PONODN中OTDR检测能力分析研究

2013-02-28欧月华

电信科学 2013年1期

欧月华，任艳

（中国电信股份有限公司广州研究院广州510630）

1 引言

在PON中，如果仅需要定位光纤故障的段落（主干光纤还是分支光纤），可以通过网管监控定位，但要定位光纤故障的精确位置，就必须要引入OTDR（optical time domain reflectometer，光时域反射）测试，以实现快速故障检测、定位和修复，提高运行维护和抢修故障的效率。

2 OTDR原理和实现方式

2.1 OTDR原理

OTDR技术原理是激光光源发送信号到光纤中，检测器接收从光纤链路中不同元素反射的光。发送的信号是一个短脉冲，携带有一定数量的能量。然后，时钟精确计算出脉冲传播的时间，将时间转换为距离，便可以得知该光纤的属性。当脉冲沿着光纤传播时，由于连接和光纤自身的反射，小部分脉冲能量会返回OTDR的检测器。当脉冲完全返回检测器时，发送第二个脉冲，直到取样时间结束。因此，OTDR会立刻执行多次取样并平均化、执行信号处理以提供链路元件的清晰特性图，除了计算总链路长度、总链路损耗和光纤衰减外，还计算每个事件的距离、损耗和反射。

2.2 OTDR实现方式比较

传统的OTDR主要应用在骨干网、城域网中进行点到点测试。对于PON，OTDR光纤实现方式主要有外置独立式OTDR、板卡式OTDR、光模块内置OTDR 3种，具体介绍如下。

·外置独立式OTDR：可以是手持式OTDR或者安装在局端机房的OTDR设备。对于局端机房的OTDR设备，通过光开关和合波器连接到1个或多个PON口下，实现相关PON口下的ODN测试。

·板卡式OTDR：OTDR板卡内置于OLT框架的插槽中，光开关和合波器外置将OTDR连至PON口，或者在OTDR板卡内集成能够提供OTDR功能的模块、光开关和合波器。

·光模块内置OTDR：OTDR功能集成在OLT PON口的光模块里，可对每个PON口下的ODN进行检测。

目前外置独立式OTDR是比较成熟的测试方案，可以较好地测试主干以及分支光纤的反射和衰减事件，基本可以判断分支光纤的故障点位置。板卡式OTDR的实现原理与外置独立式OTDR一样，它的测试效果与外置独立式OTDR基本相当。光模块内置OTDR方式是一种新兴的光链路检测技术，但实际的技术指标（如动态范围、盲区等）都比外置独立式OTDR低。

在本文中，外置独立式OTDR、板卡式OTDR的性能要求相同，它们的指标评估建议与光模块内置OTDR区分开。

3 PON ODN对OTDR基本参数和测试性能的要求

3.1 OTDR基本参数的分析建议

OTDR的基本参数包括光纤类型、测试波长、脉冲宽度、峰值功率、折射率、测试时间、量程和采样分辨率等。

（1）光纤类型和折射率

目前PON ODN主干和配线基本使用G.652光纤，入户使用G.657光纤，因此OTDR必须能够支持两种光纤的测试，同时为了实现更准确的测试，要求OTDR能够根据光纤类型设置折射率。

（2）测试波长

考虑到下一代PON使用的通信波长扩展到L段（1 565～1 625 nm）波长以及滤波器的实现难度，建议外置独立式和板卡式OTDR使用1 650 nm测试波长；而对于光模块内置OTDR，则可以选择3种测试波长分别实现，包括上行通信波长、下行通信波长和非通信波长（1 650 nm）。

（3）脉冲宽度测试时间和量程

按照PON ODN测试中不同的动态范围和精度要求，需要实现OTDR的脉宽和测试时间可调。同样，按照测试光纤长度的不同，要求OTDR的量程必须可调。

另外，如果实现0.5 m的精度，理论上需要5 ns脉宽进行测试，因此最小能够调节的脉宽建议为5 ns。而对于光模块内置OTDR，由于激光器功耗和体积的影响，晶振受限，最小可调节的脉宽建议为10 ns。

