OLT PON端口內置OTDR技術分析

歐月華，任 艷

（中國電信股份有限公司廣州研究院 廣州 510630）

1 引言

隨著FTTx大規模部署，光纖故障檢測需求越來越多，外置OTDR（optical time domain reflectometer，光時域反射儀）的故障檢測方法存在種種問題：OTDR儀表和光開關價格昂貴、局端機房布線復雜、與PON（passive optical network，無源光纖網絡）設備不兼容，不能滿足大部分PON故障檢測低成本和方便管理的需求。為了解決這些問題，把OTDR技術集成在OLT（optical line terminal，光線路終端）PON端口上，即內置OTDR功能的光模塊技術應運而生。OLT PON端口內置OTDR，以大大低于外置OTDR的成本盡可能保留了外置OTDR的測量精度，同時簡化了局端機房的設備連線，降低了運維成本。

2 OLT PON端口內置OTDR技術

2.1 基本原理

OLT PON端口內置OTDR技術（以下PON端口內置OTDR均指OLT的PON端口內置OTDR）能支持各種類型的xPON設備，在不影響原有的光模塊傳輸功能的基礎上增加OTDR光纖故障檢測功能，這樣OLT將只需要更換插拔式的具有OTDR的光模塊，其他硬件無須改動，同時軟件升級即可實現OTDR光纖故障檢測功能，其中的OTDR檢測基本原理和其他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測量光衰耗和反射事件，從而定位衰減和反射異常。

2.2 3種實現方案及技術比較

PON端口內置OTDR的實現按照波長劃分可以分成3種方案：非通信波長方案、上行波長方案、下行波長方案。下面從實現上對這3種方案進行分析。

（1）非通信波長方案

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

在脈沖技術實現上，非通信波長方案主要有兩種方法：一是采取傳統OTDR儀器中使用的單脈沖OTDR技術，光發射器發送一個短脈沖到待測光纖，然后光接收器接收從待測光纖返回的OTDR信號，同時為提高信噪比，需要多次重復以上過程，然后對所得數據取平均值，最后得到相應的OTDR曲線數據；二是互補正交多脈沖OTDR技術，它采用序列相關技術，對比單脈沖技術，優勢在于可使用較低功率的光發射器，同時可縮短檢測的時間，提高檢測的效率。

（2）上行波長方案

上行波長方案充分利用原來光模塊的光接收器，需要在光模塊中增加一個上行光發射器，專門發射OTDR的測試光。由于重用了原有光模塊的器件，同時增加的光發射器的成本較低，因此該方案的總體成本較低。如果采用傳統的單脈沖OTDR技術，技術難度也較低，容易實現。

但是上行波長方案OTDR測試時需要占用上行帶寬，要依賴OLT調度OTDR的測試時隙，測試時間較長。

（3）下行波長方案

下行波長方案采用下行光波長作為OTDR的檢測光波長，重用原來的光發射器，即在下行數據上調制一定幅度的OTDR的信號，同時需要增加一個下行光波長的光接收器接收返回的測試信號。下行波長方案的調制技術有兩種：一是正弦波調制，在原有的下行數字化數據上加了一個低頻正弦波的調制；二是編碼序列調制，在原有的下行光信號基礎上調制偽隨機編碼序列，在接收端采用相關運算恢復OTDR測試數據，編碼序列調制是在正弦波調制基礎上的改進，利用偽隨機編碼序列的方法減少了噪聲對信號的影響，提高了信噪比。但是由于下行波長方案中OTDR的信號是加載在下行通信光上的，需要占用下行通信光的功率預算，并且對發光功率、眼圖、抖動等有影響，ONU（optical network unit，光網絡單元）的靈敏度和發送抖動也都會隨著劣化。為了減輕對下行通信光影響，需要增加下行通信光的功率或者控制OTDR測試信號調制幅度。

以上3種不同波長方案的PON端口內置OTDR技術由于實現原理不同，導致成本、性能等有所差異。表1簡單總結了這幾種方案的優劣，并在性能和網絡升級方面進行了分析比較。

