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基于a r m l in u x 的光纤自动保护倒换系统 摘要 f i i i i ii l l frfrri rri l r l lr r l liirlri ii y 17 7 6 6 5 1 光纤通信的快速发展，使得光纤网络复杂度日益提高，光纤使用 量日益增加。与此同时，光纤物理网络的维护、修复问题也日渐突出。 光纤线路的通信容量越大，国民经济及社会生活对它的依赖性就越 重，一旦其发生故障或断裂，其中传输的所有光路都将会被中断，导 致大量的数据丢失与巨大的经济损失。因此，如何提高光纤网络的生 存性和可靠性，降低故障发生率、缩短故障中断时间就成为一个广泛 关注的研究课题，有着重要的现实意义。 针对上述问题，本文提出了一种基于删l i n u x 的多路光纤自 动保护倒换系统，以a r m 芯片作为高速数据采集平台，并在其上构 建l i n u x 操作系统，实时监测多路光纤的光功率变化，智日匕1 二广, - i z u l l 别光纤 的工作状态。当判定光纤线路有故障发生时，它能利用光开关及时有 效地在工作光纤和保护光纤之间进行自动切换，同时把故障信息通过 网络传递给监控中心。此系统能对通信业务进行无间断保护，提高网 络的通信质量和可靠性，满足用户对实时性、安全性的需求。 本文首先介绍了此系统的工作原理和整体架构，然后详细介绍了 前端光路、电路硬件结构和l i n u x 软件编程。系统完成了对数据的采 集、滤波、分析，并将分析结果进行了相应处理，实现了硬件与软件 的有机结合。最后还介绍了两种系统升级方案，以期对系统的功能和 浙江工业大学硕j 二学位论文 界面进行完善。 关键词：光纤，自动监测，保护倒换，嵌入式，l i n u x i i aa u t 0 讼t i cp r o t e c t i o ns y s t e mf o r o p t i c a lf i b e r s a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ef i b e r - o p t i cc o m m u n i c a t i o n s ，t h e c o m p l e x i t yo ft h ef i b e r - o p t i cn e t w o r k sa n dt h ea p p l i c a t i o na m o u n to f o p t i c f i b e r sa r eb o t hr a p i d l yi n c r e a s i n g m e a n w h i l e ，t h ew o r ko f m a n a g e m e n ta n dm a i n t e n a n c ef o ro p t i c f i b e r sb e c o m e sm u c hh e a v i e r c a r r y i n gl a r g e a m o u n t so fi n f o r m a t i o n ，o p t i cf i b e r s a r eo fv i t a l i m p o r t a n c et ot h es o c i e t ya n d t h ee c o n o m y t h e r ew i l lb eah u g el o s so f d a t aa sw e l la sm o n e yi f o p t i cf i b e r sb r e a kd o w n t h e r e f o r e ，h o wt o i m p r o v et h es u r v i v a b i l i t ya n dr e li a b i l i t y o fo p t i cf i b e r sc o m e st oah o t t o p i c i nt h i sp a p e r , at y p eo fa u t o m a t i cm o n i t o r i n ga n dp r o t e c t i o ns y s t e m f o ro p t i cf i b e r s ，w h i c hb a s e do na r m l i n u xt e c h n o l o g y , i sp u tf o r w a r d s a m p l i n gd a t ab yt h e a r m l i n u xp l a t f o r m ，i tp r o v i d e sr e a l _ t i