无源光网络的运行、维护与管理

基于增强的电信管理运营图（eTOM），研究了无源光网络（PON）的运行、维护与管理体系的架构，该系统包括网络资源管理、装维流程管理、服务保障系统等子系统。结合电信运营商的实际需求，重点研究了智能光纤基础设施管理、终端零配置开通、光链路测量与诊断等关键技术，并分析了上述关键问题的发展趋势与部署策略。

无源光网络；运行、维护和管理；智能光纤基础设施管理；服务开通；光链路测量与诊断

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

近几年，全球运营商开始大规模地开展基于以太网无源光网络（EPON）和千兆比无源光网络（GPON）的光纤宽带（FTTX）网络建设，显著提升了宽带接入网的带宽提供能力和多业务承载能力。对于运营商来讲，无源光网络（PON）的运行、管理和维护已经成为关系到网络维护成本与效率、客户服务满意度、市场竞争力的关键，受到了高度的重视，已成为工作的重点。

PON网络的运营、管理和维护从早期的简单的以网元管理为中心发展为覆盖了网络资源管理、服务开通与变更、服务保障等全流程的体系。PON网络的运行管理和维护系统的发展方向就是依托IT系统和各种运维技术手段，通过标准化的维护流程，提升PON网络运行维护的电子化、自动化、智能化水平。本文主要研究一种面向上述目标的PON网络运行管理和维护体系架构及其关键技术，并基于对相关技术的进展和发展趋势，分析PON网络运行维护和管理系统优化的方向。

1 PON网络运行、管理和

维护体系架构

按照电信管理论坛（TMF）建立的增强的电信管理运营图（eTOM）模型，电信运营商的运营支撑系统（OSS）主要实现服务准备、交付、生产保障等过程，并支撑BSS面向客户的产品销售和客户服务过程。OSS系统横向上包括运营支持准备（Operations Support & Readiness）、服务实现（Fufillment）、业务保障（Assurance）和计费（Billing）等4类处理流程服务，纵向上包括基础通信网络、业务网络、客户网络与应用、第三方的服务提供商与合作伙伴管理等4个层次。服务实现流程主要是将客户的业务需求在工单流转、业务配置与激活、网络资源指配、供应商/合作伙伴管理等4个层面实现所需要的功能和流程。服务保障流程主要是为达到为客户提供持续可用且满足服务等级协议（SLA）所必须的流程和手段，包括资源状态和网络性能监控、网络故障的诊断和定位、故障的排除、故障汇报管理等内容。映射到固定宽带网络，eTOM模型可以简化为网络资源管理、服务开通、服务保障等3类处理流程。

PON是一个全新的网络，其点到多点的网络拓扑、网络接入模式和终端形态的多样化、多业务承载的复杂性，使得运营商无法在既有的面向数字用户线（DSL）接入的OSS系统上通过简单的改造实现PON网络的高效运行、管理和维护。具体来讲，体现在如下几个方面：

（1）在网络资源管理方面，FTTX网络提供多业务综合承载功能，使得光纤接入网与语音交换网、IP网、传输网、光缆与管道网、动力环境等多个专业高度融合，需要OSS实现集中的、全专业的综合网络资源管理，以提高对接入网资源管理的效率。

（2）在服务开通方面，光网业务上的复杂性也导致在服务开通流程的复杂性，比如电子工单的参数、工单流转的环节、各系统的工单接口都更加复杂，工单处理的异常增多。

（3）在服务保障方面，由于PON网络的接入方式、业务种类和终端类型更加丰富，PON网络自身拓扑以及与其他业务网络之间关系更加复杂，对服务保障系统的流程设计和技术手段提出了更高的要求。

基于上述分析，结合现有OSS系统的现状，我们提出了一PON网络运行管理维护的IT支撑系统架构，如图1所示。该系统的OSS主要包括综合资源系统、服务开通系统、综合服务保障系统等3个主要部分，并与自动激活系统模块、装维调度模块、集中告警模块等进行交互。通过这3个模块，运营商对光纤接入网，软交换，互联网电视（IPTV），终端远程管理（如ITMS/BBMS），认证、鉴权和计费（AAA）等相关系统进行指配、测试与监控[1]。

