光功率最大。光接收機設置放大倍數為30 000。所有的接頭都經過簡單的處理，以減小菲涅爾反射。對A/D卡采集的數據進行16次數字平均后，繪制出1 547.80 nm和1 549.40 nm時的OTDR曲線分別如圖4～圖6實線。當ONU分支一的9.1 km處被彎曲和ONU分支二的4.8 km光纖被剪斷時，測試OTDR的曲線為圖5中的虛線。圖中OTDR曲線不平滑是由于OTDR光源的線寬較窄，產生了干涉現象;在大約2.0 km處有一個較大的強度下降，這是由實驗中CWDM和DWDM插入損耗引起[7]。由此看出該融合系統可以檢測光纖的故障和損耗點。

為準確測試融合網絡中OTDR光傳感信號對PON通信的影響，最后對通信信道進行了眼圖測試，在通信信道末端加入了S帶放大器和衰減器進行ONU接收系統的模擬。調節放大器和衰減器，分別測試ONU分支一的原始通信眼圖和融入1 547.80 nm和1 549.40 nm附近激光信號的眼圖，如圖6所示。其中偽隨機信號的速率1.25 Gbit·s-1，示波器實時采樣率20 GHz。由圖可以看出，1 550 nm附近的OTDR激光信號對S帶信號的光功率和畸變幾乎無影響。這說明融合了OTDR光信號的融合網絡，對PON系統的通信基本無影響。

4 結束語

研究了分布式光纖傳感以及無源光網絡的原理、應用及關鍵技術，提出將無源光網絡與分布式光纖傳感網絡融合的思想，既可以克服局域網與骨干網之間的速率瓶頸，又符合光纖傳感與光纖通信融合傳輸的發展趨勢。針對分布式光傳感技術在安防領域的應用與EPON的融合提出了解決方案，即將OTDR技術融入EPON中進行光纖故障監測與定位。驗證表明，該網絡不但能夠正常傳輸傳感探測信息，對PON通信信息的傳輸也基本沒有影響。

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