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(zhàn)略實(shí)施以來，我國的寬帶網(wǎng)絡(luò)建設(shè)得到了快速發(fā)展，各大運(yùn)營商積極部署FTTH，敷設(shè)光纖的數(shù)量日益增多，覆蓋范圍越來越廣，光纖光纜所承載的業(yè)務(wù)量也越來越大，一旦發(fā)生故障，將會(huì)給整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)造成極大的損失。因此，在骨干網(wǎng)的光纜故障檢測中發(fā)揮了重要作用的OTDR（optical time domain reflectometer，光時(shí)域反射儀）技術(shù)，也逐漸成為PON（passive optical network，無源光纖網(wǎng)絡(luò)）光纜故障定位的重要手段。

OLT光模塊內(nèi)置OTDR技術(shù)（以下簡稱內(nèi)置OTDR）是OTDR的一種實(shí)現(xiàn)方案，其優(yōu)勢在于可實(shí)現(xiàn)與OLT（optical line terminal，光線路終端）設(shè)備共同管理、機(jī)房布線簡單、器件成本較低等，并且理論上能夠?qū)崿F(xiàn)接近外置OTDR檢測故障的能力。但是ODN（optical distribution network,光配線網(wǎng)絡(luò)）環(huán)境復(fù)雜多樣，器件種類繁多，內(nèi)置OTDR面臨在現(xiàn)網(wǎng)中測試的各種考驗(yàn)，目前內(nèi)置OTDR技術(shù)由廠商各自內(nèi)部開發(fā)，因此應(yīng)用于PON系統(tǒng)時(shí)，沒有統(tǒng)一接口和規(guī)范的測試結(jié)果數(shù)據(jù)，不利于運(yùn)營商對(duì)內(nèi)置OTDR的統(tǒng)一管理、設(shè)備的互通以及內(nèi)置OTDR測試性能的優(yōu)化。本文的目的是在分析PON系統(tǒng)中內(nèi)置OTDR相關(guān)接口的OTDR數(shù)據(jù)要求和數(shù)據(jù)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)接口輸出的OTDR文件和數(shù)據(jù)格式等，以實(shí)現(xiàn)內(nèi)置OTDR技術(shù)的規(guī)范化。

2 內(nèi)置OTDR數(shù)據(jù)格式設(shè)計(jì)原則

2.1 總體原則

目前OTDR數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)有Telcordia SR-4731，SR-4731主要是針對(duì)外置OTDR儀表的標(biāo)準(zhǔn)，用于規(guī)范單臺(tái)OTDR測試儀表的輸出文件，所以可以理解為單機(jī)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(guān)要求，各廠商讀取解析OTDR數(shù)據(jù)輸出文件的軟件差異較大，無法兼容。同時(shí)，如果OTDR儀表廠商要使用SR-4731，還需要購買Telcordia的認(rèn)證服務(wù)。

因此，跟外置OTDR技術(shù)不同，內(nèi)置OTDR技術(shù)無法直接利用SR-4731標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的OTDR數(shù)據(jù)格式。內(nèi)置OTDR技術(shù)集成于運(yùn)營商的PON系統(tǒng)，是在不影響原有的光模塊傳輸功能基礎(chǔ)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(jí)以實(shí)現(xiàn)OTDR光纖故障檢測功能，并且為了方便與OLT設(shè)備實(shí)現(xiàn)共同管理，OTDR的管理模塊也內(nèi)置于EMS（element management system，網(wǎng)元管理系統(tǒng)）中。因此，對(duì)于內(nèi)置OTDR數(shù)據(jù)和格式的要求，應(yīng)在基于內(nèi)置OTDR的PON系統(tǒng)的整體架構(gòu)上考慮內(nèi)置OTDR相關(guān)模塊和接口的功能。

2.2 PON系統(tǒng)中內(nèi)置OTDR相關(guān)模塊和接口分析

如圖1所示，在基于內(nèi)置OTDR的PON系統(tǒng)架構(gòu)中，原來的PON系統(tǒng)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(wǎng)管測試診斷能力和設(shè)備自測能力等）的綜合管理模塊。

（2）OTDR管理模塊內(nèi)置在EMS中，因此可以不用單獨(dú)外設(shè)OTDR服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)內(nèi)置OTDR與OLT的共同管理，它的主要功能在于：OTDR管理模塊負(fù)責(zé)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(duì)相關(guān)PON端口下的ODN進(jìn)行測試，向PON ODN測試診斷模塊發(fā)送相關(guān)查詢結(jié)果以及從OTDR功能模塊返回的OTDR測試數(shù)據(jù)。

圖1 基于內(nèi)置OTDR的PON系統(tǒng)架構(gòu)

（3）OTDR功能模塊內(nèi)置在OLT中，實(shí)現(xiàn)ODN鏈路中的OTDR測試，完成測試后把測試數(shù)據(jù)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(fā)射器和接收器等）組成。