m e ，o n - l i n e p o w e rm o n i t o r i n go fo p t i cf i b e r s i tc a nj u d g em a l f u n c t i o ni n t e l l i g e n t l y a n dc o n t r o lt h eo p t i c a ls w i t c ht oc h a n g eb e t w e e nt h ew o r k i n gf i b e ra n d t h ep r o t e c t i o nf i b e r , a n dt h e ni n f o r mt h em o n i t o r - s t a t i o nt h r o u g hn e t 1 1 1 浙江丁业人学硕一 ：学位论文 f i r s t l yt h et h e o r ya n ds t r u c t u r eo f t h es y s t e ma r ed i s c u s s e d t h e nt h e o p t i cp a r t ，e m b e d d e dh a r d w a r ea n dl i n u xs o f t w a r ea r ei n t r o d u c e d t h e s y s t e mh a v ef u n c t i o n so f d a t as a m p l i n g ，f l i t t i n g ，a n a l y z i n ga n dd i s p o s i n g f i n a l l y , t w os c h e m e s a r ep r o p o s e dt oe n r i c ht h ef u n c t i o n k e yw o r d s ：o p t i cf i b e r s ，a u t o m a t i cm o n i t o r i n g ，a u t o m a t i cp r o t e c t i o n ， e m b e d d e d ，l i n u x 浙江t 业人学硕1 ：学位论文 目录 摘要1 a b s t r a c t i i i 符号说明v l i 第一章绪论l 1 1 光纤通信技术的发展和对网络生存性的要求1 1 2 光纤自动保护倒换系统的引入2 1 3 本文章节安排3 第二章光纤自动保护倒换系统的原理及架构5 2 1 网络生存性与网络自愈5 2 1 1 网络生存性5 2 1 2 网络自愈6 2 2 点到点光纤线路的保护倒换方案7 2 2 11 + 1 线路保护倒换方案7 2 2 21 ：1 线路保护倒换方案8 2 2 - 3 保护线路的路由选择9 2 3 基于a r m l i n u x 的光纤自动保护倒换系统的架构9 2 3 1 监测站一监控中心模式1 0 2 3 2 系统的整体框架1 0 2 4 小结1l 第三章光纤自动保护倒换系统硬件结构。12 3 1 分光器一1 2 3 1 1 分光器1 2 3 1 2 分光器实验数据1 4 3 2 光电转换与放大电路1 6 3 2 1 光电转换电路16 3 2 2 对数放大电路。17 3 3a d 转换19 3 4 光开关一19 3 5 小结21 第四章光纤自动保护倒换系统的软件实现2 2 4 1m c u 及嵌入式操作系统的选择2 2 4 1 1m c u 的选择2 2 4 1 2 嵌入式操作系统的选择2 2 4 2a d 驱动程序的编写2 4 4 2 1 交叉编译2 5 4 2 2 动态驱动加载。2 5 4 2 3 静态驱动加载2 9 4 3 滤波、智能判别3l 4 3 1 数字滤波31 v 浙江工业大学硕j j 学位论文 4 3 2 智能判别3 2 4 3 3 日志备份3 3 4 4 网络报警3 3 4 4 1t c p 与u d p 3 3 4 4 2s o c k e t 网络通信3 5 4 4 3 音频报警3 7 4 5 多线程技术3 8 4 6 实验结果4 0 4 7t e l n e t 远程登录和f t p 文件传输4 5 4 7 1t e l n e t 远程登录4 5 4 7 2f t p 文件传输4 6 4 8 ，j 、结4 7 第五章系统升级方案4 8 5 1o t d r 地理定位。