PON系统中的光链路检测技术研究.doc

PON系统中的光链路检测技术研究王成巍，沈成彬，蒋 铭，杜 喆(中国电信股份有限公司上海研究院 上海 200122）摘要 本文通过对PON系统的分析，提出了光链路检测技术的重要性；然后，详细研究了PON系统中光链路检测技术的实现方式，综合考虑成本、实现难度、有效性等因素，提出了双端光模块参数测量是现阶段最佳的实现方式此外，还分析了双端光模块参数测量中接收光功率测量的实现方法，提出了光模块参数的技术指标要求最后，给出了几个应用双端光模块参数测量进行故障分析的典型案例关键词　无源光网络；光链路检测技术；光模块参数测量；光时域反射仪；SFF-84721 引言 无源光网络（PON）系统由局端设备（OLT）、用户端设备（ONU）和光分配网（ODN）组成ODN中没有有源部件，不需要电源，因此容易铺设，故障率较低，可以节约较多的运营和维护成本但是相对于ADSL和LAN接入网，PON系统承载多种业务与应用，涉及到很多技术领域，技术复杂度远高于前者，而且一旦发生网络故障将对多种电信业务产生影响，因此，对PON系统的故障处理速度要求更高，这就需要有更好的技术手段对PON进行快速的故障定位和处理。

在PON系统中光分路器的引入给线路故障的定位带来一定的困难，一旦发生故障，难以迅速发现、定位及处理这不仅需要维护人员掌握复杂的维护技术，解决很多复杂的故障，也需要设备和技术的进一步成熟，提供相应的技术维护手段PON系统光层的故障主要包括ODN（包括光纤、光分路器和连接器）的故障和光器件（主要指光模块）的故障两方面的内容，采用光链路检测技术可以迅速地发现和定位这些光层的故障下面本文将介绍光链路检测技术的3种实现方式，对各种方式进行比较，然后对双端光模块参数测量方式进行详细分析，并提出了技术指标要求2 PON的光链路检测技术 PON系统的光链路检测技术主要包括：数据链路层误码率（BER）测量、单端光时域反射仪（OTDR）测量和双端光模块的参数测量等下面将对这3种光链路检测技术进行详细的分析2.1 链路层BER测量 链路层的BER测量主要是指OLT和ONU对PON接口上接收到的码流发生的8B/10B误码、以太网帧的FCS错误和FEC错误的统计，通过对所发生的误码的统计分析实现光层故障的定位如果OLT一个PON口下的线路编码错误随着时间的推移越来越多，并且该PON口下的所有活动的ONU的编码错误也随着时间的推移越来越多的话，就可以初步判定是该PON口到光分路器这一段的光层存在故障，可能的故障包括：光分路器或者OLT的光接头故障，主干光纤故障，OLT PON光模块故障。

如果一个PON口下的线路编码错误随着时间的推移越来越多，并且该PON口下的连接到光分路器某个分支的ONU的编码错误越来越多而其他ONU均没有误码的话，就可以初步判定是光分路器的分支到ONU的光层存在故障，可能的故障包括：光分路器的支路故障或者这段光纤存在故障目前绝大多数的PON芯片均支持这些数据的统计，所以实现比较容易，能够在一定程度上帮助系统故障判断但由于这种技术是通过数据链路层的统计分析获得链路的状态信息，还不能直观地反映光纤的衰减等物理层参数变化，也不能帮助判断是光纤故障还是光模块故障2.2 单端OTDR测量 OTDR测量主要通过发送窄的、高功率的光脉冲到光纤内，然后对反射回的光进行测量光纤末端、光纤断裂以及连接器等事件可以通过脉冲的反射反映到OTDR上，OTDR根据光反射回来所花费的时间来确定每个事件的距离OTDR测试只需要在单端进行测量 PON系统的OTDR测量对OTDR提出了以下新需求 · 更高的动态范围，可以穿过高损耗的分路器，便于进行OLT到多个ONU的点到多点全程测量 · 高的分辨率，以便可以表征间距非常近的事件（比如与OLT距离相差不大的多个ONU的测量）。

