PONODN中OTDR檢測能力分析研究

歐月華，任 艷

（中國電信股份有限公司廣州研究院 廣州510630）

1 引言

在PON中，如果僅需要定位光纖故障的段落（主干光纖還是分支光纖），可以通過網管監控定位，但要定位光纖故障的精確位置，就必須要引入OTDR（optical time domain reflectometer，光時域反射）測試，以實現快速故障檢測、定位和修復，提高運行維護和搶修故障的效率。

2 OTDR原理和實現方式

2.1 OTDR原理

OTDR技術原理是激光光源發送信號到光纖中，檢測器接收從光纖鏈路中不同元素反射的光。發送的信號是一個短脈沖，攜帶有一定數量的能量。然后，時鐘精確計算出脈沖傳播的時間，將時間轉換為距離，便可以得知該光纖的屬性。當脈沖沿著光纖傳播時，由于連接和光纖自身的反射，小部分脈沖能量會返回OTDR的檢測器。當脈沖完全返回檢測器時，發送第二個脈沖，直到取樣時間結束。因此，OTDR會立刻執行多次取樣并平均化、執行信號處理以提供鏈路元件的清晰特性圖，除了計算總鏈路長度、總鏈路損耗和光纖衰減外，還計算每個事件的距離、損耗和反射。

2.2 OTDR實現方式比較

傳統的OTDR主要應用在骨干網、城域網中進行點到點測試。對于PON，OTDR光纖實現方式主要有外置獨立式OTDR、板卡式OTDR、光模塊內置OTDR 3種，具體介紹如下。

·外置獨立式OTDR：可以是手持式OTDR或者安裝在局端機房的OTDR設備。對于局端機房的OTDR設備，通過光開關和合波器連接到1個或多個PON口下，實現相關PON口下的ODN測試。

·板卡式OTDR：OTDR板卡內置于OLT框架的插槽中，光開關和合波器外置將OTDR連至PON口，或者在OTDR板卡內集成能夠提供OTDR功能的模塊、光開關和合波器。

·光模塊內置OTDR：OTDR功能集成在OLT PON口的光模塊里，可對每個PON口下的ODN進行檢測。

目前外置獨立式OTDR是比較成熟的測試方案，可以較好地測試主干以及分支光纖的反射和衰減事件，基本可以判斷分支光纖的故障點位置。板卡式OTDR的實現原理與外置獨立式OTDR一樣，它的測試效果與外置獨立式OTDR基本相當。光模塊內置OTDR方式是一種新興的光鏈路檢測技術，但實際的技術指標（如動態范圍、盲區等）都比外置獨立式OTDR低。

在本文中，外置獨立式OTDR、板卡式OTDR的性能要求相同，它們的指標評估建議與光模塊內置OTDR區分開。

3 PON ODN對OTDR基本參數和測試性能的要求

3.1 OTDR基本參數的分析建議

OTDR的基本參數包括光纖類型、測試波長、脈沖寬度、峰值功率、折射率、測試時間、量程和采樣分辨率等。

（1）光纖類型和折射率

目前PON ODN主干和配線基本使用G.652光纖，入戶使用G.657光纖，因此OTDR必須能夠支持兩種光纖的測試，同時為了實現更準確的測試，要求OTDR能夠根據光纖類型設置折射率。

（2）測試波長

考慮到下一代PON使用的通信波長擴展到L段（1 565～1 625 nm）波長以及濾波器的實現難度，建議外置獨立式和板卡式OTDR使用1 650 nm測試波長；而對于光模塊內置OTDR，則可以選擇3種測試波長分別實現，包括上行通信波長、下行通信波長和非通信波長（1 650 nm）。

（3）脈沖寬度測試時間和量程

按照PON ODN測試中不同的動態范圍和精度要求，需要實現OTDR的脈寬和測試時間可調。同樣，按照測試光纖長度的不同，要求OTDR的量程必須可調。

另外，如果實現0.5 m的精度，理論上需要5 ns脈寬進行測試，因此最小能夠調節的脈寬建議為5 ns。而對于光模塊內置OTDR，由于激光器功耗和體積的影響，晶振受限，最小可調節的脈寬建議為10 ns。

（4）峰值功率

對于外置獨立式和板卡式OTDR的實現方式，激光器主要考慮人眼安全，按照≤50 mW進行約束，等效為≤17 dBm。

（5）采樣分辨率

如果要達到0.5 m的精度，采樣分辨率不能超過0.5 m。對于光模塊內置OTDR，考慮其實現難度，則建議放寬至1 m。

因此，OTDR的基本參數建議見表1和表2。

表1 外置獨立式和板卡式OTDR基本參數建議

表2 光模塊內置OTDR基本參數建議

3.2 OTDR基本測試性能分析建議

OTDR的基本測試性能項包括距離不確定、動態范圍、事件盲區和衰減盲區等。

（1）距離不確定度

不考慮光纖折射率引起的差異，OTDR的距離不確定度可以由下式計算：距離不確定度=固有差異+晶振差異×距離+采樣分辨率。影響距離不確定度的各個參數取值見表3。

（2）動態范圍

動態范圍與檢測脈沖的寬度以及檢測時間有關，定義為OTDR端口的后向散射電平和噪聲電平的差值，表達單向光纖的損耗。在本文中，噪聲電平指定為98%的噪聲電平的高度。由于PON ODN測試距離較短，需要選擇一個合適的脈寬以及合適的測量時間，充分體現這個參數的意義。