综合资源系统是PON网络运行管理和维护中最基础的系统，主要为资源确认、资源配置、故障定位、施工派单、业务割接等提供资源数据支撑。对于承载多业务的PON网络而言，综合资源系统所管理的系统包括PON、光配线网络（ODN）、城域网、软交换网络、IPTV等。目前，网络资源管理的热点是ODN资源的智能化管理，即智能光纤基础设施管理技术。

PON网络的服务开通系统以客户关系管理（CRM）系统为起始，通过与多个综合资源系统、综合服务保障、自动激活模块等系统的交互完成光网业务的装、移、拆、改、迁等流程的自动化。其中，CRM负责光进铜退相关产品的订单受理，调用资源管理功能进行资源能力确认和客户订单分解，派发激活工单到自动激活模块进行自动激活，派发外线施工单到综合服务保障系统进行人工上门施工和外线施工完工确认测试。自动激活模块负责根据宽带提速（光进铜退）后的产品激活拆分规则并指配所有PON接入方式相关的网元/平台（PON综合网管、软交换网管、IPTV网管、ITMS/BBMS、AAA等）实现网络层和业务层的配置与使能，从而实现业务自动激活。PON网络的服务开通的关键是如何实现终端安装的零配置，以提高装维效率。

综合服务保障系统以CRM/客服系统为起始，通过与综合资源管理系统、服务开通系统的交互，支撑相关申告的受理、预处理、故障定位、故障修复、网络和业务监控等功能。目前，光网服务保障系统的研究热点是故障定位，特别是光链路的测量与诊断等。

下面对PON网络的智能光纤基础设施管理、终端零配置开通、光链路测量与诊断等关键技术及其应用进行研究。

2 智能光纤基础设施管理

技术

2.1 智能光纤基础设施管理系统

随着PON网络的大规模部署，海量光纤资源的管理成为重要课题。传统的纸质标签、人工录入的光纤资源管理方式，存在准确度、可靠性、自动化程度和维护效率低等问题。为了解决上述问题，业界一些专家提出了基于物联网技术的智能光纤基础设施管理技术[2-5]。

智能光分配网络将电子标签技术应用到传统光分配网络中，利用电子标签对光纤（包括尾纤、跳纤、光分路器尾纤等）进行唯一标识，应用IT技术实现光纤信息自动存储、光纤连接关系自动识别、光纤资源信息校准、可视化施工指导等功能。智能光纤基础设施管理系统的架构如图2所示。智能光纤网络由智能光纤网络管理系统、智能管理终端、电子标签及智能光纤网络设备等几个主要部分组成，其中电子标签安装于光纤端口上，用于对光纤端口进行标识。智能光纤网络设备端口通过读取光纤端口上的电子标签建立设备端口和光纤端口的连接信息，智能管理终端提供管理操作界面，主要完成智能光纤网络设备的接入管理功能和现场施工管理功能，智能光纤网络管理系统则实现对智能光纤网络设备的管理。

2.2 智能光纤基础设施管理关键技术

智能光纤网络管理系统主要包括电子标签、智能光纤网络设备、智能管理终端、智能光纤网络管理系统等。

电子标签一般以集成电路芯片为存储信息的媒介，记录电子编码信息，分别为接触式电子标签（eID）和非接触式电子标签（RFID）。我们对主流智能光纤基础设施管理系统产品中的eID和RFID进行了测试和研究。从分析结果来看，eID在功耗、读写速度、安全性、抗干扰等方面具有一定的优势，更适合于新建场景采用。从理论上讲，RFID不需要读头和天线标签接触即可完成信号的收集，比较容易实现不中断业务的设备升级。接触式电子标签和非接触式电子标签的比较如表1所示。

智能光纤网络设备除了具备传统光配线设备所具有的光纤连接、分配和调度等功能外，最重要的就是增加了采集标签信息、存储和上传标签信息、监控端口状态以及端口定位指引等智能化功能。智能光纤网络设备支持与智能管理终端、智能光纤网络管理系统等通信，可通过连接稳定的交流或直流电源处于长时供电状态或由智能管理终端向其短时供电。

智能管理终端是一种便携式设备，主要通过与智能光纤网络设备、智能光纤网络管理系统之间的交互完成智能光纤网络设备的接入管理功能和现场施工管理功能。对于不支持实时供电的智能光纤网络设备，智能管理终端可提供供电服务。

