無源光網絡的運行、維護與管理

沈成彬　蔣銘　王波

基于增強的電信管理運營圖（eTOM），研究了無源光網絡（PON）的運行、維護與管理體系的架構，該系統包括網絡資源管理、裝維流程管理、服務保障系統等子系統。結合電信運營商的實際需求，重點研究了智能光纖基礎設施管理、終端零配置開通、光鏈路測量與診斷等關鍵技術，并分析了上述關鍵問題的發展趨勢與部署策略。

無源光網絡；運行、維護和管理；智能光纖基礎設施管理；服務開通；光鏈路測量與診斷

In this paper， we propose an architecture based on eTOM for PON OAM. In this architecture， there are three sub-systems： network resource management， installation and maintenance process， and service support. We investigate the requirements of telecom operators as well as key technologies， such as intelligent fiber infrastructure management，zero-touch terminal installation， and optical link test and diagnosis. Based on general trend and up-to-date progress， these technologies development path and deployment are presented.

passive optical networks； operation， administration and maintenance； intelligent fiber infrastructure management； service fulfillment； optical link test & diagnosis

近幾年，全球運營商開始大規模地開展基于以太網無源光網絡（EPON）和千兆比無源光網絡（GPON）的光纖寬帶（FTTX）網絡建設，顯著提升了寬帶接入網的帶寬提供能力和多業務承載能力。對于運營商來講，無源光網絡（PON）的運行、管理和維護已經成為關系到網絡維護成本與效率、客戶服務滿意度、市場競爭力的關鍵，受到了高度的重視，已成為工作的重點。

PON網絡的運營、管理和維護從早期的簡單的以網元管理為中心發展為覆蓋了網絡資源管理、服務開通與變更、服務保障等全流程的體系。PON網絡的運行管理和維護系統的發展方向就是依托IT系統和各種運維技術手段，通過標準化的維護流程，提升PON網絡運行維護的電子化、自動化、智能化水平。本文主要研究一種面向上述目標的PON網絡運行管理和維護體系架構及其關鍵技術，并基于對相關技術的進展和發展趨勢，分析PON網絡運行維護和管理系統優化的方向。

1 PON網絡運行、管理和

維護體系架構

按照電信管理論壇（TMF）建立的增強的電信管理運營圖（eTOM）模型，電信運營商的運營支撐系統（OSS）主要實現服務準備、交付、生產保障等過程，并支撐BSS面向客戶的產品銷售和客戶服務過程。OSS系統橫向上包括運營支持準備（Operations Support & Readiness）、服務實現（Fufillment）、業務保障（Assurance）和計費（Billing）等4類處理流程服務，縱向上包括基礎通信網絡、業務網絡、客戶網絡與應用、第三方的服務提供商與合作伙伴管理等4個層次。服務實現流程主要是將客戶的業務需求在工單流轉、業務配置與激活、網絡資源指配、供應商/合作伙伴管理等4個層面實現所需要的功能和流程。服務保障流程主要是為達到為客戶提供持續可用且滿足服務等級協議（SLA）所必須的流程和手段，包括資源狀態和網絡性能監控、網絡故障的診斷和定位、故障的排除、故障匯報管理等內容。映射到固定寬帶網絡，eTOM模型可以簡化為網絡資源管理、服務開通、服務保障等3類處理流程。

PON是一個全新的網絡，其點到多點的網絡拓撲、網絡接入模式和終端形態的多樣化、多業務承載的復雜性，使得運營商無法在既有的面向數字用戶線（DSL）接入的OSS系統上通過簡單的改造實現PON網絡的高效運行、管理和維護。具體來講，體現在如下幾個方面：

（1）在網絡資源管理方面，FTTX網絡提供多業務綜合承載功能，使得光纖接入網與語音交換網、IP網、傳輸網、光纜與管道網、動力環境等多個專業高度融合，需要OSS實現集中的、全專業的綜合網絡資源管理，以提高對接入網資源管理的效率。

（2）在服務開通方面，光網業務上的復雜性也導致在服務開通流程的復雜性，比如電子工單的參數、工單流轉的環節、各系統的工單接口都更加復雜，工單處理的異常增多。

（3）在服務保障方面，由于PON網絡的接入方式、業務種類和終端類型更加豐富，PON網絡自身拓撲以及與其他業務網絡之間關系更加復雜，對服務保障系統的流程設計和技術手段提出了更高的要求。

基于上述分析，結合現有OSS系統的現狀，我們提出了一PON網絡運行管理維護的IT支撐系統架構，如圖1所示。該系統的OSS主要包括綜合資源系統、服務開通系統、綜合服務保障系統等3個主要部分，并與自動激活系統模塊、裝維調度模塊、集中告警模塊等進行交互。通過這3個模塊，運營商對光纖接入網，軟交換，互聯網電視（IPTV），終端遠程管理（如ITMS/BBMS），認證、鑒權和計費（AAA）等相關系統進行指配、測試與監控[1]。

