（光学工程专业论文）光纤通信网光缆在线监测.pdf

学科专业：光学工程 论文题目： - 1 2 9 , 9 2 7 光纤通信网光缆在线监测 硕士生：黄小莉 摘要 导师：刘永智 本文在对光纤通信网传统监测系统特点分析基础上，讨论了一种光 纤通信网在线监测方案。该方案将光波分复用技术、光开关和o t d r 技 术相结合，实现了对光纤通信网的自动在线监测。同时讨论了监测系统的 介入对光传输系统传输性能的影响并提出了区域分层组网的构想。该系 统融合了网络通信技术，光学测量技术、地理信息系统等技术，对光缆中 光纤传输衰耗特性变化及光纤阻断故障实现远程分布式实时、在线的自动 监测。j 采用t c p i p 协议可进行系统互连，符合全国电信管理网( t m n ? 的要求。且引入光缆线路监测系统后，不影响在用的光传输系统的传输性 能。 运用文中的监测方案，设计和实验表明，可以实现对光缆网络的实时 在线监测。对于i 3 l “m 的光纤通信系统，我们选用1 5 5ur n 的信号光 监测( 系统的动态范围可达到3 8 d b ，监测半径可达11 3 k i n ，分辨率可达 到l m 最大端口数1 8 单元采集速率3 0 s o j 采用多串v i 的级联，一台 工控机可以同时采集5 1 2 个传输系统的收光光功率。 关键词：光时域反射计，光纤通信网，在线监测，波分复用 a b s t r a c t i nt h i s p a p e r , b a s e d o nt h e a n a l y s i s o ft r a d i t i o n a l m o n i t o r i n g a n d d e t e c t i n gs y s t e m , am e t h o dt or e a l i z ei n s e r v i c em o n i t o r i n gf o ro p t i c a lf i b e r n e t w o r k sw a sp r e s e n t e d b yu s i n gw 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 ，o p t i c a l s w i t c ha n do 鲥c a lt i m ed o m a i nr e f l e c t o m e t e r ( o t d r ) t e c h n o l o g y , n e t w o r k s c a nb e s u p e r v i s e da u t o m a t i c a l l y w ea n a l y s e t h ef a c t o r st oa f f e c tt h e t r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c ea n dc l a r i f ya ni d e at os t r u c t u r em o n i t o r i n gn e t w o r k a c c o r d i n gt o a r e a t h i s s y s t e mc a na u t o m a t i c a l l y , l o n g - d i s t a n c e d i s t r i b u t e d m o n i t o rt h ec h a n g eo f o p t i c a lf i b e rt r a n s m i s s i o nl o s sp e c u l i a r i t ya n do p t i c a l c u to f fo b s t a c l eo n l i n e , i tm i x e st o g e t h e rn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n , o 埘c o l m e a s u r e m e n ta n dg e o g r a p h yi n f o r m a t i o ns y s t e mt e c h n o l o g y a n dt h i ss y s t e m c a nb ei n t e r l i n k e dw i t ht c p i pp r o t o c o l ，c o n f i r m st ot h er e q u i r e m e n to ft m n a f t e ri n t r o d u c i n gt h i sm o n i t o r i n gs y s t e m 。