分布式光纖傳感技術(shù)與PON的融合

馬彩虹

(武警工程學(xué)院光纖通信實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710086)

光纖可以用于溫度、應(yīng)力、振動(dòng)等多個(gè)參數(shù)的高靈敏度測(cè)量以及安防監(jiān)測(cè)。分布式光纖傳感技術(shù)能夠利用一條光纖實(shí)現(xiàn)大范圍物理量的測(cè)量，還可以與光通信系統(tǒng)共享光纜資源。將分布式光纖傳感技術(shù)融合到通信網(wǎng)中，可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)具有通信和傳感功能的新光纖接入綜合業(yè)務(wù)增值網(wǎng)絡(luò)。文中研究了基于OTDR的分布式光纖傳感技術(shù)以及基于無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)的光接入技術(shù)，提出了將二者融合的具體方案，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的可行性。

1 分布式光纖傳感技術(shù)

1.1 分布式光纖傳感技術(shù)概述

分布式光纖傳感技術(shù)是近年發(fā)展較快的新型傳感技術(shù)，它利用一條光纖作為傳感和傳導(dǎo)介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)大范圍物理量的測(cè)量，可以在整個(gè)光纖長(zhǎng)度上對(duì)沿光纖分布的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，同時(shí)獲得被測(cè)量的空間分布狀態(tài)和隨時(shí)間變化的信息[1]。分布式光纖傳感技術(shù)主要有:基于光纖拉曼散射或布里淵散射的光時(shí)域反射(ROTDR/BOTDR)及頻域反射技術(shù)(ROFDR/BOFDR)、基于光纖瑞利散射的偏振光時(shí)域反射技術(shù)(POTDR)[2]、長(zhǎng)距離光干涉技術(shù)[3-4]以及準(zhǔn)分布式光纖布拉格光柵復(fù)用技術(shù)[5]等。

1.2 OTDR光纖分布式傳感技術(shù)的原理

光在光纖中傳輸時(shí)發(fā)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(shí)，遇到光纖纖芯折射率在微觀上隨機(jī)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(jié)果，這個(gè)傳播的壓力波等效于一個(gè)以一定速度和頻率移動(dòng)的密度光柵，當(dāng)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(shí)，此頻率的散射光強(qiáng)為極大值。拉曼散射是入射光波的一個(gè)光子被一個(gè)聲子散射成為另一個(gè)低頻光子，同時(shí)聲子完成其兩個(gè)振動(dòng)態(tài)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(zhǎng)不發(fā)生變化，而布里淵散射和拉曼散射是光與物質(zhì)發(fā)生非彈性散射時(shí)所攜帶出的信息，散射波長(zhǎng)相對(duì)于入射波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生偏移。

OTDR是通過(guò)瑞利散射和菲涅耳反射的后向光來(lái)獲取檢測(cè)信息的儀器，被廣泛用于檢測(cè)光纖斷點(diǎn)以及其他各種光纖和光網(wǎng)絡(luò)的連接異常。在OTDR系統(tǒng)中，從半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光脈沖注射入光纖的一端，然后用一個(gè)光電探測(cè)器檢測(cè)處理接收的瑞利后向散射光強(qiáng)度，形成一個(gè)后向散射波形圖，如圖1所示。OTDR系統(tǒng)檢測(cè)和定位光傳輸過(guò)程的一些事件，如因固定接續(xù)或光纜彎曲導(dǎo)致的非反射事件以及因活接頭或光纖缺陷導(dǎo)致的菲涅爾反射事件等，都影響了反射光強(qiáng)度，因此后向反射光的各種頻率成分不會(huì)產(chǎn)生干涉強(qiáng)度起伏，OTDR曲線是比較平滑連續(xù)的曲線[7]。

