OTDR應用于PON ODN測試與診斷分析

歐月華，任艷

（中國電信股份有限公司廣州研究院，廣東 廣州 510630）

OTDR應用于PON ODN測試與診斷分析

歐月華，任艷

（中國電信股份有限公司廣州研究院，廣東 廣州 510630）

光寬帶的規模建設帶來了接入網光纖光纜的海量建設，大建設應用后重點在于光網運營維護管理，因而高效的光網檢測手段及其相關的靈活應用方式非常重要。在分析ODN組網基礎上，研究OTDR應用于ODN的測試能力，重點分析了OTDR測試中ODN關鍵事件的特征，同時根據ODN建設模式和OTDR檢測缺點，針對性提出了相關應用方案。

ODN；OTDR；回波損耗；衰減事件

1 引言

FTTx（fiber to the x，光纖接入）規模發展后的一個重要問題就是要保證PON（passive optical network，無源光纖網絡）中ODN（optical distribution network，光配線網絡）的質量，主要是需要保證光纖光纜、光分路器指標以及各種接續的正常，從而保證光路健康。但是ODN中引入的高損耗光分路器、點到多點的ODN拓撲結構以及復雜的ODN部署環境等因素都增加了光纖故障測試與診斷的難度。因此必須要引入 OTDR （optical time domain reflectometer，光時域反射儀）測試，實現ODN自動測試診斷，利用OTDR系統啟動遠程測試，實現ODN故障點的檢測定位和原因分析，減少故障處理時間，提高測試效率和線路維護質量。

2 接入網ODN組網分析

ODN是PON的重要組成部分，負責建立從OLT（optical line terminal，光線路終端）到ONU（optical network unit，光網絡單元）之間端到端的信息傳送光通道，完成OLT和ONU之間的信息傳輸和分發。從功能劃分，ODN主要包括5個部分：饋線段、光纜分配點、配線段、光纜接入點和入戶段，如圖1所示。通常地，ODN中的饋線段一般距離約3 km，配線段距離約1 km（光纜接入點放置在樓宇比小區要預留更長），入戶段距離不大于1 km。

圖1 ODN基本結構及分光模式

PON ODN多為點到多點的樹型拓撲結構，主要有兩種典型的分光模式：一種為一級分光，PON系統只經過1級光分路器分光至各個ONU；另外一種為二級分光，每個PON系統經過兩個級聯的光分路器分光至各個ONU。在國內大城市用戶密度比較高的場景中，對于一級分光的模式，如果是用于FTTH（fiber to the home，光纖到戶），光分路器（使用1∶64分光比）多數放于小區接入點；對于二級分光模式，多數為1∶4的光分路器級聯1∶16光分路器的模式或者兩個1∶8的光分路器級聯的模式，一級光分路器放于小區或者樓宇里的接入點，二級光分路器放于樓層的接入點。

3 OTDR應用于ODN的能力分析

3.1 OTDR執行的主要測量

OTDR執行的主要測量功能包括光纖距離、插入損耗和回波損耗的測量。

·光纖距離的測量：OTDR可以實現測量ODN中任意給定兩事件點（包含測試起點）之間的相對單向距離。

·插入損耗的測量：在動態范圍內，OTDR可以實現測量ODN光纖鏈路的總損耗、ODN任意兩點間損耗、每段光纖的平均損耗、熔接點的熔接損耗、活動連接點的連接損耗、光分路器的損耗以及其他原因（如光纖彎曲）導致的損耗等。

·回波損耗的測量：OTDR可以實現測量光纖鏈路上各接續點（如活動連接點）和斷纖等事件的回波損耗。

3.2 OTDR捕捉到的ODN主要事件分析

OTDR的基本原理是光的瑞利散射和菲涅爾反射，如果檢測ODN鏈路時背向瑞利散射有明顯變化或者檢測到菲涅爾反射，則判斷ODN上出現相關衰減事件或者反射事件。

在ODN上，OTDR能夠檢測的主要衰減事件或反射事件包括：光纖宏彎、光分路器、光纖連接與連接器開路、反射器和斷纖事件等，通過具體分析OTDR檢測ODN的這些事件，可以進一步完善OTDR測試中的事件特征以便存儲在數據庫中留檔，這樣每次測試中將測試結果對比參考測試曲線以及關聯數據庫中相應的事件特征，判斷ODN發生的具體事件和異常。