t h et r 肌s - p e r f o r m a n c eo fw o r k i n g o p f i c a jt r a n s m i s s i o ns y s t e m i sn o ta f f e c t e d u s i n g t h e m o n k o d n gp r o j e c tp r o p o s e d h e r e ，i t i sd e m o n s t r a t e d e x p e r i m e n t a l l yt h a ti t c a r lr e a l i z er e a l - t i m ea n do n l i n em o n i t o rt oo p t i c a lf i b e r n e t w o r k f o r1 3l u m o p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，w ec h o o s e1 ，5 s u ms i g n a l l i g h tf o rm o n i t o r i n g ，t h ed y n a m i cr a n g e c a nr e a c h3 8 d b ，11 3 k mm o n i t o rr a d i u s ， a n d1mr e s o l u t i o nr a t i o ，1 + 8p o r t ，a n d3 0 a d o p tr a t e , a r eo b t a i n e d c o n s i d e r i n g t h ec a s c a d ec o n n e c t i o no fm u f t i s e r i a l ，ac o m p u t e rc a na d o p to p t i c a lp o w e ro f 5 1 2t r a n s m i s s i o ns y s t e m sa to n et i m e k e y w o r d ：o t d r o p t i c a l f i b e rc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k m o n i t o r i n go n l i n e 、 ，d m 电子科技太学母：士论_ 支： 第一章序言 光纤通信技术是对现代通信技术的一场新的革命。1 9 7 0 年，美国康 宁公司研制出损耗为2 0 d b k m 的石英光纤，证明光纤作为通信的传输媒 质是大有希望的。同年g a a l a s 异质结半导体激光器实现了室温下的连 续工作，为光纤通信提供了理想的光源。从此，便开始了光纤通信迅速发 展的时代。 在2 0 世纪7 0 年代，光纤通信由起步到逐渐成熟。这首先表现在光纤 的传输质量大大提高，光纤的传输损耗逐年下降。1 9 7 2 1 9 7 3 年，在o 8 5 “m 波段，光纤的传输损耗己下降到2 d b k m 左右；与此同时，光纤的带宽不 断增加。光纤的生产从带宽较窄的阶跃型折射率光纤转向带宽较宽的渐变 型折射率光纤：另外，光源的寿命不断增加，光源和光电检测的性能不断 改善。 光纤和光电器件的发展为光纤传输系统的诞生创造了有利条件。到 1 9 7 6 年，第一条速率为4 4 7 m b i t s 的光纤通信系统在美国亚特兰大的地下 管道中诞生。该系统经过现场实验和全面性能测试后，很快商用化。 8 0 年代，各种速率的光纤通信系统如雨后春笋般在世界各地建立起 来，显示出光纤通信优越的性能和强大的竞争力，并很快替代电缆通信， 成为电信网中重要的传输手段。波分复用系统、相干光通信系统、光纤放 大器等技术也已受到人们的重视，各国投入大量的人力和物力进行研究。 8 0 年代末期，掺铒光纤放大器问世，它的优越的性能使其它类型的放大 器望尘莫及，很快进入实用阶段。由于掺铒光纤放大器是工作在l5 5 “m 波段，而在这l5 5 u m 波段光纤的损耗最低，从而使波段光纤通信的更 快发展。 随着掺铒光纤放大器的应用和波分复用技术的成熟一根光纤中已经 屯子 技大学倒：士论文 能够传输几百吉比特每秒到上太比特每秒的数字信息。传输系统容量的快 速增长带来的是对交换系统发展的压力和动力。但是目前的电子交换和信 息处理网络的发展已接近了极限。为了解决电子瓶颈限制问题，研究人员 开始在交换系统中引入光子技术，从而引发了全光通信网的发展。目前最 引人注目的是w d m 全光通信，它是在传送网中加上光层在光层上进行 交叉连接和分插复用，从而减轻电了交换节点的压力，大大提高了整个网 络的传输容量和接点的吞吐容量，成为网络升级的首选方案，这也是当前 光纤通信的研究热点。 目前，光纤通信无论是在公用通信网还是在专用通信网方面均获得了 广泛的应用。在公用网方面主要有：用于多局制市内电话的局间线路多 采用地下光缆的短途通信；长途线路的同轴电缆也正被光纤光缆所代替， 一般为第三、四代光纤通信系统，大多为地下光缆，但也有架空光缆；光 纤也将用于次要的公用通信线路，如广大的乡村线路和沿海岸线的或联结 岛屿之间的海底线路；光缆也同样用于洲际间的大容量通信，如横跨大西 洋、太平洋的海底光缆。而在专用网方面，光纤通信首先在铁路干线与公 路网以及电力传输部门获得实用；光纤c a t v 技术、光纤计算机局域( l a n ) 又将光纤传输扩展技术拓展到视频与数据的传输领域，成为热门研究课 题。不久的将来，无论是在各类干线通信还是对于广大的用户，均将利用 光纤进行信息的交换。光纤将到路、到楼、到户。 