配网自动化通信PON中继器的研究

钱立东 李华 贺耀旭 徐周屹 赵周武 钱卉

【摘要】    本文介绍了一种用于组建基于EPON的双环自愈网的EPON中继器，内部包含两路OEO放大整形电路，可同时对两路EPON信号的下行和上行光信号放大整形，增强光信号功率，延长通信距离，提高环路所能接入的ONU数量，增强了网络部署的灵活性和方便性。

【关键词】    EPON    OEO    双环自愈    中继器

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在工業控制领域已得到大量应用，尤其在国家电网的智能电网组网应用中，是一种优先选用的通信技术，智能电网对通信可靠性要求很高，一般都采用双环自愈网络结构，在这一网络中，大量采用一分二分光器，而一分二分光器对光功率分配不均匀，光网络级数较多，实际使用中还大量使用活动光连接器和法兰盘，导致光功率损失很快，使得环路能够接入的ONU数量减少，一般为6至8个，通信距离也比较短，在20公里以内，使用很不方便;本装置可用于在环网的中间位置对EPON光信号进行整形放大，大幅度增强光功率，延伸通信距离，克服通信距离和光功率的限制，提高施工便利性，并能节约光纤占用和OLT的PON口数量。

正文

本文主要介绍一种EPON中继器，用于组建基于EPON的高可靠性的双环自愈网络，本装置包含两路OEO放大整形器，可实现同时对两路EPON的上下行信号进行放大整形，可大幅度延长EPON的通信距离，并能增加环路所能连接的ONU数量，提高组网的便利性。

这种EPON中继器可依据来自OLT的下行光信号，控制关断发向ONU方向的下行光信号，ONU可依据下行光信号控制切换到可用的ODN网络上，从而保证环网光纤断裂时，业务不中断。

本中继器还包含CPU，网管模块和可编程芯片FPGA，具有体积小，集成度高，可网管可维护的特点。

为了实现上述目的，我们采用两路OEO信号放大整形器，OEO即光电光 ，先将输入光信号转变为电信号，进行放大整形，再转变为增强的光信号输出。EPON采用单纤双向工作方式，内部集成1490纳米和1310纳米的两波段WDM，可将下行和上行方向的光信号耦合到同一根光纤，从而节约和光纤和分光器;在EPON中继器中，需要把上行和下行光信号分离，分别进行放大整形，然后再通过WDM合波，将下行方向和上行方向的光信号耦合到同一根光纤。

每路OEO信号放大整形器包含OLT侧光模块和ONU侧光模块，整个两路EPON中继器装置共包含4个光模块，可同时实现对两路EPON的上下行信号进行放大整形;每路OEO放大整器包含两个光模块，分别为用于与OLT方向的光纤相连的OLT侧光模块，与ONU方向的光纤相连的ONU侧光模块;OLT侧光模块在下行方向，接收来自OLT的下行光，进行放大整形，变为PECL差分信号，送往ONU侧光模块，OLT侧光模块可正确接收大于-28dBm的弱光信号，并将弱光信号放大到PECL电平;ONU侧光模块接收下行差分PECL信号，经过驱动器驱动增强，驱动激光器发光，输出的光信号得到增强，发往与本中继器相连的ONU，本中继器下行发光功率可达+6 dBm;在上行方向，ONU侧光模块接收来自ONU的上行激光，进行放大整形，变为差分PECL信号，送往OLT侧光模块，ONU侧光模块可正确接收大于-31dBm的弱光信号，并将此弱光信号放大到PECL电平;此PECL差分信号发送到OLT侧光模块，在OLT侧光模块，经过驱动器驱动增强，驱动上行激光器发光，使上行光增强，发往与本中继器相连的OLT，OLT侧光模块发光功率可达+1dBm。