圖1 OTDR測(cè)試曲線

1.3 分布式光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用

分布式光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用涉及民用工程、航天、海洋、電力、石油化工及醫(yī)療等領(lǐng)域。OTDR主要有以下5方面的應(yīng)用:(1)光纖斷點(diǎn)、光纖接頭松動(dòng)等故障查找。(2)測(cè)量光纖長(zhǎng)度。(3)測(cè)量光纖總損耗、平均損耗。(4)測(cè)量連接器、連接點(diǎn)的損耗。(5)測(cè)量連接器的回波損耗。OTDR產(chǎn)品發(fā)展迅速，技術(shù)不斷成熟。目前商用OTDR的最大動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)45 dB，最短盲區(qū)＜1 m，最高采樣分辨率5 cm，各項(xiàng)性能指標(biāo)都能適應(yīng)工程需要[6]。

2 光接入網(wǎng)與PON

2.1 PON的概念與分類

光接入網(wǎng)是共享相同網(wǎng)絡(luò)側(cè)接口并由光接入傳輸系統(tǒng)所支持的接入鏈路群，也稱為光纖環(huán)路系統(tǒng)。ITU-T G.982建議提出的關(guān)于光接入網(wǎng)功能參考配置如圖2所示。

圖2 光接入網(wǎng)功能參考配置圖

圖中OLT(Optical Line Terminal)為光線路終端，位于接入網(wǎng)的局端，其作用是為光接入網(wǎng)提供網(wǎng)絡(luò)側(cè)和本地交換機(jī)之間的接口，并通過(guò)光分配網(wǎng)(ODN:Optical Distribution Network)與用戶端的光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU:Optical Network Unit)通信，分離交換與非交換業(yè)務(wù)，管理來(lái)自O(shè)NU的信令和監(jiān)控業(yè)務(wù)，為ONU提供維護(hù)和指配功能。ODN的作用是在一個(gè)OLT和一個(gè)或多個(gè)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(wǎng)提供直接或遠(yuǎn)端的用戶端接口，位于ODN的用戶側(cè)，終結(jié)來(lái)自O(shè)DN的信息，處理光信號(hào)并為若干用戶提供業(yè)務(wù)接口，完成光/電轉(zhuǎn)換功能，以及對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的數(shù)模轉(zhuǎn)換、信號(hào)處理、復(fù)用、維護(hù)管理等功能。

光接入網(wǎng)根據(jù)OLT到各ONU之間是否含有有源設(shè)備，可劃分為無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)PON(Passive Optical Network)和有源光網(wǎng)絡(luò)AON(All Optical Network)。由于PON中不包含任何有源器件，且具有價(jià)格低、安裝、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，因而成為最有效的光接入網(wǎng)解決方案。

PON接入技術(shù)有異步傳輸模式無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(APON:ATM based PON)，以太網(wǎng)無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(EPON:Ethernet based PON)，吉比特?zé)o源光網(wǎng)絡(luò)(GPON:Gigabit PON)和 WDM無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(WDMPON)幾種。其中EPON是將Ethernet技術(shù)和PON技術(shù)結(jié)合，其目標(biāo)是用簡(jiǎn)單的方式實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)到多點(diǎn)結(jié)構(gòu)吉比特以太網(wǎng)的光纖接入系統(tǒng)，大大節(jié)省光纖用量和管理成本。無(wú)源網(wǎng)絡(luò)設(shè)備代替?zhèn)鹘y(tǒng)的ATM/SONET寬帶接入系統(tǒng)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(shù)目，并且OLT由許多ONU用戶共享。EPON利用以太網(wǎng)技術(shù)，采用標(biāo)準(zhǔn)以太幀，無(wú)須任何轉(zhuǎn)換就可以承載目前的主流業(yè)務(wù)。因此，EPON簡(jiǎn)單、高效、建設(shè)費(fèi)用低、維護(hù)費(fèi)用低，是適合寬帶接入網(wǎng)需求的技術(shù)[8]。