4 8 5 1 1o t d r 工作原理4 8 5 1 2o t d r 卡的接入4 9 5 2b o aw e b s e r v e r 4 9 5 3 ，j 、结5 0 第六章总结与展望5 1 参考文献5 2 至殳谢5 6 硕士期间发表的论文5 7 v i 浙江t 业大学硕l j 学位论文 符号说明 f t t o ：f i b e rt ot h e0 伍c e ，光纤到办公室 f t t h ：f i b e rt ot h eh o m e ，光纤到户 d w d m ：d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，密集波分复用 a o n ：a l lo p t i c a ln e t w o r k ，全光网络 a s o n ：a u t o m a t i cs w i t c ho p t i c a ln e t w o r k ，自动交换光网络 o c d m ：o p t i c a lc o d ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，光码分复用 o t d m ：o p t i c a lt i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，光时分复用 r w a ：r o u t i n ga n dw a v e l e n g t ha s s i g n m e n t ，波长路由分配 o a d m - o p t i c a la d d d r o pm u l t i p l e x i n g ，光分插复用 o x c ：o p t i c a lc r o s s c o n n e c t ，光交叉连接 o t d r ：o p t i c a lt i m ed o m a i nr e f l e c t o m e t e r ，光时域反射仪 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 ，同步数字体系 a d m ：a d dd r o pm u l t i p l e x e r ，分插复用器 d x c ：d i g i t a lc r o s s - c o n n e c te q u i p m e n t ，数字交叉连接器 f b t ：f u s e db i c o n i c a lt a p e r ，熔融拉锥型 p l c ：p l a n n e rl i g h t w a v ec i r c u i t ，平面光波导型 m e m s ：m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ，微机电系统 g p l ：g e n e r a lp u b l i cl i c e n s e ，通用性公开许可证 i c ：i n t e g r a t e dc i r c u i t ，集成电路 a r m ：a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ，先进r i s c 机器公司 r i s c ：r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ，精简指令集计算机 m c u ：m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ，微控制处理器 m m u - m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t ，内存管理单元 r t o s ：r e a lt i m eo p e r a t i o ns y s t e m ，嵌入式实时操作系统 f t p ：f i l et r a n s f e rp r o t o c o l ，文件传输协议 c g i ：c o m m e ng a t e w a yi n t e r f a c e ，共用通道界面 v i i 浙江工业大学硕 j 学位论义 第一章绪论 1 1 光纤通信技术的发展和对网络生存性的要求 2 0 0 0 年以来，全球网络带宽的年增长率接近1 0 0 ，中国干线业务量和带宽 实际年增长率均超过了2 0 0 ，国际互联网带宽年增长2 4 5 ，是全球带宽增长 率的数倍。由于数据业务的快速发展，根据保守估计，到2 0 1 0 年，我国大城市 单节点的端口容量将达到3 5 t b p s 。这对于下一代网络的干线传输、城域、接 入环节均提出了更高的要求。高速大容量传输系统、城域网和低成本接入网络将 成为下一代网络的重要组成部分i l l 。 由于光纤媒质具有传输带宽大、抗干扰能力强、损耗小等特点，光纤通信始 终在通信网络基础建设中占据主导地位。