2.3 器件成本分析

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

由于3種波長方案的PON端口內置OTDR在實現上的差異，它們在成本上也稍有差異，表2給出了小規模商用下（約100萬個PON端口）3種方案的成本估算，非通信波長方案增加了兩個光器件，所以相比其他內置方案成本略高。預計大規模商用后，PON端口內置方案OTDR芯片以及其他器件成本有望進一步降低，估計每個PON端口可以再降低160元左右。

3 基于PON端口內置OTDR的PON系統

3.1 系統架構

基于PON端口內置OTDR的PON系統架構和各個模塊連接如圖1所示，在該架構中除了原來PON系統中的EMS、OLT、ODN（optical distribution network，光分配網絡）

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

表1 PON端口內置OTDR方案的比較

表2 成本分析比較

圖1 基于PON端口內置OTDR的PON系統架構

其中，PON ODN測試診斷模塊可以存在于運營商的OSS（operation support system，運營支撐系統）或其他系統中，也可以獨立存在，主要功能是實現PON的光層參數測試診斷和OTDR測試診斷，能夠綜合光層參數測試和OTDR測試的結果分析PON健康狀態，定位網絡故障和找到故障原因。

OTDR管理模塊內置在EMS中，這樣就可以不用單獨外設服務器，只要在EMS里進行軟件升級就可以實現快速部署。OTDR管理模塊的主要功能在于：OTDR管理模塊實現對OLT中所有的OTDR功能模塊包括OTDR功能模塊的測試能力、配置和狀態等方面的管理；另外，OTDR管理模塊通過北向接口L與PON ODN測試診斷模塊通信，接收來自PON ODN測試診斷模塊的查詢和測試命令，然后命令OTDR功能模塊對PON端口下待測ODN進行測試，測試完畢后從OTDR功能模塊中獲取相關OTDR測試數據進行分析處理，并向PON ODN測試診斷模塊發送處理后的測試結果數據。

OTDR功能模塊實現對ODN鏈路的OTDR測試，完成測試后把測試數據返回給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端口內置OTDR的PON系統架構中，OTDR功能模塊是由OTDR控制單元、OTDR處理單元和OTDR測試單元組成。

·OTDR控制單元是在OLT設備中管理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測試原始數據。

·OTDR處理單元的主要功能是接收OTDR控制單元的指令，啟動OTDR測試以及處理由OTDR測試單元傳送的OTDR信號，生成OTDR原始采樣數據，并將該數據傳輸給OTDR控制單元。

·OTDR測試單元的主要功能是發射測試信號以及采集OTDR返回信號，主要由OTDR測試信號發射器件和接收器件組成。

基于PON端口內置OTDR的PON系統架構的接口定義如下。

·B接口：PON ODN測試診斷模塊與EMS通過B接口相互關聯。B接口應支持從PON ODN測試診斷模塊下發PON設備信息查詢、告警查詢和OTDR測試等命令到EMS，從EMS返回結果以及EMS自動上報的相關告警信息。

·C接口：EMS對OLT設備的管理接口。

·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、配置、狀態和模塊故障信息等；OTDR管理模塊啟動OTDR功能模塊進行OTDR測試并獲取初步測試結果。

·L接口：PON ODN測試診斷模塊與OTDR管理模塊之間的接口，實現兩個模塊間OTDR數據傳輸，尤其完成OTDR測試時，OTDR管理模塊傳遞分析后的測試結果文件到PON ODN測試診斷模塊。

