配網自動化通信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)自愈網的EPON中繼器，內部包含兩路OEO放大整形電路，可同時對兩路EPON信號的下行和上行光信號放大整形，增強光信號功率，延長通信距離，提高環(huán)路所能接入的ONU數(shù)量，增強了網絡部署的靈活性和方便性。

【關鍵詞】? ? 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)控制領域已得到大量應用，尤其在國家電網的智能電網組網應用中，是一種優(yōu)先選用的通信技術，智能電網對通信可靠性要求很高，一般都采用雙環(huán)自愈網絡結構，在這一網絡中，大量采用一分二分光器，而一分二分光器對光功率分配不均勻，光網絡級數(shù)較多，實際使用中還大量使用活動光連接器和法蘭盤，導致光功率損失很快，使得環(huán)路能夠接入的ONU數(shù)量減少，一般為6至8個，通信距離也比較短，在20公里以內，使用很不方便;本裝置可用于在環(huán)網的中間位置對EPON光信號進行整形放大，大幅度增強光功率，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)自愈網絡，本裝置包含兩路OEO放大整形器，可實現(xiàn)同時對兩路EPON的上下行信號進行放大整形，可大幅度延長EPON的通信距離，并能增加環(huán)路所能連接的ONU數(shù)量，提高組網的便利性。

這種EPON中繼器可依據(jù)來自OLT的下行光信號，控制關斷發(fā)向ONU方向的下行光信號，ONU可依據(jù)下行光信號控制切換到可用的ODN網絡上，從而保證環(huán)網光纖斷裂時，業(yè)務不中斷。

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

為了實現(xiàn)上述目的，我們采用兩路OEO信號放大整形器，OEO即光電光 ，先將輸入光信號轉變?yōu)殡娦盘?，進行放大整形，再轉變?yōu)樵鰪姷墓庑盘栞敵?。EPON采用單纖雙向工作方式，內部集成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分離，分別進行放大整形，然后再通過WDM合波，將下行方向和上行方向的光信號耦合到同一根光纖。

每路OEO信號放大整形器包含OLT側光模塊和ONU側光模塊，整個兩路EPON中繼器裝置共包含4個光模塊，可同時實現(xiàn)對兩路EPON的上下行信號進行放大整形;每路OEO放大整器包含兩個光模塊，分別為用于與OLT方向的光纖相連的OLT側光模塊，與ONU方向的光纖相連的ONU側光模塊;OLT側光模塊在下行方向，接收來自OLT的下行光，進行放大整形，變?yōu)镻ECL差分信號，送往ONU側光模塊，OLT側光模塊可正確接收大于-28dBm的弱光信號，并將弱光信號放大到PECL電平;ONU側光模塊接收下行差分PECL信號，經過驅動器驅動增強，驅動激光器發(fā)光，輸出的光信號得到增強，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+6 dBm;在上行方向，ONU側光模塊接收來自ONU的上行激光，進行放大整形，變?yōu)椴罘諴ECL信號，送往OLT側光模塊，ONU側光模塊可正確接收大于-31dBm的弱光信號，并將此弱光信號放大到PECL電平;此PECL差分信號發(fā)送到OLT側光模塊，在OLT側光模塊，經過驅動器驅動增強，驅動上行激光器發(fā)光，使上行光增強，發(fā)往與本中繼器相連的OLT，OLT側光模塊發(fā)光功率可達+1dBm。

“ONU側光模塊”接收到的是來自ONU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ONU的突發(fā)光信號，有的光脈沖強，有的光脈沖弱，光模塊需要在極短的時間調整放大倍數(shù)，對弱光信號增大放倍數(shù)，對強光信號則減小放大倍數(shù)，使最終輸出的信號強度相同，“ONU側光模塊”需要在各個光突發(fā)脈沖之間，提供“上行幀間復位信號”，用于對限幅放大器復位，使之快速調整工作狀態(tài)，以適應下一個光脈沖的信號強度;所以“ONU側光模塊”進行了特殊的設計，以產生一個額外的“收光指示信號”，這個收光指示信號通往FPGA，經過FPGA處理以后，產生出符合“ONU側光模塊”要求的“上行幀間復位信號”。

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側光模塊”，OLT側光模塊內部的BOSA器件含有WDM元件，會把下行光分離出來，射向PIN器件，PIN器件將激光轉化為電流，然后通過跨阻放大器先進行前級放大，再經過限幅放大器進一步放大，轉為高速差分PECL信號，輸出至ONU側光模塊，ONU側光模塊接收到下行差分信號后，連接至下行激光驅動器驅動，增強發(fā)射功率，驅動激光器發(fā)光，經過與“ONU方向的光接口”相連的光纖和ODN網絡，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就可以實現(xiàn)所需功能;

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

下行發(fā)光控制是很重要的功能，當接收到來自OLT的光信號時，“ONU側光模塊”會打開下行激光發(fā)射功能，從OLT來的下行信號經過放大后，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中繼器必須關斷向ONU方向的激光發(fā)射，激光器的暗光也必須同時關斷，ONU接收不到下行激光，則會觸發(fā)切換功能，斷開與這根光纖相連的PON MAC的業(yè)務連接，啟用與另一根光纖相連的PON MAC的業(yè)務連接 ; 下行發(fā)光控制信號是觸發(fā)網絡保護切換的關鍵信號，當接收不到OLT發(fā)來的光，則關斷向ONU方向的發(fā)光;

本中繼器裝置需要與具有C類或D類保護功能的雙PON口ONU配合組建雙環(huán)自愈網，當本中繼器接收不到來自OLT的下行光信號時，會控制關閉輸出至ONU方向的光信號，與本中繼器連接的雙PON口ONU通過判斷其兩個PON口是否有光信號進行切換，如果一個PON口信號丟失，則ONU將業(yè)務切換到另一個PON口上，如果兩個PON口光信號都正常，則ONU選擇其中一個PON口作為主用光口，另一個PON口作為備用光口。

為了提升本中繼器的可網管，可維護性能，由ARM CPU和網管程序提供網管功能，通過四個光模塊的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。

結尾

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

參? 考? 文? 獻

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

[2]? 陳少梅.光纖放大器原理與應用的研究.漳州職業(yè)大學學報.2002（1）

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