配網(wǎng)自動(dòng)化通信PON中繼器的研究

錢立東 李華 賀耀旭 徐周屹 趙周武 錢卉

【摘要】? ? 本文介紹了一種用于組建基于EPON的雙環(huán)自愈網(wǎng)的EPON中繼器，內(nèi)部包含兩路OEO放大整形電路，可同時(shí)對(duì)兩路EPON信號(hào)的下行和上行光信號(hào)放大整形，增強(qiáng)光信號(hào)功率，延長(zhǎng)通信距離，提高環(huán)路所能接入的ONU數(shù)量，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)部署的靈活性和方便性。

【關(guān)鍵詞】? ? EPON? ? OEO? ? 雙環(huán)自愈? ? 中繼器

ABSTRACT： This article introduces an EPON repeater which is used to build a dual loop self-healing network based on EPON. It contains two channels of OEO amplification and shaping circuit， which can amplify and shape the downlink and uplink optical signals of two EPON signals at the same time， enhance the optical signal power， extend the communication distance， increase the number of onus that can be accessed by the loop， and enhance the flexibility and convenience of network deployment.

引言

EPON在工業(yè)控制領(lǐng)域已得到大量應(yīng)用，尤其在國(guó)家電網(wǎng)的智能電網(wǎng)組網(wǎng)應(yīng)用中，是一種優(yōu)先選用的通信技術(shù)，智能電網(wǎng)對(duì)通信可靠性要求很高，一般都采用雙環(huán)自愈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在這一網(wǎng)絡(luò)中，大量采用一分二分光器，而一分二分光器對(duì)光功率分配不均勻，光網(wǎng)絡(luò)級(jí)數(shù)較多，實(shí)際使用中還大量使用活動(dòng)光連接器和法蘭盤，導(dǎo)致光功率損失很快，使得環(huán)路能夠接入的ONU數(shù)量減少，一般為6至8個(gè)，通信距離也比較短，在20公里以內(nèi)，使用很不方便;本裝置可用于在環(huán)網(wǎng)的中間位置對(duì)EPON光信號(hào)進(jìn)行整形放大，大幅度增強(qiáng)光功率，延伸通信距離，克服通信距離和光功率的限制，提高施工便利性，并能節(jié)約光纖占用和OLT的PON口數(shù)量。

正文

本文主要介紹一種EPON中繼器，用于組建基于EPON的高可靠性的雙環(huán)自愈網(wǎng)絡(luò)，本裝置包含兩路OEO放大整形器，可實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)兩路EPON的上下行信號(hào)進(jìn)行放大整形，可大幅度延長(zhǎng)EPON的通信距離，并能增加環(huán)路所能連接的ONU數(shù)量，提高組網(wǎng)的便利性。

這種EPON中繼器可依據(jù)來自O(shè)LT的下行光信號(hào)，控制關(guān)斷發(fā)向ONU方向的下行光信號(hào)，ONU可依據(jù)下行光信號(hào)控制切換到可用的ODN網(wǎng)絡(luò)上，從而保證環(huán)網(wǎng)光纖斷裂時(shí)，業(yè)務(wù)不中斷。

本中繼器還包含CPU，網(wǎng)管模塊和可編程芯片F(xiàn)PGA，具有體積小，集成度高，可網(wǎng)管可維護(hù)的特點(diǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，我們采用兩路OEO信號(hào)放大整形器，OEO即光電光 ，先將輸入光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，進(jìn)行放大整形，再轉(zhuǎn)變?yōu)樵鰪?qiáng)的光信號(hào)輸出。EPON采用單纖雙向工作方式，內(nèi)部集成1490納米和1310納米的兩波段WDM，可將下行和上行方向的光信號(hào)耦合到同一根光纖，從而節(jié)約和光纖和分光器;在EPON中繼器中，需要把上行和下行光信號(hào)分離，分別進(jìn)行放大整形，然后再通過WDM合波，將下行方向和上行方向的光信號(hào)耦合到同一根光纖。