我国是具有广阔通信市场的大国，从1 9 7 4 年开始研究光纤通信，现 已成为世界第二大光纤通信网拥有国。目前在全国已基本形成“八条南北 纵穿、八条东西横跨”的光缆网络格局。现有线路总长度为1 0 0 万公里， “九五”期间计划建设光缆、二级干线2 0 万公里，其中省间干线将有 9 0 采用2 5 g b i f f ss d h 设备。目前在国家1 3 条光缆干线上已经开始了主 要以8 x 2 5g b i f f ss d h 设备波分复用系统为主的扩容工程，w d m 市场的 启动势在必行。 电子样技大学硕j j 论文 光纤通信网必将成为未来宽带网的主要平台。光缆一旦阻断，将造 成巨大的损失。为了尽量减少损失，需要优秀的维护人员和先进的维护手 段来保障光纤通信网络安全、可靠地运行。目前，光缆线路的维护所面临 的主要问题是：当敷设的光缆受到自然灾害以及人为损伤时，如何得到相 应的信息以利于线路维护人员进行判断；随着光纤使用时间的增加，线路 损耗逐渐增大，此时线路虽然可以通信，但也会造成误码率明显增加，用 户需要不断重发同样的数据才能进行正确的通信，如何发现线路运行质量 的变化并确定事故点。处理这些问题的传统方法是派员到机房测试，费时 而且精确度不高，已经不能适应现代光缆通信大规模发展和社会经济发展 的要求。 为此，对光缆线路进行自动监测的光缆自动监测系统就应运而生， 从而在通信光缆线路设各大幅度增加，原有的线路维护技术人员又不能同 幅度增加的隋况下，确保巨额投资建成的光缆网高效、优质安全地运行， 光缆线路自动监测系统是实现这一责任目标的重要的不可缺少的现代化 维护手段，是光缆线路实现集中维护、集中监控、少人或无人值守的技术 保证。 本文在对光纤通信网传统监测系统特点分析基础上，探讨了光纤通 信网光缆在线监测的方法，并开发了一套光纤通信网光缆在线监测系统， 该系统融合了网络通信技术，光学测量技术、地理信息系统等技术，对光 缆中光纤传输衰耗特性变化及光纤阻断故障实现远程分布式实时、在线的 自动监测。采用t c p i - p 协议可进行系统互连，符合全国电信管理网( t m n ) 的要求。且引入光缆线路监测系统后，不影响在用的光传输系统的传输性 能。 电子 ：；于毛太学何：工畦宜 第二章光纤通信网网络管理 2 1 电信管j 望n ( t m n ) 网络管理的功能 为了对电信网实施统一、高效的管理，国际电信联盟( i t u i t ，前身 为c c i t t ) 提出了电信管理网( n o l l 的概念。t m n 的基本概念是利用一个 具备一系列标准接口( 包括协议及消息规定) 的统一体系结构，来提供一种 有组织的网络结构，使各种运行在不同类型的操作系统上的网管软件与电 信设备互连，通过统一的协议接口标准，完成对电信网的高敬、统一的管 理，从而实现电信网的自动化与标准化。 t m n 的一般结构可以划分为：功能结构、信息结构、和物理结构三 个基本部分。从规划、设计的角度，它们彼此分离，相互独立。 t m n 使用s o 定义的五个网络管理功能域： 故障管理 故障管理是检测和确定网络环境中异常操作所需要的一组措施。无 论故障是短暂的还是持久的，部可能导致网络系统不能达到运行指标。故 障管理一般通过检测异常事件来发现故障，通过日志记录故障情况，根据 故障现象采取相应的跟踪、诊断、测试和恢复措旖。网络故障管理的三个 基本过程是：1 发现故障；2 分析故障；3 排除故障。 配置管理 配置管理通过监控和修改网络的配置信息，使网络人员可以生成、 查询和修复网络的运行参数和条件，保持网络的正常操作。 安全管理 安全管理是控制对网络之中信息的访问的过程。网络管理的作用是 确保只有授权的用户可以访问网络资源。安全管理主硬涉及：1 防止非法 用户访问；2 数据链路加密；3 密匙的分配和管理：4 安全曰志的检查与 维护：5 审计和跟踪。 性能管理 性能管理是一组评价受管对象行为和通信活动有效性的设施。通过 收集统计数据来分析网络的运行，得到网络运行性能的评价并将网络性 能控制在一个可以接受的水平。 计费管理 计费管理负责监视和记录用户对网络资源的使用，并分配网络的运 行成本。 2 2 光纤线路常见故障及发生原因 光纤在电信领域实际应用虽然至今只有二十多年历史。然而光纤通 信的发展远远超过了人们的预想，己成为现代通信的重要手段。 光纤线路监测主要指监测光纤的传输特性、工作状态变化，无源光 器件的质量，由环境或人为损伤所引起的传输性能劣化等。光缆线路的故 障表现为光信号功率的变化，随着故障的严重程度光功率下降甚至为零。 光缆线路故障分析光缆线路发生故障主要有两种表现形式，一是全程衰耗 增大，二是完全中断。对于第一种情况，在接收端尚能接收到光功率，只 是比正常值小很多，而第二种情况则是接收端输出光功率为零。光缆故障 原因分析光缆线路衰耗增大和中断的原因归纳起来有如下几点：( 1 ) 外因 造成的光缆变形和弯曲，例如受到外力挤压，局部弯曲半径过小等，都会 使光缆褒耗增大。( 2 ) 因光缆本身制造质量引起的衰耗增大。例如光缆温 度特性不好当温度变化时，衰耗增大。或者制造光缆的材制因气温变化 引起热胀冷缩不均匀而造成光缆或光纤的微弯曲。另外，在光纤的制造过 程中不可避免的有杂质混入，随着时间的增长，这些杂质的影响会增加， 这也是光缆衰耗增加的原因之。