· PON系统中OTDR需要采用“带外波长”进行测试，原因在于当对某一个PON用户进行故障排除时，不应对同一OLT下其他正常的业务造成干扰（EPON/GPON系统都使用1 310 nm、1 490 nm分别作为上行和下行工作波长，还有可能使用1 550 nm作为CATV的工作波长），因此，ITU-T L.41中建议使用1 650 nm波长作为OTDR的带外测试波长进行测试，而在实际工作中，常常采用特殊的具有滤波功能的1 625 nm OTDR来进行 · 另外，在ONU处还要有上行反射计（如光纤布拉格光栅（FBG滤波器）） 图1即为PON系统中OTDR测量的示意，如图所示，可以在一个机房中共享一个OTDR测试仪，通过光交换开关可以周期性地检查所有的光纤链路，这种方法可以将光层故障定位精确到3～5 m的范围所以为了精确定位每个ONU的光层故障，在工程设计时需要设置每个ONU与OLT的距离均不相等，相差在5 m以上，这在一定程度上给工程施工带来了难度在图1中，也可以将OTDR和光交换开关内置于OLT的PON线卡中，实现对该PON线卡中所有PON口的光链路测试 从图1中也可以看出，OTDR需要利用一个N×N光开关矩阵实现对各个PON接口的测量，导致系统的复杂度和成本较高。

这种方式目前全球还没有规模商用的案例2.3 双端光模块参数测量 PON系统中的双端光模块参数测量包括对OLT和ONU的光模块的发送光功率、接收光功率、光模块工作温度、供电电压、偏置电流等相关参数的测量，并结合一定的分析手段实现对光链路的测量和诊断 一方面，OLT光模块要对自身参数，如发送光功率、光模块工作温度、供电电压、偏置电流等进行监控，更重要的是要对接收到的每个ONU的上行平均光功率进行测量对于整个PON口下每个工作于突发模式的ONU的光功率进行测量是一个难点 另一方面，ONU应支持基于SFF-8472的光模块数字诊断监测接口功能，提供对光模块工作温度、供电电压、偏置电流、发送光功率和接收光功率等参数的监控并且ONU要通过管理通道（OAM或者OMCI）将测量结果上报给OLT进而上报给网管进行分析网管对OLT和ONU的测试结果进行综合分析，获得光链路的性能数据，帮助实现故障诊断 当OLT和ONU光模块的某个或者多个参数过低或者过高时，应能通过事件通告机制向网管发送相应的越限告警和越限警示根据网管的告警可以迅速地发现故障，并可以及时地对故障进行处理。

2.4 3种实现方式的分析和比较 绝大多数的PON芯片均支持错误统计，所以链路层的BER测量实现方法不需要对PON系统做任何改动，但是这种实现方法只能大概地定位故障范围，并不能精确定位光层故障类型单端OTDR测量方法可以将光层故障定位在3～5 m范围，但是在工程布放的时候需要实现每个ONU的光纤长度各不相同，且有序分布，工程实施难度较大，在ONU处还要有上行反射计，并且对OTDR测试仪的盲区大小、分辨率和动态范围都有较高的要求，总体成本较高，并不适合在现阶段使用双端光模块参数测量方法只需要对光模块做相应的改动，可以较为精确地定位故障，技术上也已经基本成熟，并且成本不是很高综合考虑成本、实现难度、有效性等因素，双端光模块参数测量是现阶段光链路检测的最佳实现方式3 双端光模块参数测量的实现 PON系统中对OLT和ONU的双端光模块参数测量需要测量光模块的工作温度、供电电压、偏置电流、发送光功率和接收光功率等参数 其中ONU光模块实现对工作温度、供电电压、偏置电流、发送光功率、接收光功率等参数的测量，在技术上没有太大问题，关键在于测量精度（特别是接收光功率）。

