光缆线路自动监测系统分析
(2012-09-09 15:47:50)
随着现代通信技术的飞速发展，对光缆线路质量维护的要求越来越高，光缆线路自动监测系统在国家骨干网以及本地网的运用，为运营商提高服务质量和服务水平起到了重要的作用。 本文介绍了光缆线路自动监测系统的组成、功能、特点以及未来的发展趋势。
关键词 光缆线路 自动监测 OTDR B-OTDR
由于光纤通信具有容量大、传送信息质量高、传输距离远、性能稳定、防电磁干扰、抗腐蚀能力强等优点，而得到了人们的青睐。特别是在近十年里，随着人们对宽带业务需求的不断提高，光纤通信得到了大力发展。
目前，全国通信业光缆总长度已达到200多万公里，加上有线电视网、各专用网所用的光缆，估计全国光缆的总长度达300多万公里。另一方面，随着光同步数字传输网（ＳＤＨ）和密集波分复用（ＤＷＤＭ）技术的飞速发展，光纤的传输容量也在以前所未有的速度发展着。但与此同时，光缆的维护与管理问题也日渐突出。随着光缆数量的增加以及早期敷设光缆的老化，光缆线路的故障次数在不断增加。传统的光缆线路维护管理模式的故障查找困难，排障时间长，影响通信网的正常工作，每年因通信光缆故障而造成的经济损失巨大。因此，实施对光缆线路的实时监测与管理，动态地观察光缆线路传输性能的劣化情况，及时发现和预报光缆隐患，以降低光缆阻断的发生率，缩短光缆的故障历时显得至关重要。
光缆线路自动监测系统OAMS（Optical fiber cable line Automatic Monitoring System）是电信管理网（TMN）中传输网管理域的一个子网，是有效压缩全阻障碍历时和及时发现光缆线路隐患的重要技术手段。它利用计算机技术、光纤通信测量等技术，对光缆线路质量、运行等情况进行自动、实时监控和测试。
2 建立OAMS系统的必要性
在长途和市内中继光缆传输系统中，传输设备都配置有比特误码率（BER）的监测设备或监测单元。然而，传统的线路维护部门未配备监测手段，通常只能是出现BER告警时，首先由机务人员判断引起告警的原因，在查明其原因是传输线路――光缆后，机务人员再通知相关的线路维护部门和上报有关主管部门，然后线路维护部门根据得知的光缆线路传输性能劣化情况采取相应的维护措施。如果发生光纤断裂障碍，则立即派人员携带仪表（OTDR）查找光纤断裂的位置，同时组织人员、机具、器材等进行抢修，也就是通常所说的障碍抢修；如果是发生光纤通道总衰减增大，在其值可以容许时，则列入线路维修和改造计划；不可容许时，则组织人员对其进行抢修，以便改善其传输性能，提供可靠的电路。
显然，维护部门若只是采用传统的BER监测，在机务人员判明是传输线路引起的BER告警后，再通知线路维护部门进行抢修或维修、改造，那么线路维护部门对线路情况的掌握过分依赖于机务部门，处于被动，这样难以保证高速、宽带、大容量光缆传输网络的畅通。因此，建立一种实时，自动的光缆线路自动监测系统是十分必要的。光缆线路自动监测系统为光缆线路维护部门提供了一种先进的维护手段，使线务部门由被动地接受机务部门的信息变为主动掌握光缆传输特性的变网优质、高效、安全、稳定地运行提供了可靠保障。
3 OAMS系统工作原理
光缆线路自动监测系统（OAMS）是通过分布在光缆线路中大量的数据采集点的光器件，将光纤传输性能的大量基础数据，如光功率、背向散射曲线等，上报到各级监测中心及监测站，并对其数据进行分析和处理，及时、准确地将光缆系统运行情况反馈给维护人员，使维护人员能及时发现故障隐患，以及突发故障；并指导故障修复。
4 OAMS系统组成
OAMS系统主要由省监测中心PMC、区域监测中心LMC、现场监测站MS组成。
图 1 OAMS 系统组成
监测中心负责对各监测站进行控制，是采集和处理数据的中心，由控制器（服务器、客户机、工作站）、路由器、集线器/交换型集线器、网络适配器、MODEM、打印机及相应的软件等组成。PMC一般采用主备用方式。
监测站负责对光缆线路进行远程自动监测，跟踪光纤传输损耗的变化，由告警监测模块、OTDR模块、控制模块、电源模块、程控光开关、WDM（波分复用器）、滤光器、MODEM、路由器、网络适配器及相应的软件（含OTDR仿真软件）等组成，通常安装于传输机房用的标准机架内。
OAMS采用模块化、分布式多级体系结构，有效地预防和减少光缆线路障碍，实现多级监测网络互联。
5 系统的主要功能
