[HUAWEI服务]光缆监测技术探讨

Tonylu

降低网络故障，从关注光缆运维开始－光缆监测技术探讨
转自：《HUAWEI服务》 2006-06
　　通过最近几年对全球数百个传输网络的故障分析，可以得到一个结论：在所有的传输事故中，一半以上是以光缆为主的传输介质故障所导致，光缆是影响网络安全性的主要因素。在国内，随着通信业务质量需求的不断提高，光缆线路的维护与管理问题也日渐突出，同时光缆数量的增加以及早期铺设的光缆逐渐老化，也导致光缆线路的故障次数在不断增加。对运营商来说，及时发现光缆故障和光缆隐患，对于降低光缆阻断的发生率，缩短光缆的故障历时，显得越来越重要。

　　光缆监测系统，顾名思义，是针对光缆的集中监控、测试系统。其主要的工作原理是当光缆发生中断等异常情况或者周期性测试时，能够自动选择光纤测试链路，通过光时域反射仪（Optical Time Domain Reflectmeter，OTDR）进行测试，定位光缆故障隐患发生的具体位置，并在GIS地图上标识出来。光缆监测系统实现了光缆故障的自动定位，为线路的运行维护人员提供一个自动化的维护与测试平台。更为重要的一点，系统通过日常的测试，可以长期分析光缆网络的运行质量，及时发现网络中存在的隐患，实现光缆的预防式维护。

　　光缆监测系统并非新生事物，早在1998年，原邮电部就颁布了《光缆线路自动监测系统技术条件》YDN 010-1998。此后几年的时间里，光缆监测系统生产厂家如雨后春笋一般大量涌现，国内也出现了一个建设光缆监测系统的高潮，但由于系统技术不够成熟，产品质量不够稳定等原因，导致这种系统在干线网络的实际使用情况并不十分理想，而在本地网，更是由于过高的成本，限制了系统的规模应用。

　　对运营商来说，一个真正有价值的光缆监测系统，至少需要在经济性、安全性和易用性三个方面都能够满足要求。除此之外，系统还需要具备良好的可扩展性和兼容性，便于系统的维护。


光缆监控方式探讨：

　　前面已经提到过，光缆监测系统的工作包括监控和测试两个部分。监控就是发现光缆故障，而测试是定位光缆故障的具体位置，这两个步骤缺一不可。首先先来研究一下监控光缆故障的几种方式：

一、基于轮询的方案

　　即周期性测试方案，系统针对监测范围内的光缆网络中的每一条或每一组光缆段，逐一选择相应的光纤测试链路，启动OTDR进行测试，判断当前测试的光缆段是否有故障。轮询方案的优势在于成本低，除了OTDR仪表和和光开关，不需要再部署其他硬件，但这种方案的劣势也很明显：无法及时发现光缆故障，因此也就无法实现故障的实时定位。

二、光源＋OPM（光功率计）的方案

　　把光源放置在在被测光缆的一端，并向光缆中的一根备纤发射功率稳定的测试光，在光纤的另一端使用OPM测试光功率，如果光功率异常，则产生事件通过与控制平面的接口上传。这种方案基本上可以实现对光缆故障的实时监测。因为光缆中断时，承载光源的备纤也会中断，从而被OPM检测到异常。这种方案可以实现光缆故障实时监测，但是由此带来了另一些弊端：

　　（1）光源发出的测试光需要占用光纤资源；

　　（2）系统中至少存在光源、OPM等硬件，当系统具备一定规模时，维护非常困难，而且系统建设投资会随光缆网络的扩大而急剧增加。

三、分光器＋OPM（光功率计）的方案

　　基于OPM和分光器的方案是指在已经承载业务的光纤上放置一个分光器，从光纤业务信号中分出一部分（如总功率的3%）到OPM，由OPM监测被分出的小功率光信号的变化情况。如果OPM监测结果异常，系统则认为该业务光纤对应的光缆段可能发生故障，从而启动OTDR对相关的光缆进行测试。这种方式取消了光源的配置，也减少了备纤的占用，但是也带来了新的问题：

　　（1）传输业务光纤增加了一个光器件（分光器），也就增加了一个潜在的故障点，使传输系统的可靠性有所下降；而且在系统部署的时候需要大量的割接活动（在每两个传输设备之间都要有一次割接），可操作性极差。

　　（2）与方案二类似，系统部署时需要配置大量的OPM及分光器等硬件设备，光缆监测系统的建设成本和扩容成本也随之增加，分布放置的OPM和分光器也会增加系统的维护成本；

四、基于传输告警启动测试的方案

　　鉴于上述三种常见方案的弊端，业内一些专家又提出了新的光缆监测实现方案：采用业务设备告警作为启动OTDR测试条件的方案。由于光缆上承载了大量的业务设备，这些业务设备在光缆出现中断或劣化等问题后，往往会产生特定的告警，譬如对于传输网络来说，光缆中断会导致与这根光缆相连接的设备端口产生R-LOS、R-LOF、B1-OVER等RS层相关的告警。如果定义清楚业务设备端口和光缆的对应关系，就可以通过告警发生的端口号和单板号感知到是哪一段光缆发生了故障，进而再启动OTDR进行测试。这种方案比起之前的种种方案，优势不言而喻：成本大幅度降低，安全性提高，系统对光缆故障的响应也更加灵敏。