2.2 EPON的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

以太網(wǎng)無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(EPON)采用單點(diǎn)到多點(diǎn)結(jié)構(gòu)的單纖雙向光接入網(wǎng)，其典型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。PON是指在OLT和ONU之間的ODN沒(méi)有任何有源電子部件的光接入網(wǎng)，ODN全部由無(wú)源光分束器(POS:Passive Optica Splitter)等無(wú)源器件組成。OLT放置于中心機(jī)房，ONU為用戶端設(shè)備。ODN由分光器連接OLT和ONU，負(fù)責(zé)分發(fā)下行數(shù)據(jù)并集中上行數(shù)據(jù)，完成光信號(hào)功率分配和波長(zhǎng)復(fù)用等功能。POS是個(gè)簡(jiǎn)單器件，不需要電源，可以置于全天候的環(huán)境中，分束量一般為2、4或8，可以多級(jí)連接。ONU為網(wǎng)絡(luò)提供用戶側(cè)的接口，完成下行光到電、上行電到光的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)各類業(yè)務(wù)的接入。OLT既是一個(gè)交換機(jī)或路由器，又是一個(gè)多業(yè)務(wù)提供平臺(tái)，提供面向PON的光纖接口以及面向Internet的上聯(lián)口。另外，OLT還可以針對(duì)用戶的不同要求進(jìn)行帶寬分配、網(wǎng)絡(luò)安全和管理配置。

圖3 EPON的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.3 EPON的關(guān)鍵技術(shù)

EPON系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括測(cè)距、系統(tǒng)同步、QoS以及動(dòng)態(tài)帶寬分配等[8]。

(1)測(cè)距。在EPON中，上下行傳輸采用不同的技術(shù)，下行采用TDM傳輸方式，上行傳輸采用TDMA傳輸方式。PON系統(tǒng)在下行方向采用TDM的廣播方式，由各個(gè)ONU判斷屬于自己的信息，因此下行方向不會(huì)有時(shí)隙沖突。但對(duì)于上行方向，由于不同光支路的路徑長(zhǎng)短不同而有可能同時(shí)到達(dá)光合路器從而造成沖突，就會(huì)引發(fā)大量誤碼或同步丟失。為避免這種情況發(fā)生，必須測(cè)得OLT到ONU的時(shí)延即測(cè)距，以安排各ONU上行時(shí)隙以保證它們不重疊復(fù)用。因此測(cè)距的目的是補(bǔ)償因ONU與OLT之間的距離不同而引起的傳輸實(shí)驗(yàn)差異，使所有ONU感覺(jué)到與OLT的邏輯距離相同。

(2)系統(tǒng)同步。由于EPON為多點(diǎn)到單點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，上行過(guò)程中，每個(gè)ONU的發(fā)送時(shí)隙必須與OLT分配的時(shí)隙保持一致，以防止各個(gè)ONU上行數(shù)據(jù)發(fā)生碰撞，因此，ONU側(cè)的時(shí)鐘應(yīng)與OLT側(cè)的時(shí)鐘同步。EPON系統(tǒng)采用時(shí)間戳方式進(jìn)行系統(tǒng)同步。

(3)動(dòng)態(tài)帶寬分配。在EPON系統(tǒng)中的上行方向，所有ONU共享同一個(gè)傳輸通道。這樣，就需要一個(gè)MAC仲裁機(jī)制給各個(gè)ONU分配一定的上行時(shí)隙，以避免不同ONU上行數(shù)據(jù)流產(chǎn)生碰撞。即需要有優(yōu)秀的帶寬分配算法使OLT公平地分配帶寬，并且保證不同業(yè)務(wù)的QoS和高帶寬利用率。常規(guī)的靜態(tài)帶寬分配算法不能滿足網(wǎng)內(nèi)負(fù)載的不均衡性，并造成帶寬的浪費(fèi)，為此EPON中采用動(dòng)態(tài)帶寬分配算法，能根據(jù)ONU突發(fā)業(yè)務(wù)的要求，實(shí)時(shí)改變ONU的上行帶寬分配方案。