监测站（ＭＳ）的光功率监测模块的采集单元（AIU）对被测光纤的光功率进行监测采集，并将采集的数据传报到光功率控制单元（ACU），光功率控制单元对监测的光功率数据进行分析比较，将超过告警门限的光功率数据及时传报给监测中心（LMC），监测中心对各光功率控制单元传报的数据进行分析、统计，对发生超出门限值的光功率变化进行告警，统计、判断出发生故障的光缆段，自动快速地启动监测站的光时域反射测试仪（OTDR）和程控光开关（OSW）对故障光缆段进行测试，测试后所得的曲线数据上传监测中心，监测中心将测试曲线与参考曲线进行比较分析，确定故障点的位置、类型和告警级别,当确实发生故障时，可采用声光告警信息运行维护人员，并可用短信，电话，传真，Email等多种方式远程通知相关人员。
(1) 全国及省监测中心（GMC, PMC）
负责对全网的LMC和MS进行技术管理，实时掌握整个监测网的运行状态；能提供维护管理报表、统计分析报表和综合信息查询等功能。
(2) 地级监测中心（LMC）
可进行点名、定期和模拟告警测试；对采集到的曲线进行综合分析，以便及时发现光缆劣化和精确定位光缆障碍点；具有告警接收功能，结合参考曲线数据可对光缆障碍性质进行自动判断，并将障碍信息通过短信等方式通知抢修人员；可与PMC进行双向数据（如：曲线、告警、报告、状态文件等）传输。
(3) 监测站（MS）
MS可按中心指令完成点名、周期、障碍告警测试；本地测试功能；仿真OTDR分析功能；数据上报功能。
根据不同的需要，现场监测站可实现以下几种测试方式：
① 在线监测。监测站中OTDR采用与光传输设备工作波长不同的测试光进行测试，利用波分复用器（WDM）、滤光器（FILTER）、程控光开关（OSW），通过波分复用技术，可实时地对被在用光纤的运行状况进行监测。
② 备纤监测。对被监测光缆线路中备用光纤的运行状况进行监测。
③ 跨段监测。通过配置有源设备和无源光器件（主要是WDM和FILTER），对一个光缆段以上的光缆线路进行远程的在线或备纤监测。跨段监测一般用于本地网及农话等中继段较短、成网较复杂的光缆线路。
6 OAMS系统技术特点
系统将现代网络通信、计算机通信、光纤测量技术融合在一起，同时，利用地理信息系统（GIS）以及全球卫星定位系统（GPS）等技术为线路信息、线路定位提供可靠的保证，对光缆中光纤的传输衰耗特性变化及光纤阻断故障等情况，可以实现远程分布式实时、在线的自动监测，且不影响在用光传输系统的传输性能，实现服务（为客户提供优质电路）与维护（为线路提供先进维护手段）两不误。
7 存在的问题
光纤自动监测系统经过长时间的开发、应用和不断的完善，已经成为我国干线光缆维护工作中重要的故障定位手段，在全国的干线网的维护中发挥着巨大的作用，但由于技术及其它原因，系统本身还存在一定的局限性。
(1)告警信号的提取
目前，光纤监测系统提取告警信息大致有３种方式：利用分光器提取３％的在用光，通过ＡＩＵ、ＡＣＵ进行分析；利用机务设备的架告警信号；利用设备中继光盘的收无光告警信号。但这３种方式都存在一定的问题：
利用ＡＩＵ方式时，需分流在用系统３％的光功率，这对于光功率富余度较小的中继段来讲不太可行；
利用架告警信号时，监测系统将对该机架所有的告警信号（包括电源告警、设备告警等）进行紧急反应，易形成误告警；
由于不同厂家的中继光盘具有不同数据格式的收无光告警信号，故该方法较难实现，且成本较高。
(2) 系统介入的衰耗
由于系统需要介入WDM,FILTER等无源光器件，会影响在用系统的收光功率。
(3) 缺乏迅速光路切换功能
目前的监测系统只有测试、分析和告警的功能，在光缆发生障碍后仍需等待维护人员到现场进行紧急抢修。没有根本解决即时光路切换、恢复通信的问题。
8 OAMS系统发展前景
光缆内的光纤可能存在物理缺陷，例如含有杂质，气泡等。再加上填充油膏的变化等因素，将影响光纤的光学性能和机械性能。在外界环境以及外力作用下，会引起光纤强度的降低而导致光纤的破损，缩短光缆的寿命。如果我们能掌握光缆线路的光纤状态，即可变被动为主动，尽早发现故障隐患。而这些问题，仅仅通过OTDR测试难以实现。为此，可在系统中引入B-OTDR（Brillouin Optical Time Domain Reflectmeter）测试设备。B-OTDR是利用布里渊散射原理对光纤光缆受力应变情况进行精确测试，即使十分微小的弯曲都可以准确测试。该产品现以前仅应用于监测地球地壳微小运动、大型桥梁微小震动等特殊要求的方面，目前价格比较昂贵。如果条件允许，可在系统中加入该设备，对光缆线路光纤的受力应变分布情况进行监测，预测故障隐患。
