歐月華,任 艷
(中國電信股份有限公司廣州研究院 廣州 510630)
隨著FTTx大規(guī)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。
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。
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(fā)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(tǒng)OTDR儀器中使用的單脈沖OTDR技術,光發(fā)射器發(fā)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(yōu)勢在于可使用較低功率的光發(fā)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(fā)射器,專門發(fā)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(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,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(fā)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(fā)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(fā)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(yōu)劣,并在性能和網絡升級方面進行了分析比較。
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(yōu)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(guī)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(guī)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。
基于PON端口內置OTDR的PON系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng))或其他系統(tǒng)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(tài),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(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(fā)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(tǒng)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(fā)射測試信號以及采集OTDR返回信號,主要由OTDR測試信號發(fā)射器件和接收器件組成。
基于PON端口內置OTDR的PON系統(tǒng)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(lián)。B接口應支持從PON ODN測試診斷模塊下發(fā)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(tài)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。
PON端口內置OTDR在PON系統(tǒng)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(tǒng)觸發(fā)啟動OTDR測試,通過EMS中的OTDR管理模塊向OLT發(fā)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(fā)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(fā)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(xù)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(xù)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(tài),等待下一次啟動命令。
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(jiān)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(yè)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(guī)范兼容,不能降低現有PON端口物理指標以及影響在線業(yè)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(tǒng)上行帶寬的占用率應可配置,建議不大于20%,OTDR測試優(yōu)先級的缺省值應低于通信業(yè)務,但可根據需要提高OTDR測試優(yōu)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(guī)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。
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(jié)省相當大的維護成本。目前,該技術還處于快速發(fā)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(tài)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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