分布式光纤传感技术与PON的融合

马彩虹

(武警工程学院光纤通信实验室，陕西西安 710086)

光纤可以用于温度、应力、振动等多个参数的高灵敏度测量以及安防监测。分布式光纤传感技术能够利用一条光纤实现大范围物理量的测量，还可以与光通信系统共享光缆资源。将分布式光纤传感技术融合到通信网中，可以实现同时具有通信和传感功能的新光纤接入综合业务增值网络。文中研究了基于OTDR的分布式光纤传感技术以及基于无源光网络的光接入技术，提出了将二者融合的具体方案，并通过实验验证了该方案的可行性。

1 分布式光纤传感技术

1.1 分布式光纤传感技术概述

分布式光纤传感技术是近年发展较快的新型传感技术，它利用一条光纤作为传感和传导介质，实现大范围物理量的测量，可以在整个光纤长度上对沿光纤分布的环境参数进行连续测量，同时获得被测量的空间分布状态和随时间变化的信息[1]。分布式光纤传感技术主要有:基于光纤拉曼散射或布里渊散射的光时域反射(ROTDR/BOTDR)及频域反射技术(ROFDR/BOFDR)、基于光纤瑞利散射的偏振光时域反射技术(POTDR)[2]、长距离光干涉技术[3-4]以及准分布式光纤布拉格光栅复用技术[5]等。

1.2 OTDR光纤分布式传感技术的原理

光在光纤中传输时发生的散射包括瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射3种类型。瑞利散射是光纤的一种固有特性，是光波在光纤中传输时，遇到光纤纤芯折射率在微观上随机起伏而引起的线性散射。布里渊散射是入射光与声波或传播的压力波相互作用的结果，这个传播的压力波等效于一个以一定速度和频率移动的密度光栅，当某一频率的散射光与入射光、压力波满足相位匹配条件，即布拉格衍射条件时，此频率的散射光强为极大值。拉曼散射是入射光波的一个光子被一个声子散射成为另一个低频光子，同时声子完成其两个振动态之间的跃迁，拉曼散射光含有斯托克斯光和反斯托克斯光[6]。瑞利散射波长不发生变化，而布里渊散射和拉曼散射是光与物质发生非弹性散射时所携带出的信息，散射波长相对于入射波长会发生偏移。

OTDR是通过瑞利散射和菲涅耳反射的后向光来获取检测信息的仪器，被广泛用于检测光纤断点以及其他各种光纤和光网络的连接异常。在OTDR系统中，从半导体激光器发出的光脉冲注射入光纤的一端，然后用一个光电探测器检测处理接收的瑞利后向散射光强度，形成一个后向散射波形图，如图1所示。OTDR系统检测和定位光传输过程的一些事件，如因固定接续或光缆弯曲导致的非反射事件以及因活接头或光纤缺陷导致的菲涅尔反射事件等，都影响了反射光强度，因此后向反射光的各种频率成分不会产生干涉强度起伏，OTDR曲线是比较平滑连续的曲线[7]。

图1 OTDR测试曲线

1.3 分布式光纤传感技术的应用

分布式光纤传感技术的应用涉及民用工程、航天、海洋、电力、石油化工及医疗等领域。OTDR主要有以下5方面的应用:(1)光纤断点、光纤接头松动等故障查找。(2)测量光纤长度。(3)测量光纤总损耗、平均损耗。(4)测量连接器、连接点的损耗。(5)测量连接器的回波损耗。OTDR产品发展迅速，技术不断成熟。目前商用OTDR的最大动态范围可达45 dB，最短盲区＜1 m，最高采样分辨率5 cm，各项性能指标都能适应工程需要[6]。

2 光接入网与PON

2.1 PON的概念与分类

光接入网是共享相同网络侧接口并由光接入传输系统所支持的接入链路群，也称为光纤环路系统。ITU-T G.982建议提出的关于光接入网功能参考配置如图2所示。

图2 光接入网功能参考配置图

图中OLT(Optical Line Terminal)为光线路终端，位于接入网的局端，其作用是为光接入网提供网络侧和本地交换机之间的接口，并通过光分配网(ODN:Optical Distribution Network)与用户端的光网络单元(ONU:Optical Network Unit)通信，分离交换与非交换业务，管理来自ONU的信令和监控业务，为ONU提供维护和指配功能。ODN的作用是在一个OLT和一个或多个ONU之间提供一条或多条光传输通道。ONU的作用是为光接入网提供直接或远端的用户端接口，位于ODN的用户侧，终结来自ODN的信息，处理光信号并为若干用户提供业务接口，完成光/电转换功能，以及对语音信号的数模转换、信号处理、复用、维护管理等功能。