( 3 ) 光纤接头故障。光纤固定接头有粘 接法、熔接法、精密套管和三棒法。目前国内基本上部采用熔接法。不管 采用那种方法，由于在接头部位光纤的原涂覆层已经去掉，连接后虽经保 护但该部位纤维自身的强度、可挠性都比原纤维差同时，浚部位的可靠 6 电子科技太学硕士论文 性要受到保护工艺和方法、保护材料、操作技巧以及当时的环境污染、气 候等诸因素的影响。架空光缆还要受到日晒雨淋和风吹摆动、车辆震动等 影响。这些都有可能使接头部位发生故障。在光通信应用的前期，有些光 纤是硅橡胶涂覆层，保护较困难，接头部位出现故障的可能性更大。接头 部位的故障多数为中断性，也有少数表现为衰耗大幅度增加，导致全程衰 耗超出允许范围，这种故障发生的前几天，可能出现通信不稳现象。( 4 ) 外因造成的故障。这种故障大多发生在光缆的中间非接头部位( 当然接头 附近也有可能) 。例如架空光缆由于外界人为造成的损伤( 如砍树时打断 光缆) 、起大风倒杆或树木刮伤光缆；直埋光缆容易被修路工人挖伤，管 道光缆则可能由于管道损伤、人孔内人为造成损伤、管道内鼠害咬伤光缆 等。 2 3 我国传统传输网监控系统( 网管系统) 特点 一、s d h 设备与p d h 设备并存，两种体系的监控系统有较大差别， 即使是同一厂家的设备，其s d h 监控系统与p d h 监控系统也不能互 通； 二、厂家制式多样化，全国计有美国a t t ( l u c e n t ) 、英国g p 丁、 法国a 1 c a t e l 、德国s i e m e n s 、意大利i t a l t e l 、日本n e c 和f u j i t s u 、澳 洲n e c 、韩国s a m s u n g 、芬兰n o k i a 、以色列e c u 、瑞典e r r i s s i o n 、 加拿大n o t - t e l 微波、日本n e c 微波、德国s i e m e n s e 微波、中国的武 汉邮科院设备等，各厂家的设备各自配备自己的监控系统，相互不 能互通： 三、设备管理、线路管理与机房环境和电源管理相分离，没有统一 的网管系统不利于统一维护和故障定位： 四、有些传输系统、特别是早期的p d h 传输系统没有购买监控系统 或其监控系统功能不完善( 如没有性能监测) ，造成没有有效的手段 保障重点业务( 如7 号信令系统) 的正常运行； 电于 - ? 挫太学舰j 一仑文 五、各厂家的监控系统( 或网管系统) 有各自的用户界面，显示的 菜单结构、信息层次、内容格式各不相同，形成每利i 设备需有专人 维护、而每个人只能维护2 至3 种设备的局面，造成人力资源的浪 费和管理的难于协调： 六、按照t h i n 的观点，p d h 设备自带的监控系统只能完成网元层 的管理功能，s d h 设备的网管系统虽然具有网络层、业务层的功能 模块但由于价格等原因，一般也未购买。从管理角度出发，有必 要开发网络层、业务层的功能； 综上所述，目前本地传输网一般没有统一的网络管理系统，无法实时 了解全网运行情况进行电路统一调度。从面向全网、面向业务的角度出 发，有必要开发一个综合传输网管系统使维护人员通过一个统一的界面， 统一管理某一地理范围内的设备、光缆与机房动力、环境；维护人员不必 关，0 是s d h 设备还是p d h 设备，也不必关一0 是哪个厂家的设备；对于那 些对传输质量有较高要求的线路，可以进行在线监测。 2 4 光缆线路网络管理的重要性 随着近几年通信基础设施建设力度的加大，至1 9 9 8 年年底已完成 了通达全国所有省会城市的“八纵八横”光缆骨干工程，全国电信光缆的 总长度已超过1 0 0 万k m 其中，一级干线光缆线路的总长度己超过5 1 万k m ，二级干线光缆线路的总长度已超过1 2 2 万k m 一个覆盖全国以 光缆为主、卫星和数字微波为辅，集数字传输、程控交换为一体的通信网 已基本建成，我国的综台通信能力得到了进一步增强，通信网络的总容量 己占世界第二位。 在公众通信网中，长途光缆数字传输网是各种数字网( 分组交换、数 字数据、帧中继、智能) 、各种增值网( 电子邮件、电子贸易、多媒体、 可视图文、传真转储转发、计算机互联) 和各种支撑网( 同步、n o7 信 令、电信管理) 的基础，也是我国国民经济信息化的基础平台。目前，在 电子 l 技九学砸士葩 我国的长途光缆数字传输网中，系统的传输速率己从早先的p d h 1 4 0 m b i t s 发展为s d h2 5 g b i t s 甚至1 0 g b i t s ，并随着密集波分复用 d w d m 光缆干线扩容工程的投产，一级干线光缆线路中每对光纤的传输 容量即将普遍地达到1 0 g b i t s 或2 0 g b i t s ，因此，条一级干线光缆线路 的传输容量是相当庞大的，一旦阻断将极大地影响国家的生产和发展。据 美国明尼苏达大学对美国通信网的研究结果，通信中断1 小时将使保险公 司损失约2 0 0 万美元、航空公司损失约2 5 0 万美元、投资银行损失约6 0 0 万美元，如果通信中断2 小时则足以使中小银行倒闭。由此可见，保证 通信的畅通至关重要。