（计算机应用技术专业论文）光纤在线监测系统的研究.pdf

捅晏 随着通信技术的日新月异，我国光缆数量及铺设长度的急剧增加， 光缆线路的故障也越发显得重要，光纤的维护与管理问题也就曰渐突 出。实时光纤监测技术就是在这种背景下应运而生的。本课题及论文就 光纤监测系统做了一些探讨和研究。 本文对光纤在线监测系统的国内外研究现状进行了调查研究，特别 是对国内一些厂家的相关产品及市场占有情况作了比较深入的调研。通 过对北京世纪瑞尔技术股份有限公司开发的f i b e r w a r d 光纤在线监测系 统的深入研究，在掌握了系统的结构、组成及功能的基础上，对系统的 组网和监测方面不足的地方提出了改进建议。 在参与了f i b e r w a r d 光纤在线监测系统的部分软件设计工作的同 时，对光纤监测系统中故障判断的软件实现的可行性进行了探讨。现今 的光纤监测系统大多具有故障报警功能，其作用只是在显示光纤的监测 曲线的同时发出声光报警来提醒工作人员，但故障的类型基本是靠维护 工作人员的经验人工判断。本文提出了一种算法，通过软件来实现对某 种类型故障的判断，进一步减少故障的判断时间，更加完善光纤监测系 统的功能。 关键词：在线监测；光纤故障：光纤监测系统：o t d r r e s e a r c ho ft h er e m o t e f i b e r t e s t i n gs y s t e m a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，h o wt oj u d g et h ee x c e p t i o n so fo p t i c a lf i b e rm o n i t o r i n g s y s t e mi sd i s c u s s e da n d r e s e a r c h e d i nt h e p a p e r t h e c u r r e n ts t a t l l so fo p t i c a lf i b e rm o n i t o r i n gs y s t e m r e s e a r c h i n gi nt h ew o r l di ss u r v e y e da n ds t u d i e d e s p e c i a l l y ，t h ep r o d u c t s a n dm a r k e tc o n d i t i o no fs o m ec o m p a n i e si no u rc o u n t r ya r ed e e p l ya n a l y z e d t h r o u g h t h es e a r c ho ft h ef i b e r w a r dr f t s ( r e m o t ef i b e rt e s t i n gs y s t e m ) d e s i g n e db y t h ec e n t u r yr e a lc o r p o r a t i o no fb e i j i n g ，b a s e do nt h es y s t e m s s t r u c t u r e ，c o n s t i t u t ea n df u n c t i o n ，t h ea d v i c eo f t h es h o r t a g eo ft h es y s t e m s o r g a n i z i n gn e ta n dm o n i t o r i n g w a s g i v e n w h i l et a k i n gp a r ti nt h es o f t w a r ed e s i g n e dw o r k ，w ep r o p o s eo u ro w n o p i n i o na b o u tt h ee x c e p t i o n sj u d g i n go fo p t i c a l f i b e rm o n i t o r i n gs y s t e m t h ee x i s t e n t o p t i c a l f i b e r d e t e c t i n gs y s t e m sm o s t l yp o s s e s se x c e p t i o n s a l a r m i n gf u n c t i o n s t h e yj l i s ts h o wt h em o n i t o r i n gc 1 n w e s o ff i b e r sa tt h e s a m et i m em a k i n gas o u n da n dl i g h tt oa w a k e t h ew o r k e r s b u tt h et y p e so f e x c e p t i o n sa r eb a s i c a l l yj u d g e db y t h em a i n t e n a n c ew o r k e r s ，i nt h i sp a p e r , a n e w a l g o r i t h mt oj u d g em o n r o f i n ge x c