每路OEO信號(hào)放大整形器包含OLT側(cè)光模塊和ONU側(cè)光模塊，整個(gè)兩路EPON中繼器裝置共包含4個(gè)光模塊，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)兩路EPON的上下行信號(hào)進(jìn)行放大整形;每路OEO放大整器包含兩個(gè)光模塊，分別為用于與OLT方向的光纖相連的OLT側(cè)光模塊，與ONU方向的光纖相連的ONU側(cè)光模塊;OLT側(cè)光模塊在下行方向，接收來自O(shè)LT的下行光，進(jìn)行放大整形，變?yōu)镻ECL差分信號(hào)，送往ONU側(cè)光模塊，OLT側(cè)光模塊可正確接收大于-28dBm的弱光信號(hào)，并將弱光信號(hào)放大到PECL電平;ONU側(cè)光模塊接收下行差分PECL信號(hào)，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)增強(qiáng)，驅(qū)動(dòng)激光器發(fā)光，輸出的光信號(hào)得到增強(qiáng)，發(fā)往與本中繼器相連的ONU，本中繼器下行發(fā)光功率可達(dá)+6 dBm;在上行方向，ONU側(cè)光模塊接收來自O(shè)NU的上行激光，進(jìn)行放大整形，變?yōu)椴罘諴ECL信號(hào)，送往OLT側(cè)光模塊，ONU側(cè)光模塊可正確接收大于-31dBm的弱光信號(hào)，并將此弱光信號(hào)放大到PECL電平;此PECL差分信號(hào)發(fā)送到OLT側(cè)光模塊，在OLT側(cè)光模塊，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)增強(qiáng)，驅(qū)動(dòng)上行激光器發(fā)光，使上行光增強(qiáng)，發(fā)往與本中繼器相連的OLT，OLT側(cè)光模塊發(fā)光功率可達(dá)+1dBm。

“ONU側(cè)光模塊”接收到的是來自O(shè)NU的上行突發(fā)光，工作模式為突發(fā)接收、突發(fā)放大，這與通用的連續(xù)光方式有很大的不同，來自O(shè)NU的突發(fā)光信號(hào)，有的光脈沖強(qiáng)，有的光脈沖弱，光模塊需要在極短的時(shí)間調(diào)整放大倍數(shù)，對(duì)弱光信號(hào)增大放倍數(shù)，對(duì)強(qiáng)光信號(hào)則減小放大倍數(shù)，使最終輸出的信號(hào)強(qiáng)度相同，“ONU側(cè)光模塊”需要在各個(gè)光突發(fā)脈沖之間，提供“上行幀間復(fù)位信號(hào)”，用于對(duì)限幅放大器復(fù)位，使之快速調(diào)整工作狀態(tài)，以適應(yīng)下一個(gè)光脈沖的信號(hào)強(qiáng)度;所以“ONU側(cè)光模塊”進(jìn)行了特殊的設(shè)計(jì)，以產(chǎn)生一個(gè)額外的“收光指示信號(hào)”，這個(gè)收光指示信號(hào)通往FPGA，經(jīng)過FPGA處理以后，產(chǎn)生出符合“ONU側(cè)光模塊”要求的“上行幀間復(fù)位信號(hào)”。

以第一路OEO為例，在下行方向，從OLT發(fā)出的下行激光通過光纖，連接到EPON中繼器的“OLT側(cè)光模塊”，OLT側(cè)光模塊內(nèi)部的BOSA器件含有WDM元件，會(huì)把下行光分離出來，射向PIN器件，PIN器件將激光轉(zhuǎn)化為電流，然后通過跨阻放大器先進(jìn)行前級(jí)放大，再經(jīng)過限幅放大器進(jìn)一步放大，轉(zhuǎn)為高速差分PECL信號(hào)，輸出至ONU側(cè)光模塊，ONU側(cè)光模塊接收到下行差分信號(hào)后，連接至下行激光驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，增強(qiáng)發(fā)射功率，驅(qū)動(dòng)激光器發(fā)光，經(jīng)過與“ONU方向的光接口”相連的光纖和ODN網(wǎng)絡(luò)，向與中繼器連接的ONU發(fā)射;在EPON系統(tǒng)中，下行光是連續(xù)光，采用通用的光通信技術(shù)就可以實(shí)現(xiàn)所需功能;