为了保证我国长途光缆数字传输网的安全畅通、高 效运行除加强传输网的维护管理、提高维护人员的素质外，还必须采用 新的维护手段、新的技术装备，建立科学的、先进的维护管理体系。 作为公众通信网基础的长途光缆数字传输网，由分布于全国各地 ( 市) 、县电信机房中的长途数字传输设备和各地( 市) 、县之间按设计 路由所敷设的长途光缆线路网组成，由数字传输设备引起通信阻断的原因 绝大多数是机盘故障所致人为因素极少，而处于自然环境下的光缆线路 易因自然灾害和人为外力因素引起阻断，使通信阻断，因此，光缆线路是 整个光缆数字传输网中的薄弱环节它的维护管理水平的高低直接影响电 信网中各种业务的运。为适应电信网发展的需要、加强电信设备的维护管 理，中国电信总局在1 9 9 8 年7 月新颁布的长途光缆线路维护规程中， 强调了“预防为主、防抢结合”的维护工作方针，努力减少由于人为外力 因素所引起的长途线路阻断，规定了新技术装各( 光缆线路自动监测系统 和长线维护管理系统) 的建立、使用和维护，以便能迅速地发现光缆线路 的障碍、压缩障碍历时、减少光缆线路的阻断所造成的电信运营损失以 及能将多种维护作业系统综台在一个计算机平台上进行管理，使长线维护 管理工作步入现代化的科学管理模式。 总之，中国电信的长途光缆数字传输网中的设备砸件方面已经或基本 u 予 拙 学母! 上论文 达到了国际先进水平，长途光缆线路网也己成为世界二脱杉! 最大的数字线 路系统之一，而维护管理软件方面与发展固家杆f 比迅存盘荷很大的差距。 对于长途光缆线路的管理而言，基本上仍处于人工尉时f 的分敞型管理模 式，与网络时代极不相称。而信息社会对信息的依业负，刘j 刊络的安全提出 了更严格的要求，网络经营者所面临的挑战是在提供优质服务的同时减 少运营和维护成本，减少网络中断时间。网络中断不仅需要维修费用和减 少收入，而且还会引起客户不满，减少商务订单，甚至会引起罚款索赔， 带来巨大的经济损失。所以对光纤网络经常性定期测试，预先发现潜在的 问题并予以解决，以及在故障发生后能分析并即时报警，向有关管理人员 通报网络性能所发生的变化，报告故障的具体位置，即相对于地理界标的 位置和周围参照物，缩短平均修理时间等等就显得十分重耍。 电子科技太学碗二论文 第三章光纤通信网在线监测系统及其设计 现代通信网络曰趋复杂通信设备的种类制式增加给通信网络的管 理维护带来了巨大的困难。光缆通信传输系统本身虽然有网络管理、保护 切换功能，但并不支持对光缆特性的监控。实际工作经验表明，光缆通信 的线路故障要比设备故障远为突出，约为不可用日寸间的9 5 ，因此，如果 只采用设备自带的监铡系统，只是采用误码率( b e r ) 监测，在机务人员 判明引起b e r 告警是传输线路引起后，再通知线路维护部门进行抢修或 维修，是难以保证高速、宽带、大容量光缆传输线路的畅通，因此，建立 实时光缆线路监测系统是十分必要的。 3 1 光缆自动监测系统的基本原理 光缆自动监测系统的基本原理是，借助于计算机技术和光纤特性的测 试技术来实现光缆线路的自动监视和测量。在众多的在线监测技术中以 o t d r ( 光时域反射计) 为中心的思想，因具有光缆故障定点的特有优点， 最为切实可行。它将o t d r 技术、w d m 技术、光开关技术、光功率监测 技术相结合，对光纤通信网实现不中断业务的在线监测，并对光传输信道 实现故障定点提高对光缆故障维护的及时性。具体讲，就是计算机中编 入的相应监测控制程序，来控制远程测试单元中的o t d r 光模块，对需 要进行监测的光缆中的根或多根光纤进行光特性的测试。如果测试时某 根光纤的特性曲线劣化，监测单元会将测试的数据、曲线传向中，c 、控制单 元，中心控制单元将对该光纤的数据、曲线进行分析、判断如有故障 则发出告警信号。光缆自动监测系统就是利用监测光纤特性曲线的变化， 来达到预防线路故障的目的。 光缆自动监测系统的监测方式有两种：“在线监测”和“备用光纤” 监测。 1 在线监测 所谓“在线监测”就是监测已在使用的光纤通信系统。由于在线光 纤与光端机相连接，要实现“在线监测”就必须采用波分复用( w d m ) 的方式来实现，其实现框图见图3 - 1 。 图3 1在线监测实现方框图 假如通信系统的工作波长为九- = 1 3l o n m ，监测单元的测试波长可以为 丸2 = 1 5 5 0 n m ，将两个不同的波长通过合波分波器就可以实现在线监测。 2 备用光纤监测 备用光纤的监测由于光纤没有接入光端机，我们可以将需要监测的光 纤用光纤跳线直接引入光通道选择单元的接口即可。 如果要跨局进行监测，则可在各局的光纤配线架上利用光纤跳线进行 “跳接”。具体“跳接”监测图见图3 2 。图中r t c 为远程测试单元。 局p 房c 局 图3 2备用光纤跨局监测方框图 3 2 系统目标 本项目研制一种光纤通信网光缆在线监测系统( o f i s 1 ) 。此系统将 首先满足军用光缆网使用，然后向民用网逐步推广。 i 、系统用途 电子科技大学硕士论文 本系统由数字配线架( d d f ) 在线接入原传输系统，对原传输系统是 透明的，因此不必关心是s d h 设备还是p d h 设备，也不必关心哪个厂家 的设备，维护人员可以通过一个统一的界面统一管理某一地理范围内的 设备、光缆、环境，对于光缆线路实现远程、实时、自动地在线监测通信 光纤光缆网传输特性变化；配合地理信息管理系统( g i s ) ，监测光纤光缆 故障位置，有效地预防和压缩光缆故障，保证光缆网优质、高教、安全、 稳定的运行，同时可以减少光缆维护费用。 