e p t i o n sb ys o f t w a r ei sp r o p o s e d i t r e d u c e st h e j u d g i n g t i m ea n d p e r f e c t s t h ef u n c t i o n so f o p t i c a l f i b e r m o n i t o r i n gs y s t e m k e y w o r d s ：m o n i t o r i n go n l i n e ；o p t i c a l f i b e rm o n i t o r i n gs y s t e m ；o t d r 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得石 油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 签名：垒盔煎渺弓年5 月2 1 0 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印什及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 学生签名：巫盎咽。奶年 罗月2 o e t 导师签名：耋艺睑伽j 年5 月 王f 日 石油大学( 华东) 硕十论文第1 章前言 第1 章前言 本课题的来源是北京世纪瑞尔技术股份有限公司开发的f i b e r w a r d 光纤在线监测系统。 随着现代网络技术的发展，光纤已经成为主要的传输媒介，鉴于信 息传输所带来的巨额收益，国民经济的各个部门都在大力发展和建设光 纤传输网络。 随着我国光缆数量的增加以及早期铺设的光缆使用年限的增加，光 缆线路的故障次数也在增加，光缆的维护与管理问题日渐突出。据美国 b e l l c o r e 研究显示，每年有近六成的光纤故障原因是被意外挖断，造成 每年数千万美元的损失。所以，缩短断线时间也就意味着减少损失、提 高经营竞争力。虽然光纤传输设备本身具有一定的传输线路故障告警功 能，但是当光缆出现故障时，无法确定故障位置以便快速修复。此时， 需要使用专用测试仪器，由人工查找故障线路和故障点位置，故障的修 复历时长、占用的维护人员多。随着光纤网络技术在全球的迅速发展， 光纤网络的复杂性大幅度提高，不仅要求能及时准确地监测全网各光缆 段可能发生的光缆断裂位置，还要求能及时监测光纤传输特性的变化和 变化趋势，分析传输误码率高的原因，以及导致误码率高的故障点的位 置，以便及时有效地组织人员抢修，大幅度地降低和压缩故障历时，变 被动式维护为主动式维护。 要保障光纤传输线路的畅通无阻，就必须实现对光纤线路进行自动 监测，开发和研制行之有效的光纤实时监测系统成为保障光纤通信网络 正常运行的迫切需要。 光纤监测系统在我国的市场前景非常广阔。我国已经逐渐形成一个 遍布全国的复杂的通信线路网络。随着信息技术的发展和人们对高速数 据业务、图像业务的迫切需求，高速因特网、多媒体视像等宽带业务的 接入，人们对光纤传输能力的要求越来越高，对光缆监测和维护提出了 较高的要求。 石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 因此，光缆线路监测的重要性将更加突出。作为提高运营商竞争力 的有效手段之一，各大运营商都越来越重视提高网络的服务质量和维护 水平，纷纷加大光缆线路监控与管理系统的投资和建设力度。在这种背 景下，光纤自动监测管理系统也就应运而生。 本课题研究的内容是在线自动监测光纤的状态，发现故障并及时告 警，同时判断故障地点，达到压缩故障历时、减轻维护人员工作负担的 目的。 现今的光纤在线监测系统大多在显示光纤监测曲线的同时以声光 报警的方式提醒工作人员，故障的类型主要靠工作人员人为判断。本文 研究了一种算法，用软件来判断出某种类型的故障，进一步压缩故障历 时，完善监测系统的功能。 2 石油人学( 华东) 硕士论文第2 章光纤在线监测系统研究综述 第2 章光纤在线监测系统研究综述 二十一世纪人类社会将全面进入信息化时代，国民经济的各个部门 都在大力发展和建设光纤传输网络。从全国光纤传输系统的建设情况 看，中国电信的光缆建设包括国家一级干线、省干线( 二级干线) 和本 地网三个部分，国家一级干线主要指八横八纵光缆系统，全长2 2 万公 里，投资光纤监测系统每公里约需要1 2 万元。加上规模更为庞大的二 级干线( 省干线) 和本地网络线路，市场潜力更大。中国联通目前大约 拥有三万多公里的光缆，投资光纤监测系统每公里约需要1 ，7 万元。目 前联通也在加大提高网络维护水平的建设力度，每年在建设光纤监测系 统上的投资都在几千万以上。作为新兴运营商之一的中国网通，它拥有 的光缆长度今年年底将达9 0 0 0 公里，并将全部采用光纤监视系统，目 前网通正在进行干线的光纤监测建设，这也将是光纤监测系统的巨大市 场空间之一。中国铁通的光缆干线总长度约为6 万公里，光纤监测系统 总投资约有上亿元。此外，大量应用光缆的c a t v ( 闭路电视) 行业估 计市场总容量与电信系统不相上下。关于在未来数年间光缆铺设情况的 发展，具体数据不是十分确切，但可以判断的是干线的发展速度将会大 幅度降低，而用户端接入网将会加快发展速度。