光模塊內置OTDR數據及格式分析

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

“寬帶中國”戰略實施以來，我國的寬帶網絡建設得到了快速發展，各大運營商積極部署FTTH，敷設光纖的數量日益增多，覆蓋范圍越來越廣，光纖光纜所承載的業務量也越來越大，一旦發生故障，將會給整個通信網絡造成極大的損失。因此，在骨干網的光纜故障檢測中發揮了重要作用的OTDR（optical time domain reflectometer，光時域反射儀）技術，也逐漸成為PON（passive optical network，無源光纖網絡）光纜故障定位的重要手段。

OLT光模塊內置OTDR技術（以下簡稱內置OTDR）是OTDR的一種實現方案，其優勢在于可實現與OLT（optical line terminal，光線路終端）設備共同管理、機房布線簡單、器件成本較低等，并且理論上能夠實現接近外置OTDR檢測故障的能力。但是ODN（optical distribution network,光配線網絡）環境復雜多樣，器件種類繁多，內置OTDR面臨在現網中測試的各種考驗，目前內置OTDR技術由廠商各自內部開發，因此應用于PON系統時，沒有統一接口和規范的測試結果數據，不利于運營商對內置OTDR的統一管理、設備的互通以及內置OTDR測試性能的優化。本文的目的是在分析PON系統中內置OTDR相關接口的OTDR數據要求和數據內容的基礎上，設計接口輸出的OTDR文件和數據格式等，以實現內置OTDR技術的規范化。

2 內置OTDR數據格式設計原則

2.1 總體原則

目前OTDR數據格式標準有Telcordia SR-4731，SR-4731主要是針對外置OTDR儀表的標準，用于規范單臺OTDR測試儀表的輸出文件，所以可以理解為單機版；另外由于外置OTDR儀表廠商沒有互通的需求，所以Telcordia SR-4731沒有包含OTDR互通的相關要求，各廠商讀取解析OTDR數據輸出文件的軟件差異較大，無法兼容。同時，如果OTDR儀表廠商要使用SR-4731，還需要購買Telcordia的認證服務。

因此，跟外置OTDR技術不同，內置OTDR技術無法直接利用SR-4731標準設計的OTDR數據格式。內置OTDR技術集成于運營商的PON系統，是在不影響原有的光模塊傳輸功能基礎上增加OTDR光纖故障檢測功能，OLT在硬件方面需要更換插拔式的具有OTDR的光模塊，在軟件方面需要升級以實現OTDR光纖故障檢測功能，并且為了方便與OLT設備實現共同管理，OTDR的管理模塊也內置于EMS（element management system，網元管理系統）中。因此，對于內置OTDR數據和格式的要求，應在基于內置OTDR的PON系統的整體架構上考慮內置OTDR相關模塊和接口的功能。

2.2 PON系統中內置OTDR相關模塊和接口分析

如圖1所示，在基于內置OTDR的PON系統架構中，原來的PON系統增加了PON ODN測試診斷模塊、OTDR管理模塊和OTDR功能模塊，具體介紹如下。

（1）PON ODN測試診斷模塊是PON測試能力（OTDR測試能力、網管測試診斷能力和設備自測能力等）的綜合管理模塊。

（2）OTDR管理模塊內置在EMS中，因此可以不用單獨外設OTDR服務器，實現內置OTDR與OLT的共同管理，它的主要功能在于：OTDR管理模塊負責管理EMS下所有的OTDR功能模塊；接收PON ODN測試診斷模塊的查詢和測試命令，命令OTDR功能模塊對相關PON端口下的ODN進行測試，向PON ODN測試診斷模塊發送相關查詢結果以及從OTDR功能模塊返回的OTDR測試數據。

圖1 基于內置OTDR的PON系統架構

（3）OTDR功能模塊內置在OLT中，實現ODN鏈路中的OTDR測試，完成測試后把測試數據返回給OTDR管理模塊，確定光纖的損耗、光纖鏈路上的反射事件和衰減事件等。OTDR功能模塊是由OTDR控制單元（OLT的軟件部分）、OTDR處理單元（光模塊中OTDR處理芯片）和OTDR測試單元（光模塊中OTDR發射器和接收器等）組成。

