光纜監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)及應(yīng)用

朱 波，王 磊（1.中訊郵電咨詢設(shè)計院有限公司，河南 鄭州450007；2.華夏郵電咨詢監(jiān)理有限公司，河南 鄭州450007）

0 前言

光纜網(wǎng)已成為通信網(wǎng)的基礎(chǔ)，光纜一旦中斷將嚴(yán)重影響上層的傳輸系統(tǒng)和各種業(yè)務(wù)。在傳統(tǒng)維護(hù)中，維護(hù)人員接到因光纜故障引發(fā)通信系統(tǒng)中斷的通知后，首先要前往中繼站進(jìn)行光時域反射儀（OTDR）測試，以便確定故障位置，然后再到故障現(xiàn)場進(jìn)行搶修。這就使很多時間浪費(fèi)在故障定位上，網(wǎng)絡(luò)中斷時間會比較長。光纜監(jiān)測系統(tǒng)可以顯著改善這一缺點(diǎn)。

1 工作原理

光纜監(jiān)測系統(tǒng)采用光功率監(jiān)控、OTDR 監(jiān)測等方法，對傳輸光纜線路進(jìn)行監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)線路故障和隱患，結(jié)合光纜實(shí)際布放的地理位置進(jìn)行GIS 故障精確定位。

光纜監(jiān)測系統(tǒng)工作原理如圖1所示。光功率采集單元不間斷地自動監(jiān)測各遠(yuǎn)程光源發(fā)送的光功率，接收光功率變化超過門限時立即傳送到主控計算機(jī)，監(jiān)測站自動啟動OTDR對相應(yīng)的光纜進(jìn)行監(jiān)測。監(jiān)測中心操作員通過遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)，控制OTDR和光開關(guān)，依次向每條光纜的光纖發(fā)送OTDR 測試光；利用光時域反射原理，測試各條光纜線路中光纖衰減、接頭衰減和光纖長度的變化。

圖1 光纜監(jiān)測系統(tǒng)工作原理示意圖

a）光功率采集單元。光功率計對光纖中激光的功率進(jìn)行實(shí)時測量。實(shí)際中將16、32、64 路光功率計集成到一起，可同時對16、32、64路光纜的光功率進(jìn)行測量。帶有與控制模塊（計算機(jī)）的通信接口，將測出的光功率值即時發(fā)送到控制模塊。

b）光開關(guān)（OSC）。1∶N的光開關(guān)可以從N條光纜中選擇1 條，N 通常為16、32、64。將各條光纜接入光開關(guān)，再將光開關(guān)連接到OTDR，測試時由計算機(jī)控制光開關(guān)選擇到待測光纜對應(yīng)端口，這樣待測光纜與OTDR連通，即可使用OTDR進(jìn)行測試。

c）OTDR。測試時通過發(fā)射光脈沖到光纖內(nèi)，光脈沖在被測光纖中傳輸時，會發(fā)生瑞利散射和菲涅爾反射，從而測量出光纖的長度、衰減、衰耗點(diǎn)、中斷點(diǎn)等信息。

d）光源LSU。發(fā)出穩(wěn)定激光，實(shí)際中將2、4 路集成到一起。

2 監(jiān)測方式

光纜監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用中有輪詢監(jiān)測方式、備纖監(jiān)測方式、在線監(jiān)測方式、多站跳接方式、光開關(guān)光功率告警單元級聯(lián)方式等，可根據(jù)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)情況選擇。這些方式在基本原理上有稍許變化。

2.1 輪詢監(jiān)測方式

輪詢監(jiān)測方式結(jié)構(gòu)比較簡單（見圖2），用1臺OT?DR通過光開關(guān)，設(shè)置固定時間間隔，采用輪詢的方式對多條光纜進(jìn)行周期性測試。缺點(diǎn)是無法實(shí)時監(jiān)測，而且OTDR長期處于工作狀態(tài)，使用年限不能長久。

圖2 輪詢監(jiān)測方式示意圖

2.2 備纖監(jiān)測方式

和輪詢監(jiān)測方式相比，備纖監(jiān)測方式中OTDR 不是周期性測試，而是根據(jù)觸發(fā)條件測試，改善了輪詢監(jiān)測方式中OTDR 使用年限不能長久的缺點(diǎn)，這需要增加光功率采集單元和控制模塊實(shí)現(xiàn)。

光功率采集單元持續(xù)不間斷自動監(jiān)測收到的遠(yuǎn)端穩(wěn)定光源站（LSU）發(fā)送的光功率，接收光功率變化超過門限告警時立即傳送到控制模塊，控制模塊將光開關(guān)（OCS）切換到對應(yīng)的纖芯，并啟動OTDR 進(jìn)行測試。服務(wù)器的分析系統(tǒng)對所測的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動分析，并對照參考數(shù)據(jù)，確定當(dāng)前測試結(jié)果是否處于告警狀態(tài)，根據(jù)分析結(jié)果啟動不同的處理流程，如發(fā)出告警信息，通知值班人員、維護(hù)人員等。

備纖監(jiān)測方式可細(xì)分為單備纖監(jiān)測和雙備纖監(jiān)測方式。單備纖監(jiān)測即OTDR與遠(yuǎn)端光源在1根光纖中傳輸，OTDR 的發(fā)射波長選用1 625 nm，則監(jiān)測光源的波長一般采用1 550 nm，所以在光源的發(fā)端和OT?DR 的發(fā)端分別使用1 個光耦合模塊（WDM）對2 種信號進(jìn)行隔離。雙備纖監(jiān)測使用2 根備纖，不需要增加其他光器件，和圖1類似。

