PON网络弱光问题分析与防护

（中兴通讯股份有限公司上海研发中心，上海 201203）

PON网络弱光问题分析与防护

余辰东

（中兴通讯股份有限公司上海研发中心，上海 201203）

PON网络中的弱光问题随着FTTx业务发展（远距离、大分光比应用）变得越来越严重。通过对弱光产生原因的分析，梳理了影响光功率预算的主要因素。基于EPON扩展OAM/GPON OMCI协议，通过比较标准定义与实际应用，报告了ONU光功率的检测方法以及对应的弱光故障定位策略。结合工程应用总结了弱光问题防护与解决的几种方法。

PON；ONU；弱光；扩展OAM/ONT管理控制接口；前向纠错

1 弱光定义与危害

ONU弱光一般指针对特定ONU的OLT侧接收光功率小于指定范围。由于PON设备采用信号幅度检测机制，当OLT针对某一特定ONU的接收光功率小于特定值时，OLT对该ONU的上行信号接收质量无法保证，可能产生误码对业务质量产生一定影响，当误码严重时OLT无法接收ONU的控制交互消息，并可能导致ONU的解注册。

2 弱光原因分析

PON网络的拓扑结构决定接收光功率由两部分组成：PON两“端”的ONU发送光功率Oonut以及OLT接收光功率Ooltr；连接PON两“端”的ODN引入的光功率衰耗Oatt。也即：

由公式(1)可知，当ONU发送光功率越强，ODN光衰越小，则OLT针对特定ONU的接收光功率就越大，即不会出现弱光问题；而满足接收指标的ODN衰耗被称为光功率预算。

2.1 光功率预算

稳定优良的网络可根据一定的标准与规范加以设计。PON网络规定OLT/ONU发光功率与接收灵敏度标准，以保证光功率发送/接收指标。EPON/GPON相关指标分别如表1所示。

PON网络光路预算根据数据传输方向分为上/下行方向，每个方向具体计算方法为：光路最大插损计算采用最小平均发光功率减去接收灵敏度；光路最小插损计算为最大发光光功率减去过载光功率。光路预算要求如表2所示，由于OLT/ONU侧光模块本身灵敏度有所不同，因此接收光功率需考虑适当的余量（建议3 dB）。当PON网络光路施工完成后，其光链路预算基本保持稳定，通过提供E/GPON新类型光模块（1 000 Base-PX20+/Class C+）而实现更高的发射光功率及接收灵敏度，从而提供更大光路预算（也即更大的分光比与更远的传输距离）。

表1 EPON/GPON光模块的技术规范

表2 EPON/GPON光路预算

2.2 光功率衰耗

ODN网络光功率衰耗主要由光纤引入衰减及光器件（尤其是分光器）引入插损组成。

2.2.1 衰减

信号在光纤中传播时，将会有一部分能量转化成热能或者被传输介质吸收，从而造成信号强度不断减弱，这种现象称为衰减。光纤本身损耗，由光纤材料本身固有吸收损耗、材料杂质吸收损耗、瑞利散射损耗等组成。

PON网络上下行数据传输分别使用不同的光纤工作波长区，其上下行光路衰减也有所不同：典型下行（1 490 nm）光纤衰减系数为0.36 dB/km；上行（1 310 nm）光纤衰减系数为0.42 dB/km。传输距离越长，则光功率衰减越大，且相同条件下光衰上行方向大于下行方向。

2.2.2 插损

插损又叫插入损耗，其指在传输系统中由于器件插入而发生负载功率的损耗，它表示为该器件插入前负载上所接收光功率与插入后同一负载上接收光功率以分贝为单位的比值。

PON网络中的插入损耗由理论损耗与附件损耗等组成：理论损耗主要来源于连接ODN光路的分光器，其中，1：n分光器的插损理论值为10lg(1/n)；附加损耗是在各种环境下进行光缆敷设、光纤接续以及作为系统的耦合与连接等引起的额外损耗，包括光纤/光缆的弯曲损耗、微弯损耗、光纤线路中的连接损耗、光器件工艺引入的额外损耗等，且工艺越好，则插损越小，常见的法兰和熔接头将引入一定插损：法兰引入的典型插损为0.5 dB/个，熔接头引入的典型插损为0.1 dB/个。理论损耗由组成PON网络的器件构成，当PON网络结构工程设计完成后，连接器数量一般固定，也即理论插损相对固定，而附件损耗愈小愈好，可通过提升生产工艺以及网络施工质量在一定程度上加以消除。

3 弱光检测与定位

3.1 光功率检测

判断弱光故障及计算ODN实际衰减损耗依赖于收发光功率检测。PON网络中ONU位于远端，本地测量效率过低。为实现ONU光功率的有效测量，OLT通过RSSI（接收信号强度指示）接口取样和A/D（模/数）转换实现其接收各个ONU上行平均光功率的远程测量。

3.1.1 EPON光功率检测

EPON标准中通过扩展OAM中的“Optical Transceiver Diagnosis”属性实现OLT对ONU光模块参数与链路的诊断，其中包含ONU光发射机的发送光功率与接收光功率，如表3所示。

