OTDR應(yīng)用于PON ODN測(cè)試與診斷分析

歐月華，任艷

（中國(guó)電信股份有限公司廣州研究院，廣東 廣州 510630）

OTDR應(yīng)用于PON ODN測(cè)試與診斷分析

歐月華，任艷

（中國(guó)電信股份有限公司廣州研究院，廣東 廣州 510630）

光寬帶的規(guī)模建設(shè)帶來了接入網(wǎng)光纖光纜的海量建設(shè)，大建設(shè)應(yīng)用后重點(diǎn)在于光網(wǎng)運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理，因而高效的光網(wǎng)檢測(cè)手段及其相關(guān)的靈活應(yīng)用方式非常重要。在分析ODN組網(wǎng)基礎(chǔ)上，研究OTDR應(yīng)用于ODN的測(cè)試能力，重點(diǎn)分析了OTDR測(cè)試中ODN關(guān)鍵事件的特征，同時(shí)根據(jù)ODN建設(shè)模式和OTDR檢測(cè)缺點(diǎn)，針對(duì)性提出了相關(guān)應(yīng)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(guī)模發(fā)展后的一個(gè)重要問題就是要保證PON（passive optical network，無(wú)源光纖網(wǎng)絡(luò)）中ODN（optical distribution network，光配線網(wǎng)絡(luò)）的質(zhì)量，主要是需要保證光纖光纜、光分路器指標(biāo)以及各種接續(xù)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(diǎn)到多點(diǎn)的ODN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及復(fù)雜的ODN部署環(huán)境等因素都增加了光纖故障測(cè)試與診斷的難度。因此必須要引入 OTDR （optical time domain reflectometer，光時(shí)域反射儀）測(cè)試，實(shí)現(xiàn)ODN自動(dòng)測(cè)試診斷，利用OTDR系統(tǒng)啟動(dòng)遠(yuǎn)程測(cè)試，實(shí)現(xiàn)ODN故障點(diǎn)的檢測(cè)定位和原因分析，減少故障處理時(shí)間，提高測(cè)試效率和線路維護(hù)質(zhì)量。

2 接入網(wǎng)ODN組網(wǎng)分析

ODN是PON的重要組成部分，負(fù)責(zé)建立從OLT（optical line terminal，光線路終端）到ONU（optical network unit，光網(wǎng)絡(luò)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(fā)。從功能劃分，ODN主要包括5個(gè)部分：饋線段、光纜分配點(diǎn)、配線段、光纜接入點(diǎn)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(diǎn)放置在樓宇比小區(qū)要預(yù)留更長(zhǎng)），入戶段距離不大于1 km。

圖1 ODN基本結(jié)構(gòu)及分光模式

PON ODN多為點(diǎn)到多點(diǎn)的樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要有兩種典型的分光模式：一種為一級(jí)分光，PON系統(tǒng)只經(jīng)過1級(jí)光分路器分光至各個(gè)ONU；另外一種為二級(jí)分光，每個(gè)PON系統(tǒng)經(jīng)過兩個(gè)級(jí)聯(lián)的光分路器分光至各個(gè)ONU。在國(guó)內(nèi)大城市用戶密度比較高的場(chǎng)景中，對(duì)于一級(jí)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(shù)放于小區(qū)接入點(diǎn)；對(duì)于二級(jí)分光模式，多數(shù)為1∶4的光分路器級(jí)聯(lián)1∶16光分路器的模式或者兩個(gè)1∶8的光分路器級(jí)聯(lián)的模式，一級(jí)光分路器放于小區(qū)或者樓宇里的接入點(diǎn)，二級(jí)光分路器放于樓層的接入點(diǎn)。

3 OTDR應(yīng)用于ODN的能力分析

3.1 OTDR執(zhí)行的主要測(cè)量

OTDR執(zhí)行的主要測(cè)量功能包括光纖距離、插入損耗和回波損耗的測(cè)量。

·光纖距離的測(cè)量：OTDR可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量ODN中任意給定兩事件點(diǎn)（包含測(cè)試起點(diǎn)）之間的相對(duì)單向距離。