智能光纤网络管理系统主要实现对智能光纤网络设备的管理功能，包括配置管理功能、资源管理功能、故障管理功能、评估分析管理功能、安全管理功能、拓扑管理功能、系统管理功能等。智能光纤网络管理系统可以直接管理智能光纤网络设备，也可以通过智能管理终端对智能光纤网络设备进行管理。

2.3 智能光纤基础设施管理技术

应用和发展趋势

全球运营商对智能光纤网络系统的进展高度关注，有超过15家运营商倾向于智能光纤基础设施管理技术。全球标准化组织如BBF、ITU-T、CCSA等都在进行关于智能光纤基础设施的标准制订工作，如ITU-T的L.64、L.69、L.80、BBF WT-311等。整体上，全球的智能光纤基础设施管理技术标准处于快速完善中，预计1～2年内就可以形成完善的标准体系。一些ODN厂商推出了智能光纤基础设施管理系统产品，并在一些运营商的现网进行试验。但智能光纤基础设施管理技术还需要解决如下技术问题：

（1）从目前的实际情况来看，现网光纤基础设施建设占FTTX网络建设投资的50%以上，而且光纤网络基础设施具有建设周期长、在网时间长和敷设后难调整的特点。因此，对传统光纤网络基础设施的改造是目前的需要解决的关键问题，特别是如何降低在ODN智能化改造过程中的业务中断时间、如何降低改造成本、如何保证智能光纤网络设备的端口密度不因智能化改造而降低。

（2）智能光纤网络系统最终要融入包括综合资源系统、综合服务保障系统以及光光链路测量和诊断系统等组成的OSS体系架构中。需要建立智能光纤基础设施管理系统与上述系统的接口的数据模型和标准。

3 PON终端的零配置开通

传统的DSL接入网终端相对比较简单，Modem可以即插即用。但PON终端相对比较复杂，特别是支持三重播放（Triple-play）应用的家庭网关的引入，其开通涉及PON网络、终端管理平台（ITMS）和IPTV、VoIP、上网等多个业务平台，终端的放装流程更加复杂，需要通过流程创新和完善的支撑系统来提高放装速度。所谓“零配置”就是尽量减少用户或者现场安装维护人员对终端的操作，通过创新的终端认证方式和自动化的业务激活流程，降低PON终端安装维护时的人工操作，提高安装维护效率。

原有的基于物理标识（媒体访问控制（MAC）地址或者SN）的光网络单元（ONU）认证方式无法实现PON网络、业务与管理平台的预配置，终端安装过程中需要线务员进行大量的现场手工配置和后台运维人员的配合。采用基于逻辑标识（即与客户帐号唯一对应的标识）的ONU认证可以实现PON终端的零配置装维流程。逻辑标识实现了设备的物理标识和用户帐号的解耦，可以在PON ONU未下发（其物理标识也未知）的情况下，实现逻辑标识与用户的配置信息的关联，从而实现预配置[1， 6-7]。典型情况下采用基于逻辑标识的ONU认证的PON上行家庭网关的零配置安装流程如图3所示。

营帐系统在受理业务开通时为客户提供逻辑标识（LOID）和密码，实现了终端物理设备和客户帐号的分离，并通过自动激活模块完成该帐号在PON光线路终端（OLT）、终端管理系统（ITMS）、AAA、IPTV、VoIP等业务系统上相关属性的预配置。领取ONU后，用户或者线务员登录ONU的本地设备管理界面输入LOID和密码，ONU就会在注册时通过逻辑标识认证流程将逻辑标识和密码上传到OLT和ITMS进行认证，然后OLT和ITMS即把预配置的PON口相关属性和业务属性通过OAM/OMCI或TR-69协议自动下发给ONU。整个ONU的安装过程不需要网管后台人员的参与，使得ONU安装速度从小时级降低到分钟级，出错概率大大降低，显著提升了装维效率。

随着大规模的FTTH网络建设，为了进一步降低ONU终端营销成本，ONU社会化已经成为运营商关注的重点。为了实现ONU社会化，需要进一步提高终端安装的简便性，机卡分离型ONU成为运营商进一步提高装维效率、免除人工操作的一种有效手段。机卡分离型ONU借鉴了移动终端采用用户识别模块（SIM/UIM）卡认证的优点，通过专用的SIM卡承担ONU认证的功能。目前，机卡分离型ONU的技术规范和装维方案均已基本确定[7]，未来几年，机卡分离型ONU将得到广泛的应用。