光发射机发送/接收光功率均以16位无符号整数表示， 单位为0.1微瓦（μW）， 表示范围为0～6.553 5 mW，转换成dB的方法是，dB=10×lg(uw/10)。光接收机发送光功率测量精度应优于±3 dB；光接收机接收光功率：在-30～-10 dBm范围内的测量精度应优于±1 dB。

表3 0pticalTransceiverDiagnosis Variable Container格式

3.1.2 GPON光功率检测

GPON系统采用OMCI实现对光功率的检测，其中涉及3种消息类型，如表4所示。

表4 ONU光功率相关的消息类型(MT)

OLT可通过GET（MT：9）消息要求获取ONU ANI-G管理实体（cls：263）的第10、14个属性，分别为：Optical Signal Level（光信号功率）：该属性指示当前测量到的接收光信号总功率； Transmit Optical Level（发射光功率）：该属性报告当前测量到的平均发射光功率值。ONU通过GET Reponse（MT：9）上报OLT所要求属性值。

OLT下发Test（MT：18）消息，通过CLS：263要求ONU采用ANI-G格式进行自测，ONU通过Test Reponse应答成功，并通过Test Result（MT：27）上报结果，消息结果中第2、3属性分别为接收光功率与平均发送光功率。

3.2 定位

弱光定位以PON口为单位，通过对OLT接收各ONU光功率的检测，判断该ONU是否存在弱光问题，并根据检测到弱光ONU数量判断是ONU个体问题，还是PON口共性故障。

3.2.1 ONU个体问题

当PON口检测为弱光ONU数量较少时可判断为个体问题，其原因可能包括：ONU本身发光功率偏弱，导致其在线路正常衰减后OLT侧收光低于要求阈值；ONU距离OLT距离较远，虽然ONU本身发光符合规范要求，但经过正常光路衰减后OLT侧对应收光低于要求阈值；ONU光纤支路质量异常，导致该支路的光功率衰减过大。

首先针对单个ONU测量ONU发送光功率：当发送光功率低于某规定阈值时，则判定ONU发送光功率低是弱光原因。发送光功率可根据实际PON网络设计情况，由OLT光模块接收灵敏度与光链路设计衰减之和决定ONU最低发送光功率；其次OLT测量与指定ONU间传输距离，且光信号传输衰减与其传输距离大体成线性关系，并可根据光纤上下行衰减系数进行近似计算，因此传输距离过远时，衰减过大导致弱光；最后，若PON口下少量ONU存在弱光，且不满足上述条件时，可认为这些ONU对应的支路光纤可能存在异常。

对应于ONU个体，上下行光功率衰减损耗均满足光功率预算设计为全程合格。可使用单用户合格率指标衡量，全量光衰合格率=全程光衰合格用户数/采集有效的FTTH用户数。

3.2.2 PON链路共性故障

PON口下大量ONU存在弱光时可判断为共性故障，其原因可能包括：光路本身质量不良；光链路中器件状态异常导致较大衰减或插损。

当PON口全部ONU弱光时，可能是该PON口下主干光纤或一级分光器异常。也即PON口下存在任一用户全程合格则该PON口光衰合格。当PON口下部分ONU存在弱光问题时，则可能是支路光纤问题或多级分光器存在异常。当多级分光器下存在任一ONU光功率合格，则可排除多级分光器问题，当多级分光器下特定ONU发送光功率以及与OLT距离均满足要求时，可判断为该ONU支路异常；当支路分光器下所有用户存在弱光问题时，可判断为支路分光器异常，而若支路分光器下存在合规用户，则判断支路分光器合格。

PON口光功率合格与否采用与单个用户合格相同的指标，PON口合格率其可定义为：PON口合格率=光衰合格PON口数/采集有效的全量PON口数。

4 弱光防护与解决

弱光问题作为PON网络中常见问题，其防护与解决也需要从多维度加以综合处理。

4.1 组网规划

合理光功率预算：控制多级分光方式放装，建议一级分光方式，并根据业务场景将FTTB/FTTH分别按PON口放装，一般而言FTTB控制1：16分光，FTTH控制1：64分光，以PON 1：64分光比情况计算，理论计算链路衰耗=10.6（第一级分光）+10.6（第二级分光）+5（全链路适配器数量）×0.5+3（全链路光缆熔纤点）×0.1+0.5（进户)=24.5+光缆传输距离。

规范组网设计：制定PON网络的组网规范，完善网络配置规范，通过控制分光比、接入距离，路由条数等一系列条件，使PON网络持续平稳地发展，网络性能保持稳定健康。通过对PON OLT所覆盖地区用户密度，合理PON口覆盖用户距离与数量，并确定分光比，减少光纤接头、通过对距离与分光比的控制实现预定的光功率预算。用户入网时以PON口为单位监控光路资源与性能，控制弱光情况的发生：通过对OLT、ONU光模块发射光功率的筛选，保证其最小发射光功率大于要求阈值（阈值=接收灵敏度+光功率预算+裕度）。同时避免距离较近ONU的直接接入，防止OLT接收光功率超过其过载光功率使得光模块损坏。