系統(tǒng)架構(gòu)中OTDR相關(guān)數(shù)據(jù)接口主要包括以下3種。

（1）L接口

鄉(xiāng)鎮(zhèn)水利工程管理中，存在管理人員素質(zhì)不高的問題。首先，水利工程施工管理工作量較大，對(duì)鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)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(yè)的管理知識(shí)。在招聘員工時(shí)，部分水利工程施工單位沒有對(duì)員工的專業(yè)能力進(jìn)行細(xì)致考察，導(dǎo)致工程管理人員不專業(yè)，制約了鄉(xiāng)鎮(zhèn)水利工程建設(shè)水平。其次，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的背景下，鄉(xiāng)鎮(zhèn)水利工程施工標(biāo)準(zhǔn)逐漸提高，需要管理人員相應(yīng)提高專業(yè)技能水平，以嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行工程管理。部分企業(yè)沒有定期對(duì)管理人員進(jìn)行培訓(xùn)，導(dǎo)致施工管理人員對(duì)管理標(biāo)準(zhǔn)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(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)模塊間數(shù)據(jù)傳輸，尤其是完成OTDR測試時(shí)，測試結(jié)果的OTDR數(shù)據(jù)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(shù)、配置、狀態(tài)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(fā)送OTDR測試參數(shù)，啟動(dòng)OTDR功能模塊進(jìn)行OTDR測試，測試完畢后從OTDR功能模塊獲取測試結(jié)果的OTDR數(shù)據(jù)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(fù)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(shù)和命令的寫入，向OTDR控制單元輸出原始采樣數(shù)據(jù)。

2.3 接口數(shù)據(jù)要求

OTDR數(shù)據(jù)格式研究與統(tǒng)一的目標(biāo)在于在線OTDR測試的配置、控制和結(jié)果獲取。本文重點(diǎn)研究基于內(nèi)置OTDR的PON系統(tǒng)架構(gòu)中L和I接口傳輸?shù)臏y試結(jié)果的OTDR數(shù)據(jù)文件的數(shù)據(jù)輸出內(nèi)容和格式，而K接口是OLT中OTDR功能模塊的內(nèi)部接口，考慮存在不同波長的內(nèi)置OTDR實(shí)現(xiàn)方案以及實(shí)現(xiàn)硬件上的差異，建議其作為廠商內(nèi)部接口，由廠商內(nèi)部開發(fā)數(shù)據(jù)格式更為靈活。

另外，基于內(nèi)置OTDR的PON系統(tǒng)架構(gòu)中，PON ODN測試診斷模塊可以管理多個(gè)EMS，每臺(tái)EMS又管理多個(gè)OTDR功能模塊，因此在L接口和I接口的OTDR數(shù)據(jù)傳輸可以理解為網(wǎng)絡(luò)版，因此對(duì)L接口和I接口的OTDR數(shù)據(jù)格式的要求為：

·OTDR管理模塊、OTDR功能模塊存在多個(gè)廠商開發(fā)，因此接口數(shù)據(jù)互通要求高；

·能夠針對(duì)業(yè)務(wù)在線時(shí)實(shí)現(xiàn)OTDR測試的優(yōu)化；

對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)，還要考慮區(qū)分L接口和I接口的數(shù)據(jù)功能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)不同模塊層面數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析功能的分離，建議數(shù)據(jù)分析功能應(yīng)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(shí)現(xiàn)。因此，I接口的OTDR數(shù)據(jù)要求可以僅僅為OTDR測試采集到的原始數(shù)據(jù)，L接口的OTDR數(shù)據(jù)要求為OTDR原始數(shù)據(jù)經(jīng)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(nèi)置OTDR數(shù)據(jù)分析設(shè)計(jì)

3.1 OTDR數(shù)據(jù)文件結(jié)構(gòu)

OTDR的測試數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)文件的形式傳輸，OTDR數(shù)據(jù)文件內(nèi)容可分成6個(gè)區(qū)段，包括文件信息區(qū)、OTDR基本信息區(qū)、測試曲線數(shù)據(jù)點(diǎn)區(qū)、測試曲線事件區(qū)、擴(kuò)展信息區(qū)和校驗(yàn)區(qū)，每段對(duì)應(yīng)不同的數(shù)據(jù)內(nèi)容，見表1。根據(jù)數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析功能分離的思路，L接口和I接口按照各自數(shù)據(jù)功能，選取合適的區(qū)段。

表1 OTDR數(shù)據(jù)文件區(qū)段劃分

I接口的OTDR數(shù)據(jù)文件（由OTDR功能模塊向OTDR管理模塊傳送）應(yīng)以文件信息區(qū)開始，依次緊跟OTDR基本信息區(qū)、測試曲線數(shù)據(jù)點(diǎn)區(qū)、擴(kuò)展信息區(qū)和校驗(yàn)區(qū)。其中，擴(kuò)展信息區(qū)和校驗(yàn)區(qū)為可選，測試曲線事件區(qū)在I接口不作要求，如圖2所示。

