理论与实践: OLT PON端口内置OTDR技术分析

    作者：郑晓敏

    随着FTTx大规模部署，光纤故障检测需求越来越多，外置OTDR（optical time domain reflectometer，光时域反射仪）的故障检测方法存在种种问题：OTDR仪表和光开关价格昂贵、局端机房布线复杂、与PON (passive opticalnetwork．无源光纤网络）设备不兼容，不能满足大部分PON故障检测低成本和方便管理的需求。为了解决这些问题，把OTDR技术集成在OLT(optical line terminal．光线路终端)PON端口上，即内置OTDR功能的光模块技术应运而生。OLT PON端口内置OTDR，以大大低于外置OTDR的成本尽可能保留了外置OTDR的测量精度，同时简化了局端机房的设备连线，降低了运维成本。

2  0LT PON端口内置OTDR技术

2.1  基本原理

    OLT PON端口内置OTDR技术（以下PON端口内置OTDR均指OLT的PON端口内置OTDR）能支持各种类型的xPON设备，在不影响原有的光模块传输功能的基础上增加OTDR光纤故障检测功能，这样OLT将只需要更换插拔式的具有OTDR的光模块，其他硬件无须改动，同时软件升级即可实现OTDR光纤故障检测功能，其中的OTDR检测基本原理和其他OTDR仪表的原理一样，都是利用光纤后向散射和菲涅尔反射来测量光衰耗和反射事件，从而定位衰减和反射异常。

2.2 3种实现方案及技术比较

    PON端口内置OTDR的实现按照波长划分可以分成3种方案：非通信波长方案、上行波长方案、下行波长方案。下面从实现上对这3种方案进行分析。

    (1)非通信波长方案

    非通信波长方案不重用原有光模块的有源器件．OTDR信号的发射和接收采用非通信波长(1 625 nm/1 650 nm)的独立器件，因此在线测试就可以避免影响正常的通信信号，但由于增加了两个新的器件，光模块的封装难度较高并且成本略高。

    在脉冲技术实现上，非通信波长方案主要有两种方法：一是采取传统OTDR仪器中使用的单脉冲OTDR技术，光发射器发送一个短脉冲到待测光纤，然后光接收器接收从待测光纤返回的OTDR信号，同时为提高信噪比，需要多次重复以上过程，然后对所得数据取平均值，最后得到相应的OTDR曲线数据；二是互补正交多脉冲OTDR技术，它采用序列相关技术，对比单脉冲技术，优势在于可使用较低功率的光发射器，同时可缩短检测的时间，提高检测的效率。

    (2)上行波长方案

    上行波长方案充分利用原来光模块的光接收器，需要在光模块中增加一个上行光发射器，专门发射OTDR的测试光。由于重用了原有光模块的器件，同时增加的光发射器的成本较低，因此该方案的总体成本较低。如果采用传统的单脉冲OTDR技术，技术难度也较低，容易实现。

    但是上行波长方案OTDR测试时需要占用上行带宽，要依赖OLT调度OTDR的测试时隙，测试时间较长。

    (3)下行波长方案

    下行波长方案采用下行光波长作为OTDR的检测光波长，重用原来的光发射器，即在下行数据上调制一定幅度的OTDR的信号，同时需要增加一个下行光波长的光接收器接收返回的测试信号。下行波长方案的调制技术有两种：一是正弦波调制，在原有的下行数字化数据上加了一个低频正弦波的调制；二是编码序列调制，在原有的下行光信号基础上调制伪随机编码序列，在接收端采用相关运算恢复OTDR测试数据，编码序列调制是在正弦波调制基础上的改进，利用伪随机编码序列的方法减少了噪声对信号的影响，提高了信噪比。但是由于下行波长方案中OTDR的信号是加载在下行通信光上的，需要占用下行通信光的功率预算，并且对发光功率、眼图、抖动等有影响，ONU（optical network unit，光网络单元）的灵敏度和发送抖动也都会随着劣化。为了减轻对下行通信光影响，需要增加下行通信光的功率或者控制OTDR测试信号调制幅度。

以上3种不同波长方案的PON端口内置OTDR技术由于实现原理不同，导致成本、性能等有所差异。表1简单总结了这几种方案的优劣，并在性能和网络升级方面进行了分析比较。

2.3器件成本分析

    外置OTDR的成本受光开关和合波器的成本影响较大，而且端口越多光开关和合波器的成本就越大，PON端口内置OTDR技术不需要采用光开关和合波器，因此相比外置OTDR，它的成本优势在于可以避免光开关和合波器的开销，主要在于芯片、新器件增加以及原有器件调整和模块封装等成本。