　　从产品硬件组成上来看，这种方案与旧有的OPM方案差别似乎很大，其实传输设备产生的光口告警与OPM产生的告警都是启动测试的条件，光源、分光器和OPM完全可以等效为传输设备的发光口和收光口，成为光纤业务平面的一部分。从这个角度来看，传统的OPM方案不过是新的监控方式的一种特例罢了。因此，新的监控方式完全可以兼容之前先容的轮询、光源＋OPM以及分光器＋OPM三种监控方式。


测试方案探讨：

　　上面所阐述的是光缆监测系统感知光缆故障的几种方式。在感知到光缆故障后，系统下一步工作就是启动OTDR对目标光缆段进行测试，进一步确定故障点的具体位置。

　　光缆监测系统的测试方式在业界也有完全不同的两种方案：在线测试和备纤测试，如（图1）所示：

  

图1 在线测试和备纤测试图例

　　在线测试——利用波分复用的技术，使测试波长与工作波长复合到一起，共享物理介质（光纤）来进行测试的一种方法。这种测试方法的优势在于可以直接反映在用纤芯的情况，对于接头故障，部分断纤的情况都可以测出来。但这种方式的弊端也非常明显：
1.        需要增加WDM模块分合波，同时还要在设备之前增加FILTER模块滤掉OTDR的杂光，这些光器件会使系统成本增加
2.        增加的光器件给系统引入了插损和故障点，对传输性能和可靠性有潜在影响，而当OTDR启动测试时，大功率的OTDR测试光和业务信号在同一介质中传输，对在用业务有直接影响
3.        在系统部署时，需要大量割接承载有业务的光纤，对于承载了重要业务的光纤来说，这种频繁割接几乎是运营商所无法接受的。
　　备纤测试——测试链路独享物理介质，即测试光与传输业务在同一根光缆的不同纤芯中传输，测试光与业务光物理上隔离。这种方式的优势在于成本低，部署方便，安全性高。弊端在于：
1.        测试结果无法直接反映在用纤芯的情况
2.        测试光需要占用被测光缆中的一根备纤
　　在谈到备纤测试的时候，有必要先了解一个事实：从理论上来说，一根光缆里的所有纤芯，不论是否使用，其受环境影响的程度和物理特性的变化大致相同，例如：外力作用、湿气渗透、线路受潮或线路断损等，所表现出的性能数据的改变情况基本相同。因此通过测试备纤的性能基本上可以反映整根光缆包括工作光纤的性能。根据Bell core的测试结果，大约有90％的光缆故障会影响光缆中的所有纤芯。因此测试了光缆中的一根纤芯，就基本上可以间接反映出整根光缆的情况。这个结论非常重要，因为它是光缆监测系统的理论基础。

　　第二种方案毫无疑问要更有竞争力，毕竟光缆监测系统是一个光缆辅助维护系统，目的是减少传输故障时间，如果这个系统又为传输系统新引入了故障点，恐怕就有些得不偿失了。而且备纤测试方案的建设成本和部署成本比在线测试低的多，同样的投资预算，采用备纤测试方案可以监控更大范围的光缆。

　　总之，通过备纤测试的方式不论是在成本，还是在安全性、可维护性方面，都要远远优于在线测试。


降低系统成本的方法：

　　综合采用传输告警触发测试的方案以及备纤测试的方案可以有效降低光缆监测系统的成本，但光缆监测系统的投资相对来说是比较大的，特别是昂贵的OTDR，光开关等硬件产品，占了系统成本的大部分。因此能够有效的利用这些硬件，是降低光缆监测系统成本的重要手段。
•        备纤级连：由于OTDR的测试距离都长达100KM以上，采用备纤级联的方式可以有效的利用OTDR的测试能力，减少OTDR部署。所谓备纤级联，就是将各个站的测试备纤通过尾纤连接起来进行测试的方法。备纤经过尾纤的连接，在物理上成为一根光纤，只要这根备纤的总长度在OTDR所能测量的范围之内，就可以对它进行测试；
•        级联光开关：在OTDR测试方案的设计中，通过合理配置光开关的数量和布放位置，可以减少系统所需OTDR的数量，同时也可以减少系统对备纤资源的占用。
•        采用业界通用的硬件：OTDR测试设备业界有两种常见的产品形态，包括卡式OTDR（插在工控机中）和成熟的台式（便携式）OTDR仪表。一般认为，台式的OTDR仪表长期运行的可靠性要逊于卡式OTDR仪表，成本也要高一些。但实际上，由于OTDR仪表是工业化批量生产的，其成本并不高，卡式OTDR由于产量少，反而价格和仪表不相上下。至于可靠性，成熟台式OTDR仪表的稳定性和使用寿命更要远远高于需要自行组装的工控机＋卡式OTDR。因此综合来看，采用业界通用的OTDR台式仪表对于降低系统的采购成本和维护成本都是有益的。
　　光缆监测系统有着辉煌的历史，也有短暂的沉寂，但大家深信，随着新技术，新方案的不断出现，光缆监测系统正在经历着一次脱胎换骨般的变革，不久的将来，新的光缆监测系统将会成为光缆维护中不可或缺的一环，为通信网络的稳定运行贡献力量。