（1）光纖宏彎

在建設ODN中，某些情況可能會造成光纖宏彎：光纖路由轉彎和鋪設光纜的施工；ODN施工需要預留的光纖光纜；接頭盒光纖的盤留、機房及設備內尾纖的盤繞等。

光纖的宏彎會造成宏彎損耗，光纖的宏彎損耗是OTDR檢測的衰減事件的一種。OTDR只要捕捉該段光纖彎曲前和彎曲后背向瑞利散射光功率的變化，就能確定宏彎損耗的大小，OTDR測試曲線如圖2所示。光纖的宏彎損耗跟OTDR檢測波長有關，它隨著檢測波長增大明顯變大，也就是說波長較長的OTDR測試光對光纖中的彎曲事件比較敏感，能較容易和精確地測量光纖的彎曲程度。

圖2 OTDR曲線上的宏彎損耗測試曲線

（2）光分路器

光分路器部署在OLT和ONU之間，是ODN中將光信號從一條光纖分配到多條光纖的核心器件同時是ODN中插入損耗比較大的無源器件，它的性能優劣直接影響到PON系統通信的傳送質量，因此需要嚴格監控光分路器的衰減和回波損耗，從而保證光路的健康。

外置OTDR的動態范圍是30～40 dB，內置OTDR光模塊的動態范圍是10～20 dB，光分路器尤其大分光比光分路器的插入損耗（1∶8光分路器插入損耗約10 dB）占據一大部分動態范圍，對OTDR來說光分路器是一個大衰減事件。另外多分支輸出也給OTDR測試帶來了挑戰，光分路器分支后的OTDR測試曲線由多路分支的背向瑞利散射重疊組成，會造成衰減測試的復雜性和不準確。因此，如果OTDR測試光從OLT端發射，通過檢測返回的測試光信號較容易判斷光分路器之前ODN光路的衰減和反射，但是光分路器后的分支光路的衰減一般很難檢測，只能檢測ODN中的反射事件。從圖3可知，光分路器之前的OTDR的曲線斜率很明顯，也能檢測光纖活動連接器的反射和損耗，經過光分路器的衰減之后曲線就已經變成了噪聲，只能夠檢測ONU端的反射。

（3）光纖連接與連接器開路

在ODN的光路上光纖連接主要有幾種形式：光纖活動連接器（UPC（ultra physical contact，超級物理接觸）和APC（angle physical contact，角度物理接觸）類型）、直接熔接以及入戶光纖可能用到機械連接，比如光纖現場連接器、冷接子。幾種光纖連接方式的插入損耗和回波損耗指標見表1。光纖現場連接器（UPC、APC型）的插入損耗和回波損耗和對應類型的光纖活動連接器相差不多。

表1 幾種光纖連接方式的插入和回波損耗

圖3 OTDR曲線上光分路器的檢測

在OTDR檢測中，這些連接方式的回波損耗指標可以對應到OTDR上的反射峰，回波損耗越大，反射峰越低。連接起來的UPC/APC連接器、熔接、冷接子的回波損耗比開路UPC連接器回波損耗大很多，那么對應到OTDR的反射峰會弱很多，基本在OTDR曲線上很難觀察到，而ODN線路上大部分UPC連接器斷開時候斷面的反射峰則可以被OTDR檢測到。除此以外，主流廠商的OTDR測試儀表，OTDR檢測曲線基本能夠做到0．1 dB以上的衰減事件分辨率，因此ODN主干上的連接的APC和UPC連接器插入損耗在理論上可以檢測到，其反射和衰減的OTDR曲線如圖4所示。

圖4 OTDR曲線上光纖活動連接器的衰減和反射

（4）反射器

如果想要增強ODN中某檢測位置的反射，可選擇在該檢測位置（比如ONU上行口處）部署OTDR測試光的反射器。反射器的功能主要是反射 OTDR測試波長（1 640～1 660 nm）的入射光，但是對PON通信波長的光（1 260～1 610 nm）則很好地通過。