由于3种波长方案的PON端口内置OTDR在实现上的差异，它们在成本上也稍有差异，表2给出了小规模商用下（约100万个PON端口）3种方案的成本估算，非通信波长方案增加了两个光器件，所以相比其他内置方案成本略高。预计大规模商用后，PON端口内置方案OTDR芯片以及其他器件成本有望进一步降低，估计每个PON端口可以再降低160元左右。

3基于PON端口内置OTDR的PON系统

3.1  系统架构

基于PON端口内置OTDR的PON系统架构和各个模块连接如图1所示，在该架构中除了原来PON系统中的EMS、OLT、ODN（optical distribution network，光分配网络）和ONU外，主要增加PON ODN测试诊断模块、OTDR管理模块（内置在EMS中）和OTDR功能模块（内置在OLI中，其中光模块具备OTDR能力）。

    其中，PON ODN测试诊断模块可以存在于运营商的OSS (operation support system，运营支撑系统)或其他系统中，也可以独立存在，主要功能是实现PON的光层参数测试诊断和OTDR测试诊断，能够综合光层参数测试和OTDR测试的结果分析PON健康状态，定位网络故障和找到故障原因。

    OTDR管理模块内置在EMS中，这样就可以不用单独外设服务器，只要在EMS里进行软件升级就可以实现快速部署。OTDR管理模块的主要功能在于：OTDR管理模块实现对OLT中所有的OTDR功能模块包括OTDR功能模块的测试能力、配置和状态等方面的管理；另外，OTDR管理模块通过北向接口L与PON ODN测试诊断模块通信，接收来自PON ODN测试诊断模块的查询和测试命令，然后命令OTDR功能模块对PON端口下待测ODN进行测试，测试完毕后从OTDR功能模块中获取相关OTDR测试数据进行分析处理，并向PON ODN测试诊断模块发送处理后的测试结果数据。

    OTDR功能模块实现对ODN链路的OTDR测试，完成测试后把测试数据返回给o'rDR管理模块，确定光纤的损耗、光纤链路上的反射事件和衰减事件等。在基于PON端口内置OTDR的PON系统架构中，OTDR功能模块是由OTDR控制单元、OTDR处理单元和OTDR测试单元组成。

    ·OTDR控制单元是在OLT设备中管理OTDR处理单元的软件单元，其基本功能是管理和控制OTDR处理单元以及处理OTDR测试原始数据。

    ·OTDR处理单元的主要功能是接收OTDR控制单元的指令，启动OTDR测试以及处理由OTDR测试单元传送的OTDR信号，生成OTDR原始采样数据，并将该数据传输给OTDR控制单元。

    ·OTDR测试单元的主要功能是发射测试信号以及采集OTDR返回信号，主要由OTDR测试信号发射器件和接收器件组成。基于PON端口内置OTDR的PON系统架构的接口定义如下。

    ·B接口：PON ODN测试诊断模块与EMS通过B接口相互关联。B接口应支持从PON ODN测试诊断模块下发PON设备信息查询、告警查询和OTDR测试等命令到EMS，从EMS返回结果以及EMS自动上报的相关告警信息。

    ·C接口：EMS对OLT设备的管理接口。

    ·D接口：OLT PON端口与ODN之间的接口，是物理接口。

    ·E接口：ODN与ONU PON端口之间的接口，是物理接口。

    ·I接口：OTDR管理模块与OTDR功能模块之间的接口。OTDR管理模块通过I接口查询和获取OTDR功能模块能力参数、配置、状态和模块故障信息等；OTDR管理模块启动OTDR功能模块进行OTDR测试并获取初步测试结果。

    ·L接口：PON ODN测试诊断模块与o'rDR管理模块之间的接口，实现两个模块间OTDR数据传输，尤其完成OTDR测试时，OTDR管理模块传递分析后的测试结果文件到PON ODN测试诊断模块。

    ·K接口：OLT中的OTDR控制单元与OTDR处理单元的接口，负责传输OTDR查询命令、测试命令和测试完成后的原始数据等。

3.2工作流程

    PON端口内置OTDR在PON系统架构中的工作流程如下。

    PON ODN测试诊断模块自动或者由用户或外部系统触发启动OTDR测试，通过EMS中的OTDR管理模块向OLT发出光纤检测的命令，OLT中的OTDR控制单元接收该命令，同时通过MAC芯片向光模块转发该命令，光模块接收到该命令后进行OTDR的检测和数据处理，完成后把测试结果返回给OLT的OTDR控制单元，OLT再通过EMS的OTDR管理模块转发给PON ODN测试诊断模块,PONODN测试诊断模块对该测试结果评估是否需要继续检测或结束这次检测，然后将结论通过EMS通知OLT,如果OLT得到继续检测的命令，就重复以上步骤；如果OLT得到结束检测的命令，就通知光模块关闭OTDR功能，使其处于待定的状态，等待下一次启动命令。