綜合資源系統是PON網絡運行管理和維護中最基礎的系統，主要為資源確認、資源配置、故障定位、施工派單、業務割接等提供資源數據支撐。對于承載多業務的PON網絡而言，綜合資源系統所管理的系統包括PON、光配線網絡（ODN）、城域網、軟交換網絡、IPTV等。目前，網絡資源管理的熱點是ODN資源的智能化管理，即智能光纖基礎設施管理技術。endprint

PON網絡的服務開通系統以客戶關系管理（CRM）系統為起始，通過與多個綜合資源系統、綜合服務保障、自動激活模塊等系統的交互完成光網業務的裝、移、拆、改、遷等流程的自動化。其中，CRM負責光進銅退相關產品的訂單受理，調用資源管理功能進行資源能力確認和客戶訂單分解，派發激活工單到自動激活模塊進行自動激活，派發外線施工單到綜合服務保障系統進行人工上門施工和外線施工完工確認測試。自動激活模塊負責根據寬帶提速（光進銅退）后的產品激活拆分規則并指配所有PON接入方式相關的網元/平臺（PON綜合網管、軟交換網管、IPTV網管、ITMS/BBMS、AAA等）實現網絡層和業務層的配置與使能，從而實現業務自動激活。PON網絡的服務開通的關鍵是如何實現終端安裝的零配置，以提高裝維效率。

綜合服務保障系統以CRM/客服系統為起始，通過與綜合資源管理系統、服務開通系統的交互，支撐相關申告的受理、預處理、故障定位、故障修復、網絡和業務監控等功能。目前，光網服務保障系統的研究熱點是故障定位，特別是光鏈路的測量與診斷等。

下面對PON網絡的智能光纖基礎設施管理、終端零配置開通、光鏈路測量與診斷等關鍵技術及其應用進行研究。

2 智能光纖基礎設施管理

技術

2.1 智能光纖基礎設施管理系統

隨著PON網絡的大規模部署，海量光纖資源的管理成為重要課題。傳統的紙質標簽、人工錄入的光纖資源管理方式，存在準確度、可靠性、自動化程度和維護效率低等問題。為了解決上述問題，業界一些專家提出了基于物聯網技術的智能光纖基礎設施管理技術[2-5]。

智能光分配網絡將電子標簽技術應用到傳統光分配網絡中，利用電子標簽對光纖（包括尾纖、跳纖、光分路器尾纖等）進行唯一標識，應用IT技術實現光纖信息自動存儲、光纖連接關系自動識別、光纖資源信息校準、可視化施工指導等功能。智能光纖基礎設施管理系統的架構如圖2所示。智能光纖網絡由智能光纖網絡管理系統、智能管理終端、電子標簽及智能光纖網絡設備等幾個主要部分組成，其中電子標簽安裝于光纖端口上，用于對光纖端口進行標識。智能光纖網絡設備端口通過讀取光纖端口上的電子標簽建立設備端口和光纖端口的連接信息，智能管理終端提供管理操作界面，主要完成智能光纖網絡設備的接入管理功能和現場施工管理功能，智能光纖網絡管理系統則實現對智能光纖網絡設備的管理。

2.2 智能光纖基礎設施管理關鍵技術

智能光纖網絡管理系統主要包括電子標簽、智能光纖網絡設備、智能管理終端、智能光纖網絡管理系統等。

電子標簽一般以集成電路芯片為存儲信息的媒介，記錄電子編碼信息，分別為接觸式電子標簽（eID）和非接觸式電子標簽（RFID）。我們對主流智能光纖基礎設施管理系統產品中的eID和RFID進行了測試和研究。從分析結果來看，eID在功耗、讀寫速度、安全性、抗干擾等方面具有一定的優勢，更適合于新建場景采用。從理論上講，RFID不需要讀頭和天線標簽接觸即可完成信號的收集，比較容易實現不中斷業務的設備升級。接觸式電子標簽和非接觸式電子標簽的比較如表1所示。

智能光纖網絡設備除了具備傳統光配線設備所具有的光纖連接、分配和調度等功能外，最重要的就是增加了采集標簽信息、存儲和上傳標簽信息、監控端口狀態以及端口定位指引等智能化功能。智能光纖網絡設備支持與智能管理終端、智能光纖網絡管理系統等通信，可通過連接穩定的交流或直流電源處于長時供電狀態或由智能管理終端向其短時供電。