圖2 I接口的OTDR數(shù)據(jù)文件

L接口的OTDR數(shù)據(jù)文件（由OTDR管理模塊向PON ODN測試診斷模塊傳送）應(yīng)從文件信息區(qū)開始，依次緊跟OTDR基本信息區(qū)、測試曲線數(shù)據(jù)點(diǎn)區(qū)、測試曲線事件區(qū)、擴(kuò)展信息區(qū)和校驗(yàn)區(qū)。其中，擴(kuò)展信息區(qū)、校驗(yàn)區(qū)和測試曲線事件區(qū)在L接口可選，如圖3所示。

圖3 L接口的OTDR數(shù)據(jù)文件

3.2 OTDR數(shù)據(jù)內(nèi)容

為了獲取到可靠的OTDR測試結(jié)果，OTDR數(shù)據(jù)文件中，除了與文件本身相關(guān)的信息內(nèi)容外，必須包括一定有效的OTDR數(shù)據(jù)內(nèi)容，如OTDR基本信息、測試曲線數(shù)據(jù)點(diǎn)和測試曲線事件等，本文對(duì)內(nèi)置OTDR的數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)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(tài)、測試點(diǎn)開始距離、測試次數(shù)等）、設(shè)備基本信息（OTDR光模塊供應(yīng)商、設(shè)備模塊信息、測試目標(biāo)端口等）、OTDR數(shù)據(jù)文件中一次或多次測試配置信息（包括測試序號(hào)、測試執(zhí)行時(shí)刻、距離單位、脈寬長度、序列長度、背向散射系數(shù)、平均次數(shù)、采樣間隔、測試所用時(shí)間、測試范圍、底噪水平、底噪縮放系數(shù)、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(jié)果主要表現(xiàn)為測試曲線，OTDR的測試曲線由許多分離的曲線數(shù)據(jù)點(diǎn)組成，這也是OTDR數(shù)據(jù)文件的主要組成。測試曲線數(shù)據(jù)點(diǎn)信息包括了數(shù)據(jù)點(diǎn)的總數(shù)、縮放系數(shù)和采用了該縮放系數(shù)的OTDR數(shù)據(jù)點(diǎn)功率數(shù)值。OTDR測試結(jié)果進(jìn)一步可分析成事件信息，每次OTDR測試中存在多個(gè)事件（被監(jiān)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(shù)表征其在OTDR測試曲線上的分析結(jié)果。事件參數(shù)包括事件總數(shù)、每個(gè)事件的事件序號(hào)、事件位置、事件前的光纖衰減系數(shù)、事件的衰減、反射事件的相對(duì)高度、反射事件的反射系數(shù)、事件類型、事件的衰減計(jì)算方法代碼和事件衰減計(jì)算的數(shù)據(jù)點(diǎn)位置等。

3.3 OTDR數(shù)據(jù)格式

3.3.1 格式定義

OTDR數(shù)據(jù)文件中的數(shù)據(jù)信息涉及的格式包括短整型、無符號(hào)短整型、長整型、無符號(hào)長整型、浮點(diǎn)型和字符串等，見表2。OTDR數(shù)據(jù)文件中的數(shù)據(jù)信息按照各自數(shù)值的特點(diǎn)選擇相應(yīng)的類型。

表2 OTDR數(shù)據(jù)格式定義

3.3.2 曲線數(shù)據(jù)點(diǎn)格式選擇

OTDR數(shù)據(jù)文件主要是OTDR測試曲線數(shù)據(jù)點(diǎn)的存儲(chǔ)，因此數(shù)據(jù)點(diǎn)存儲(chǔ)的大小決定了文件的大小，另外數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)值的類型選取需要考慮數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)值的范圍、數(shù)值精度等。能夠滿足0.001的數(shù)據(jù)分辨率，達(dá)到0.1 dB衰減的檢測能力，同時(shí)能夠滿足OTDR測試曲線數(shù)據(jù)范圍而不會(huì)造成溢出的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)值類型方案分別有單精度浮點(diǎn)型、原始數(shù)值經(jīng)過放大后采用的無符號(hào)短整型。