3.3方案应用中的考虑和建议

3.3.1 0TDR测试性能

    运营商选择PON端口内置OTDR技术的考虑因素，除了包括可接受的成本外，还包括要满足运营商级OTDR检测性能。

    PON组网复杂，故障类型较多，主要故障包括光纤断裂或被压碎、光缆弯曲、连接器污损或连接不当等，通常这些故障在OTDR测试中表现为OTDR检测的反射和衰减事件。本文将反射事件和衰减事件定量化，代表不同程度的光纤断裂、光纤弯曲、连接器开路和连接器污损等问题。

    因此，对PON端口内置OTDR的要求如下。

    (1)测试时间：应能够在有限测试时间内（快速测试是3 min内，较长测试是30 min内）完成一定程度的反射事件和衰减事件的检测。太长的测试时间难以被运营商接受，不满足运维中对故障快速响应的要求。

    (2)OTDR应该能够检测的反射事件如下。

    ·回波损耗为60 dB反射事件（95%断纤：实验室实验中95%断纤处的回波损耗在60 dB以内，能够监测60 dB的反射事件，代表能够检测至少95010的断纤问题），同时OTDR与该反射事件之间的ODN衰减为10 dB（约相当于ODN中20 km光纤和4个连接器损耗的总和）。OTDR检测该事件的能力相当于OTDR能够检测距离OLT 20 km以内的主干上至少95010的断纤故障以及连接器。

    ·回波损耗为41 dB(50%断纤)和51 dB反射事件(900/0断纤)，同时OTDR与该反射事件之间的ODN衰减21 dB（相当于ODN中20 km光纤和1:8分光器和连接器损耗的总和）。OTDR检测回波损耗51 dB的反射事件的能力，相当于OTDR能够检测距离OLT20 km以内、1:8分光器分光后的配线光缆上至少90%的断纤故障。在同样ODN场景下，检测到41 dB的反射事件的事件分辨率应该比检测51 dB的反射事件高。

    ·回波损耗为15 dB反射事件（相当于SC连接器开路时UPC端面的回波损耗），同时OTDR与该反射事件之间的ODN衰减为32 dB（相当于ODN中20 km光纤和1:64分光器和连接器损耗的总和）。OTDR检测该事件的能力相当于OTDR能够检测距离OLT 20 km以内、1:64分光器分光后人户光缆上开路的光纤活动连接器。

    (3)应该能够检测的衰减事件包括主干上衰减0.3 dB及以上的衰减事件，前提是OTDR与该衰减事件之间的ODN链路衰减值加上衰减事件的衰减值小于5 dB。

    总的来说，只有PON端口内置OTDR具备以上的检测能力，才能够适用于实际PON的建设运维。

3.3.2限制设备、通信业务影响的要求

    OTDR是内置在OLT的光模块中的一部分，除了要满足以上的测试性能外，还必须要与现有PON规范兼容，不能降低现有PON端口物理指标以及影响在线业务，因此对各个波长方案的内置OTDR建议如下。

    ·OLT光模块在加载了OTDR测试信号后，光模块的附加功耗应不大于1W。

    ·当OLT光模块内置OTDR采用上行通信波长时，OTDR测试对PON系统上行带宽的占用率应可配置，建议不大于20%，OTDR测试优先级的缺省值应低于通信业务，但可根据需要提高OTDR测试优先级。

    ·当OLT光模块内置OTDR采用下行通信波长时，OTDR测试信号调制度应可配置，调制度精度应不大于5%：应能选择合适的调制度，在加载了测试信号后，相关的光接口性能仍满足相关PON规范的要求，调制度建议不超过10%。

    ·当OLT光模块内置OTDR采用非通信波长时，ONU接收机对测试信号的隔离度应不小于30 dB。

4结束语

PON端口内置OTDR是一种新兴的光链路检测技术，能帮助运营商及其他最终用户节省相当大的维护成本。目前，该技术还处于快速发展中，各种波长方案的OTDR光模块已经出现，技术能力能够满足基本的运维需求，但是在ODN中动态范围、事件分辨率、检测时间等OTDR检测能力参数有待进一步提高，特别是对入户光纤的衰减和反射事件的检测能力有待进一步增强。

5摘要：

伴随着“宽带中国”战略的推进，FTTx大规模部署，同时光纤故障检测需求越来越多，需要一种以较低成本实现PON故障检测，提高运维效率的解决方案。因此，研究了OLT PON端口内置OTDR技术，分析比较了不同波长方案的实现和成本，重点提出了基于PON端口内置OTDR的PON系统架构，给出PON端口内置OTDR技术的测试性能要求以及限制其对设备、通信业务影响的要求，从而使PON端口内置OTDR能够满足运营商的PON运营检测需求，提高运维效率。