近几年来，我国在光纤通信技术研究、 产品开发、各运营商的光纤网络建设等诸方面都有了突飞猛进的发展：从光纤市 话局问中继到长途骨干光缆；从骨干光网络到光城域网、用户接入网；从传统的 电信运营商到各行业、各部门专用的光纤传输网，我国大规模地开展了光纤通信 网络建设。光缆在干线上现已取代了传统电缆，与卫星通信、数字微波通信共同 支撑着全球通信网。目前，光纤传送了8 0 以上的信息，光纤网络将延伸到我们 身边，女i ：i f t t o ( f i b e rt ot h eo f f i c e ，光纤到办公室) 、f t t h ( f i b e rt ot h eh o m e ， 光纤到户) 等，为我们个人通信提供着足够的信息通道【2 j 。 目前，光传输系统在提高速率、增加传输容量、延长传输距离和降低成本这 几个方面不断取得进展，光纤通信正朝着d w d m ( d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ，密集波分复用) 结合光放大器的大容量、高性能的a o n ( a l lo p t i c a l n e t w o r k ，全光网络) 和a s o n ( a l lo p t i c a ln e t w o r k ，自动交换光网络) 发展【3 。 a o n 以光纤为传输媒质，采用d w d m 技术、o c d m l 8 】( o p t i c a lc o d ed i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ，光码分复用) 、o t d m l 9 - 10 1 ( o p t i c a lt i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ， 光时分复用) 等光波复用技术来充分发挥光纤的巨大带宽资源，以r w a i 川 ( r o u t i n ga n dw a v e l e n g t ha s s i g n m e n t ，路由波长分配) 技术为基础，在光节点处 采用o a d m 【1 2 】( o p t i c a la d d - d r o pm u l t i p l e x i n g ，光分插复用) 设备s d o x c ( o p t i c a l c r o s s c o n n e c t ，光交叉连接) 设备来提高信息吞吐量，从而提高光网络的灵活性 浙江工业大学 和透明性。 光纤通信的快速发展使得光纤网络复杂度日趋提高，光纤使用量日益增加， 与此同时，光纤物理网络的维护、修复问题也日渐突出。光纤的通信容量越大， 国民经济及社会生活对它的依赖性就越重。一旦光纤线路发生断裂，光纤中的所 有光路都将会被中断，数据丢失不可估量。例如，一条光纤支持1 6 0 个波长信道， 每一个波长上承载1 0 g b p s l 拘数据，因此，光纤断裂会导致1 6 t b p s 的数据损失。 实际上，光纤是成束放置在光缆中的，单根光缆可以承载8 6 4 根光纤( 或者更多) 。 多根光缆被埋在地下管道里，单个管道可以承载的光缆数目可以达到1 0 根以上， 所以，管道的断裂所导致的数据丢失以及经济损失是相当惊人的，甚至可能导致 信息化的国民经济建设瘫痪。2 0 0 6 年1 2 月，由于台湾海底地震引起跨太平洋海底 光缆断裂，造成中国大陆至台湾地区、美国、欧洲等方向的通信线路大量中断， 中国网民无法访问国际网站，电子商务交易、留学签证申请等事务全部搁置，直 接与间接经济损失惨重。事实上，由于人为或线路老化等因素，光纤发生故障的 概率一直比较大。早期铺设的光纤年限已长，光缆接头盒常有渗水现象、传输损 耗也随时间推移而逐渐增大，此外，光纤线路受到建筑挖方、公路施工、开采岩 石、山体滑坡和其它意外事故造成的光纤损伤甚至断裂事故也时有发型1 3 】。因 此，提高光纤网络的生存性和可靠性己成为网络建设和维护的重要目标，降低故 障发生率、缩短故障时间等需求被提到了前所未有的高度【l4 1 。 1 2 光纤自动保护倒换系统的引入 虽然光纤网络作为我国传输支撑网络的重要性已经毋庸置疑，但是其故障发 生后的维护和修复技术却有待提高。由于原有光纤网络的智能化水平较低且光性 能监控设备的价格昂贵，目前大部分的光纤网络仍缺乏监控功能。传统的光纤线 路维护方式是：当光纤故障发生后，抢修人员携带o t d r ( o p t i c a lt i m ed o m m n r e f l e c t o m e t e r ，光时域反射仪) 去测量故障地点，然后赶往具体地点进行抢修。对 于光纤这种超大容量的通信媒质来说，被动的抢修方式造成的通信中断是不可容 忍的。而且，此种维护方式不能及时发现并排除光纤线路中因多种衰减累积所造 成的故障，如光缆在承受压力负荷、小半径弯曲或接头盒进水故障导致的光纤传 输特性的劣化【”】。