目前大部分反射器對 OTDR測試光的回波損耗可以做到指標小于 3 dB，比開路的 UPC連接器（回波損耗14 dB）的反射峰高度高出不少，反射器在OTDR測試曲線上的反射峰能明顯辨認。利用反射器此特性，可以增強反射檢測靈敏度，在需要清楚識別定位的地方部署OTDR的反射器，下文會繼續介紹OTDR在測試過程配合利用反射器實現一定的檢測需求。

（5）斷纖事件

光纖的斷纖情況比較復雜，因為不同情況下斷纖會造成不一樣的斷面，從而造成不一樣的斷纖回波損耗，比如垂直斷面的斷纖（完美切斷），理論回波損耗是14 dB（相當于開路的干凈的UPC連接器的回波損耗）。另外斷面的回波損耗除了根據斷面情況變化，同時隨時間變化（斷面在空氣中污損等）具有不穩定性。

以下通過實驗去分析評估斷纖造成的回波損耗在OTDR測試中的情況：實驗中斷纖故障由人手進行光纖彎曲折斷或由利器剪斷或切斷，對873次斷纖故障的回波損耗值進行檢測并且統計，如圖5所示。從圖5中可以看出，50%的斷纖故障的回波損耗值小于或等于40 dB，90%的斷纖故障的回波損耗值小于或等于51 dB，95%以上的斷纖故障的回波損耗值小于或等于60 dB。

圖5 斷纖故障回波損耗值統計分布

4 OTDR的應用與影響分析

4.1 OTDR技術挑戰

對于OTDR（包括各種從OLT開始檢測的OTDR形式）來說，ODN中OLT與第一個光分路器之間的線路（包括一級分光和二級分光的場景）比較容易測試和維護，但是對于光分路器后的分支故障檢測較為困難。

·衰減的檢測：一方面會因為光分路器帶來很高的插入損耗占用了一大部分動態范圍，需要有比較大的動態范圍的OTDR測試；另一方面單個分支的衰減檢測受到其他分支的背向散射的影響，衰減非常難檢測。

·反射的檢測：光分路器分支下的反射事件在有些情況下也較難判斷，比如同時發生2個或以上的分支斷纖，無法區分斷纖的歸屬，又或者斷點位置與其他ONU距離重合，需要配合其他檢測形式進一步分析。

4.2 OTDR部署手段

為了解決上述OTDR檢測上的一些難題以及滿足大部分ODN應用場景需求，介紹相關的部署方式以及在此基礎上的優化。

為了不影響用戶和相關通信業務，一般在OLT端部署OTDR相關測試設備，此方案中，OTDR測試信號需要穿透大分光比的光分路器才能夠測試配線光纜和入戶光纜，OTDR距離用戶端的距離最遠，因此需要性能較好的OTDR（動態范圍大、分辨率高、盲區小）。

外置獨立OTDR技術相對比較成熟，動態范圍比較大，如果在全網PON ODN部署光纖測試系統，可優先部署外置獨立OTDR。外置獨立OTDR需要提供獨立電源，也只能適合在機房部署。在機房布線中將OLT的PON端口連接合波器，再通過光開關連接到OTDR測試口。

OLT端部署OTDR可進一步通過以下方式進行優化。

（1）通過OTDR+反射器判斷節點故障

·可以進一步縮短差分距離，使用OTDR識別用戶端分支都需要對用戶端進行光纖距離差分部署，反射器部署在ONU位置，可以通過增強該處的反射將差分距離縮短，目前OTDR可以檢測差距5 m的ONU分支，加入反射器后，有望將差分距離縮短至3 m內，大大減輕工程部署的難度。

· 增強反射信息，更清晰識別檢測點位置。

·對于主干/配線光纖、樓內光纖、用戶室內光纖故障維修手段不同，維修的責任人也不同，可以根據運維的需求，通過靈活部署反射器的位置，識別不同的ODN段落，以便出現故障可以明確定位分責。例如：在配線光纖入戶(FTTH)/入大樓(FTTB)前加裝FBG，然后利用OTDR進行測試，將測試數據和基準數據進行比較，可判斷室內/室外、樓內/樓外光纖故障。