光链路施工质量提升：主干光缆建议采用铠装光缆，排除外界环境因素干扰；支路光纤采用热熔方式，减少接头衰减；规范用户布放，防止皮线光缆盘扎过紧、弯曲度过大。不同光器件连接采用相同类型的连接器，避免不同类型连接器对接时引入的额外光功率损失。

4.2 FEC（前向纠错）

PON系统通过FEC在传输前对数据进行预处理来实现差错控制的方法，在原始信息上添加冗余，接收设备通过冗余信息检测并纠正一些传输错误，以达到提升光功率预算，适应更远距离传输与更大分光比的效果。PON系统FEC使用里德-所罗门编码RS（255，239）方案，每个块添加16个奇偶数据，最多能够纠正8个错误或最多16个疑符。考虑到兼容性，PON系统采用基于帧的FEC编码方式，其帧格式如图1所示，其产生的奇偶数据附在每个帧的后面，而帧本身则保持不变。只有具备FEC能力的ONU能够从增加的FEC保护功能中受益；不具有FEC能力的ONU不会获得任何增益，但仍可接收帧。

FEC性能改善由链路参数决定，其改善效果可用误码率或编码增益来衡量：当输入误码率为10-4，输出误码率则能达到10-12；用编码增益表示，在加性高斯白噪声信道相当于5.6 dB。在实际工程应用中，一般可获得3 dB左右的光功率改善。

FEC不可避免的给PON系统引入开销，图1所示的阴影区域代表增加域，即FEC开销的部分。最坏情况是业务流全有最短分组构成，此时开销达到23.6%。

图1 FEC编码之后的帧格式

4.3 发光功率提升

为实现PON OLT突发模式接收的自动增益调整（AGC），保证经过光路衰减后达到OLT光模块接收机的各个ONU的光功率差异在一定范围之内，以满足OLT接收机动态范围的要求。EPON为简化功能通过规范光功率范围及传输距离来实现此要求，GPON则可通过协议交互实现ONU发送光功率的动态调整（功率电平调整）从而提高OLT的信噪比：对具有较低ODN光损耗的ONU，降低其发送功率电平，以防止OLT接收机过载；对具有较高ODN光损耗的ONU，增加其发送功率电平。功率电平调整有两种方式：ONU发起、OLT发起。

表5 Change Power Level消息格式

4.3.1 ONU发起的功率电平调整

GPON ONU注册过程中需要对一定数量的S/N Request（序号请求）消息进行响应，当接收不到OLT应答消息时，ONU可发起功率电平调整。S/N Request数量被称为S/N_ Request_Threshold（建议为10）。ONU初始化时采用Upstream_Overhead（上行开销）消息中规定的功率电平模式。当超过S/N_Request_Threshold时ONU以模3的方式提高其发送电平继续响应S/N Request消息。调整发送功率电平后如果又超过了S/N _Request_ Threshold，ONU就继续以模3的方式提高其发送功率电平，直到其收到Assign_ONU-ID（分配ONU标识）消息或DisableONU（ONU去注册）消息。

4.3.2 OLT发起的功率电平调整

处于O4（测距）、O5（运行）状态的ONU出现不能接受的BER（误比特率）时，当OLT确定ONU需要调整功率电平时就启动OLT发起的功率电平调整，OLT向该ONU发送Change Power Level（变更功率电平）消息，如表5所示，使其提高或降低发送功率电平。

5 结束语

随着PON网络FTTH业务的大规模发展，在保证接收信号误码率同时对PON口下传输距离、分光比的要求也越来越高，从而出现弱光问题的概率也大大增加。采用一定手段对弱光问题及时准确的定位，并通过合理的光网络规划以及提升光链路施工质量使得PON网络满足整体光链路预算指标，在特定场景下应用相关技术，可在不变动网络架构的情况下，进一步提升预算，从而及时发现并从根源上杜绝弱光问题，保证业务质量，提升用户感知。

[1] YD/T 1771-2008. 接入网技术要求——EPON系统互通性要求[S].

[2] GLEN Kramer. 基于以太网的无源光网络[M]. 陈雪，孙曙和，刘冬，等，译. 北京：北京邮电大学出版社，2007.

[3] Q/CT 2361-2011，中国电信EPON设备技术要求v3.0[S].

[4] ITU-T G.984.3-2008， 吉比特无源光网络（GPON)：传输汇聚层规范[S].

Analysis and protection of low optical power level in PON network

YU Chen-dong
(ZTE Corporation, Shanghai R&D Center, Shanghai 201203, China)

The problem of low optical power level in PON network is becoming more and more serious with the development of FTTX service (long distance and large optical splitting ratio). Through the analysis of the causes of the low optical power level, we analyse the main factors which affect the optical power budget. By comparing the standard definition and the practical application which based on the extended oam of EPON protocal /OMCI of GPON protocol , we also report the detection method of ONU transmit/ receive optical power and the corresponding weak optical fault location strategy. Finally some protection methods and solutions of low optical power level are summarized by engineering application.

PON; ONU; low optical power level; extend oam/omci; FEC

TN915

A

1008-5599（2017）03-0015-05

2016-12-02