另外，现有的OAMS系统已经形成一个计算机网络。这一网络无论在计算机处理能力和网络结构上都有能力承载更多的信息处理工作。现有系统可以与巡检系统、报表系统、办公自动化系统、光缆地理信息系统等应用系统的各项功能，即做到相关信息的交流和共享，大大避免硬件的重复投资。可以建设长途光缆线路综合管理网络，把光缆日常维护工作纳入管理轨道，使长线维护从人工管理迈向计算机管理，也为国家骨干网、本地网、接入网的光缆维护提供了可靠保证。
同时，光缆通信网和光缆线路自动监测系统也将在技术上不断发展和前进，特别是今后随着全光网络的实现，将有可能把设备的监测管理和线路的监测管理结合在一起，形成统一的光纤通信网络的监测系统。
1 方东.光缆线路监测系统的原理及应用.2002
2 李晖.光缆线路自动监测系统.2002
Optical fiber cable line Automatic Monitoring System Analysis
Guo Weixiang Li Chunsheng Lin Zhong
(BUPT Hua Fei Research Institute, Beijing 100876)
Abstract With the fast development of telecommunication technology, the requirements of fiber cable line quality maintenance become more and more important. Optical fiber cable line Automatic Monitoring System (OAMS) applied in Chinese backbone network and local network plays an important role in the improvement of service quality and service level that the telecom operators provides. This paper describes the infrastructure, functionality, characteristic, and developing trend of OAMS.
Keywords Optical fiber cable line, Automatic Monitoring, OTDR, B-OTDR
李春生，1997年毕业于中国石油大学自动化学院。2004年获北京邮电大学硕士学位。现任北邮华飞研究所副所长，主要从事电信网络测试和规划研究。
关键词 光缆线路 自动监测 OTDR B-OTDR
由于光纤通信具有容量大、传送信息质量高、传输距离远、性能稳定、防电磁干扰、抗腐蚀能力强等优点，而得到了人们的青睐。特别是在近十年里，随着人们对宽带业务需求的不断提高，光纤通信得到了大力发展。
目前，全国通信业光缆总长度已达到200多万公里，加上有线电视网、各专用网所用的光缆，估计全国光缆的总长度达300多万公里。另一方面，随着光同步数字传输网（ＳＤＨ）和密集波分复用（ＤＷＤＭ）技术的飞速发展，光纤的传输容量也在以前所未有的速度发展着。但与此同时，光缆的维护与管理问题也日渐突出。随着光缆数量的增加以及早期敷设光缆的老化，光缆线路的故障次数在不断增加。传统的光缆线路维护管理模式的故障查找困难，排障时间长，影响通信网的正常工作，每年因通信光缆故障而造成的经济损失巨大。因此，实施对光缆线路的实时监测与管理，动态地观察光缆线路传输性能的劣化情况，及时发现和预报光缆隐患，以降低光缆阻断的发生率，缩短光缆的故障历时显得至关重要。
光缆线路自动监测系统OAMS（Optical fiber cable line Automatic Monitoring System）是电信管理网（TMN）中传输网管理域的一个子网，是有效压缩全阻障碍历时和及时发现光缆线路隐患的重要技术手段。它利用计算机技术、光纤通信测量等技术，对光缆线路质量、运行等情况进行自动、实时监控和测试。
2 建立OAMS系统的必要性
在长途和市内中继光缆传输系统中，传输设备都配置有比特误码率（BER）的监测设备或监测单元。然而，传统的线路维护部门未配备监测手段，通常只能是出现BER告警时，首先由机务人员判断引起告警的原因，在查明其原因是传输线路――光缆后，机务人员再通知相关的线路维护部门和上报有关主管部门，然后线路维护部门根据得知的光缆线路传输性能劣化情况采取相应的维护措施。如果发生光纤断裂障碍，则立即派人员携带仪表（OTDR）查找光纤断裂的位置，同时组织人员、机具、器材等进行抢修，也就是通常所说的障碍抢修；如果是发生光纤通道总衰减增大，在其值可以容许时，则列入线路维修和改造计划；不可容许时，则组织人员对其进行抢修，以便改善其传输性能，提供可靠的电路。