（4）峰值功率

对于外置独立式和板卡式OTDR的实现方式，激光器主要考虑人眼安全，按照≤50 mW进行约束，等效为≤17 dBm。

（5）采样分辨率

如果要达到0.5 m的精度，采样分辨率不能超过0.5 m。对于光模块内置OTDR，考虑其实现难度，则建议放宽至1 m。

因此，OTDR的基本参数建议见表1和表2。

表1 外置独立式和板卡式OTDR基本参数建议

表2 光模块内置OTDR基本参数建议

3.2 OTDR基本测试性能分析建议

OTDR的基本测试性能项包括距离不确定、动态范围、事件盲区和衰减盲区等。

（1）距离不确定度

不考虑光纤折射率引起的差异，OTDR的距离不确定度可以由下式计算：距离不确定度=固有差异+晶振差异×距离+采样分辨率。影响距离不确定度的各个参数取值见表3。

（2）动态范围

动态范围与检测脉冲的宽度以及检测时间有关，定义为OTDR端口的后向散射电平和噪声电平的差值，表达单向光纤的损耗。在本文中，噪声电平指定为98%的噪声电平的高度。由于PON ODN测试距离较短，需要选择一个合适的脉宽以及合适的测量时间，充分体现这个参数的意义。

（3）事件盲区和衰减盲区

事件盲区（event dead zone，EDZ）是菲涅尔反射后OTDR可在其中检测到另一个事件的最小距离。事件盲区的规格，最通用的业界方法是测量反射峰的每一侧-1.5 dB处之间的距离或者测量从事件开始直到反射级别从其峰值下降到-1.5 dB处的距离，如图1所示。在本文中，采用后者的检测方法。

衰减盲区（atenuation dead zone，ADZ）是菲涅尔反射之后，OTDR能在其中精确测量连续事件损耗的最小距离。所需的最小距离是从发生反射事件时开始，直到反射降低到光纤的背向散射级别的0.5 dB。

EDZ和ADZ的示意如图1所示。

PON中一些机房内可能存在一些比较短的光纤跳纤，或者出现相对距离较短其他反射/衰减事件，如果EDZ和ADZ过长，一些连接器或故障可能会被漏掉，技术人员无法识别它们，这使得定位潜在问题的工作更加困难，因此实现OTDR的EDZ和ADZ尽可能短是非常重要的。

另外，由于不同的反射事件、不同的链路损耗和不同的脉冲宽度会测量出不一样的EDZ和ADZ，因此必须确定脉冲宽度和激光脉冲经过来回链路散射和某反射事件的菲涅尔反射后返回到OTDR接收机的损耗，统一检测标准，结合实际运维的需求，给出EDZ和ADZ的建议值。

因此，OTDR的基本测试性能建议见表4和表5。

表3 距离不确定度影响参数取值建议

图1 EDZ和ADZ示意

表4 外置独立式和板卡式OTDR基本测试性能建议

表5 光模块内置OTDR基本测试性能建议

4 典型ODN场景下OTDR的检测能力分析和建议

4.1 典型PON ODN故障发生场景

为了方便评估OTDR的检测能力，选择常见ODN场景进行评估（二级分光方式，分光比为1∶64，即两个1∶8光分路器级联）。以下为该场景中不同位置出现光纤断纤、光纤弯曲等反射或衰减事件的几种情况，分别如图2～图4所示。

4.2 OTDR反射衰减能力分析建议

要满足一定的运维要求，外置独立式、板卡式和光模块内置OTDR应能支持以下反射事件的检测。

·回波损耗为60 dB反射事件（95%以上断纤），OTDR与该反射事件之间的ODN衰减为10 dB。OTDR检测该事件的能力，相当于OTDR基本上能够检测主干上距离OLT 20 km以内95%以上的断纤故障以及连接器等的反射事件，如图2所示。

·回波损耗为41 dB（50%断纤）和51 dB反射事件（90%断纤），OTDR与该反射事件之间的ODN衰减21 dB。OTDR检测回波损耗51 dB的反射事件的能力，相当于OTDR基本上能够检测1∶8分光后一级分支上距离OLT 20 km以内90%以上的断纤故障，如图3所示。其中51 dB和41 dB的反射事件的检测对应不同的事件分辨率的需求。

·回波损耗为15dB反射事件（UPC端面反射），OTDR与该反射事件之间的ODN衰减32 dB。OTDR检测该事件的能力，相当于OTDR基本上能够检测1∶64分光后二级分支上距离OLT 20 km以内光纤活动连接器开路的UPC端面反射事件，如图4所示。