在电力专网和铁通新建 设的干线光传输系统中，光纤监测系统已经被列为一个十分重要的投资 项目：闭路电视( c a t v ) 行业的光纤监测系统尚未正式启动，估计将 会在两年内启动。 随着我国光缆数量的增加以及早期铺设的光缆使用年限的增加，光 缆线路的故障次数也在迅速增加，光缆的维护与管理问题也就日渐突 出。据美国b e l l c o r e 研究显示，每年有近六成的光纤故障原因是被意外 挖断，造成每年数千万美元的损失。其中主要损失为光缆断线造成的减 少收话费、契约赔偿、客户流失。所以，缩短光缆断线时间也就意味着 减少损失、提高经营竞争力。虽然光纤传输设备本身具有一定的传输线 路故障告警示警功能，但是当光缆出现故障时，却无法确定光缆的故障 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章光纤在线监测系统研究综述 位置以便快速修复。此时，需要使用专用的测试仪器，由人工查找故障 线路和故障点位置，故障的修复历时长、占用的维护工作人员多。随着 光纤网络技术在全球的迅速发展，光纤网络的复杂性大幅度提高，不仅 要求能及时准确地监测全网络各光缆段可能发生的光缆断裂位置，还要 求能及时监测光纤传输特性的变化和变化趋势，分析传输误码率高的原 因，以及导致误码率高的故障点的位置，以便及时有效地组织工作人员 进行抢修，大幅度地降低和压缩光纤的故障历时，变被动式维护为主动 式维护。 要保障光纤传输线路的畅通无阻，就必须实现对光纤线路进行自动 监测，开发和研制行之有效的光纤实时监测系统成为保障光纤通信网络 正常运行的迫切需要。 在介绍光纤监测系统之前，先初步介绍一下光纤通讯。 2 1 光纤通讯 2 1 1 概述 光纤是光导纤维的简称，光纤通讯是以光波为载频，以光导纤维为 传输媒介的一种通信方式。光纤通讯之所以在最近短短的二十年中能得 以迅猛的发展，是由于它具有以下的突出优点而决定： ( 1 ) 传输频带宽、通讯容量大 ( 2 ) 信号损耗低 ( 3 ) 不受电磁波干扰 ( 4 ) 线径细、重量轻 ( 5 ) 资源丰富 2 1 2 光纤和光缆 ( 1 ) 光纤的分类 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章光纤在线监测系统研究综述 a 按照传输模式来划分： 光纤中传输模式就是光纤中存在的电磁场场形，或者说是光场场形 ( h e ) 。各种场形都是光波导中经过多次的反射和干涉的结果。各种模 式是不连续的离散的。由于驻波才能在光纤中稳定的存在。它的存在反 映在光纤横截面上就是各种形状的光场，即各种光斑。若是一个光斑， 我们称这种光纤为单模光纤，若为两个以上光斑，我们称之为多模光纤。 单模光纤( s i n g l e m o d e ) 由于单模光纤只传输主模，也就 是说光线只沿光纤的内芯进行传输。由于完全避免了模 式色散，使得单模光纤的传输频带很宽，因而适用于大 容量，长距离的光纤通讯。单模光纤使用的光波长为 1 3 1 0 n m 或1 5 5 0 n m 。 多模光纤( m u l t i m o d e ) 在一定的工作波长下 ( 8 5 0 n m 1 3 0 0 n m ) ，有多个模式在光纤中传输，这种光 纤称之为多模光纤。由于色散或像差，因此，这种光纤 的传输性能较差，频带比较窄，传输容量也比较小，距 离比较短。 单模光纤光线轨迹图和多模光纤光线轨迹图如图1 - 1 所 示。 摹曩先纤 多曩先纤 图2 1 单模多模光纤光线轨迹图 b 按照纤芯直径来划分： 5 0 1 2 5 ( u m ) 缓变型多模光纤。 6 2 5 1 2 5 ( g m ) 缓变增强型多模光纤。 8 3 1 2 5 ( g m ) 缓变型单模光纤。 石油人学( 华东) 硕士论文第2 章光纤在线监测系统研究综述 2 1 3 光纤系统设计简介3 ( 1 ) 设计思路 系统的设计思路：设计者能选择最有效及最节省成本的方式来传递 光信号。要做到这点，设计者必须了解系统中各个不同部件的要求和 损耗，具体损耗如下表2 1 所示： 1 连接器类型： s t 连接器1 0 0 d b f c i s c 连接器 0 7 5 d b 2 光纤类型：( 视具体光纤类型而定) 多模 8 5 0 r i m 3 o 3 5 d b k m 多模 13 0 0 n m 1 0 1 5 d b k i n 单模 13 1 0 n m 0 4 0 6 d b k i n 单模 1 5 5 0 n mo 2 0 4 d b k m 3 接口类型： 对接( b u t t ) 2 0 d b 机械连接 0 5 d b ( m e c h a n i c a l ) 熔接( f u s i o n ) o 2 d b 4 配线板： 2 0 d b 表2 - 1 连接器件损耗表 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章光纤在线监测系统研究综述 除此之外，设计者还必须从以下几个方面着手考虑： 光纤系统是要传输视频? 音频? 数据? 还是这些信号的 组合? 这些信号是单向还是双向? 信号的传输距离有多远? 光纤系统的光学损耗预算是多少? 系统中光学损耗的总和和光端机允许的光学最大衰减值 相比较的结果如何? ( 2 ) 光学传输损耗 光学损耗值或全部衰减值，是接收机和发射机之间各个独立部件损 耗的总和。引起光学损耗的主要原因有： 光纤每公里损耗。 