·插入損耗的測(cè)量：在動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，OTDR可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量ODN光纖鏈路的總損耗、ODN任意兩點(diǎn)間損耗、每段光纖的平均損耗、熔接點(diǎn)的熔接損耗、活動(dòng)連接點(diǎn)的連接損耗、光分路器的損耗以及其他原因（如光纖彎曲）導(dǎo)致的損耗等。

·回波損耗的測(cè)量：OTDR可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量光纖鏈路上各接續(xù)點(diǎn)（如活動(dòng)連接點(diǎn)）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(cè)ODN鏈路時(shí)背向瑞利散射有明顯變化或者檢測(cè)到菲涅爾反射，則判斷ODN上出現(xiàn)相關(guān)衰減事件或者反射事件。

在ODN上，OTDR能夠檢測(cè)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(cè)ODN的這些事件，可以進(jìn)一步完善OTDR測(cè)試中的事件特征以便存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中留檔，這樣每次測(cè)試中將測(cè)試結(jié)果對(duì)比參考測(cè)試曲線以及關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫(kù)中相應(yīng)的事件特征，判斷ODN發(fā)生的具體事件和異常。

（1）光纖宏彎

在建設(shè)ODN中，某些情況可能會(huì)造成光纖宏彎：光纖路由轉(zhuǎn)彎和鋪設(shè)光纜的施工；ODN施工需要預(yù)留的光纖光纜；接頭盒光纖的盤留、機(jī)房及設(shè)備內(nèi)尾纖的盤繞等。

光纖的宏彎會(huì)造成宏彎損耗，光纖的宏彎損耗是OTDR檢測(cè)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(cè)試曲線如圖2所示。光纖的宏彎損耗跟OTDR檢測(cè)波長(zhǎng)有關(guān)，它隨著檢測(cè)波長(zhǎng)增大明顯變大，也就是說波長(zhǎng)較長(zhǎng)的OTDR測(cè)試光對(duì)光纖中的彎曲事件比較敏感，能較容易和精確地測(cè)量光纖的彎曲程度。

圖2 OTDR曲線上的宏彎損耗測(cè)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(hào)從一條光纖分配到多條光纖的核心器件同時(shí)是ODN中插入損耗比較大的無(wú)源器件，它的性能優(yōu)劣直接影響到PON系統(tǒng)通信的傳送質(zhì)量，因此需要嚴(yán)格監(jiān)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(dòng)態(tài)范圍是30～40 dB，內(nèi)置OTDR光模塊的動(dòng)態(tài)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(jù)一大部分動(dòng)態(tài)范圍，對(duì)OTDR來說光分路器是一個(gè)大衰減事件。另外多分支輸出也給OTDR測(cè)試帶來了挑戰(zhàn)，光分路器分支后的OTDR測(cè)試曲線由多路分支的背向瑞利散射重疊組成，會(huì)造成衰減測(cè)試的復(fù)雜性和不準(zhǔn)確。因此，如果OTDR測(cè)試光從OLT端發(fā)射，通過檢測(cè)返回的測(cè)試光信號(hào)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(cè)，只能檢測(cè)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(cè)光纖活動(dòng)連接器的反射和損耗，經(jīng)過光分路器的衰減之后曲線就已經(jīng)變成了噪聲，只能夠檢測(cè)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(dòng)連接器（UPC（ultra physical contact，超級(jí)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(jī)械連接，比如光纖現(xiàn)場(chǎng)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(biāo)見表1。光纖現(xiàn)場(chǎng)連接器（UPC、APC型）的插入損耗和回波損耗和對(duì)應(yīng)類型的光纖活動(dòng)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(cè)

在OTDR檢測(cè)中，這些連接方式的回波損耗指標(biāo)可以對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)到OTDR的反射峰會(huì)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(shí)候斷面的反射峰則可以被OTDR檢測(cè)到。除此以外，主流廠商的OTDR測(cè)試儀表，OTDR檢測(cè)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(cè)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(dòng)連接器的衰減和反射

（4）反射器

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

目前大部分反射器對(duì) OTDR測(cè)試光的回波損耗可以做到指標(biāo)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(cè)試曲線上的反射峰能明顯辨認(rèn)。利用反射器此特性，可以增強(qiáng)反射檢測(cè)靈敏度，在需要清楚識(shí)別定位的地方部署OTDR的反射器，下文會(huì)繼續(xù)介紹OTDR在測(cè)試過程配合利用反射器實(shí)現(xiàn)一定的檢測(cè)需求。