2 、系统功能 该系统的主要监测功能如下，可根据操作人员的命令选择。 告警监测功能：监测站中的0 t d r 与光开关都有寿命限制。为延长 监测设备的寿命，节省资金和有效地充分发挥监测系统的作用，设置了告 警监测功能。其功能为：光功率采集单元每3 0 秒为周期，连续不断对全 网外线通信光纤的监收光功率进行采集、分析，掌握光缆特性变化，预防 光缆故障，同时，光功率变化自动告警，0 t d r 和光开关根据光功率报警 信号快速、准确地对故障光缆进行定位测试，压缩故障历时； 周期监测功能：光缆对于外界复杂环境每天都可能发生危险变化 这种危险不定是阻断，大多数情况下可能是光缆受外力严重压迫、小半 径弯曲或接头盒浸水，引起光缆光纤传输衰减台阶当台阶增高，累加到 一定程度时即造成阻断。因此，监测中心需要每隔一定时间了解一次光缆 传输衰减的变化隋况，以便及时排除衰减台阶的潜在故障，从而预防和避 免发生光缆全阻或阻断。 周期测试功能是为对所有被监测的光缆，周期性( 每日一次，也可 自行设定) 自动进行测试而设计的。 点名测试功能：当操作人员需要对某菜单缆中某端的一根光纤立即 测试并将测试曲线回传时，随时通过人机操作选择任意光缆进行即时点名 测试并给出传输损耗分布特性。点名测试一般用于立即了解某纤状态、 电子 ： 挂太学母l 上论立 测、验证等情况。 监测数据分析功能：通过对监测数据分析，找出数据异常的原因，以 正确的维修方法；配合装有光缆埋设的地形图的地理信息管理系统( g 】s ) 软件，快速确定故障点位置。 3 3 设计原则及方案考虑 一、设计原则 在设计开发光纤通信网在线监测系统的过程中，我们主要依据以下 诸条原则： 1 、综合管理多厂家的s d h 、p o l l 设备，同时管理光缆线路。 2 、软件设计采用面向对象的模块化结构使得系统的各管理功能模 块可以以堆积木形式进行搭配组合，灵活使用于不同的应用环境， 具有较好的伸缩性。 3 、网络结构采用分布式分层结构，从而提高系统的可靠性与实时响 应能力也便于监控节点的增、删，具有可扩展性。 4 、标准化设计便于与其他网管系统互连，在系统层次设置、管理功 能、通信协议、接口规范等各方面遵守l t u t 相关建议，如g 系列、 m 系列、q 系列、x 系列建议等。 5 、充分考虑用户使用的易学、易操作特性，操作标准化显示内容 标准化。 二、设计方案 光纤通信网具有多种的网络拓扑结构，对于不同的拓扑结构，其基本 的组成网元具有相同的结构，即一般光纤传输系统构成。光纤传输网是主 要的电信业务传输链路，一般都用于干线传输业务量常处于一种高度饱 活的状态对其进行在线监铡尤为重硬。作为光传输网的基本网元结构存 电子科技大学砚士论茁 在两种基本的形式：无光放大器系统( 光发射机+ 光纤t 光接收机) 和含光 放大器系统( 光发射机+ 光纤+ 多个光放大器+ 光纤+ 光接收机) 。对于这两 种结构我们分别给予考虑，建立与之相适应的监测系统。 l 、无光放大器系统 无光放大器系统是一种典型的点到点光纤传输系统，它不使用在线光 放大器。用o t d r 、光开关、光功率监测单元容易构建行之有效的在线监 测系统，我们设计如图3 3 所示的方案。 在该方案中，o t d r 的工作波长为九2 ，通信用波长为九1 ( 九1 九2 ) 。例 如：对p d h 系统我们可选用1 5 5 0 n m 的监测波长，而对于s d h 系统可选 用1 6 2 5 n m 的监测波长。利用波分复用技术就可使用o t d r 在不间断通 信业务的情况下，对光传输系统进行在线监测。一般情况下，由光端机附 近的分光器( 分光比：发射端为9 9 ：l ，接收端为9 7 ：3 ) 和光功率监测 单元对光端机的发射光功率和信道光功率进行实时监测如光功率异常则 产生告警信号，由主控计算机启动o t d r 和光开关对光纤信道进行测量 和故障定点。 光功率监测单元是具有自主能力的智能化单元，它能实时监测光功率 值，并通过通讯接口传给a 端的主控计算机实现对光纤通信网运行状 态的实时监控。光功率监测单元提供标准的r s 2 3 2 接口，采用不同的通 信模块就可选用多种方式实现b 端光功率值的远距离传输如：d d n 、 p s t n 、无线网，甚至还可以使用预留光纤回传。根据现场情况，就可采 用不同的方式对b 端的光功率值进行实时监测。 电- 2 “技太学可! = 睦定 一一一一，一一一一一一一一一一一一一 图3 - 3 无光放大器系统方案 方案具有如下特点： ( 1 ) 可实现在线监测，不必中断正常的通信业务。 ( 2 ) 使用o t d r 进行巡检，建立光纤网络运行状况数据库。可尽早发现网 络的恶化情况。 ( 3 ) 可使用0 t d r 对故障定点，方便维护。 ( 4 ) 在两端同时使用分光器，可实现对光端机的监测。 2 、含光放大器系统 含光放大器系统引入了在线光放大器作为功率补偿，实现远距离传 输。通常用e d f a 作为在线光放大，由于e d f a 多为单向包含隔离器。 