系統架構中OTDR相關數據接口主要包括以下3種。

（1）L接口

鄉鎮水利工程管理中，存在管理人員素質不高的問題。首先，水利工程施工管理工作量較大，對鄉鎮地區經濟發展有一定的影響。水利工程管理存在一定難度，需要管理人員具備專業的管理知識。在招聘員工時，部分水利工程施工單位沒有對員工的專業能力進行細致考察，導致工程管理人員不專業，制約了鄉鎮水利工程建設水平。其次，在社會經濟不斷發展的背景下，鄉鎮水利工程施工標準逐漸提高，需要管理人員相應提高專業技能水平，以嚴格按照標準進行工程管理。部分企業沒有定期對管理人員進行培訓，導致施工管理人員對管理標準和方法了解不足，難以提高工程管理效果。

PON ODN測試診斷模塊通過L接口與OTDR管理模塊相互關聯，實現兩個模塊間數據傳輸，尤其是完成OTDR測試時，測試結果的OTDR數據文件由OTDR管理模塊處理后通過L接口傳遞回PON ODN測試診斷模塊。

（2）I接口

OTDR管理模塊與OTDR功能模塊之間的接口。OTDR管理模塊通過I接口查詢和獲取OTDR功能模塊能力參數、配置、狀態和模塊故障信息等；OTDR管理模塊通過I接口向OTDR功能模塊發送OTDR測試參數，啟動OTDR功能模塊進行OTDR測試，測試完畢后從OTDR功能模塊獲取測試結果的OTDR數據文件。

（3）K接口

OLT中的OTDR控制單元與OTDR處理單元的接口，硬件上復用PON光模塊的I2C接口，OTDR處理單元通過K接口接受OTDR控制單元參數和命令的寫入，向OTDR控制單元輸出原始采樣數據。

2.3 接口數據要求

OTDR數據格式研究與統一的目標在于在線OTDR測試的配置、控制和結果獲取。本文重點研究基于內置OTDR的PON系統架構中L和I接口傳輸的測試結果的OTDR數據文件的數據輸出內容和格式，而K接口是OLT中OTDR功能模塊的內部接口，考慮存在不同波長的內置OTDR實現方案以及實現硬件上的差異，建議其作為廠商內部接口，由廠商內部開發數據格式更為靈活。

另外，基于內置OTDR的PON系統架構中，PON ODN測試診斷模塊可以管理多個EMS，每臺EMS又管理多個OTDR功能模塊，因此在L接口和I接口的OTDR數據傳輸可以理解為網絡版，因此對L接口和I接口的OTDR數據格式的要求為：

·OTDR管理模塊、OTDR功能模塊存在多個廠商開發，因此接口數據互通要求高；

·能夠針對業務在線時實現OTDR測試的優化；

對于整個系統架構，還要考慮區分L接口和I接口的數據功能，實現系統不同模塊層面數據采集與數據分析功能的分離，建議數據分析功能應盡量向上集中，至少集中到OTDR管理模塊層面或者在PON ODN測試診斷模塊中實現。因此，I接口的OTDR數據要求可以僅僅為OTDR測試采集到的原始數據，L接口的OTDR數據要求為OTDR原始數據經過分析處理后的OTDR事件信息等，具體在下文中再作說明。

3 內置OTDR數據分析設計

3.1 OTDR數據文件結構

OTDR的測試數據以數據文件的形式傳輸，OTDR數據文件內容可分成6個區段，包括文件信息區、OTDR基本信息區、測試曲線數據點區、測試曲線事件區、擴展信息區和校驗區，每段對應不同的數據內容，見表1。根據數據采集與數據分析功能分離的思路，L接口和I接口按照各自數據功能，選取合適的區段。

表1 OTDR數據文件區段劃分

I接口的OTDR數據文件（由OTDR功能模塊向OTDR管理模塊傳送）應以文件信息區開始，依次緊跟OTDR基本信息區、測試曲線數據點區、擴展信息區和校驗區。其中，擴展信息區和校驗區為可選，測試曲線事件區在I接口不作要求，如圖2所示。

圖2 I接口的OTDR數據文件

L接口的OTDR數據文件（由OTDR管理模塊向PON ODN測試診斷模塊傳送）應從文件信息區開始，依次緊跟OTDR基本信息區、測試曲線數據點區、測試曲線事件區、擴展信息區和校驗區。其中，擴展信息區、校驗區和測試曲線事件區在L接口可選，如圖3所示。