·單精度浮點(diǎn)數(shù)：帶有小數(shù)的數(shù)值，單精度浮點(diǎn)數(shù)有32 bit，即4 byte的存儲(chǔ)空間。

·無符號(hào)短整型：每個(gè)測試數(shù)據(jù)點(diǎn)的功率數(shù)值有2 byte存儲(chǔ)空間。首先將數(shù)據(jù)點(diǎn)功率數(shù)值的原值放大成整數(shù)（比如默認(rèn)1000倍），忽略數(shù)值符號(hào)，按照無符號(hào)短整型存儲(chǔ)。原值默認(rèn)范圍為0～65.535。另外，為了靈活地分析比較測試曲線中數(shù)據(jù)點(diǎn)功率數(shù)值，可以將數(shù)據(jù)點(diǎn)分段再進(jìn)行縮放，采用縮放系數(shù)將功率數(shù)值進(jìn)行縮小或者擴(kuò)展存儲(chǔ)，即縮小或者放大該段數(shù)據(jù)點(diǎn)的相對(duì)功率范圍。綜合以上分析，曲線數(shù)據(jù)點(diǎn)采用短整型+擴(kuò)展系數(shù)，存儲(chǔ)的空間比浮點(diǎn)數(shù)存儲(chǔ)空間少一半。

3.3.3 數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)格式

OTDR數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)可以采用二進(jìn)制或者文本存儲(chǔ)，兩種存儲(chǔ)方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，見表3。

總的來說，采用文本存儲(chǔ)時(shí)，OTDR數(shù)據(jù)文件較大，為了提高數(shù)據(jù)的傳輸速度，可以采用GZIP進(jìn)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(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)值類型采用原始數(shù)值擴(kuò)大預(yù)處理后存儲(chǔ)的短整型，會(huì)使文本的可讀性降低，因此建議數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)值采用原值存儲(chǔ)，定義為單精度浮點(diǎn)型。文本存儲(chǔ)普遍適合網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景。

采用二進(jìn)制存儲(chǔ)時(shí)，OTDR數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)空間較小，適合大量PON端口進(jìn)行OTDR巡查。同時(shí)，建議將OTDR數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)值預(yù)處理后定義為無符號(hào)短整型。

4 結(jié)束語

本文對(duì)內(nèi)置OTDR的數(shù)據(jù)文件和數(shù)據(jù)格式的分析，也適合外置OTDR參考使用。規(guī)范化的OTDR數(shù)據(jù)文件、數(shù)據(jù)內(nèi)容和格式，能夠降低技術(shù)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，提高實(shí)現(xiàn)基于內(nèi)置OTDR的PON系統(tǒng)中不同廠商模塊間互通的可能性，從而達(dá)到比較可靠的測試性能，并方便運(yùn)營商維護(hù)管理。

表3 OTDR數(shù)據(jù)文件兩種存儲(chǔ)方式對(duì)比

1 薛夢(mèng)馳.光纖彎曲損耗的研究與測試.電信科學(xué),2009,25(7):57～62 Xue M C.Research and measurement of optical fiber macrobend loss.Telecommunications Science,2009,25(7):57～62

2 梁爽,王懷江.OTDR事件分析和故障判斷的研究與實(shí)現(xiàn).光通信技術(shù),2007,31(1):49～51 Liang S,Wang H J.The research and realization for OTDR event analysis and trouble judgement.Optical Communication Technology,2007,31(1):49～51

3 朱波,王磊.光纜監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)及應(yīng)用.郵電設(shè)計(jì)技術(shù),2015(7)Zhu B,Wang L.Optical cable monitoring system technology and its application.Designing Techniques of Posts and Telecommunications,2015(7)

4 李騰.淺談OTDR測試曲線分析.計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用,2011(4)Li T.Analysis of OTDR test curve.Computer CD Software and Applications,2011(4)

5 高業(yè)勝,鄭光金.光時(shí)域反射計(jì)校準(zhǔn)及其測量不確定度分析.宇航計(jì)測技術(shù),2010,30(5):73～78 Gao Y S,Zheng G J.Calibration of the optical time domain reflecctometer and uncertainty evaluation.Journal of Astronautic Metrology and Measurement,2010,30(5):73～78

6 楊家桂.基于光時(shí)域反射技術(shù)的回波損耗測量.光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù),2008(6):21～24 Yang J G.Return loss measurement with OTDR technique.Optical Fiber & Electric Cable and Their Applications,2008(6):21～24

7 田國棟.基于OTDR技術(shù)的光纖測試方法探討.現(xiàn)代電子技術(shù),2009,32(19):99～101 Tian G D.Testing method of fiber-optic based on OTDR technology.Modern Electronic Technology,2009,32(19):99～101

8 張瓊方,陳根祥,田愷等.基于OTDR的無源光網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)測系統(tǒng)研究.光通信技術(shù),2015,39(3):1～3 Zhang Q F,Chen G X,Tian K,et al.Research on optical online monitoring for PON based on OTDR.Optical Communication Technology,2015,39(3):1～3

9 李科,楊飛,陳峰華.OTDR原理及其應(yīng)用.山西科技,2010,25(2):46～47 Li K,Yang F,Chen F H.Principle and application of optical time domain reflect-meter.Shanxi Science and Technology,2010,25(2):46～47