光纤耦合器的损耗。 连接器的损耗。 接口的损耗。 在计算这些损耗时，不可能十分准确，制造厂商将给出标准范围并 制定以下内容的容限，如接头的类型、光源发射器的寿命和状态以及包 括温度变化在内的环境因素等。在估算光学能量的损耗时，可参考上面 损耗表，进行预算。 ( 3 ) 最大衰减值 所有光端机都标示有最大的衰减指标，此数字( 以d b 分贝表示) 越高，系统可工作的距离就越长。该数字也可参考光学损耗预算，表明 光端机的传输能力。它是系统能够容忍并工作正常时的最大信号衰减数 值。整个线路的损耗，也称”线路预算”可通过以下的方式决定： 使用光学仪器来测量损耗。 实际估算各系统部件的损耗。 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章光纤在线监测系统研究综述 2 2 光纤监测【4 j 光纤监测系统在我国的市场前景非常广阔。我国已经逐渐形成一个 遍布全国的复杂的通信线路网络。随着信息技术的发展和人们对高速数 据业务、图像业务的迫切需求，高速因特网、多媒体视像等宽带业务的 接入，人们对光纤传输能力的要求越来越高，对传输光缆的监测和维护 提出了较高的要求。 因此，光缆线路监测的重要性将更加突出。作为提高运营商竞争力 的有效手段之一，各大运营商都越来越重视提高网络的服务质量和维护 水平，纷纷加大光缆线路监控与管理系统的投资和建设力度。在这种背 景下，光纤自动监测管理系统也就应运而生。 根据监测对象的不同，一般将监测系统分为两大类： ( 1 ) 对光缆金属护套对地绝缘电阻的测试； ( 2 ) 对光纤后向散射系数的测试； 前者也被称为光缆护套对地绝缘自动监测系统，后者则被称为光纤 在线监测系统( r f t s ，r e m o t ef i b e r t e s t i n gs y s t e m ) 。下面分别加以说 明。 2 2 1 光缆护套对地绝缘监测系统电阻自动系统 光缆护套对地绝缘电阻自动监测系统是通过远程测量直埋光缆金 属外护层对大地构成回路的完整性来实现对光缆监测的目的。它利用远 程供电系统对安装于直埋光缆接头盒内的设备进行充电，并进行数据的 收集和分析，产生告警信号。 目前较为成功的光缆护套对地绝缘电阻监测系统是由英国雷迪公 司研制生产的l m s 一3a r r m 自动远程监测系统。该系统于1 9 9 6 年在上 海新场中继站至南汇登陆局间全长3 9 k m 的线路上进行了安装。下面以 石油人学( 华东) 硕士论文第2 章光纤在线监测系统研究综述 l m s 3 a r r m 系统为例，介绍直埋光缆护套对地绝缘自动监测系统。 ( 1 ) 系统的组成 光缆护套对地绝缘自动监测系统一般由前站、监测站和监测中心三 部分组成。 前站是该系统的主要组成部分，安装于光缆接头盒处，通过测量本 接头盒与下一个接头盒之间的金属护套对大地的绝缘电阻来监测地下 光缆状况。 监测站为前站提供工作电压，发送测试信号，收集测量结果，并进 行数据处理，将处理结果传送至监测中心。当测试数据超过设定的门限 值时，发出告警信号。 监测中心分析从监测站传输来的数据，并进行处理，可以图形、表 格等较为直观的形式展示出来。也可发出告警声音，还可进行周期或定 点测试。 ( 2 ) 系统各部分的功能及工作流程 a 前站：主要由微处理器、电子开关、发射机、远供单元、电阻 测量单元、防雷保护和传感器等部分组成。其主要功能是接收监测站提 供的供电电源、指令，测量金属护套对地绝缘电阻、测量接头盒内的湿 度并将测量数据传送到监测站。 前站共有常态、供电、测量和数据传输等4 个工作状态。在常态时， 前站中的电子开关处于断开状态，光缆的金属护套每2 - 3 k m 相互绝缘。 当来自监测站的供电或指令到来时，电子开关闭合，前站进入供电状态。 监测站通过金属护套对地构成的回路向前站远供单元的电容器进行充 电，电容器中的充电电压即是前站的工作电压。充电完毕后，前站中的 微处理器启动电阻测量单元进行测量，然后将数据经金属护套传送至监 测站。 b 监测站：主要由中央处理单元、通信单元、信号发生器、告警 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章光纤在线监测系统研究综述 单元、供电单元等部分组成。 监测站向前站发送4 0 0 v 、2 0 k a 的瞬时浪涌电压，为所有前站提供 工作电压：接收来自前站的数据，进行处理存储，并通过通信单元实现 与监测中心的数据通信。根据所测数据发出告警信号；根据指令发送定 位信号和故障查询信号( 4 4 0 h z 、2 2 0 h z 、8 k h z 、9 k h z ) ，供维护人员 利用探测器进行故障定位。 c 监测中心：由微机及通信单元组成。监测中心可发送指令对监 测站进行控制，从监测站接收测试数据，进行分析处理并提供故障及测 试记录报告。 ( 3 ) 系统评价 a 优点：该系统在外护套质量受到影响时，提供损伤预警，可及 时对受损光缆进行修复：自动进行数据采集；系统设备较为简单( 与光 纤监测系统相比较) ；提供定量的故障定位信号，缩短障碍历时。 b 缺点 由于国内直埋光缆施工时，在金属外护层对地绝缘电阻 方面存在较多的问题，而该系统在安装前要求对地绝缘 电阻必须符合规定，因此前期改造的工作量很大。 前站安装传感器时，必须打开接头盒，对已经开通电路 的线路来讲危险性较大。 