圖3 L接口的OTDR數據文件

3.2 OTDR數據內容

為了獲取到可靠的OTDR測試結果，OTDR數據文件中，除了與文件本身相關的信息內容外，必須包括一定有效的OTDR數據內容，如OTDR基本信息、測試曲線數據點和測試曲線事件等，本文對內置OTDR的數據內容進行了如下梳理。

·OTDR的基本信息包括OTDR測試的概要信息（測試波長、測試光纖狀態、測試點開始距離、測試次數等）、設備基本信息（OTDR光模塊供應商、設備模塊信息、測試目標端口等）、OTDR數據文件中一次或多次測試配置信息（包括測試序號、測試執行時刻、距離單位、脈寬長度、序列長度、背向散射系數、平均次數、采樣間隔、測試所用時間、測試范圍、底噪水平、底噪縮放系數、損耗門限、反射率門限、光纖末端判斷門限和曲線類型等）。

·OTDR測試結果主要表現為測試曲線，OTDR的測試曲線由許多分離的曲線數據點組成，這也是OTDR數據文件的主要組成。測試曲線數據點信息包括了數據點的總數、縮放系數和采用了該縮放系數的OTDR數據點功率數值。OTDR測試結果進一步可分析成事件信息，每次OTDR測試中存在多個事件（被監測光纖的事件，如光纖異常衰減、分光器和斷纖等），可以通過事件參數表征其在OTDR測試曲線上的分析結果。事件參數包括事件總數、每個事件的事件序號、事件位置、事件前的光纖衰減系數、事件的衰減、反射事件的相對高度、反射事件的反射系數、事件類型、事件的衰減計算方法代碼和事件衰減計算的數據點位置等。

3.3 OTDR數據格式

3.3.1 格式定義

OTDR數據文件中的數據信息涉及的格式包括短整型、無符號短整型、長整型、無符號長整型、浮點型和字符串等，見表2。OTDR數據文件中的數據信息按照各自數值的特點選擇相應的類型。

表2 OTDR數據格式定義

3.3.2 曲線數據點格式選擇

OTDR數據文件主要是OTDR測試曲線數據點的存儲，因此數據點存儲的大小決定了文件的大小，另外數據點數值的類型選取需要考慮數據點數值的范圍、數值精度等。能夠滿足0.001的數據分辨率，達到0.1 dB衰減的檢測能力，同時能夠滿足OTDR測試曲線數據范圍而不會造成溢出的數據點數值類型方案分別有單精度浮點型、原始數值經過放大后采用的無符號短整型。

·單精度浮點數：帶有小數的數值，單精度浮點數有32 bit，即4 byte的存儲空間。

·無符號短整型：每個測試數據點的功率數值有2 byte存儲空間。首先將數據點功率數值的原值放大成整數（比如默認1000倍），忽略數值符號，按照無符號短整型存儲。原值默認范圍為0～65.535。另外，為了靈活地分析比較測試曲線中數據點功率數值，可以將數據點分段再進行縮放，采用縮放系數將功率數值進行縮小或者擴展存儲，即縮小或者放大該段數據點的相對功率范圍。綜合以上分析，曲線數據點采用短整型+擴展系數，存儲的空間比浮點數存儲空間少一半。

3.3.3 數據文件存儲格式

OTDR數據文件存儲可以采用二進制或者文本存儲，兩種存儲方式各有優缺點，見表3。

總的來說，采用文本存儲時，OTDR數據文件較大，為了提高數據的傳輸速度，可以采用GZIP進行壓縮和解壓縮。另外，文本方式定義較為簡單、直觀，如果OTDR數據點數值類型采用原始數值擴大預處理后存儲的短整型，會使文本的可讀性降低，因此建議數據點數值采用原值存儲，定義為單精度浮點型。文本存儲普遍適合網絡應用場景。

采用二進制存儲時，OTDR數據文件存儲空間較小，適合大量PON端口進行OTDR巡查。同時，建議將OTDR數據點數值預處理后定義為無符號短整型。

4 結束語

本文對內置OTDR的數據文件和數據格式的分析，也適合外置OTDR參考使用。規范化的OTDR數據文件、數據內容和格式，能夠降低技術實現的復雜度，提高實現基于內置OTDR的PON系統中不同廠商模塊間互通的可能性，從而達到比較可靠的測試性能，并方便運營商維護管理。

表3 OTDR數據文件兩種存儲方式對比

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