在这种情况下使用o t d r 进行巡检或故障定点，后向散射光被光隔离器 阻塞，不能正常测量，并且系统传输的距离更远需璎对o t d r 的探测 6 电子科技大学硕士论文 光和后向散射光同时进行放大，才能对链路进行全程测量。显然无法使用 上面的监测方案，必须要有新的方法，其核心就是要解决o t d r 探测光 和后向散射光的放大，并提供后向散射光的返回路径。有人使用光环行器， 改变e d f a 的结构，用附加的光纤提供返回路径1 2 j 。这种方法虽然能实现， 但有较大的缺点，既要使用昂贵的光环行器，还要改变e d f a 的结构。因 此有必要有新的方法来解决该问题。我们假设有一个双线传输的简化光传 输系统，其中使用两个光放大器，使用如图3 - 4 的方案。 口波丹复用器q 单向放大嚣 双自放大嚣 图3 4 简化含光放大器系统方案 在单向光放大器两端加上波分复用器并在其上并联双向放大器作为 o t d r 测量光和后向散射光的放大并提供后向散射光的返回路径。以便 完成光纤链路的全程测量和故障定点。对于实际的光传输系统，可以分解 为上面的简化系统。因此采用该方案能够实现对含光放大器系统的在线监 测。该方案也有缺点即是使用大量的波分复用器；另外，用光放大器对后 向散射光放大，不可避免地使放大器的自发辐射噪声( a s e ) 进入o t d r ， 故对o t d r 的要求更高。 3 、本地监测系统m s 的组建 使用上面的系统方案，就可组建以计算机、o t d r 为中心的本地的监 测系统m s ( 如图3 - 3 中的虚框部分) 。本地监测系统由计算机、光开关、 电子n 技大学西士j 。之 o t d r 、光功率监测单元组成，并提供方便的软件平台。陔监测系统应具 有前面方案的所有功能，还应能实现o t d r 仿真、故障定点、运行状况 数据库生成、数据存储、报表生成、并提供上行通信接口，咀实现组网扩 展。软件模块组成如图3 5 所示。 图3 - 5m s 软件模块组成 通信模块1 是与d m c ( 地级监测中心) 的通信接口，采用t c p i p 协 议，通过d d n 、x 2 5 或以太网与d m c 通信：通信模块2 采用b s c 协议， 通过r s 2 3 2 接口与光功率监测单元通信。 在线监测系统提供d c n 和p s t n 两种通信接口。优先采用d c n 进 行连接；当d c n 无法连接时，自动倒换，采用p s t n 进行连接。经d c n 进行通信时，接口符合i t u t 建议x 2 5 的要求，且符台邮电部规定的关 于q 3 接口的要求。经p s t n 进行数据通信时，接口符合 t u t 建议v 2 4 和l s o8 8 0 2 3 的要求。 本地监测站结构设计图如图3 - 6 电子“箍大学砸i 地文 i 告警处理单元i光开关告警单元程控光开关 ii r s 2 3 2 1 到憾m o d e 1 旧t d 1 路由器 电话线 专线m o d 分组( d c n ) 专线 圈3 - 6 监测站结构示意图 4 、监测系统对传输性能的影响分析 在线监测系统作为光纤网可靠运行的保障手段，当它介入被监测系统 系统时必须不影响光传输系统的传输性能，即不能对系统的误码率或信 噪比产生影响使其低于光传输系统的设计标准。经过分析，发现有两类 因数会对光传输系统的传输性能产生较大影响：( 1 ) 分光 、波分复用器、 光滤波器等引入插入损耗，( 2 ) o t d r 的检测光进入光接收机引入噪声。 光纤通信系统的接收灵敏度是在保证其误码率或信噪比理求的最小 平均接收光功率。由于分光器、波分复用； ；、光滤波揣增加信号光的链路 衰减可能导致信号光功率低于接收灵敏度，使误码率上升或信噪比下降 从而影响传输性能。但光传输系统设计时一般留有余量，刚此在引入监测 电子 ： 挂大学砸l 讫t 系统时，必须满足损耗准则： “m ( o g 。：引入的插入损耗总和 q t ：系统的损耗余度 在光接收机前设有光滤波器阻止o t d r 检测光进入光接收机，由于 光滤波器不可能完全滤掉o t d r 检测光，总是有一部分的o t d r 检测光 进入光接收机，形成信道干扰。使系统的信噪比下降或是使眼图的张开度 受到影响，引起误码率上升。而透过的光功率量与光滤波器的反射率有关。 因此在o t d r 光功率与光滤波器的反射率之间应存在一种制约关系【”，即 是： 当光滤波器的反射率r 一定时o t d r 的光功率应受到限制，以保证 系统的信噪比。 p r r ：实际的光滤波器的反射率 ：保证系统信噪比或误码率的光滤波器应具有的反射率 因此，在引入监测系统时要考虑这两利系统因索的限制，保证系统 的传输性能。 三、监测系统组网方案 电子科技大学碗1 i = 仑文 单个的监测系统显然不适于对光纤通f ；i 闱进行在线监测的，应组建 监测网以实现对一定区域乃至全国的光纤通信阕逊行盟测。这种监测网应 是电信管理网( 删) 的子层，为t m n 提供管理数据，实现统的电信 n m c ：国家监测中心 p m c ：省级监测中心 d m c ：地级监铡中一0 m s t本地监铡拈 省级隔管中心 省纽监扰终端 地级脚警中，l - 网络管理目标，它通过q 3 接口进入电信管理网。