由于该系统利用直埋光缆金属外护层与大地构成的回路 来进行测试和传输数据，因此不适用于架空光缆线路。 2 2 2 光纤自动监测系统 光纤自动监测系统( r f t s ) 是利用对光纤后向散射曲线的远端测 试来实现对光缆线路的自动监测。它是一种随时监视、主动测试光纤网 石油大学( 华4 、) 硕士论文第2 章光纤在线监测系统研究综述 络的新系统，它集成了目前成熟的计算机、通信、地理信息系统( g i s ) 及光纤测量技术的一个光纤网络监测系统。它适用于长途干线、本地网、 市话网及有线电视( c a t v ) 网络等的集中测量和监视。系统采用先进 的光时域反射仪( o t d r ) 将测试光通过波分复用器( w d m ) 和光开 关加载到被测光纤中，系统通过光时域反射计分析光纤的回波信号并结 合地理信息系统，在计算机屏幕上以图形化的方式显示出光缆的路由和 故障位置并发出警报，这就使维护操作人员可以很直观地看到故障地 点，从而使维护操作人员可以在最短的时间内赶到故障现场处理问题， 减少故障引起的损失。 另一方面，通过调用数据库中光纤的原始数据分析对比光纤测试曲 线波形的变化，判断光纤品质的劣化以及估计光缆的寿命等，从而可使 光纤网络的决策者很容易地制定光纤网络的升级、更换及维护计划。系 统可自身组成局域网，也可以通过远程拨号等多种方式实现远程登录监 测中心。目前国外较为成功的有惠普公司的h p 8 1 7 0 0 系统等，但是由 于其监测系统设备的造价昂贵，不能提供汉化的图形界面和数据表格， 以及各设备制造商对监测数据等没有形成统一标准等诸多因素的限制， 很难在国内得到广泛应用。 在国内，也有不少的研究机构开发研制了光缆在线自动监测系统和 专用的光纤故障测试仪。下面是国内光纤监控领域的主要厂家及其监测 系统的情况。 ( 1 ) 成都四方信息技术开发公司 成都四方信息技术开发公司是隶属于成都高新技术开发区的高新 企业。该公司早在成立之初就关注光纤监控领域技术的发展，并积极投 入到该项目的研发工作。同时公司与电子科技大学光纤国家重点实验室 共同成立了“光纤监控研究中心”，从事以密集波分复用为基础的下一 代光纤监控产品的研制。提供光纤网络监控管理的全方位解决方案，实 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章光纤在线监测系统研究综述 现光纤网络的监控、营销、维护及管理等。目前成都市电信分公司光纤 监控系统为成都四方公司所承建。 ( 2 ) 中山泰康通信设备有限公司 中山泰康通信设备有限公司是中山火炬高新技术实业股份有限公 司、北京邮电大学、广东省科技风险投资公司共同投资5 0 0 0 万元兴办 的国家级高科技企业。中山泰康公司拥有国际级先进水平的光纤监控开 发环境和测试设备，荟萃了一批国内光纤领域的高素质人才，经过几年 努力，在国内光纤监控厂家中名列前茅。目前重庆市光缆线路监测系统 就是中山泰康公司研制开发的。 ( 3 ) 安捷伦科技公司 安捷伦科技公司多年来致力于光纤监控研究，并取得了许多突出成 绩。目前海南的光纤监测系统就是安捷伦公司开发研制的。 ( 4 ) 中达斯米克公司 中达斯米克公司成立于1 9 9 2 年，由台达集团、斯米克股份有限公 司、民鑫实业有限公司共同投资成立的合资企业。该公司从9 0 年代初 就开始进行光纤监控及相关技术研究与开发，在国内光纤监控领域有着 较高的影响。目前大连电信光缆监测系统是中达斯米克公司研制开发 的。 还有一些国内的公司如山东省光科光纤通信公司研制的f o w 2 0 0 0 系统、北京长线技术公司开发的g l 2 0 0 0 系统等产品。其中f o w 2 0 0 0 已应用于中国电信的杭福一贵一成干线和湖南、黑龙江省网；g l 2 0 0 0 已 安装于西兰乌鲁木齐、京汉广、京九广光缆干线。另外，大唐、巨龙、 维奥特、亚奥斯等公司也开发出了自己的产品。在我国光纤监控领域， 前5 名企业的市场占有率合计占7 0 。其余的厂家只能占到3 0 左右 的市场份额。随着光纤技术的发展及厂家的增加，这个未来充满前景的 市场的竞争将会越来越激烈。 石油大学( 华东) 硕十论文第3 章系统结构 第3 章系统结构 光纤监测系统按结构可以分为两个部分，即设在通信传输机房的远 端光纤监测单元( r t u ，r e m o t et e s t i n gu n i t ) 、管理监测中心( m t c ， m a n a g et e s t i n gu n i t ) 。其中远端光纤监测单元( r t u ) 和管理监测中心 ( m t c ) 是相互独立的两个部分，这两个部分通过组网通道构成一个 完整的釜测系统。 3 1 光鲟远端监测单元( r t u ) 光二干远端监测单元( r t u ) 由光纤测试及控制模块、光路切换及耦 合单元、系统显示单元、通信组网模块、滤波器、恒定光源、分光器、 光功率! 三测模块、电源模块等设备以及配套的机架、配线等组成。 r t 2 是光纤监测的关键设备，为系统采集最基本的数据，一般设 在各通 j 传输机房，通过活动连接器与光缆中的被测光纤连接。管理监 测中心可以通过各种方式控制r t u 完成对光纤的多种形式的监测。光 纤监测；i 统一般由多个r t u 分段对光缆进行监测，各个r t u 均通过组 网通信通道与管理监测中心m t c 联网，管理操作人员可以远程控制 r t u ，实现对整个光纤网络的监测。 