显然，维护部门若只是采用传统的BER监测，在机务人员判明是传输线路引起的BER告警后，再通知线路维护部门进行抢修或维修、改造，那么线路维护部门对线路情况的掌握过分依赖于机务部门，处于被动，这样难以保证高速、宽带、大容量光缆传输网络的畅通。因此，建立一种实时，自动的光缆线路自动监测系统是十分必要的。光缆线路自动监测系统为光缆线路维护部门提供了一种先进的维护手段，使线务部门由被动地接受机务部门的信息变为主动掌握光缆传输特性的变网优质、高效、安全、稳定地运行提供了可靠保障。
3 OAMS系统工作原理
光缆线路自动监测系统（OAMS）是通过分布在光缆线路中大量的数据采集点的光器件，将光纤传输性能的大量基础数据，如光功率、背向散射曲线等，上报到各级监测中心及监测站，并对其数据进行分析和处理，及时、准确地将光缆系统运行情况反馈给维护人员，使维护人员能及时发现故障隐患，以及突发故障；并指导故障修复。
4 OAMS系统组成
OAMS系统主要由省监测中心PMC、区域监测中心LMC、现场监测站MS组成。
监测中心负责对各监测站进行控制，是采集和处理数据的中心，由控制器（服务器、客户机、工作站）、路由器、集线器/交换型集线器、网络适配器、MODEM、打印机及相应的软件等组成。PMC一般采用主备用方式。
监测站负责对光缆线路进行远程自动监测，跟踪光纤传输损耗的变化，由告警监测模块、OTDR模块、控制模块、电源模块、程控光开关、WDM（波分复用器）、滤光器、MODEM、路由器、网络适配器及相应的软件（含OTDR仿真软件）等组成，通常安装于传输机房用的标准机架内。
OAMS采用模块化、分布式多级体系结构，有效地预防和减少光缆线路障碍，实现多级监测网络互联。
5 系统的主要功能
监测站（ＭＳ）的光功率监测模块的采集单元（AIU）对被测光纤的光功率进行监测采集，并将采集的数据传报到光功率控制单元（ACU），光功率控制单元对监测的光功率数据进行分析比较，将超过告警门限的光功率数据及时传报给监测中心（LMC），监测中心对各光功率控制单元传报的数据进行分析、统计，对发生超出门限值的光功率变化进行告警，统计、判断出发生故障的光缆段，自动快速地启动监测站的光时域反射测试仪（OTDR）和程控光开关（OSW）对故障光缆段进行测试，测试后所得的曲线数据上传监测中心，监测中心将测试曲线与参考曲线进行比较分析，确定故障点的位置、类型和告警级别,当确实发生故障时，可采用声光告警信息运行维护人员，并可用短信，电话，传真，Email等多种方式远程通知相关人员。
(1) 全国及省监测中心（GMC, PMC）
负责对全网的LMC和MS进行技术管理，实时掌握整个监测网的运行状态；能提供维护管理报表、统计分析报表和综合信息查询等功能。
(2) 地级监测中心（LMC）
可进行点名、定期和模拟告警测试；对采集到的曲线进行综合分析，以便及时发现光缆劣化和精确定位光缆障碍点；具有告警接收功能，结合参考曲线数据可对光缆障碍性质进行自动判断，并将障碍信息通过短信等方式通知抢修人员；可与PMC进行双向数据（如：曲线、告警、报告、状态文件等）传输。
(3) 监测站（MS）
MS可按中心指令完成点名、周期、障碍告警测试；本地测试功能；仿真OTDR分析功能；数据上报功能。
根据不同的需要，现场监测站可实现以下几种测试方式：
① 在线监测。监测站中OTDR采用与光传输设备工作波长不同的测试光进行测试，利用波分复用器（WDM）、滤光器（FILTER）、程控光开关（OSW），通过波分复用技术，可实时地对被在用光纤的运行状况进行监测。
② 备纤监测。对被监测光缆线路中备用光纤的运行状况进行监测。
③ 跨段监测。通过配置有源设备和无源光器件（主要是WDM和FILTER），对一个光缆段以上的光缆线路进行远程的在线或备纤监测。跨段监测一般用于本地网及农话等中继段较短、成网较复杂的光缆线路。
6 OAMS系统技术特点
系统将现代网络通信、计算机通信、光纤测量技术融合在一起，同时，利用地理信息系统（GIS）以及全球卫星定位系统（GPS）等技术为线路信息、线路定位提供可靠的保证，对光缆中光纤的传输衰耗特性变化及光纤阻断故障等情况，可以实现远程分布式实时、在线的自动监测，且不影响在用光传输系统的传输性能，实现服务（为客户提供优质电路）与维护（为线路提供先进维护手段）两不误。
7 存在的问题
光纤自动监测系统经过长时间的开发、应用和不断的完善，已经成为我国干线光缆维护工作中重要的故障定位手段，在全国的干线网的维护中发挥着巨大的作用，但由于技术及其它原因，系统本身还存在一定的局限性。