（3）事件盲區和衰減盲區

事件盲區（event dead zone，EDZ）是菲涅爾反射后OTDR可在其中檢測到另一個事件的最小距離。事件盲區的規格，最通用的業界方法是測量反射峰的每一側-1.5 dB處之間的距離或者測量從事件開始直到反射級別從其峰值下降到-1.5 dB處的距離，如圖1所示。在本文中，采用后者的檢測方法。

衰減盲區（atenuation dead zone，ADZ）是菲涅爾反射之后，OTDR能在其中精確測量連續事件損耗的最小距離。所需的最小距離是從發生反射事件時開始，直到反射降低到光纖的背向散射級別的0.5 dB。

EDZ和ADZ的示意如圖1所示。

PON中一些機房內可能存在一些比較短的光纖跳纖，或者出現相對距離較短其他反射/衰減事件，如果EDZ和ADZ過長，一些連接器或故障可能會被漏掉，技術人員無法識別它們，這使得定位潛在問題的工作更加困難，因此實現OTDR的EDZ和ADZ盡可能短是非常重要的。

另外，由于不同的反射事件、不同的鏈路損耗和不同的脈沖寬度會測量出不一樣的EDZ和ADZ，因此必須確定脈沖寬度和激光脈沖經過來回鏈路散射和某反射事件的菲涅爾反射后返回到OTDR接收機的損耗，統一檢測標準，結合實際運維的需求，給出EDZ和ADZ的建議值。

因此，OTDR的基本測試性能建議見表4和表5。

表3 距離不確定度影響參數取值建議

圖1 EDZ和ADZ示意

表4 外置獨立式和板卡式OTDR基本測試性能建議

表5 光模塊內置OTDR基本測試性能建議

4 典型ODN場景下OTDR的檢測能力分析和建議

4.1 典型PON ODN故障發生場景

為了方便評估OTDR的檢測能力，選擇常見ODN場景進行評估（二級分光方式，分光比為1∶64，即兩個1∶8光分路器級聯）。以下為該場景中不同位置出現光纖斷纖、光纖彎曲等反射或衰減事件的幾種情況，分別如圖2～圖4所示。

4.2 OTDR反射衰減能力分析建議

要滿足一定的運維要求，外置獨立式、板卡式和光模塊內置OTDR應能支持以下反射事件的檢測。

·回波損耗為60 dB反射事件（95%以上斷纖），OTDR與該反射事件之間的ODN衰減為10 dB。OTDR檢測該事件的能力，相當于OTDR基本上能夠檢測主干上距離OLT 20 km以內95%以上的斷纖故障以及連接器等的反射事件，如圖2所示。

·回波損耗為41 dB（50%斷纖）和51 dB反射事件（90%斷纖），OTDR與該反射事件之間的ODN衰減21 dB。OTDR檢測回波損耗51 dB的反射事件的能力，相當于OTDR基本上能夠檢測1∶8分光后一級分支上距離OLT 20 km以內90%以上的斷纖故障，如圖3所示。其中51 dB和41 dB的反射事件的檢測對應不同的事件分辨率的需求。

·回波損耗為15dB反射事件（UPC端面反射），OTDR與該反射事件之間的ODN衰減32 dB。OTDR檢測該事件的能力，相當于OTDR基本上能夠檢測1∶64分光后二級分支上距離OLT 20 km以內光纖活動連接器開路的UPC端面反射事件，如圖4所示。

圖2 主干上反射/衰減事件

圖3 一級分支上反射/衰減事件

圖4 二級分支上反射/衰減事件

表6和表7給出不同場景中，OTDR檢測距離OLT 20 km內的的反射事件的相關指標要求建議，包括最小的動態范圍、最大的測試時間和反射事件分辨率。

表8和表9給出不同場景中，OTDR檢測距離OLT 20 km內的衰減事件相關指標要求建議，包括最小的動態范圍、最大的測試時間和衰減事件分辨率。

表6 外置獨立式和板卡式OTDR對反射事件檢測能力建議

表7 光模塊內置OTDR對反射事件檢測能力建議

表8 外置獨立式和板卡式OTDR對衰減事件檢測能力建議

表9 光模塊內置OTDR對衰減事件檢測能力建議

其中，對主干檢測兩個0.3 dB的衰減事件，為避免反射事件引起的衰減盲區的影響，事件分辨率建議5 m；對1∶8分光后的分支檢測大于或等于3 dB的衰減事件；而對1∶64分光后分支的衰減事件對應在OTDR檢測曲線上的損耗不足0.1 dB，目前所有OTDR實現方式都無法檢測。

5 結束語

PON ODN結構和所處環境復雜多樣且存在多種無源器件，只有結合PON ODN下的具體場景和滿足相關需求，OTDR才能夠有效地實現PON光鏈路的檢測，成為PON ODN運營維護、故障檢測的一種重要手段，實現主動運維，大大提高了網絡質量和服務效率。