3 2 管理监测中心( m t c ) 管理监测中心( m t c ) 一般设在一个区域的管理中心，完成对分 布于光缆线路各点的r t u 的控制管理，管理操作人员可以在管理监测 中心对整个光缆线路进行监测和管理。 光纤监测系统的网络结构是由光缆运行维护管理模式决定。一般四 级网络结构可以满足国内绝大多数用户的需要。光纤监测系统网络结构 设计为橱形结构。各层分别为监测站( r t u ) 、三级管理监测中心、二 级管理监测中心、一级管理监测中心。 系统结构示意图如图3 1 所示。 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章系统结构 一个系统管理网络结构应采用几级模式可根据运行维护管理模式 来确定。一级管理监测中心、二级管理监测中心可逐步选配以适应不同 的维护管理模式。 整个系统具有模块化的结构，在建立整个系统结构时，可以一次 图3 - 1 系统结构示意图 建成多级的网络结构，也可以从局部做起，先建立基础监测管理结构， 再逐步完善。通过多系统软件的设置，可以使低级中心升级为上级中心。 例如，对一个铁路通信的光缆监测系统，可以先建立以电务段为中 心的管理监测结构，以电务段管区为系统管辖监测区段，设置管理监测 中心m t c 和光纤远端监测单元r t u ，实现对现阶段光缆线路的管理监 测。随着光缆线路和网络的扩展，再根据需要逐步扩展，或建立上一级 管理监测中心，在路局建立整个管区的监测中心来完成对所辖设立电务 段的监测中心和监测站进行控制和管理。 3 3 系统组网 要实现管理监测中心( m t c ) 对光纤远端监测单元( r t u ) 的管理 和控制，完成数据及控制命令的传输，就必须通过通信网络来实现。光 纤监测系统的通信网络由m t c 和r t u 的通信模块以及传输通道组成。 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章系统结构 光纤监测系统可以利用我国电信公网和专网系统所能够提供的绝 大多数传输资源组成网络( 个别的传输通道因传输速率低而不能使用) ， 也可以利用多种传输资源混合组网。光纤监测系统在通信上采用多通道 结构( 如：主备用双通道) 可以提高通信的可靠性。当主通道出现传 输故障时，系统可自动切换到备用通道，使通信不受任何制约和影响。 对于光纤监测网络可用的通信通道有以下几种： 3 3 1 监测网络的通信通道方式 ( 1 ) p s t n m o d e m 方式 利用p s t n ( p u b l i cs w i t c h n e t w o r k ，公众交换网) m o d e m 组网的通 信示意图2 - 2 所示： 图3 2p s t nm o d e m 组网通信示意图 ( 2 ) 利用同步传输s d h 网络组网方式5 1 同步数字体系( s d h ，s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y ) 运用于光纤 石油人学( 华东) 硕士论文第3 章系统结构 通信时，称该网为同步传输网。s d h 网络是由一些s d h 网元组成，可 以在光纤、微波以及卫星上进行同步信息传输、复用、分插和交叉连接 的网络。它具有国际统一的网络节点接口( n n i ) ，从而简化了信号互通 及传输、复用和交叉连接过程，同时具有标准的信息结构等级。s d h 网络具有以下特点： 统一的网络节点接口 全面的兼容能力 灵活的上、下话路技术和动态组网技术 充分的开销比特 网络同步 其不足之处是大量的集中化软件控制以及在个别高速链路和交叉 连接点上，也过分集中，几乎使软件支配和控制了网络中的交叉连接和 复用设备，这样，一旦出现人为的软件操作错误或有计算机病毒的侵入， 便会造成全面故障。 利用同步传输s d h 网络组网方式示意图如图3 3 所示： 图3 3 同步传输s d h 网络组网通信示意图 ( 3 ) 采用光调制解调器( o m o d e m ) 或光纤组网 利用光缆中富余的光纤组网通信，不必另配通信传输设备或租用通 信通道。适用于光缆线路不能提供通信信道的情况。但要单独占用一芯 石油火学( 华_ 、) 硕士论文第3 章系统结构 光纤，这对线路资源是一种浪费。 利用光调制解调器o m o d e m 组网通信示意图如图3 - 4 所示 图3 - 4 光调制解调器组网通信示意图 ( 4 ) 利用i p 网络组网1 6 1 今天的i n t e m e t ，己证明了i p 协议是世界上最成功的网络协议。但 是，随着i n t e m e t 的发展和用户不断增加的新要求，说明了i p 网络适合 数据通信，但应用于话音和视频则不理想。原因是i p 包的传送是无连 接的，这样，对于语音和视频通信，就不能保证i p 包实时到达。如何 把i p 网络与近年来应用的新技术帧中继( f r a m er e l a y ) 、a t m 、同步 传输体系( s d h ) 、波分复用技术密集波分复用技术( w d m 他w d m ， w a v e l e n g t h d e m u x m u l t i p l e x e r s d e n s e n ew a v e l e n g t h d e m u x m u l t i p l e x e r s ) 相融合，发挥这些新技术在i p 网上运行的优势，克服i p 网络自身的弱点，这是近年来通信领域研究的热点。