PONODN中OTDR檢測能力分析研究

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

在PON中，如果僅需要定位光纖故障的段落（主干光纖還是分支光纖），可以通過網(wǎng)管監(jiān)控定位，但要定位光纖故障的精確位置，就必須要引入OTDR（optical time domain reflectometer，光時(shí)域反射）測試，以實(shí)現(xiàn)快速故障檢測、定位和修復(fù)，提高運(yùn)行維護(hù)和搶修故障的效率。

2 OTDR原理和實(shí)現(xiàn)方式

2.1 OTDR原理

OTDR技術(shù)原理是激光光源發(fā)送信號到光纖中，檢測器接收從光纖鏈路中不同元素反射的光。發(fā)送的信號是一個(gè)短脈沖，攜帶有一定數(shù)量的能量。然后，時(shí)鐘精確計(jì)算出脈沖傳播的時(shí)間，將時(shí)間轉(zhuǎn)換為距離，便可以得知該光纖的屬性。當(dāng)脈沖沿著光纖傳播時(shí)，由于連接和光纖自身的反射，小部分脈沖能量會返回OTDR的檢測器。當(dāng)脈沖完全返回檢測器時(shí)，發(fā)送第二個(gè)脈沖，直到取樣時(shí)間結(jié)束。因此，OTDR會立刻執(zhí)行多次取樣并平均化、執(zhí)行信號處理以提供鏈路元件的清晰特性圖，除了計(jì)算總鏈路長度、總鏈路損耗和光纖衰減外，還計(jì)算每個(gè)事件的距離、損耗和反射。

2.2 OTDR實(shí)現(xiàn)方式比較

傳統(tǒng)的OTDR主要應(yīng)用在骨干網(wǎng)、城域網(wǎng)中進(jìn)行點(diǎn)到點(diǎn)測試。對于PON，OTDR光纖實(shí)現(xiàn)方式主要有外置獨(dú)立式OTDR、板卡式OTDR、光模塊內(nèi)置OTDR 3種，具體介紹如下。

·外置獨(dú)立式OTDR：可以是手持式OTDR或者安裝在局端機(jī)房的OTDR設(shè)備。對于局端機(jī)房的OTDR設(shè)備，通過光開關(guān)和合波器連接到1個(gè)或多個(gè)PON口下，實(shí)現(xiàn)相關(guān)PON口下的ODN測試。

·板卡式OTDR：OTDR板卡內(nèi)置于OLT框架的插槽中，光開關(guān)和合波器外置將OTDR連至PON口，或者在OTDR板卡內(nèi)集成能夠提供OTDR功能的模塊、光開關(guān)和合波器。

·光模塊內(nèi)置OTDR：OTDR功能集成在OLT PON口的光模塊里，可對每個(gè)PON口下的ODN進(jìn)行檢測。

目前外置獨(dú)立式OTDR是比較成熟的測試方案，可以較好地測試主干以及分支光纖的反射和衰減事件，基本可以判斷分支光纖的故障點(diǎn)位置。板卡式OTDR的實(shí)現(xiàn)原理與外置獨(dú)立式OTDR一樣，它的測試效果與外置獨(dú)立式OTDR基本相當(dāng)。光模塊內(nèi)置OTDR方式是一種新興的光鏈路檢測技術(shù)，但實(shí)際的技術(shù)指標(biāo)（如動(dòng)態(tài)范圍、盲區(qū)等）都比外置獨(dú)立式OTDR低。

在本文中，外置獨(dú)立式OTDR、板卡式OTDR的性能要求相同，它們的指標(biāo)評估建議與光模塊內(nèi)置OTDR區(qū)分開。

3 PON ODN對OTDR基本參數(shù)和測試性能的要求

3.1 OTDR基本參數(shù)的分析建議

OTDR的基本參數(shù)包括光纖類型、測試波長、脈沖寬度、峰值功率、折射率、測試時(shí)間、量程和采樣分辨率等。

（1）光纖類型和折射率

目前PON ODN主干和配線基本使用G.652光纖，入戶使用G.657光纖，因此OTDR必須能夠支持兩種光纖的測試，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的測試，要求OTDR能夠根據(jù)光纖類型設(shè)置折射率。