智能管理終端是一種便攜式設備，主要通過與智能光纖網絡設備、智能光纖網絡管理系統之間的交互完成智能光纖網絡設備的接入管理功能和現場施工管理功能。對于不支持實時供電的智能光纖網絡設備，智能管理終端可提供供電服務。

智能光纖網絡管理系統主要實現對智能光纖網絡設備的管理功能，包括配置管理功能、資源管理功能、故障管理功能、評估分析管理功能、安全管理功能、拓撲管理功能、系統管理功能等。智能光纖網絡管理系統可以直接管理智能光纖網絡設備，也可以通過智能管理終端對智能光纖網絡設備進行管理。

2.3 智能光纖基礎設施管理技術

應用和發展趨勢

全球運營商對智能光纖網絡系統的進展高度關注，有超過15家運營商傾向于智能光纖基礎設施管理技術。全球標準化組織如BBF、ITU-T、CCSA等都在進行關于智能光纖基礎設施的標準制訂工作，如ITU-T的L.64、L.69、L.80、BBF WT-311等。整體上，全球的智能光纖基礎設施管理技術標準處于快速完善中，預計1～2年內就可以形成完善的標準體系。一些ODN廠商推出了智能光纖基礎設施管理系統產品，并在一些運營商的現網進行試驗。但智能光纖基礎設施管理技術還需要解決如下技術問題：

（1）從目前的實際情況來看，現網光纖基礎設施建設占FTTX網絡建設投資的50%以上，而且光纖網絡基礎設施具有建設周期長、在網時間長和敷設后難調整的特點。因此，對傳統光纖網絡基礎設施的改造是目前的需要解決的關鍵問題，特別是如何降低在ODN智能化改造過程中的業務中斷時間、如何降低改造成本、如何保證智能光纖網絡設備的端口密度不因智能化改造而降低。

（2）智能光纖網絡系統最終要融入包括綜合資源系統、綜合服務保障系統以及光光鏈路測量和診斷系統等組成的OSS體系架構中。需要建立智能光纖基礎設施管理系統與上述系統的接口的數據模型和標準。

3 PON終端的零配置開通

傳統的DSL接入網終端相對比較簡單，Modem可以即插即用。但PON終端相對比較復雜，特別是支持三重播放（Triple-play）應用的家庭網關的引入，其開通涉及PON網絡、終端管理平臺（ITMS）和IPTV、VoIP、上網等多個業務平臺，終端的放裝流程更加復雜，需要通過流程創新和完善的支撐系統來提高放裝速度。所謂“零配置”就是盡量減少用戶或者現場安裝維護人員對終端的操作，通過創新的終端認證方式和自動化的業務激活流程，降低PON終端安裝維護時的人工操作，提高安裝維護效率。endprint

原有的基于物理標識（媒體訪問控制（MAC）地址或者SN）的光網絡單元（ONU）認證方式無法實現PON網絡、業務與管理平臺的預配置，終端安裝過程中需要線務員進行大量的現場手工配置和后臺運維人員的配合。采用基于邏輯標識（即與客戶帳號唯一對應的標識）的ONU認證可以實現PON終端的零配置裝維流程。邏輯標識實現了設備的物理標識和用戶帳號的解耦，可以在PON ONU未下發（其物理標識也未知）的情況下，實現邏輯標識與用戶的配置信息的關聯，從而實現預配置[1， 6-7]。典型情況下采用基于邏輯標識的ONU認證的PON上行家庭網關的零配置安裝流程如圖3所示。

營帳系統在受理業務開通時為客戶提供邏輯標識（LOID）和密碼，實現了終端物理設備和客戶帳號的分離，并通過自動激活模塊完成該帳號在PON光線路終端（OLT）、終端管理系統（ITMS）、AAA、IPTV、VoIP等業務系統上相關屬性的預配置。領取ONU后，用戶或者線務員登錄ONU的本地設備管理界面輸入LOID和密碼，ONU就會在注冊時通過邏輯標識認證流程將邏輯標識和密碼上傳到OLT和ITMS進行認證，然后OLT和ITMS即把預配置的PON口相關屬性和業務屬性通過OAM/OMCI或TR-69協議自動下發給ONU。整個ONU的安裝過程不需要網管后臺人員的參與，使得ONU安裝速度從小時級降低到分鐘級，出錯概率大大降低，顯著提升了裝維效率。

隨著大規模的FTTH網絡建設，為了進一步降低ONU終端營銷成本，ONU社會化已經成為運營商關注的重點。為了實現ONU社會化，需要進一步提高終端安裝的簡便性，機卡分離型ONU成為運營商進一步提高裝維效率、免除人工操作的一種有效手段。機卡分離型ONU借鑒了移動終端采用用戶識別模塊（SIM/UIM）卡認證的優點，通過專用的SIM卡承擔ONU認證的功能。目前，機卡分離型ONU的技術規范和裝維方案均已基本確定[7]，未來幾年，機卡分離型ONU將得到廣泛的應用。