在上行方向，ONU發(fā)出的突發(fā)光信號(hào)，經(jīng)過“ONU方向的光接口—TO? ONU”，耦合進(jìn)“ONU側(cè)光模塊”的APD器件，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào);APD是一種雪崩管，靈敏度遠(yuǎn)高于PIN管，雪崩管需要較高的工作電壓，“ONU側(cè)光模塊”通過內(nèi)部升壓電路提供APD管所需高電壓，APD管可以實(shí)現(xiàn)光電流的倍增放大，即使接收到小于-31 dBm的微弱光信號(hào)，也可以放大到足夠大的電流，恢復(fù)出高信噪比的信號(hào)。雪崩管輸出的電信號(hào)經(jīng)過前置放大器放大，再經(jīng)過限幅放大器放大，變?yōu)楦咚俨罘諴ECL信號(hào)，通往“OLT側(cè)光模塊”;在OLT側(cè)光模塊中，“上行高速差分信號(hào)”經(jīng)過激光驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)放大，驅(qū)動(dòng)上行激光器發(fā)光，再經(jīng)WDM，與OLT發(fā)來的下行激光合光，經(jīng)“OLT方向光接口—TO OLT”，發(fā)往OLT設(shè)備;

下行發(fā)光控制是很重要的功能，當(dāng)接收到來自O(shè)LT的光信號(hào)時(shí)，“ONU側(cè)光模塊”會(huì)打開下行激光發(fā)射功能，從OLT來的下行信號(hào)經(jīng)過放大后，向中繼器后面連接的ONU發(fā)射;如果與“OLT方向的光接口”連接的光纖斷裂，中繼器收不到下行激光，EPON中繼器必須關(guān)斷向ONU方向的激光發(fā)射，激光器的暗光也必須同時(shí)關(guān)斷，ONU接收不到下行激光，則會(huì)觸發(fā)切換功能，斷開與這根光纖相連的PON MAC的業(yè)務(wù)連接，啟用與另一根光纖相連的PON MAC的業(yè)務(wù)連接 ; 下行發(fā)光控制信號(hào)是觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)保護(hù)切換的關(guān)鍵信號(hào)，當(dāng)接收不到OLT發(fā)來的光，則關(guān)斷向ONU方向的發(fā)光;

本中繼器裝置需要與具有C類或D類保護(hù)功能的雙PON口ONU配合組建雙環(huán)自愈網(wǎng)，當(dāng)本中繼器接收不到來自O(shè)LT的下行光信號(hào)時(shí)，會(huì)控制關(guān)閉輸出至ONU方向的光信號(hào)，與本中繼器連接的雙PON口ONU通過判斷其兩個(gè)PON口是否有光信號(hào)進(jìn)行切換，如果一個(gè)PON口信號(hào)丟失，則ONU將業(yè)務(wù)切換到另一個(gè)PON口上，如果兩個(gè)PON口光信號(hào)都正常，則ONU選擇其中一個(gè)PON口作為主用光口，另一個(gè)PON口作為備用光口。

為了提升本中繼器的可網(wǎng)管，可維護(hù)性能，由ARM CPU和網(wǎng)管程序提供網(wǎng)管功能，通過四個(gè)光模塊的I2C總線讀出光模塊的溫度值，偏置電流值，發(fā)射光功率和接收光功率值，送往WEB界面和SNMP程序模塊。

結(jié)尾

國(guó)網(wǎng)浙江淳安縣供電有限公司在配網(wǎng)自動(dòng)化通信建設(shè)中，針對(duì)變電站密度小，光纖線路長(zhǎng)的問題，采用在中間鏈路增加光中繼的方式完美的解決了光信號(hào)不足的問題，節(jié)省了投資，提高了配網(wǎng)自動(dòng)化通信的穩(wěn)定性和可靠性。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]? 董孝義.光放大與全光中繼器. 光通信技術(shù)，GTXS.0.1990-03-008

[2]? 陳少梅.光纖放大器原理與應(yīng)用的研究.漳州職業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).2002（1）

[3]? 李偉明.用中繼拉遠(yuǎn)技術(shù)解決PON部署過程中的普遍難題.中國(guó)新通信.10.3969/j.issn.1673-4866.2018.13.090