如图3 7 所示模型。 图3 7省级组网模型 该模型的本地m s 通过d d n 或p s t n 网使用x2 5 接口与d m c ( 地 级监测中心) 相连，对本地区的光纤网进行在线监洲管理，并通过q 3 接 口进入d n m c ( 地级网管中心) 。同样可建立省级层次的管理平台。从而 构建成一个按区域分层的监测网，实现对全区域内的光纤通信网的在线监 测。 四、基于( g i s ) 系统的监测系统 c 1 ： 电子科技大学母：i 硷之 这几年光纤网发展迅猛，光缆分布越来越广，光缆立j h 已经不仅仅 局限于用作交换机的局间中继了，很多电信新业务甚至需璎光纤能直接连 到用户家取代原有的铜线。目前光纤到大楼、光纤到小区已经成为现实。 随着光纤传送网络规模的急剧扩大，怎样管理好整个光纤网已经成为一个 迫在眉睫的问题，传统的依赖图纸资料管理光缆网络资源的方式，已经难 以适应光纤网络资料量太、变化快、环节多的特点，造成网络建设、维护 过程中重复劳动多、效率低、资源浪费严重。因此利用计算机技术对光纤 网络的管理来替代低效、烦琐的手工管理方式己势在必行。 1 、g i s 系统及其特点 g i s ( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) 就是地理图形信息系统。它是基于 数字化电子地图基础上的应用系统。支持对事物的地理空间的描述，能直 观地在地图上将需要描述的各种对象及其相互之间的关系反映出来。很多 行业都需要在不同程度上利用数据的空间属性即g i s 的应用，依靠带有地 理属性的数据进行管理和决策支持。如水利、电力、电信、天然气、城市 交通等。g 1 s 系统用来显示和管理带有地理属性的数据，并存储在数据库和 数据中心，使用户能够非常方便地利用这些空间数据进行数据分析，以降 低成本，提高效率。 2 、使用g i s 系统管理光纤网络资源的必要性 2l 规划设计和工程施工的需要 网络规划设计部门可利用g i s 系统进行光纤传送网络的规划和设计， 能直接在计算机上查出光缆应占用哪些空余的人孔，走什么样的路由，需 要的长度等信息。并可直接打印出设计图纸以便工程施工部门使用。每次 实地勘察后可将人孔、管线等数据存入汁算机，以后使用州用g i s 系统 将资料调出就能直接进行设计。 2 2 网络维护的需要 为了提高网络的安全可靠性和运行效率维护部门经常需要对光纤网 络进行调整。无论是光纤路由的调度还是应急方案的制定以及重疆光路由 电子科技大学似、i 讫文 的备份，都需要知道光缆的相关地理信息，使刚g i s 系统，能更好地满 足实际的需要。在实际的维护工作中，如果光缆出问题，”j 使用o t d r ( 光 时域反射仪) 来扫描出光缆断点的长度，使用g i s 系统就可咀很快计算出 故障点的具体地理位置，并在屏幕上显示出来便于抢修。 2 3 管理决策的需要 电信管理决策部门需要对全网的光纤网络分布有一个全面的了解充 分利用g i s 对地理坐标和空间信息的描述显示能力和空间分析能力，对整 个光纤网络的情况进行查询、统计和分析。使用g i s 系统既能在地理图形 上直观地显示具体某条光缆的路由，也能统计分析一定范围内光纤网络的 信息，便于领导进行管理和决策。 3 、系统设计和开发思路 3 1 g 1 s 平台的选择 g i s 平台是g i s 应用系统的运行、开发平台。选用什么样的g i s 平台 对方便地开发出高效、实用的应用系统极为关键。根据实际应用的情况 从下面一些方面考虑： 1 )平台应能支持多用户、多任务处理支持基于网络的 c l i e n t s e r v e r 模式。 2 )应有标准的硬件运行环境，不需要专用的设备。 3 )应支持标准网络协议t c p i p 专用接口高教连接标准商用数 据库，如s y b a s e 、0 r a c a l 等。 4 )应能支持w e b 方式，即在w e b 环境下共享资源，用户可以通 过局域网使用标准浏览器查询相关地理图形信息。 5 )提供高效的应用程序开发接口，用户可咀使用标准的语言和 通用的开发工具如v b 、v c “、d e l p h i 等自行进行应用系统的开发 和修改。 6 )与其它平台的地图数据格式之间可以进行无曝苦转换以便 充分利用已有的地理信息数据资源。 电子科技大学硕十论z 7 )产品价格低，售后服务和技术支持育保瞬。 32 数据库的共享 由于设计部门、工程施工部门、维护f i | j 门和管删l 邗门部需要了解全网 的光缆资料数据所以做到数据资料的共享是系统最基本的功能。由于地 理信息系统的特殊性，系统中不仅要有光缆资料的属性数据，还要有相关 的地理信息数据。因此我们建立两个服务器，一个使用s y b a s e 数据库 存放光缆相关的属性数据资料另一个存放全网的地理信息数据，即数字 化地图。今后如果有必要还可增加个w e b 服务器，提供以w e b 方式进 行地理图形信息的查询。因为光缆的属性资料十分重要，必须做到各部门 实时共享数据。因此可以将地图数据以文件方式进行共享，可以不定期更 新，从图形服务器下载到本地使用。将光缆相关的属性数据资料通过 s y b a s e 数据库共享，再通过相应的程序有机地