因此，我们急需一种技术手段来实现光纤劣化及故障的实时 浙江工业人学硕十学位论文 监测与处理，及时发现光纤线路的隐患，以此来降低光纤阻断的发生率，减少光 纤故障历时。 为解决这一问题，通常的做法是配置冗余光纤( 保护光纤) 进行保护，一旦 有光纤线路出现故障，就在故障两端用人工方式进行光路和电路的应急调度，利 用保护光纤恢复部分系统。显然，人工调度方式也是在故障发生后经用户反馈而 采取的补救措施，从线路发生故障到人工修复的这段时间内，故障线路的通信将 一直处于瘫痪状态。所以，虽然这种冗余保护人工调度方式比用o t d r 找出故 障地点再行修复所花费的时间要少，但它依然不能实时发现并处理故障，无法真 正满足用户的要求。 针对“实时发现并处理光纤故障这一要求，我们设计开发了基于 a r m l i n u x 的光纤自动保护倒换系统。此系统体积小，功耗低，能准确、快速、 实时地监测到光纤网络发生的故障，自动实施从故障光纤到备用光纤的切换，并 把故障信息上传给监控中心。此系统具有良好的稳定性、准确性和灵活的可扩展 性，主要用于点到点的线型网络，也可用于环网o a d m 作保护模块、实现环网 复用段和区段的保护，或用于网状网络中o x c 的保护，从而真正有效地保护了 光纤通信系统，实现无阻断、高可靠性的光通信网。 1 3 本文章节安排 基于a r m l i n u x 的光纤自动保护倒换系统是一种可实现光纤线路的监测、 告警、自动倒换等功能的嵌入式系统，本文主要介绍了此系统的原理、架构、硬 件组成及软件实现，全文共分为六章，各章节的主要内容如下： 第一章：绪论，说明在光纤通信飞速发展的同时，迫切需要提高光纤网络的 生存性和可靠性，并引入本文所开发的光纤自动保护倒换系统。 第二章：介绍了网络生存性的概念以及光纤自动保护倒换系统的工作原理， 并讨论了本文所述的系统架构。 第三章：介绍了光纤自动保护倒换系统的硬件设计部分，详细描述了光电转 换和a d 转换中用到的器件和电路。 第四章：介绍了光纤自动保护倒换系统的软件设计部分，详细描述了a d 驱 动、滤波、智能判别、s o c k e t 通信、音频报警相关的算法和流程，并给出了实验 浙江工业人学硕i ：学位论文 结果。 第五章：介绍了光纤自动保护倒换系统的后续升级方案。 第六章：结束语，总体评估整个系统，对全文进行总结。 4 浙江丁业大学硕1 j 学位论文 第二章光纤自动保护倒换系统的原理及架构 本章将详细介绍网络生存性的相关概念、常用的点到点光纤线路的保护倒换 方案以及基于a r m l i n u x 的光纤自动保护倒换系统的架构和工作流程。 2 1 网络生存性与网络自愈 2 1 1 网络生存性 网络生存性( s u r v i v a b i l i t y ) 属于网络完整性范畴【1 6 椰】。网络完整性包含通 信质量、生存性( r e l i a b i l i t y ) 和可靠性三部分内容，涉及到多种现代化通信技 术。网络生存性和可靠性是有区别的：生存性侧重于描述网络在发生故障、甚至 是毁灭性故障后，是否还具备通信传输的能力，即故障发生后，网络采取什么措 施去补救，使其能在最短时间内恢复业务的正常传输；而可靠性侧重于描述器件 的平均使用寿命，我们可以通过查阅厂方提供的器件资料对其进行统计、分析来 确定。 一般地，影响网络生存性的主要因素有： ( 1 ) 传输信道的故障。这是网络故障中最为常见的，如工地施工引起的故障， 台风、地震等自然灾害引起的故障以及由信道中的连接器件引起的故障等等； ( 2 ) 结点设备的故障。如路由器、服务器、o x c 、o a d m 等器件失效、损 坏引起的故障； ( 3 ) 软件的漏洞。软件开发设计者无法做到尽善尽美，在实际应用过程中， 常常会有这样那样的b u g 被暴露出来从而引起故障。 因此，网络生存性的改善与提高是一项综合性工程，需要考虑多方面的因素， 我们可以从以下几个方面入手： ( 1 ) 在网络的设计阶段，考虑可以采用的迂回路径，选择合适的保护措施； ( 2 ) 采用实时高效的监控系统以保证故障的快速检测； ( 3 ) 选用拓扑方案、协议算法等进行白愈设计； ( 4 ) 确保人工修复的方便性和快速性； ( 5 ) 故障排除后，能迅速承担原有通信业务的能力。 浙江工业人学硕l ：学位论文 工程上，网络生存性主要借助保护和恢复技术实现。保护和恢复是两种不同 的机制：保护通常是利用节点间预先分配的保护路由替代失效的路由，但保护资 源( 冗余资源) 属于某一线路专用，无法在网络范围内实现共享；恢复则是指在 探测到网络失效后，通过从空闲资源中动态发现可替代路由以确保故障线路的畅 通，空闲资源指节点之间任何可用的容量，包括空闲备用容量、网络专用的容量 乃至低优先级的额外容量。