光接入网根据OLT到各ONU之间是否含有有源设备，可划分为无源光网络PON(Passive Optical Network)和有源光网络AON(All Optical Network)。由于PON中不包含任何有源器件，且具有价格低、安装、维护方便等优点，因而成为最有效的光接入网解决方案。

PON接入技术有异步传输模式无源光网络(APON:ATM based PON)，以太网无源光网络(EPON:Ethernet based PON)，吉比特无源光网络(GPON:Gigabit PON)和 WDM无源光网络(WDMPON)几种。其中EPON是将Ethernet技术和PON技术结合，其目标是用简单的方式实现一点到多点结构吉比特以太网的光纤接入系统，大大节省光纤用量和管理成本。无源网络设备代替传统的ATM/SONET宽带接入系统中的中继器、放大器和激光器，减少了局端所需的激光器的数目，并且OLT由许多ONU用户共享。EPON利用以太网技术，采用标准以太帧，无须任何转换就可以承载目前的主流业务。因此，EPON简单、高效、建设费用低、维护费用低，是适合宽带接入网需求的技术[8]。

2.2 EPON的网络结构

以太网无源光网络(EPON)采用单点到多点结构的单纤双向光接入网，其典型的拓扑结构如图3所示。PON是指在OLT和ONU之间的ODN没有任何有源电子部件的光接入网，ODN全部由无源光分束器(POS:Passive Optica Splitter)等无源器件组成。OLT放置于中心机房，ONU为用户端设备。ODN由分光器连接OLT和ONU，负责分发下行数据并集中上行数据，完成光信号功率分配和波长复用等功能。POS是个简单器件，不需要电源，可以置于全天候的环境中，分束量一般为2、4或8，可以多级连接。ONU为网络提供用户侧的接口，完成下行光到电、上行电到光的转换，实现各类业务的接入。OLT既是一个交换机或路由器，又是一个多业务提供平台，提供面向PON的光纤接口以及面向Internet的上联口。另外，OLT还可以针对用户的不同要求进行带宽分配、网络安全和管理配置。

图3 EPON的网络拓扑结构

2.3 EPON的关键技术

EPON系统的关键技术主要包括测距、系统同步、QoS以及动态带宽分配等[8]。

(1)测距。在EPON中，上下行传输采用不同的技术，下行采用TDM传输方式，上行传输采用TDMA传输方式。PON系统在下行方向采用TDM的广播方式，由各个ONU判断属于自己的信息，因此下行方向不会有时隙冲突。但对于上行方向，由于不同光支路的路径长短不同而有可能同时到达光合路器从而造成冲突，就会引发大量误码或同步丢失。为避免这种情况发生，必须测得OLT到ONU的时延即测距，以安排各ONU上行时隙以保证它们不重叠复用。因此测距的目的是补偿因ONU与OLT之间的距离不同而引起的传输实验差异，使所有ONU感觉到与OLT的逻辑距离相同。

(2)系统同步。由于EPON为多点到单点的拓扑结构，上行过程中，每个ONU的发送时隙必须与OLT分配的时隙保持一致，以防止各个ONU上行数据发生碰撞，因此，ONU侧的时钟应与OLT侧的时钟同步。EPON系统采用时间戳方式进行系统同步。

(3)动态带宽分配。在EPON系统中的上行方向，所有ONU共享同一个传输通道。这样，就需要一个MAC仲裁机制给各个ONU分配一定的上行时隙，以避免不同ONU上行数据流产生碰撞。即需要有优秀的带宽分配算法使OLT公平地分配带宽，并且保证不同业务的QoS和高带宽利用率。常规的静态带宽分配算法不能满足网内负载的不均衡性，并造成带宽的浪费，为此EPON中采用动态带宽分配算法，能根据ONU突发业务的要求，实时改变ONU的上行带宽分配方案。

(4)QoS。EPON作为一项接入网技术，必须能支持以太网中各类通信业务不同的QoS要求，包括数据、视频和语音等综合业务。如何为各类业务提供最好的QoS支持，特别是保障实时及时延敏感型业务的QoS已成为当前EPON技术研究的热点。EPON系统中通常采取引入业务分级机制和ONU内优先级队列调度机制实现QoS的要求。

3 分布式光纤传感技术与EPON的融合

将分布式光纤传感技术融入到以太网光纤无源接入网中，实现网络故障诊断，并引入安防功能，使无源光网络成为具有网络故障诊断和安防功能以及以太网数据传输的多业务综合网。具体表现在将传感业务引入到EPON中，该方案能保证网络升级的兼容性和平滑性，并利用OLT或者ONU的数据接口，将传感信息融合到通信数据中传输，以提供增值业务。