（5）斷纖事件

光纖的斷纖情況比較復(fù)雜，因?yàn)椴煌闆r下斷纖會(huì)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(dāng)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(jù)斷面情況變化，同時(shí)隨時(shí)間變化（斷面在空氣中污損等）具有不穩(wěn)定性。

以下通過實(shí)驗(yàn)去分析評(píng)估斷纖造成的回波損耗在OTDR測(cè)試中的情況：實(shí)驗(yàn)中斷纖故障由人手進(jìn)行光纖彎曲折斷或由利器剪斷或切斷，對(duì)873次斷纖故障的回波損耗值進(jìn)行檢測(cè)并且統(tǒng)計(jì)，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(tǒng)計(jì)分布

4 OTDR的應(yīng)用與影響分析

4.1 OTDR技術(shù)挑戰(zhàn)

對(duì)于OTDR（包括各種從OLT開始檢測(cè)的OTDR形式）來說，ODN中OLT與第一個(gè)光分路器之間的線路（包括一級(jí)分光和二級(jí)分光的場(chǎng)景）比較容易測(cè)試和維護(hù)，但是對(duì)于光分路器后的分支故障檢測(cè)較為困難。

·衰減的檢測(cè)：一方面會(huì)因?yàn)楣夥致菲鲙砗芨叩牟迦霌p耗占用了一大部分動(dòng)態(tài)范圍，需要有比較大的動(dòng)態(tài)范圍的OTDR測(cè)試；另一方面單個(gè)分支的衰減檢測(cè)受到其他分支的背向散射的影響，衰減非常難檢測(cè)。

·反射的檢測(cè)：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(shí)發(fā)生2個(gè)或以上的分支斷纖，無(wú)法區(qū)分?jǐn)嗬w的歸屬，又或者斷點(diǎn)位置與其他ONU距離重合，需要配合其他檢測(cè)形式進(jìn)一步分析。

4.2 OTDR部署手段

為了解決上述OTDR檢測(cè)上的一些難題以及滿足大部分ODN應(yīng)用場(chǎng)景需求，介紹相關(guān)的部署方式以及在此基礎(chǔ)上的優(yōu)化。

為了不影響用戶和相關(guān)通信業(yè)務(wù)，一般在OLT端部署OTDR相關(guān)測(cè)試設(shè)備，此方案中，OTDR測(cè)試信號(hào)需要穿透大分光比的光分路器才能夠測(cè)試配線光纜和入戶光纜，OTDR距離用戶端的距離最遠(yuǎn)，因此需要性能較好的OTDR（動(dòng)態(tài)范圍大、分辨率高、盲區(qū)小）。

外置獨(dú)立OTDR技術(shù)相對(duì)比較成熟，動(dòng)態(tài)范圍比較大，如果在全網(wǎng)PON ODN部署光纖測(cè)試系統(tǒng)，可優(yōu)先部署外置獨(dú)立OTDR。外置獨(dú)立OTDR需要提供獨(dú)立電源，也只能適合在機(jī)房部署。在機(jī)房布線中將OLT的PON端口連接合波器，再通過光開關(guān)連接到OTDR測(cè)試口。

OLT端部署OTDR可進(jìn)一步通過以下方式進(jìn)行優(yōu)化。

（1）通過OTDR+反射器判斷節(jié)點(diǎn)故障

·可以進(jìn)一步縮短差分距離，使用OTDR識(shí)別用戶端分支都需要對(duì)用戶端進(jìn)行光纖距離差分部署，反射器部署在ONU位置，可以通過增強(qiáng)該處的反射將差分距離縮短，目前OTDR可以檢測(cè)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(nèi)，大大減輕工程部署的難度。