4 PON系統的光鏈路測量

與診斷

PON網絡的服務保障系統的核心功能之一是在發生申告或故障后快速進行故障定位與修復以及進行定期的網絡性能監測。PON網絡的光鏈路故障主要涉及OLT與ONU的光模塊以及ODN，特別是由無源器件構成的ODN的故障更加難以定位和修復，是PON網絡運行、管理和維護的重點和難點[8]。

光鏈路測量與診斷系統通過對PON系統的光層故障的測量和性能監測實現快速發現和定位光鏈路故障。目前來看，光鏈路測量與診斷主要依靠光參數測量和光時域反射兩種技術，其光鏈路測量與診斷系統的功能構成如圖4所示。

其中，基于光參數測量（OPM）的方式又被稱為光鏈路檢測（OLM）。基于OLM/OPM的光鏈路測量與診斷主要是利用OLT和ONU的光模塊對發送光功率、接收光功率等相關參數的測量，由PON網管對雙端光模塊的測量結果進行分析實現對光鏈路的測量與故障診斷功能。這種技術可以比較有效地定位光鏈路故障的段落，基本能夠滿足ODN運維的需求，且技術成熟、成本低，已經得到廣泛應用且效果良好。

另一方面，OTDR也被普遍認為是精確定位ODN故障、監測ODN性能的有效手段。OTDR主要是通過探測光脈沖在光纖中傳輸時的瑞利散射和菲涅爾反射所產生的背向散射測量光纖上的反射和衰減事件，并通過回波延遲進行故障定位，從而實現對光線路質量的測試和故障診斷。利用OTDR技術，可以在光線路的一端即可對整個光線路的性能和損傷事件進行測量，且故障定位的準確度很高。由于PON采用樹狀分支結構，所以OTDR的回波信號受到同一個PON口下其他分支光纖背向散射信號的疊加效應影響，對OTDR的靈敏度、動態范圍、分辨率等性能提出了更高的要求[9-10]。目前典型的光鏈路測量與診斷系統實現方式包括為PON系統外置OTDR、集成在OLT的板卡式OTDR和OLT光模塊內置OTDR等3種。其中，前兩種均利用現有的OTDR技術，比較成熟，但由于需要引入高成本的光開關設備，成本仍然較高，商用部署的規模還比較小。OLT光模塊內置OTDR避免了使用成本較高的光開關，受到業界高度關注，但光模塊需要集成OTDR收發模塊，技術上相對復雜，動態范圍和分辨率等指標還有待提升。

PON系統中，衰減事件的發生概率比反射事件大，而發生在分支光纖上的衰減事件又遠遠大于主干光纖上的衰減事件。然后，針對PON系統中分支光纖上的衰減事件，OTDR檢測的難度很大，而且分光比越大，分支光纖上的衰減事件越難以檢測。我們研究了OTDR檢測PON系統中分支光纖上的衰減事件的機理，得出如下公式：

考慮到噪聲等其他因素的影響，對于1：32以及更大分光比的PON系統，衰減的幅度降低2個數量級，利用傳統OTDR技術檢測分支光纖上的衰減時間是不可能的。為了解決OTDR無法檢測分支光纖上的衰減事件的問題，業界提出了在ONU側安裝一個無源的波長選擇性的反射器，通過檢測這個反射器反射回來的光脈沖的強度就可以精確的計算出從OLT到ONU的光鏈路的衰減，并通過與歷史數據進行比對，從而判斷某個分支是否存在衰減事件[11-12]。這在很大程度上解決了分支光纖的衰減事件無法檢測的難題，也有利于降低對于OLT光模塊內置OTDR的檢測性能要求。由于成本和安裝管控等方面的考慮，我們提出了ONU內置介質膜反射器的實現方案及其技術指標要求并獲得了業界的廣泛支持[13-15]。基于OLT光模塊內置OTDR和ONU內置介質膜反射器的方案將成為下一階段研發的重點，并有希望在1～2年內實現一定規模的商用。

5 結束語

PON網絡的運行、管理和維護包括綜合資源管理、服務開通、綜合服務保障等多個方面，并涉及光纖接入網、軟交換、IPTV、終端遠程管理系統（ITMS/BBMS）、AAA等多個網絡和業務系統，在系統架構與實現、業務流程、交互接口等方面具有前所未有的復雜性。目前，業界對于PON網絡運行、管理和維護技術研究的重點在于智能光纖基礎設施管理、終端裝維的“零配置”、光鏈路測量與診斷等方面。相關技術處于快速發展階段，相信在未來1～2年內，這些技術將進入規模商用階段，進而推動運營商PON網絡運維能力的提升。endprint

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