（2）測試波長

考慮到下一代PON使用的通信波長擴(kuò)展到L段（1 565～1 625 nm）波長以及濾波器的實(shí)現(xiàn)難度，建議外置獨(dú)立式和板卡式OTDR使用1 650 nm測試波長；而對于光模塊內(nèi)置OTDR，則可以選擇3種測試波長分別實(shí)現(xiàn)，包括上行通信波長、下行通信波長和非通信波長（1 650 nm）。

（3）脈沖寬度測試時(shí)間和量程

按照PON ODN測試中不同的動(dòng)態(tài)范圍和精度要求，需要實(shí)現(xiàn)OTDR的脈寬和測試時(shí)間可調(diào)。同樣，按照測試光纖長度的不同，要求OTDR的量程必須可調(diào)。

另外，如果實(shí)現(xiàn)0.5 m的精度，理論上需要5 ns脈寬進(jìn)行測試，因此最小能夠調(diào)節(jié)的脈寬建議為5 ns。而對于光模塊內(nèi)置OTDR，由于激光器功耗和體積的影響，晶振受限，最小可調(diào)節(jié)的脈寬建議為10 ns。

（4）峰值功率

對于外置獨(dú)立式和板卡式OTDR的實(shí)現(xiàn)方式，激光器主要考慮人眼安全，按照≤50 mW進(jìn)行約束，等效為≤17 dBm。

（5）采樣分辨率

如果要達(dá)到0.5 m的精度，采樣分辨率不能超過0.5 m。對于光模塊內(nèi)置OTDR，考慮其實(shí)現(xiàn)難度，則建議放寬至1 m。

因此，OTDR的基本參數(shù)建議見表1和表2。

表1 外置獨(dú)立式和板卡式OTDR基本參數(shù)建議

表2 光模塊內(nèi)置OTDR基本參數(shù)建議

3.2 OTDR基本測試性能分析建議

OTDR的基本測試性能項(xiàng)包括距離不確定、動(dòng)態(tài)范圍、事件盲區(qū)和衰減盲區(qū)等。

（1）距離不確定度

不考慮光纖折射率引起的差異，OTDR的距離不確定度可以由下式計(jì)算：距離不確定度=固有差異+晶振差異×距離+采樣分辨率。影響距離不確定度的各個(gè)參數(shù)取值見表3。

（2）動(dòng)態(tài)范圍

動(dòng)態(tài)范圍與檢測脈沖的寬度以及檢測時(shí)間有關(guān)，定義為OTDR端口的后向散射電平和噪聲電平的差值，表達(dá)單向光纖的損耗。在本文中，噪聲電平指定為98%的噪聲電平的高度。由于PON ODN測試距離較短，需要選擇一個(gè)合適的脈寬以及合適的測量時(shí)間，充分體現(xiàn)這個(gè)參數(shù)的意義。

（3）事件盲區(qū)和衰減盲區(qū)

事件盲區(qū)（event dead zone，EDZ）是菲涅爾反射后OTDR可在其中檢測到另一個(gè)事件的最小距離。事件盲區(qū)的規(guī)格，最通用的業(yè)界方法是測量反射峰的每一側(cè)-1.5 dB處之間的距離或者測量從事件開始直到反射級別從其峰值下降到-1.5 dB處的距離，如圖1所示。在本文中，采用后者的檢測方法。

衰減盲區(qū)（atenuation dead zone，ADZ）是菲涅爾反射之后，OTDR能在其中精確測量連續(xù)事件損耗的最小距離。所需的最小距離是從發(fā)生反射事件時(shí)開始，直到反射降低到光纖的背向散射級別的0.5 dB。

EDZ和ADZ的示意如圖1所示。

PON中一些機(jī)房內(nèi)可能存在一些比較短的光纖跳纖，或者出現(xiàn)相對距離較短其他反射/衰減事件，如果EDZ和ADZ過長，一些連接器或故障可能會被漏掉，技術(shù)人員無法識別它們，這使得定位潛在問題的工作更加困難，因此實(shí)現(xiàn)OTDR的EDZ和ADZ盡可能短是非常重要的。

另外，由于不同的反射事件、不同的鏈路損耗和不同的脈沖寬度會測量出不一樣的EDZ和ADZ，因此必須確定脈沖寬度和激光脈沖經(jīng)過來回鏈路散射和某反射事件的菲涅爾反射后返回到OTDR接收機(jī)的損耗，統(tǒng)一檢測標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合實(shí)際運(yùn)維的需求，給出EDZ和ADZ的建議值。