保护主要采用硬件冗余实现，而恢复主要采用软件路 由重新分配实现。 总的来说，在通信网的演进中，首先大量采用了组网相对简单的保护机制， 随着网络规模的扩大，网络拓扑连通性增强，网络资源的利用率要求提高，在生 存性方案的选择上逐步倾向于恢复机制。然而，在a s o n 出现之前，恢复算法 的复杂性阻碍了恢复机制的应用和推广，工程上被大量采用的仍是保护机制。 2 1 2 网络自愈 网络自愈( s e l f - h e a l i n g ) 是目前提高网络生存性常用的技术手段。网络自愈 指网络发生故障时，不采取人为干预，网络可自动在极短的时间内恢复，使用户 基本察觉不到出现了故障。本文所研究的基于a r m l i n u x 的光纤自动保护倒换 系统正是基于网络自愈的思想而搭建，其本质就是使监测站实时发现通信光纤的 故障并自动切换到保护光纤，在尽可能短的时间内恢复通信，同时向上级监控中 心发送故障报警，使故障得以尽快修复。 自愈是网络生存性的一大特色，自愈网可分为三类：点到点线路保护倒换、 a d m ( a d dd r o pm u l t i p l e x e r ，分插复用器) 自愈环以及d x c ( d i g i t a lc r o s s c o n n e c t e q u i p m e n t ，数字交叉连接器) 网状自愈网。其中，基于保护技术的点到点线路 保护倒换和a d m 自愈环应用比较广泛，基于恢复技术的d x c 网状自愈环则是 利用网络内的低优先级信道或闲置信道作为替代路由来传输故障信道的高优先 级业务。可见，保护资源的冗余度、替代路由的恢复率、自愈的时间开销以及路 由铺设、算法设计的复杂度等是网络生存性的主要技术指标。另外，早期投入成 本、操作和维护的便利性、可扩展性等也需要被充分考虑。 与自愈设计相类似，网络生存性设计也需要考虑一些相同的因素，如早期投 入成本、需要保护的业务数量、保护资源的冗余度、业务从故障中恢复的速度、 浙江丁业大学硕j j 学位论文 操作和维护的便利性、可扩展性等等。光纤传输网络中常见的故障有单根光纤损 坏、多根光纤同时损坏( 如光缆被切断) 、网络节点失效( 如节点设备损坏) 等 等。为保证通信业务的无中断传输，尽量降低故障导致的损失，网络生存性设计 主要分为以下五个阶段： ( 1 ) 初期防护：在初期的网络规划、铺设、路由选择等方面，都应该尽可能 考虑周全，尽量避免各种危险因素； ( 2 ) 故障响应：如何实时有效地监测到故障的发生，以及如何快速实施保护 措施和定位故障地点； ( 3 ) 鲁棒性自愈设计：当网络结构有所变化时，系统能否通过路由算法、协 议制定等技术手段在误差允许范围内，维持原有的功能； ( 4 ) 人工修复：在发现故障后，人工抢修或更换损坏的器件、设备是否便于 实行，如接续地下光纤光缆等； ( 5 ) 复原能力：故障修复后，如何让网络恢复原状，如何把保护时采用的冗 余资源、恢复时占用的低优先级资源返还给原来的系统。 2 2 点到点光纤线路的保护倒换方案 光纤传输系统中，当光纤自动保护倒换系统监测到工作光纤传输中断或性能 劣化到一定程度后，系统会启动倒换开关，自动把通信业务由工作光纤切换到保 护光纤传输，从而使接收端仍能正常接收到信号而感觉不到网络出现了故障，这 种保护方式常用于点到点光纤线路的保护。 点到点光纤线路保护方案主要有两种：并发选收保护方案( 1 + l 保护) 和选发 选收保护方案( 1 ：1 保护) 。 2 2 11 + 1 线路保护倒换方案 1 + 1 线路保护倒换方案在发送端采用分光器对光信号进行分离，通常采用 5 0 ：5 0 分光器( 在实际应用中，考虑到工作光纤和保护光纤的路由长短不一致，可 采用不同分光比的分光器) 。分离后的两路光信号同时沿着工作光纤和保护光纤 传输，接收端则对两路光信号进行持续实时监测，通过比较信号质量选择质量最 优的一端作为有效信号接收( 一般选工作光纤) 。线路的切换是由接收端控制的 浙江工业大学硕j j 学位论文 光开关实现的，默认从工作光纤接收，当接收端监测到工作光纤中业务信号的性 能恶化到一定程度或有故障发生时，自动改变保护倒换开关的状态，切换到保护 光纤进行信号传输，如图2 1 和图2 2 所示： 保护光纤i 口5 0 ：如分光嚣 图2 11 + 1 保护方案( 正常上作时) 一一一。一一。保护光纤i i 5 0 ：5 0 分光摹 图2 - 21 + 1 保护方案( 故障发生时) 2 2 21 ：1 线路保护倒换方案 1 ：l 线路保护倒换方案的实现方式与1 + 1 保护倒换类似，但它的业务信号并 不是分成两路同时在工作光纤和保护光纤中传输。