(1)告警信号的提取
目前，光纤监测系统提取告警信息大致有３种方式：利用分光器提取３％的在用光，通过ＡＩＵ、ＡＣＵ进行分析；利用机务设备的架告警信号；利用设备中继光盘的收无光告警信号。但这３种方式都存在一定的问题：
利用ＡＩＵ方式时，需分流在用系统３％的光功率，这对于光功率富余度较小的中继段来讲不太可行；
利用架告警信号时，监测系统将对该机架所有的告警信号（包括电源告警、设备告警等）进行紧急反应，易形成误告警；
由于不同厂家的中继光盘具有不同数据格式的收无光告警信号，故该方法较难实现，且成本较高。
(2) 系统介入的衰耗
由于系统需要介入WDM,FILTER等无源光器件，会影响在用系统的收光功率。
(3) 缺乏迅速光路切换功能
目前的监测系统只有测试、分析和告警的功能，在光缆发生障碍后仍需等待维护人员到现场进行紧急抢修。没有根本解决即时光路切换、恢复通信的问题。
8 OAMS系统发展前景
光缆内的光纤可能存在物理缺陷，例如含有杂质，气泡等。再加上填充油膏的变化等因素，将影响光纤的光学性能和机械性能。在外界环境以及外力作用下，会引起光纤强度的降低而导致光纤的破损，缩短光缆的寿命。如果我们能掌握光缆线路的光纤状态，即可变被动为主动，尽早发现故障隐患。而这些问题，仅仅通过OTDR测试难以实现。为此，可在系统中引入B-OTDR（Brillouin Optical Time Domain Reflectmeter）测试设备。B-OTDR是利用布里渊散射原理对光纤光缆受力应变情况进行精确测试，即使十分微小的弯曲都可以准确测试。该产品现以前仅应用于监测地球地壳微小运动、大型桥梁微小震动等特殊要求的方面，目前价格比较昂贵。如果条件允许，可在系统中加入该设备，对光缆线路光纤的受力应变分布情况进行监测，预测故障隐患。
另外，现有的OAMS系统已经形成一个计算机网络。这一网络无论在计算机处理能力和网络结构上都有能力承载更多的信息处理工作。现有系统可以与巡检系统、报表系统、办公自动化系统、光缆地理信息系统等应用系统的各项功能，即做到相关信息的交流和共享，大大避免硬件的重复投资。可以建设长途光缆线路综合管理网络，把光缆日常维护工作纳入管理轨道，使长线维护从人工管理迈向计算机管理，也为国家骨干网、本地网、接入网的光缆维护提供了可靠保证。
同时，光缆通信网和光缆线路自动监测系统也将在技术上不断发展和前进，特别是今后随着全光网络的实现，将有可能把设备的监测管理和线路的监测管理结合在一起，形成统一的光纤通信网络的监测系统。
1 方东.光缆线路监测系统的原理及应用.2002
2 李晖.光缆线路自动监测系统.2002
Optical fiber cable line Automatic Monitoring System Analysis
Guo Weixiang Li Chunsheng Lin Zhong
(BUPT Hua Fei Research Institute, Beijing 100876)
Abstract With the fast development of telecommunication technology, the requirements of fiber cable line quality maintenance become more and more important. Optical fiber cable line Automatic Monitoring System (OAMS) applied in Chinese backbone network and local network plays an important role in the improvement of service quality and service level that the telecom operators provides. This paper describes the infrastructure, functionality, characteristic, and developing trend of OAMS.
Keywords Optical fiber cable line, Automatic Monitoring, OTDR, B-OTDR
李春生，1997年毕业于中国石油大学自动化学院。2004年获北京邮电大学硕士学位。现任北邮华飞研究所副所长，主要从事电信网络测试和规划研究。
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