· 增強(qiáng)反射信息，更清晰識(shí)別檢測(cè)點(diǎn)位置。

·對(duì)于主干/配線光纖、樓內(nèi)光纖、用戶室內(nèi)光纖故障維修手段不同，維修的責(zé)任人也不同，可以根據(jù)運(yùn)維的需求，通過靈活部署反射器的位置，識(shí)別不同的ODN段落，以便出現(xiàn)故障可以明確定位分責(zé)。例如：在配線光纖入戶(FTTH)/入大樓(FTTB)前加裝FBG，然后利用OTDR進(jìn)行測(cè)試，將測(cè)試數(shù)據(jù)和基準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可判斷室內(nèi)/室外、樓內(nèi)/樓外光纖故障。

·在建立健康檔案，定時(shí)開展健康曲線的測(cè)量，計(jì)算并保存ODN的健康檔案的前提下，在OTDR常規(guī)測(cè)試中測(cè)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(jì)算這些數(shù)據(jù)的變化來計(jì)算分支衰減故障的衰減值。

（2）對(duì)于不在線測(cè)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(duì)于部署在OLT端性能比較好的外置OTDR都難以穿透檢測(cè)，出現(xiàn)故障單憑外置OTDR無(wú)法檢測(cè)，如果不需要在線檢測(cè)，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(zhǎng)OTDR測(cè)試）從用戶端往回測(cè)，以判斷光分路器分支故障情況。

（3）光開關(guān)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(jī)房中，同時(shí)在OLT局端機(jī)房中如果設(shè)置有光分路器時(shí)，在分光器后連接合波器。然后再通過光開關(guān)接到OTDR。這樣OTDR就可以穿透光分路器測(cè)試到光分路器分支的情況。不過這種部署國(guó)內(nèi)很少見，因?yàn)閲?guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商大多數(shù)將光分路器放置在路邊或者小區(qū)的光交箱，這時(shí)候很難通過光開關(guān)和合波器再接OTDR，因?yàn)镺TDR需要供電，只能放在局端。

4.3 引入OTDR后對(duì)ODN的影響

OTDR引入后，為了達(dá)到一定的測(cè)試效果，需要ODN做一些稍微的改動(dòng)，這就對(duì) ODN的工程部署產(chǎn)生一些影響。

·ODN入戶光纖規(guī)劃和建設(shè)的難度增加：如果在OLT端進(jìn)行OTDR測(cè)試，為了定位出每個(gè)ONU，需要規(guī)劃和建設(shè)不同長(zhǎng)度的光纖或者在不同位置考慮反射器的部署，這就需要設(shè)計(jì)和施工規(guī)范化。

·ODN局內(nèi)組網(wǎng)更加復(fù)雜：外置獨(dú)立式的OTDR部署在局端機(jī)房，通過光開關(guān)和合波器與測(cè)試端口連接，因此使局內(nèi)光纜連接成倍增長(zhǎng)，所以需要建立良好的光纖管理機(jī)制。

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

·使得ODN的光功率預(yù)算降低：使用OTDR測(cè)試增加了光開關(guān)、合波器、反射器等，相當(dāng)于引入了約2 dB的插入損耗，計(jì)算ODN損耗預(yù)算時(shí)需要將這部分的損耗考慮進(jìn)去。

5 結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)PON ODN引入OTDR測(cè)試要結(jié)合ODN的實(shí)際情況，OTDR在滿足ODN的使用需求情況下，合理部署應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)有效的檢測(cè)和診斷，進(jìn)而提高線路維護(hù)質(zhì)量，減少人力成本，最終提升用戶服務(wù)的品質(zhì)，提高運(yùn)營(yíng)商的競(jìng)爭(zhēng)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(guó)電信股份有限公司廣州研究院實(shí)驗(yàn)室運(yùn)營(yíng)中心工程師，主要從事 EPON/GPON、10GEPON/XGPON、NGPON2、ODN等FTTH光接入新技術(shù)及應(yīng)用策略研究工作，近期聚焦于ODN監(jiān)測(cè)與故障診斷和接入網(wǎng)光纖智能化管理等。

任艷（1978-），女，中國(guó)電信股份有限公司廣州研究院實(shí)驗(yàn)室運(yùn)營(yíng)中心工程師，主要從 事 EPON/GPON、10GEPON/XGPON、NGPON2、ODN等FTTH光接入新技術(shù)及應(yīng)用策略研究工作，近期聚焦于接入網(wǎng)光纖智能化管理和ODN監(jiān)測(cè)與故障診斷等。

2016-09-08；

2016-11-14