(4)QoS。EPON作為一項(xiàng)接入網(wǎng)技術(shù)，必須能支持以太網(wǎng)中各類通信業(yè)務(wù)不同的QoS要求，包括數(shù)據(jù)、視頻和語(yǔ)音等綜合業(yè)務(wù)。如何為各類業(yè)務(wù)提供最好的QoS支持，特別是保障實(shí)時(shí)及時(shí)延敏感型業(yè)務(wù)的QoS已成為當(dāng)前EPON技術(shù)研究的熱點(diǎn)。EPON系統(tǒng)中通常采取引入業(yè)務(wù)分級(jí)機(jī)制和ONU內(nèi)優(yōu)先級(jí)隊(duì)列調(diào)度機(jī)制實(shí)現(xiàn)QoS的要求。

3 分布式光纖傳感技術(shù)與EPON的融合

將分布式光纖傳感技術(shù)融入到以太網(wǎng)光纖無(wú)源接入網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障診斷，并引入安防功能，使無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)成為具有網(wǎng)絡(luò)故障診斷和安防功能以及以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩鄻I(yè)務(wù)綜合網(wǎng)。具體表現(xiàn)在將傳感業(yè)務(wù)引入到EPON中，該方案能保證網(wǎng)絡(luò)升級(jí)的兼容性和平滑性，并利用OLT或者ONU的數(shù)據(jù)接口，將傳感信息融合到通信數(shù)據(jù)中傳輸，以提供增值業(yè)務(wù)。

3.1 融合方案

采用波分復(fù)用(WDM:Wavelength Divided Multiplexer)技術(shù)和窄線寬可調(diào)激光器，將通信光信號(hào)和傳感光信號(hào)同時(shí)送入同一根光纖，這樣可以將具有火險(xiǎn)報(bào)警功能的BODTR、盜險(xiǎn)報(bào)警功能的φ-OTDR[9]業(yè)務(wù)引入到現(xiàn)有EPON中。并且利用OLT的數(shù)據(jù)接口，將探測(cè)到的傳感信息送入OLT中再下行傳輸?shù)絆NU，從而及時(shí)通知用戶并采取相應(yīng)的防火或者防盜措施，避免事故發(fā)生。鑒于目前的光無(wú)源接入網(wǎng)采用不同的上下行通信波長(zhǎng)，因此可調(diào)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(guò)密集波分復(fù)用(DWDM)器將各個(gè)波長(zhǎng)的激光信號(hào)分開(kāi)，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(tǒng)與PON融合方案

可調(diào)激光器產(chǎn)生的窄線寬激光經(jīng)調(diào)制后，EDFA進(jìn)行光信號(hào)放大，與OLT下行信號(hào)一起耦合進(jìn)單模光纖。在ONU端，粗波分復(fù)用器(CWDM)將OLT下行通信信號(hào)和用于傳感的多波長(zhǎng)激光分離，通信信號(hào)進(jìn)入1×N的光分束器后仍進(jìn)行正常傳輸，而多波長(zhǎng)的可調(diào)激光器通過(guò)一個(gè)DWDM進(jìn)一步分離成多個(gè)不同波長(zhǎng)，每一路波長(zhǎng)進(jìn)入一路選定的ONU，可以同時(shí)起到傳感和識(shí)別ONU的作用。每個(gè)ONU的上行信號(hào)和傳感光的后向散射光經(jīng)一個(gè)CWDM分離，其中上行信號(hào)通過(guò)分束器后再經(jīng)過(guò)另兩個(gè)CWDM回傳到OLT;而傳感后向散射光經(jīng)過(guò)DWDM和另兩個(gè)CWDM返回到光傳感終端進(jìn)行后續(xù)信號(hào)處理[7]。傳感信號(hào)處理得到的結(jié)果可用于控制可調(diào)激光器的功率和調(diào)制器的調(diào)制速率等，以自動(dòng)適應(yīng)不同PON的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化傳感信息。同時(shí)通過(guò)將命令信息打包入下行信道，通知ONU客戶進(jìn)行響應(yīng)，比如發(fā)出火警、匪警等。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