目前，SFF-8472标准已经对ONU光模块的参数测量功能进行了规定，ONU的接收光功率检测应采用SFF-8472提出的光模块数字诊断监测接口来实现 对于OLT光模块而言，实现对工作温度、供电电压、偏置电流、发送光功率等参数的测量，在技术上没有太大问题，但是对于来自每个PON口下、多个工作于突发模式的ONU的光功率测量比较困难 OLT的接收光功率检测难点有以下两点 · 因为ONU上行工作于突发模式，要实现对该PON口下所有ONU的检测，就需要OLT能够准确区分光信号来自哪个ONU这需要执行光功率测量的光模块和控制ONU上行时隙的MAC控制芯片之间的配合，即需要MAC芯片提供测量的触发信号，并结合ONU的上行时隙分配对测量的结果进行分析 · OLT要求有很快的采样保持电路和较高的测量精度OLT光模块对光信号测量的原理与常规连续接收光模块类似，通过RSSI得到光生电流，在后级的电路处理中实现记录功能其最大区别在于ONU上行突发信号持续时间可能很短，需要特殊的处理，主要也是需要很快的采样保持电路另外，对OLT的测量精度也有较高要求 下面将对OLT光模块的接收光功率检测的实现方法进行重点分析，提出光模块参数测量的指标要求，并分析影响光模块参数测量精度的几个因素。

3.1 OLT光模块接收光功率测量的实现方法 PON OLT光模块内部带有RSSI电路，该电路能根据接收到的突发光功率的大小，输出与之相对应的不同幅度的脉冲信号，需要对这个脉冲信号进行A/D转换后再上报，主要有以下两种实现方式 （1）在系统板上放置模拟—数字转换器 此方案的实现框图如图2所示 在这种实现方法中，系统要将接收到的ONU光功率上报，需要经过如下的步骤：首先，OLT光模块RSSI引脚输出表示接收到的每个ONU分组的光功率脉冲信号，PON MAC通过SPI接口的CS线控制模拟—数字转换器（ADC），将ONU对应的RSSI脉冲信号进行AD转换；然后AD转换结果通过SPI接口写入PON MAC芯片的内存中这种方式下，温度补偿必须由PON MAC芯片来完成，一致性难以保证 （2）ADC内置OLT光模块中 这种方案不能延用上面的设计思路，其实现框图如图3所示 在这种实现方法中，系统要将接收到的ONU光功率上报，需要经过如下的步骤：首先，必须将ONU对应的RSSI脉冲信号进行采样保持，采样保持电路（图3中的S/H电路）输出的信号才能进行AD变换，这一系列的工作都将用光模块内部电路来实现；系统通过I2C接口来读取实际的光功率上报值。

光模块还应集成温度补偿功能，以提高测量精度 第二种实现方法将ADC内置于OLT光模块中，PON MAC通过I2C接口来读取接收光功率的值，这种模块化便于标准化，并且简化了接收光功率的检测电路，降低了电路故障概率，但是实现难度较高而第一种实现方法较为简单，可以满足现阶段光功率检测的要求，适合在现阶段使用3.2 光模块参数测量的技术指标要求 为满足实际应用的需求，OLT和ONU对接收光功率、工作温度、供电电压、偏置电流、发送光功率等参数的测量应满足一定的精度、测量范围和响应时间的要求 首先对于接收光功率测量功能有如下要求：OLT应支持对其接收到的来自每个ONU的上行平均光功率的测量，在－30 dBm到－10 dBm范围内的测量精度不劣于±1 dB，同时需要测量采样时间很短，采样时间不大于600 ns（即不大于一个标准的64 byte最小长度报文的信号持续时间——某些情况下，ONU仅向OLT发送最小长度的OAM、MPCP或者OMCI报文，这时OLT光模块仍应能够准确检测来自该ONU的接收光功率） ONU对接收到的下行光功率的测量精度应优于±2 dB从现网应用的角度来讲，SFF-8472所规。