因此，OTDR的基本測試性能建議見表4和表5。

表3 距離不確定度影響參數(shù)取值建議

圖1 EDZ和ADZ示意

表4 外置獨(dú)立式和板卡式OTDR基本測試性能建議

表5 光模塊內(nèi)置OTDR基本測試性能建議

4 典型ODN場景下OTDR的檢測能力分析和建議

4.1 典型PON ODN故障發(fā)生場景

為了方便評估OTDR的檢測能力，選擇常見ODN場景進(jìn)行評估（二級分光方式，分光比為1∶64，即兩個(gè)1∶8光分路器級聯(lián)）。以下為該場景中不同位置出現(xiàn)光纖斷纖、光纖彎曲等反射或衰減事件的幾種情況，分別如圖2～圖4所示。

4.2 OTDR反射衰減能力分析建議

要滿足一定的運(yùn)維要求，外置獨(dú)立式、板卡式和光模塊內(nèi)置OTDR應(yīng)能支持以下反射事件的檢測。

·回波損耗為60 dB反射事件（95%以上斷纖），OTDR與該反射事件之間的ODN衰減為10 dB。OTDR檢測該事件的能力，相當(dāng)于OTDR基本上能夠檢測主干上距離OLT 20 km以內(nèi)95%以上的斷纖故障以及連接器等的反射事件，如圖2所示。

·回波損耗為41 dB（50%斷纖）和51 dB反射事件（90%斷纖），OTDR與該反射事件之間的ODN衰減21 dB。OTDR檢測回波損耗51 dB的反射事件的能力，相當(dāng)于OTDR基本上能夠檢測1∶8分光后一級分支上距離OLT 20 km以內(nèi)90%以上的斷纖故障，如圖3所示。其中51 dB和41 dB的反射事件的檢測對應(yīng)不同的事件分辨率的需求。

·回波損耗為15dB反射事件（UPC端面反射），OTDR與該反射事件之間的ODN衰減32 dB。OTDR檢測該事件的能力，相當(dāng)于OTDR基本上能夠檢測1∶64分光后二級分支上距離OLT 20 km以內(nèi)光纖活動(dòng)連接器開路的UPC端面反射事件，如圖4所示。

圖2 主干上反射/衰減事件

圖3 一級分支上反射/衰減事件

圖4 二級分支上反射/衰減事件

表6和表7給出不同場景中，OTDR檢測距離OLT 20 km內(nèi)的的反射事件的相關(guān)指標(biāo)要求建議，包括最小的動(dòng)態(tài)范圍、最大的測試時(shí)間和反射事件分辨率。

表8和表9給出不同場景中，OTDR檢測距離OLT 20 km內(nèi)的衰減事件相關(guān)指標(biāo)要求建議，包括最小的動(dòng)態(tài)范圍、最大的測試時(shí)間和衰減事件分辨率。

表6 外置獨(dú)立式和板卡式OTDR對反射事件檢測能力建議

表7 光模塊內(nèi)置OTDR對反射事件檢測能力建議

表8 外置獨(dú)立式和板卡式OTDR對衰減事件檢測能力建議

表9 光模塊內(nèi)置OTDR對衰減事件檢測能力建議

其中，對主干檢測兩個(gè)0.3 dB的衰減事件，為避免反射事件引起的衰減盲區(qū)的影響，事件分辨率建議5 m；對1∶8分光后的分支檢測大于或等于3 dB的衰減事件；而對1∶64分光后分支的衰減事件對應(yīng)在OTDR檢測曲線上的損耗不足0.1 dB，目前所有OTDR實(shí)現(xiàn)方式都無法檢測。

5 結(jié)束語

PON ODN結(jié)構(gòu)和所處環(huán)境復(fù)雜多樣且存在多種無源器件，只有結(jié)合PON ODN下的具體場景和滿足相關(guān)需求，OTDR才能夠有效地實(shí)現(xiàn)PON光鏈路的檢測，成為PON ODN運(yùn)營維護(hù)、故障檢測的一種重要手段，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)運(yùn)維，大大提高了網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和服務(wù)效率。