一般情况下，业务信号只单独 沿着工作光纤传输，当工作光纤发生故障时，与发送端和接收端相连的光开关同 时切换到保护光纤进行传输，如图2 3 和图2 4 所示： 保护光纤 即她鲫分光器 图2 - 31 ：1 保护方案( 正常一l 作时) 浙江丁业人学硕1 j 学位论文 一。一。一保护光纤- i s o ：5 0 分先嚣 图2 41 ：1 保护方案( 故障发生时) 2 2 3 保护线路的路由选择 光纤网络保护线路的路由选择一般可分为三种【1 8 】： ( 1 ) 同缆分纤：工作光纤和保护光纤在同一光缆内。其特点是最简单经济， 但不能防止光缆切断故障。 ( 2 ) 同路由不同缆：工作光纤和保护光纤在不同光缆内，但置于同一管道或 路由上。其特点是可以防止一般性光缆切断故障，但不能防止大型故障。 ( 3 ) 异路由：工作光纤和保护光纤不仅不同缆，而且管道或路由也不同。其 特点是提供了最大程度的保护，但经济代价也最高。 在图2 1 至图2 - 4 中，工作光纤和保护光纤都是在不同的光缆内。假如工作 光纤和保护光纤在同一光缆内，那么工作光缆一出故障，保护光纤便形同虚设了， 故异缆结构的生存性要强于同缆结构。除此之外，还可以通过异路由的方式来进 一步提高光纤网络的生存性，较好地应对由施工挖方、地震等自然灾害引起的光 缆故障。比如台湾海底地震导致多条国际海底通信光缆中断事件后，中国电信表 示：“新中美光缆建设将充分考虑分散路由风险，计划海缆将从上海和青岛直接 连至美国俄勒冈州，有两个分支分别连至韩国巨济和台湾岛北部的淡水【1 9 】。所 有路由都在台海地震发生区域以外，这样，在很大程度上能分散自然灾害可能引 发的通信阻断风险【2 0 】”。 2 3 基于a r m - lin u x 的光纤自动保护倒换系统的架构 本文所研究的基于a r m l i n u x 的光纤自动保护倒换系统针对的是当前常用 的l ：1 线路保护倒换方案、异缆保护方式、监测站一监控中心管理模式。整个系 9 浙江丁业人学硕j j 学位论文 统集成了嵌入式l i n u x 、驱动开发、多线程、s o c k e t 通信等技术，完成了数据采 集、智能分析、保护倒换、网络报警等功能，对点到点光纤线路有良好的监视及 维护作用。 2 3 1 监测站一监控中心模式 监控中心和监测站( 一个光纤自动保护倒换系统即为一个监测站) 软件采用 l i n u xr e d h a t2 4 开发环境。监控中心的主要功能是管理各个监测站，关注监测 日志，响应故障报警。监测站的功能则是光功率监测、智能分析，记录日志，实 时报警，控制倒换开关等，监测站一监控中心模式如图2 5 所示： 监测站( 自 动保护倒换 系统1 ) = 豳 = 嘲 = i 圈 = = = = = = = = = = = = ? 弋= = = = = = = = = ：= = 巴= = = = = = = = = = = 二一 图2 5 监测站一监控中心管理模式 监测站( 自 动保护倒换 系统3 ) 监控中心运行系统管理软件，通过网络管理某区域内的若干监测站，其所有 功能均由软件实现。监控中心位于整个监测系统的根部，直接和维护人员交互故 障信息，因此，监控中心的软件需要稳定、可靠且界面友好易于操作。 监测站则直接面向接入的多路光纤，光信号的采集、放大、a d 转换、滤波、 分析判别、开关倒换、日志记录、向监控中心网络报警都由它负责完成。 2 3 2 系统的整体框架 光纤自动保护倒换系统的整体架构如图2 - 6 所示： 1 0 浙江丁业大学硕1 ：学位论文 图2 - 6 多路光纤臼动保护倒换系统 图2 - 6 中，1 通道和2 通道为两根工作光缆，假设1 通道中含4 根光纤，2 通道中含5 根光纤( 光纤数目仅为图示需要而假设，并不是实际工程中的光纤数 目) 。1 通道中的光纤标号为1 发，1 收，2 发保护，2 收保护；2 通道中的光纤 标号为2 发，2 收，l 发保护，1 收保护，3 收无保护。各标号的含义如下：在1 通道中，1 发、1 收是l 通道的工作光纤，2 发保护，2 收保护用作2 通道工作光 纤的保护光纤。在2 通道中，2 发、2 收是工作光纤，1 发保护，1 收保护用作1 通道工作光纤的保护光纤，3 收无保护表示没有保护光纤。 光纤自动保护倒换系统主要分为光功率监测单元、开关控制单元、网络通信 单元三部分。各接收光纤经过9 7 ：3 分光器后接入光功率监测单元，光功率监测 单元主要完成光电转换、电信号放大、a d 转换功能，然后送入a r m 处理器， 由其上的l i n u x 操作系统完成对采样信号的检测判别，当判断光纤有发生故障 后，a r m 启动开关控制单元，控制光开关把通信线路从故障光纤切换到保护光 纤，并备份故障日志。同时通过网络通信单元向监控中一1 1 , 传递故障信息，通知哪 条线路需要及时抢修。 