“ONU侧光模块”接收到的是来自ONU的上行突发光，工作模式为突发接收、突发放大，这与通用的连续光方式有很大的不同，来自ONU的突发光信号，有的光脉冲强，有的光脉冲弱，光模块需要在极短的时间调整放大倍数，对弱光信号增大放倍数，对强光信号则减小放大倍数，使最终输出的信号强度相同，“ONU侧光模块”需要在各个光突发脉冲之间，提供“上行帧间复位信号”，用于对限幅放大器复位，使之快速调整工作状态，以适应下一个光脉冲的信号强度;所以“ONU侧光模块”进行了特殊的设计，以产生一个额外的“收光指示信号”，这个收光指示信号通往FPGA，经过FPGA处理以后，产生出符合“ONU侧光模块”要求的“上行帧间复位信号”。

以第一路OEO为例，在下行方向，从OLT发出的下行激光通过光纤，连接到EPON中继器的“OLT侧光模块”，OLT侧光模块内部的BOSA器件含有WDM元件，会把下行光分离出来，射向PIN器件，PIN器件将激光转化为电流，然后通过跨阻放大器先进行前级放大，再经过限幅放大器进一步放大，转为高速差分PECL信号，输出至ONU侧光模块，ONU侧光模块接收到下行差分信号后，连接至下行激光驱动器驱动，增强发射功率，驱动激光器发光，经过与“ONU方向的光接口”相连的光纤和ODN网络，向与中继器连接的ONU发射;在EPON系统中，下行光是连续光，采用通用的光通信技术就可以实现所需功能;

在上行方向，ONU發出的突发光信号，经过“ONU方向的光接口—TO  ONU”，耦合进“ONU侧光模块”的APD器件，转变为电信号;APD是一种雪崩管，灵敏度远高于PIN管，雪崩管需要较高的工作电压，“ONU侧光模块”通过内部升压电路提供APD管所需高电压，APD管可以实现光电流的倍增放大，即使接收到小于-31 dBm的微弱光信号，也可以放大到足够大的电流，恢复出高信噪比的信号。雪崩管输出的电信号经过前置放大器放大，再经过限幅放大器放大，变为高速差分PECL信号，通往“OLT侧光模块”;在OLT侧光模块中，“上行高速差分信号”经过激光驱动器驱动放大，驱动上行激光器发光，再经WDM，与OLT发来的下行激光合光，经“OLT方向光接口—TO OLT”，发往OLT设备;

下行发光控制是很重要的功能，当接收到来自OLT的光信号时，“ONU侧光模块”会打开下行激光发射功能，从OLT来的下行信号经过放大后，向中继器后面连接的ONU发射;如果与“OLT方向的光接口”连接的光纤断裂，中继器收不到下行激光，EPON中继器必须关断向ONU方向的激光发射，激光器的暗光也必须同时关断，ONU接收不到下行激光，则会触发切换功能，断开与这根光纤相连的PON MAC的业务连接，启用与另一根光纤相连的PON MAC的业务连接 ; 下行发光控制信号是触发网络保护切换的关键信号，当接收不到OLT发来的光，则关断向ONU方向的发光;

本中继器装置需要与具有C类或D类保护功能的双PON口ONU配合组建双环自愈网，当本中继器接收不到来自OLT的下行光信号时，会控制关闭输出至ONU方向的光信号，与本中继器连接的双PON口ONU通过判断其两个PON口是否有光信号进行切换，如果一个PON口信号丢失，则ONU将业务切换到另一个PON口上，如果两个PON口光信号都正常，则ONU选择其中一个PON口作为主用光口，另一个PON口作为备用光口。

为了提升本中继器的可网管，可维护性能，由ARM CPU和网管程序提供网管功能，通过四个光模块的I2C总线读出光模块的温度值，偏置电流值，发射光功率和接收光功率值，送往WEB界面和SNMP程序模块。

结尾

国网浙江淳安县供电有限公司在配网自动化通信建设中，针对变电站密度小，光纤线路长的问题，采用在中间链路增加光中继的方式完美的解决了光信号不足的问题，节省了投资，提高了配网自动化通信的稳定性和可靠性。

参  考  文  献

[1]  董孝义.光放大与全光中继器. 光通信技术，GTXS.0.1990-03-008

[2]  陈少梅.光纤放大器原理与应用的研究.漳州职业大学学报.2002（1）

[3]  李伟明.用中继拉远技术解决PON部署过程中的普遍难题.中国新通信.10.3969/j.issn.1673-4866.2018.13.090