光纖傳感系統(tǒng)采用如圖4虛線框內(nèi)所示基于OTDR的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)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(jiān)測(cè)的光纖無(wú)源接入網(wǎng)，實(shí)驗(yàn)僅演示其中兩路分支即CWDM1和CWDM2。可調(diào)諧激光器輸出光信號(hào)波長(zhǎng)分別為1 547.80 nm和1 549.4 nm。所用CWDM共6個(gè)，共2個(gè)通道，其響應(yīng)波長(zhǎng)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(gè)，共4個(gè)通道，響應(yīng)波長(zhǎng)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(zhǎng)度分別為24.70 km和10.54 km。可調(diào)諧激光器發(fā)射波長(zhǎng)為1 547.80 nm時(shí)，設(shè)置D/A卡信號(hào)重復(fù)率為3.2 kHz，脈沖寬度為0.1%，TTL電平輸出;當(dāng)可調(diào)諧激光器發(fā)射波長(zhǎng)為1 549.40 nm時(shí)設(shè)置D/A卡信號(hào)重復(fù)率為5 kHz，脈沖寬度為0.1%。調(diào)節(jié)電光調(diào)制器直流偏置電壓和偏振態(tài)，使調(diào)制輸出光功率最大。光接收機(jī)設(shè)置放大倍數(shù)為30 000。所有的接頭都經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的處理，以減小菲涅爾反射。對(duì)A/D卡采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行16次數(shù)字平均后，繪制出1 547.80 nm和1 549.40 nm時(shí)的OTDR曲線分別如圖4～圖6實(shí)線。當(dāng)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(shí)，測(cè)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(chǎn)生了干涉現(xiàn)象;在大約2.0 km處有一個(gè)較大的強(qiáng)度下降，這是由實(shí)驗(yàn)中CWDM和DWDM插入損耗引起[7]。由此看出該融合系統(tǒng)可以檢測(cè)光纖的故障和損耗點(diǎn)。

為準(zhǔn)確測(cè)試融合網(wǎng)絡(luò)中OTDR光傳感信號(hào)對(duì)PON通信的影響，最后對(duì)通信信道進(jìn)行了眼圖測(cè)試，在通信信道末端加入了S帶放大器和衰減器進(jìn)行ONU接收系統(tǒng)的模擬。調(diào)節(jié)放大器和衰減器，分別測(cè)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(hào)的眼圖，如圖6所示。其中偽隨機(jī)信號(hào)的速率1.25 Gbit·s-1，示波器實(shí)時(shí)采樣率20 GHz。由圖可以看出，1 550 nm附近的OTDR激光信號(hào)對(duì)S帶信號(hào)的光功率和畸變幾乎無(wú)影響。這說(shuō)明融合了OTDR光信號(hào)的融合網(wǎng)絡(luò)，對(duì)PON系統(tǒng)的通信基本無(wú)影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

研究了分布式光纖傳感以及無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)的原理、應(yīng)用及關(guān)鍵技術(shù)，提出將無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)與分布式光纖傳感網(wǎng)絡(luò)融合的思想，既可以克服局域網(wǎng)與骨干網(wǎng)之間的速率瓶頸，又符合光纖傳感與光纖通信融合傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢(shì)。針對(duì)分布式光傳感技術(shù)在安防領(lǐng)域的應(yīng)用與EPON的融合提出了解決方案，即將OTDR技術(shù)融入EPON中進(jìn)行光纖故障監(jiān)測(cè)與定位。驗(yàn)證表明，該網(wǎng)絡(luò)不但能夠正常傳輸傳感探測(cè)信息，對(duì)PON通信信息的傳輸也基本沒(méi)有影響。

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