2 4 小结 本章介绍了光纤自动保护倒换系统的基本原理，详细描述了1 ：1 和1 + 1 两种 常用的点到点光纤保护方案。在1 ：1 保护方案的基础上，结合路由保护技术和监 测站一监控中，1 1 , 管理模式，提出了基于a r m l i n u x 的光纤自动保护倒换系统的 架构，并详细描述了其工作流程。 浙江工业人学硕上学位论文 第三章光纤自动保护倒换系统硬件结构 基于a r m l i n u x 的光纤自动保护倒换系统的硬件部分主要完成对3 监测 光信号的接入、光电转换与放大、硬件滤波和a d 转换功能，由光学部分和电路 部分组成。光学部分主要负责3 监测光信号的接入和光开关对线路的切换，电 路部分则负责后续的光电转换、放大、滤波及a d 转换，本章将详细介绍相关的 器件和电路。 3 1 分光器 3 1 1 分光器 分光器( o p t i c a ls p l i t t e r ) 是光纤通信中常用的无源器件，主要用来实现光 信号功率的重新分配。一般用1x n 表示分光器是一路光信号输入，n 路光信号输 出。在我们设计的光纤自动保护倒换系统中，即是采用分光比为9 7 ：3 的1 2 分光 器把业务信号分成两路：9 7 的光信号用于正常通信，剩下的3 光信号用于线 路性能监测。 1 分光原理 根据制作工艺，分光器大致分为两类【2 1 】：基于传统熔融拉锥技术的f b t 分光 器( f u s e db i c o n i c a lt a p e r ，熔融拉锥型) 和基于平面光波导技术的p l c 分光器 ( p l a n n e rl i g h t w a v ec i r c u i t ，平面光波导型) 。 f b t 分光器的制造工艺是：将需要熔接的光纤清洗干净，除去外部的涂覆层， 以一定的角度贴近后，侧面熔融成双锥体状，同时在两侧精密地拉伸，不同的拉 伸长度、角度决定了不同的分光比，当达到预期的分光比后，用石英基片对拉锥 区进行固定便得到分光器。受拉锥工艺的限制，1 4 以上分光器一般用多个1 2 分光器级联而成。f b t 分光器的优点是成本低廉、工艺成熟，但是损耗对光波长 比较敏感，工作波长受限，插入损耗随温度变化幅度也较大，故不适用于多波长 的应用场合。 p l c 分光器则由一个平面光波导芯片和两端的光纤阵列耦合而成。它采用光 刻技术，在介质或半导体基板上形成光波导，实现分支分配功能。芯片一般有1 2 1 2 浙江t 业人学硕，i j 学位论文 个输入端和m 个输出端波导，分别耦合输入输出光纤阵列。与f b t 分光器相反， p l c 分光器的优点是对光波长不敏感，分光均匀，插入损耗随温度变化幅度小， 但是平面光波导制作工艺要求较高，成本昂贵，目前国内处于进口波导芯片再进 行封装。 2 常用的技术指标 ( 1 ) 插入损耗 插入损耗定义为每一路输出端口的光功率值相对于输入端口的光功率值损 失的分贝数，数学表达式为： 仁川g 毒 ( 3 1 ) 式3 1 中，e ，为第i 路输出端口的光功率值，巴为输入端口的光功率值，4 为 第i 路输出端口的插入损耗。 ( 2 ) 附加损耗 附加损耗定义为把全部输出端口的光功率值相加，所得的总和相对于输入光 功率损失的分贝数，它是体现分光器制造工艺质量的指标。对于1x n 单模标准型 分光器，附加损耗如表3 1 所示： 表3 1 分光器的附加损耗【2 2 j 分路数附加损耗分路数 附加损耗分路数 附加损耗 州)( d b )州)( d b )( n )( d b ) 20 260 51 00 8 3 0 37 0 5 5 1 1 0 9 40 480 6 1 2 1 o 5 0 4 590 71 61 2 ( 3 ) 分光比 分光比定义为各路输出端口输出光功率的比值，监控用的分光器一般为9 5 ：5 或者9 7 ：3 。分光比与传输光的波长有关，例如一个分光器在传输1 3 1 0 n m 的光信 号时，两个输出端的分光比为5 0 ：5 0 ；而当传输1 5 5 0 n m 的光信号时，两个输出 端的分光比变为7 0 ：3 0 ，故定制分光器时，我们必须要考虑所使用的波长。 浙江丁业大学硕士学位论文 ( 4 ) 隔离度和稳定性 在多路输出光路中，由于外界温度、湿度等影响，相互之间非常容易形成光 信号串扰，隔离度就是表征抗串扰能力的一个物理量。例如在w d m 系统中，温 度变化引起的波长漂移串扰就会严重降低系统的性能，故一般要求分光器的隔离 度能高于4 0 d b 以上。分光器的稳定性则是指当外界条件发生变化时，分光器的 各项性能指标的稳定程度。 3 1 2 分光器实验数据 我们实验用的分光器是由上海嘉慧光电子技术有限公司生产的9 7 ：3 f b t 型 分光器，如图3 1 所示，