·在建立健康檔案，定時開展健康曲線的測量，計算并保存ODN的健康檔案的前提下，在OTDR常規測試中測試和保存反射器的回波損耗和光分路器等的回波損耗，通過計算這些數據的變化來計算分支衰減故障的衰減值。

（2）對于不在線測試，輔助手持OTDR終端

一般來說，光分路器后面的分支尤其是入戶端光纖，對于部署在OLT端性能比較好的外置OTDR都難以穿透檢測，出現故障單憑外置OTDR無法檢測，如果不需要在線檢測，可以拿手持式OTDR終端（為了避免影響上行其他分支通行情況，使用非通信波長OTDR測試）從用戶端往回測，以判斷光分路器分支故障情況。

（3）光開關的位置接在光分路器后（以上兩種形式同樣適用該方式）

OTDR仍然部署在局端機房中，同時在OLT局端機房中如果設置有光分路器時，在分光器后連接合波器。然后再通過光開關接到OTDR。這樣OTDR就可以穿透光分路器測試到光分路器分支的情況。不過這種部署國內很少見，因為國內運營商大多數將光分路器放置在路邊或者小區的光交箱，這時候很難通過光開關和合波器再接OTDR，因為OTDR需要供電，只能放在局端。

4.3 引入OTDR后對ODN的影響

OTDR引入后，為了達到一定的測試效果，需要ODN做一些稍微的改動，這就對 ODN的工程部署產生一些影響。

·ODN入戶光纖規劃和建設的難度增加：如果在OLT端進行OTDR測試，為了定位出每個ONU，需要規劃和建設不同長度的光纖或者在不同位置考慮反射器的部署，這就需要設計和施工規范化。

·ODN局內組網更加復雜：外置獨立式的OTDR部署在局端機房，通過光開關和合波器與測試端口連接，因此使局內光纜連接成倍增長，所以需要建立良好的光纖管理機制。

·需要更精確的資源管理系統位置信息：光纖布線信息與GIS（geographic information system，地理信息系統）的信息結合，多余盤纖要有位置、長度信息，這樣OTDR給出故障的位置（在光纖中的長度）的時候，就可以對應GIS信息，找到具體的物理位置。

·使得ODN的光功率預算降低：使用OTDR測試增加了光開關、合波器、反射器等，相當于引入了約2 dB的插入損耗，計算ODN損耗預算時需要將這部分的損耗考慮進去。

5 結束語

傳統PON ODN引入OTDR測試要結合ODN的實際情況，OTDR在滿足ODN的使用需求情況下，合理部署應用，以實現有效的檢測和診斷，進而提高線路維護質量，減少人力成本，最終提升用戶服務的品質，提高運營商的競爭力。

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Analysis of OTDR applied to test and diagnosis in PON ODN

OU Yuehua,REN Yan
Guangzhou Research Institute of China Telecom Co.,Ltd.,Guangzhou 510630,China

The construction scale of optical broadband network brings the massive construction of the access network optic fibers,and the key point is the operation,the maintenance and the management of the network after the large construction,thus it is very important to use highly efficient detection methods and related flexible application methods.Based on the analysis of ODN,the capability of OTDR applied in ODN was analyzed,and the characteristics of ODN key events in the OTDR test was focused,meanwhile according to OTDR detection shortcomings,relevant OTDR application schemes were suggested.

ODN,OTDR,return loss,attenuation event

TN913.7

A

10.11959/j.issn.1000-0801.2017003

歐月華(1983-)，女，中國電信股份有限公司廣州研究院實驗室運營中心工程師，主要從事 EPON/GPON、10GEPON/XGPON、NGPON2、ODN等FTTH光接入新技術及應用策略研究工作，近期聚焦于ODN監測與故障診斷和接入網光纖智能化管理等。

任艷（1978-），女，中國電信股份有限公司廣州研究院實驗室運營中心工程師，主要從 事 EPON/GPON、10GEPON/XGPON、NGPON2、ODN等FTTH光接入新技術及應用策略研究工作，近期聚焦于接入網光纖智能化管理和ODN監測與故障診斷等。

2016-09-08；

2016-11-14