·K接口：OLT中的OTDR控制單元與OTDR處理單元的接口，負責傳輸OTDR查詢命令、測試命令和測試完成后的原始數據等。

3.2 工作流程

PON端口內置OTDR在PON系統架構中的工作流程如下。

PON ODN測試診斷模塊自動或者由用戶或外部系統觸發啟動OTDR測試，通過EMS中的OTDR管理模塊向OLT發出光纖檢測的命令，OLT中的OTDR控制單元接收該命令，同時通過MAC芯片向光模塊轉發該命令，光模塊接收到該命令后進行OTDR的檢測和數據處理，完成后把測試結果返回給OLT的OTDR控制單元，OLT再通過EMS的OTDR管理模塊轉發給PON ODN測試診斷模塊，PON ODN測試診斷模塊對該測試結果評估是否需要繼續檢測或結束這次檢測，然后將結論通過EMS通知OLT，如果OLT得到繼續檢測的命令，就重復以上步驟；如果OLT得到結束檢測的命令，就通知光模塊關閉OTDR功能，使其處于待定的狀態，等待下一次啟動命令。

3.3 方案應用中的考慮和建議

3.3.1 OTDR測試性能

運營商選擇PON端口內置OTDR技術的考慮因素，除了包括可接受的成本外，還包括要滿足運營商級OTDR檢測性能。

PON組網復雜，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等，通常這些故障在OTDR測試中表現為OTDR檢測的反射和衰減事件。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PON端口內置OTDR的要求如下。

（1）測試時間：應能夠在有限測試時間內（快速測試是3 min內，較長測試是30 min內）完成一定程度的反射事件和衰減事件的檢測。太長的測試時間難以被運營商接受，不滿足運維中對故障快速響應的要求。

（2）OTDR應該能夠檢測的反射事件如下。

·回波損耗為60 dB反射事件（95%斷纖：實驗室實驗中95%斷纖處的回波損耗在60 dB以內，能夠監測60 dB的反射事件，代表能夠檢測至少95%的斷纖問題），同時OTDR與該反射事件之間的ODN衰減為10 dB（約相當于ODN中20 km光纖和4個連接器損耗的總和）。OTDR檢測該事件的能力相當于OTDR能夠檢測距離OLT 20 km以內的主干上至少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OTDR與該反射事件之間的ODN衰減21 dB（相當于ODN中20 km光纖和1∶8分光器和連接器損耗的總和）。OTDR檢測回波損耗51 dB的反射事件的能力，相當于OTDR能夠檢測距離OLT 20 km以內、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場景下，檢測到41 dB的反射事件的事件分辨率應該比檢測51 dB的反射事件高。

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

（3）應該能夠檢測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。

總的來說，只有PON端口內置OTDR具備以上的檢測能力，才能夠適用于實際PON的建設運維。

3.3.2 限制設備、通信業務影響的要求

OTDR是內置在OLT的光模塊中的一部分，除了要滿足以上的測試性能外，還必須要與現有PON規范兼容，不能降低現有PON端口物理指標以及影響在線業務，因此對各個波長方案的內置OTDR建議如下。

·OLT光模塊在加載了OTDR測試信號后，光模塊的附加功耗應不大于1 W。

·當OLT光模塊內置OTDR采用上行通信波長時，OTDR測試對PON系統上行帶寬的占用率應可配置，建議不大于20%，OTDR測試優先級的缺省值應低于通信業務，但可根據需要提高OTDR測試優先級。

·當OLT光模塊內置OTDR采用下行通信波長時，OTDR測試信號調制度應可配置，調制度精度應不大于5%；應能選擇合適的調制度，在加載了測試信號后，相關的光接口性能仍滿足相關PON規范的要求，調制度建議不超過10%。

·當OLT光模塊內置OTDR采用非通信波長時，ONU接收機對測試信號的隔離度應不小于30 dB。

4 結束語

PON端口內置OTDR是一種新興的光鏈路檢測技術，能幫助運營商及其他最終用戶節省相當大的維護成本。目前，該技術還處于快速發展中，各種波長方案的OTDR光模塊已經出現，技術能力能夠滿足基本的運維需求，但是在ODN中動態范圍、事件分辨率、檢測時間等OTDR檢測能力參數有待進一步提高，特別是對入戶光纖的衰減和反射事件的檢測能力有待進一步增強。

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