3.1 融合方案

采用波分复用(WDM:Wavelength Divided Multiplexer)技术和窄线宽可调激光器，将通信光信号和传感光信号同时送入同一根光纤，这样可以将具有火险报警功能的BODTR、盗险报警功能的φ-OTDR[9]业务引入到现有EPON中。并且利用OLT的数据接口，将探测到的传感信息送入OLT中再下行传输到ONU，从而及时通知用户并采取相应的防火或者防盗措施，避免事故发生。鉴于目前的光无源接入网采用不同的上下行通信波长，因此可调激光器工作在另外的波段，这样在不影响正常通信的前提下，通过密集波分复用(DWDM)器将各个波长的激光信号分开，具体方案如图4所示。

图4 基于OTDR的光纤故障传感定位系统与PON融合方案

可调激光器产生的窄线宽激光经调制后，EDFA进行光信号放大，与OLT下行信号一起耦合进单模光纤。在ONU端，粗波分复用器(CWDM)将OLT下行通信信号和用于传感的多波长激光分离，通信信号进入1×N的光分束器后仍进行正常传输，而多波长的可调激光器通过一个DWDM进一步分离成多个不同波长，每一路波长进入一路选定的ONU，可以同时起到传感和识别ONU的作用。每个ONU的上行信号和传感光的后向散射光经一个CWDM分离，其中上行信号通过分束器后再经过另两个CWDM回传到OLT;而传感后向散射光经过DWDM和另两个CWDM返回到光传感终端进行后续信号处理[7]。传感信号处理得到的结果可用于控制可调激光器的功率和调制器的调制速率等，以自动适应不同PON的结构，优化传感信息。同时通过将命令信息打包入下行信道，通知ONU客户进行响应，比如发出火警、匪警等。

3.2 实验结果分析

光纤传感系统采用如图4虚线框内所示基于OTDR的实验系统进行传感信息获取。采用图4的融合方案搭建能够提供光纤故障监测的光纤无源接入网，实验仅演示其中两路分支即CWDM1和CWDM2。可调谐激光器输出光信号波长分别为1 547.80 nm和1 549.4 nm。所用CWDM共6个，共2个通道，其响应波长分别为1 550±10 nm和1 310±40 nm，其中两路分支CWDM1和CWDM2的插入损耗为0.29 dB和0.32 dB;DWDM一个，共4个通道，响应波长分别为 1 547.73 nm、1 549.36 nm、1 550.88 nm和1 552.52 nm，3 dB带宽为1 nm，通道一和通道二的插入损耗分别为1.02 dB和0.89 dB。主干光纤为1.70 km，ONU分支一、二光纤长度分别为24.70 km和10.54 km。可调谐激光器发射波长为1 547.80 nm时，设置D/A卡信号重复率为3.2 kHz，脉冲宽度为0.1%，TTL电平输出;当可调谐激光器发射波长为1 549.40 nm时设置D/A卡信号重复率为5 kHz，脉冲宽度为0.1%。调节电光调制器直流偏置电压和偏振态，使调制输出光功率最大。光接收机设置放大倍数为30 000。所有的接头都经过简单的处理，以减小菲涅尔反射。对A/D卡采集的数据进行16次数字平均后，绘制出1 547.80 nm和1 549.40 nm时的OTDR曲线分别如图4～图6实线。当ONU分支一的9.1 km处被弯曲和ONU分支二的4.8 km光纤被剪断时，测试OTDR的曲线为图5中的虚线。图中OTDR曲线不平滑是由于OTDR光源的线宽较窄，产生了干涉现象;在大约2.0 km处有一个较大的强度下降，这是由实验中CWDM和DWDM插入损耗引起[7]。由此看出该融合系统可以检测光纤的故障和损耗点。

为准确测试融合网络中OTDR光传感信号对PON通信的影响，最后对通信信道进行了眼图测试，在通信信道末端加入了S带放大器和衰减器进行ONU接收系统的模拟。调节放大器和衰减器，分别测试ONU分支一的原始通信眼图和融入1 547.80 nm和1 549.40 nm附近激光信号的眼图，如图6所示。其中伪随机信号的速率1.25 Gbit·s-1，示波器实时采样率20 GHz。由图可以看出，1 550 nm附近的OTDR激光信号对S带信号的光功率和畸变几乎无影响。这说明融合了OTDR光信号的融合网络，对PON系统的通信基本无影响。

4 结束语

研究了分布式光纤传感以及无源光网络的原理、应用及关键技术，提出将无源光网络与分布式光纤传感网络融合的思想，既可以克服局域网与骨干网之间的速率瓶颈，又符合光纤传感与光纤通信融合传输的发展趋势。针对分布式光传感技术在安防领域的应用与EPON的融合提出了解决方案，即将OTDR技术融入EPON中进行光纤故障监测与定位。验证表明，该网络不但能够正常传输传感探测信息，对PON通信信息的传输也基本没有影响。

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