4 PON系统的光链路测量

与诊断

PON网络的服务保障系统的核心功能之一是在发生申告或故障后快速进行故障定位与修复以及进行定期的网络性能监测。PON网络的光链路故障主要涉及OLT与ONU的光模块以及ODN，特别是由无源器件构成的ODN的故障更加难以定位和修复，是PON网络运行、管理和维护的重点和难点[8]。

光链路测量与诊断系统通过对PON系统的光层故障的测量和性能监测实现快速发现和定位光链路故障。目前来看，光链路测量与诊断主要依靠光参数测量和光时域反射两种技术，其光链路测量与诊断系统的功能构成如图4所示。

其中，基于光参数测量（OPM）的方式又被称为光链路检测（OLM）。基于OLM/OPM的光链路测量与诊断主要是利用OLT和ONU的光模块对发送光功率、接收光功率等相关参数的测量，由PON网管对双端光模块的测量结果进行分析实现对光链路的测量与故障诊断功能。这种技术可以比较有效地定位光链路故障的段落，基本能够满足ODN运维的需求，且技术成熟、成本低，已经得到广泛应用且效果良好。

另一方面，OTDR也被普遍认为是精确定位ODN故障、监测ODN性能的有效手段。OTDR主要是通过探测光脉冲在光纤中传输时的瑞利散射和菲涅尔反射所产生的背向散射测量光纤上的反射和衰减事件，并通过回波延迟进行故障定位，从而实现对光线路质量的测试和故障诊断。利用OTDR技术，可以在光线路的一端即可对整个光线路的性能和损伤事件进行测量，且故障定位的准确度很高。由于PON采用树状分支结构，所以OTDR的回波信号受到同一个PON口下其他分支光纤背向散射信号的叠加效应影响，对OTDR的灵敏度、动态范围、分辨率等性能提出了更高的要求[9-10]。目前典型的光链路测量与诊断系统实现方式包括为PON系统外置OTDR、集成在OLT的板卡式OTDR和OLT光模块内置OTDR等3种。其中，前两种均利用现有的OTDR技术，比较成熟，但由于需要引入高成本的光开关设备，成本仍然较高，商用部署的规模还比较小。OLT光模块内置OTDR避免了使用成本较高的光开关，受到业界高度关注，但光模块需要集成OTDR收发模块，技术上相对复杂，动态范围和分辨率等指标还有待提升。

PON系统中，衰减事件的发生概率比反射事件大，而发生在分支光纤上的衰减事件又远远大于主干光纤上的衰减事件。然后，针对PON系统中分支光纤上的衰减事件，OTDR检测的难度很大，而且分光比越大，分支光纤上的衰减事件越难以检测。我们研究了OTDR检测PON系统中分支光纤上的衰减事件的机理，得出如下公式：

考虑到噪声等其他因素的影响，对于1：32以及更大分光比的PON系统，衰减的幅度降低2个数量级，利用传统OTDR技术检测分支光纤上的衰减时间是不可能的。为了解决OTDR无法检测分支光纤上的衰减事件的问题，业界提出了在ONU侧安装一个无源的波长选择性的反射器，通过检测这个反射器反射回来的光脉冲的强度就可以精确的计算出从OLT到ONU的光链路的衰减，并通过与历史数据进行比对，从而判断某个分支是否存在衰减事件[11-12]。这在很大程度上解决了分支光纤的衰减事件无法检测的难题，也有利于降低对于OLT光模块内置OTDR的检测性能要求。由于成本和安装管控等方面的考虑，我们提出了ONU内置介质膜反射器的实现方案及其技术指标要求并获得了业界的广泛支持[13-15]。基于OLT光模块内置OTDR和ONU内置介质膜反射器的方案将成为下一阶段研发的重点，并有希望在1～2年内实现一定规模的商用。

5 结束语

PON网络的运行、管理和维护包括综合资源管理、服务开通、综合服务保障等多个方面，并涉及光纤接入网、软交换、IPTV、终端远程管理系统（ITMS/BBMS）、AAA等多个网络和业务系统，在系统架构与实现、业务流程、交互接口等方面具有前所未有的复杂性。目前，业界对于PON网络运行、管理和维护技术研究的重点在于智能光纤基础设施管理、终端装维的“零配置”、光链路测量与诊断等方面。相关技术处于快速发展阶段，相信在未来1～2年内，这些技术将进入规模商用阶段，进而推动运营商PON网络运维能力的提升。

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