随着光纤通信技术 的高速发展，i po v e r d w d m 、i po v e r s d h 将是未来的主要技术。 对于目前新型的光网络技术，光纤监测系统可以充分利用i p 网的优势 进行组网通信。 利用i p 网络组网方式示意图如图3 5 所示： 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章系统结构 图3 5i p 网络组网通信示意图 由于i po v e rs d h 、i po v e rd w d m 的路由器，一般局域网 ( l a n ，l o c a la r e a n e t w o r k ) 接入采用千兆以太、a t m 等，因此网络 交换机应支持干兆以太、a t m 快速以太等网络接口。r t u 和m t c 均 通过网络交换机与i p 路由器连接，接入i p 网，实现系统的联网【7 j 。 利用i p 网络( l a n ) 组网通信示意图如图3 - 6 所示： 图3 - 6i p 网络( l a n ) 组网通信示意图 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章系统结构 8 1 所谓w d m 技术就是为了充分利用单模光纤低损耗区带来的巨大 带宽资源，根据每一信道光波的频率或波长的不同可以将光纤的低损耗 窗口划分成若干个信道，把光波作为信号的载波，在发送端采用波分复 用器合波器将不同规定波长的信号光载波合并起来送入一根光纤进行 传输，在接收端，再由一波分复用器分波器将这些不同波长承载不同 信号的光载波分开的复用方式。由于不同波长的光载波信号可以看作互 相独立从而在一根光纤中可实现多路光信号的复用传输。 在d w d m ( 密集波分复用技术) ，光纤的传输光谱被分成大量不重 迭的波长段，每一个波长段都支撑一个高速的通信信道。今天d w d m 的商业应用能力是g b s 级，而4 0 g b s 的系统速率正在试验。通过 d w d m ，单根的光纤可有多个传输信道，每个信道可有不同的速率及 不同的格式。由此可见，d w d m 所提供的服务不仅是高速的，而且也 是富有弹性的。目前，d w d m 在商业应用上是单根光纤可多路复用4 0 个信道。但最近世界上的几家大制造商已宣布他们的单根光纤可多路复 用到1 6 0 个信道。而实验室己出现了3 2 0 个信道。双向传输的问题也很 容易解决，只需将两个方向的信号分别安排在不同波长传输即可。根据 波分复用器的不同，可以复用的波长数也不同，从几个至几百个。 但是d w d m 缺乏几种通信处理的能力。例如，d w d m 系统有点 点的互连能力，但没有光路径的交换能力，即直接实时地从一个通道传 输到另一个通道。因此，当网络的某些点失效时，它们不能自动地路由 通信，不能够隔离不同种类的传输( 如话音、视频、数据) 。为了获得 上述这样或那样的能力，通信系统只得依赖于同步光纤网( s d h ) 技术。 通过一个光互联网来承载i p 将是一个最适合发展的方向。i po v e r d w d m 光网络以波长来选择路由，具有对传输码率、数据格式及调制 方式透明、与现有的通信网络兼容、可扩展性和可重构性等优点。因此， 最终的发展还应是i po v e rd w d m ，即高速路由交换机与d w d m 技术 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章系统结构 结合产生i p 优化光纤网络一光互联网。 ( 5 ) 通过2 m 口的时隙插入方式组网 对于光网络的s d h 的系统，在通信站都提供2 m 口接入。在某些 情况下通信通道资源紧张，通信站往往不能提供单独的2 m 口，这时远 端监测单元r t u 可以利用已经占用但还有富余时隙的2 m 口实现联网。 利用2 m 时隙插入方式组网通信示意图如图3 7 所示： 图3 72 m 时隙插入方式组网通信示意图 通过e 1 分接器可以从2 m 传输线上( 中继线或光端机连线) 抽取 若干个6 4 k 通道组网传输，不会影响其余通道。在监测中心可以实现 收敛，即各个r t u 占用的通道交换集中到一条2 m 线上接入监测中心。 ( 6 ) 通过数字数据网d d n 组网p 1 数字数据网( d d n ，d i g i t a ld a t an e t w o r k ) 是利用数字信道传输数据 信号的数据传输网，它的传输媒介有光缆、数字微波、卫星信道以及用 户端可用的普通电缆和双绞线。利用数字信道传输数据信号与传统的模 拟信道相比，具有传输质量高、速度快、带宽利用率高等一系列优点。 数字数据网d d n 向用户提供的是半永久性的数字连接，沿途不进行复 杂的软件处理，因此延时较短，避免了分组网中传输时延大且不固定的 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章系统结构 缺点；d d n 采用交叉连接装置，可根据用户需要，在约定的时间内接 通所需带宽的线路，信道容量的分配和接续在计算机控制下进行，具有 极大的灵活性，使用户可以开通种类繁多的信息业务，传输任何合适的 信息。d d n 有四个组成部分：数字通道、d d n 节点、网管控制和用户 坏路。d d n 主要有以下三个优点： ( 1 ) d d n 是同步数据传输网，不具备交换功能。但可根据与用户 所订协议，定时接通所需路由器( 这便是半永久性连接概念) 。 ( 2 ) 传输速率高，网络时延小。由于d d n 采用了同步转移模式 的数字时分复用技术，用户数据信息根据事先约定的协议，在固定的时 隙以预先设定的通道带宽和速率，顺序传输，这样只需按时隙识别通道 就可以准确地将数据信息送到目的终端。由于信息是顺序到达目的终 端，免去了目的终端对信息的重组，因此，减小了时延。目前d d n 可 达到的最高传输速率为1 5 5 m b i t s ，平均时延s 4 5 0 u s 。 ( 3 ) d d n 为全透明网。d d n 是任何规程都可以支持，不受约束 的全透明网，可支持网络层以及其上的任何协议，从而可满足数据、图 像、声音等多种业务的需要。 我们可以充分利用d d n 的这些优点，以下面两种方式进行组网： d d n 异步组网方式 利用d d n 异步组网方式通信示意图如图3 - 8 所示。 d d n 专线组网方式 利用d d n 专线组网方式通信示意图如图3 - 9 所示。 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章系统结构 图3 - 8d d n 异步组网通信示意图 行 图3 - 9d d n 专线组网通信示意图 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章系统结构 3 3 2 系统组网的双通道结构 在系统的实际运行中，常常出现因通信通道出现故障导致系统无法 正常工作。因此，我提出了增加备用通道的建议，在一个通道出现故障 时，系统会自动转换到另一个通道来确保系统正常运行。虽然对这个系 统而言，增加了成本，但系统的可靠性大大提高了。 例如，以i p 网组网为主通道，以p s t n 组网为辅助通道。 主备双通道通信结构示意图如图3 1 0 所示。 光纤在线监测系统可以灵活地利用各种通信资源组成通信网络，充 分保证中心与中心、中心与各监测站之阳j 的联络，使整个系统运行有了 安全管理和控制的保证。 图3 1 0 主备双通道通信结构示意图 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章系统结构 3 4 监测距离 f 1 ) 测试距离公式【1 0 1 光纤监测系统的监测距离是指r t u 可监测的长度。它是由远端光 纤监测单元光信道监测仪( o c m ，o p t i c a l c h a n n e lm o n i t o r s ) r t u 动态范 围、光器件的介入损耗、光缆的传输损耗、光纤接头( 机械接头、熔接 接头) 的损耗等原因决定的；需要根据工程的具体情况进行计算确定。 监测距离计算公式如下： l = r p a c m c m a ) ( a f + a s ) 其中： l ：光纤测试系统监测光纤最大长度 p ：o c m 的动态范围( 3 7 4 0 d b ) ，其值由系统提供商提供 a c ：介入损耗，指o t d r 、光开关等设备的介入损耗的和 a f ：光缆平均衰减系数( d b k m ) ，其值由光缆生产厂商提供 a s ：光熔接接头平均衰减系统( d b k m ) ，其值按光缆每2 公罩 一个熔接头，每个熔接头衰减为0 0 8 d b 计算，取值为0 0 4 d b m c ：光缆线路富余度( d b ) ，取值为3 5 d b m a ：测试精度的富余度( d b ) ，取值为1 0 d b 对于光缆监测距离的计算，需要先以各项目数据带入公式计算，再 根据工程情况加以一定的经验修正，弥补理想情况与实际情况的差距。 ( 2 ) 光纤监测设备对光传输系统的介入损耗 光纤监测设备会对传输系统产生一定的介入损耗。这主要由接入在 使用光纤中的无源光器件的介入损耗产生的。其计算方法是将接入光纤 中的所有光器件的接入损耗累加既可得出对光传输系统的接入损耗。在 一个测试区中，对于在用纤测试，介入损耗主要是r t u 和滤波器的影 响，其介入损耗总和小于2 d b 。 石油大学( 华东) 硕士论文第4 章系统组成 第4 章系统组成 组成一个光纤监测系统，实现对光纤的监测，除了r t u 和m t c 外，往往还需要设置跨接站、端站。其中r t u 实施对光缆光纤的测试： m t c 实现对r t u 的管理；跨接站使测试光波绕过传输设备继续前行测 试下一段光纤：端站阻止测试光波的继续前行。因此，一个典型的光纤 在线监测系统结构如图4 1 所示。 4 1 光纤远端监测单元r t u 的组成 r t u 主要采用光时域反射测试技术实现对光纤线路故障的监测、 定位以及定量分析，同时对可能出现的但尚未对通信系统产生影响的光 纤线路的质量劣化实施巡检监测，及时发现隐患。 r t u 同时应用波分复用技术及光滤波设备实现对使用光纤在线测 试，为通信线路维护人员提供了最具有代表性的实时测试数据，并对通 信网络的运行状况提供科学的定量分析。系统借助精密光切换技术，实 现由一套光时域反射测试设备对多路光纤的测试，从而充分发挥其效 用。 整个光纤监测系统架构在计算机系统之上，采用了各种计算机技 术，如计算机通信、远程控制、数据库、数据分析与信息处理等，对 r t u