圖3 在線監(jiān)測方式示意圖

根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，90%以上的光纜故障會影響光纜中所有纖芯。因此測試了1 根纖芯，基本上可以反映出整條光纜的情況。

2.3 在線監(jiān)測方式

在線監(jiān)測方式不額外占用備纖資源，監(jiān)測信號和傳輸系統(tǒng)（如WDM、SDH 等）在相同光纖上傳送（見圖3）。光功率通過分光器按97∶3的分光比分配，97%的通信光進(jìn)入傳輸系統(tǒng)，3%的通信光送至光功率采集單元（OPM）的監(jiān)測端口。和備纖監(jiān)測方式另一個不同之處在于，需要在一般站增加一塊濾波器以便分離OTDR 測試光和傳輸系統(tǒng)光。該方式有如下缺點(diǎn)。

a）對現(xiàn)有的傳輸系統(tǒng)引入了1～2 dB 的插損，影響傳輸系統(tǒng)的性能。

b）增加的分光器、濾波器如果故障也會影響傳輸系統(tǒng)，即引入了新的故障點(diǎn)。

c）后建設(shè)光纜監(jiān)測系統(tǒng)時需要對現(xiàn)有傳輸系統(tǒng)進(jìn)行割接。

因此在線監(jiān)測方式通常只有在空閑光纖稀少的情況下才會使用。

2.4 O LP+監(jiān)測方式

將光線路保護(hù)（OLP）系統(tǒng)和光纜監(jiān)測系統(tǒng)集成到一起，在主用光纜中斷或性能劣化時，OLP系統(tǒng)自動地將傳輸系統(tǒng)切換至備用光纜，保證傳輸系統(tǒng)的正常運(yùn)行，同時，監(jiān)測站啟動OTDR對主用光纜進(jìn)行測試。

2.5 多站跳接方式

中繼段光纜距離較短時，在中間站將2 個方向光纜跳通，監(jiān)測站的OTDR 可以測出幾個中繼段光纜的信息（見圖4）。多站跳接方式通常在光纜距離短、段落多的情況下使用，如在本地網(wǎng)以及城域網(wǎng)中常使用該組網(wǎng)方式。

圖4 多站跳接方式示意圖

圖5 級聯(lián)方式示意圖

2.6 光開關(guān)光功率告警單元級聯(lián)

光開關(guān)光功率告警單元級聯(lián)方案是將光開關(guān)或者光功率告警單元安裝在遠(yuǎn)端站，通過網(wǎng)絡(luò)連接以及軟件參數(shù)配置的方式控制監(jiān)控（見圖5）。適用于光纜路由相對段落多、光纜交接點(diǎn)多等復(fù)雜情況的光纜網(wǎng)絡(luò)中使用，在干線網(wǎng)絡(luò)、本地網(wǎng)以及城域網(wǎng)中常使用該組網(wǎng)方式。

3 典型性能指標(biāo)

3.1 O TD R 測試模塊指標(biāo)

a）工作波長：1 310、1 550和1 625 nm波段。

b）動態(tài)范圍：@NR=1，Pulse=20 ms：≥39 dB（1 625 nm）。

c）水平分辨率：≤25 cm。

d）垂直分辨率：≤0.01 dB。

e）折射率：1.400 0～1.700 0。

f）精確度：±（2 m+3×10-5×距離+標(biāo)記分辨率）。

g）近端盲區(qū)：@0.01 ms（含）以下：≤20 m。

h）事件盲區(qū)：@0.01 ms（含）以下：≤3 m。

i）光脈波寬度：至少提供10、30、100、300 ns 和1、3、10、20 ms 8種脈波寬度。

j）最大取樣點(diǎn)數(shù)：≥128 000點(diǎn)。

k）USB接口（與控制模塊連接）。

3.2 光開關(guān)指標(biāo)

a）通道數(shù)：8、16、24、32和64 路可選。

b）工作波長：1 310 nm、1 550 nm 與1 625 nm 3 種波段。

c）通帶寬度：±15 nm@1 310 nm；±20 nm@1 550 nm與1625nm。

d）反射損失：≥45 dB。

e）插入損失：≤1.2 dB。

f）相鄰?fù)ǖ狼袚Q時間：≤75 ms。

g）串音：≤-50 dB。

g）使用壽命：可切換1 000萬次以上。

光源和光功率采集單元比較常見，其指標(biāo)本文不再贅述。

4 應(yīng)用案例

為最大程度發(fā)揮光纜監(jiān)測系統(tǒng)OTDR 的使用價值，首先需要選擇經(jīng)過光纜多的局（站）。本例中經(jīng)過襄陽的光纜比較多，有一干、二干、本地網(wǎng)3 個級別12個方向（見表1），因此選擇在襄陽增加1套光纜監(jiān)測系統(tǒng)，可以對12個方向的光纜進(jìn)行監(jiān)測。

表1 光纜現(xiàn)狀表

襄陽—老河口、襄陽—南漳段距離比較短，增加老河口—丹江、老河口—谷城和南漳—?？刀魏?，長度、衰減仍在OTDR測試范圍以內(nèi)，因此采用多站跳接方式。其余都采用雙備纖監(jiān)測方式。

襄陽需要增加1個機(jī)架，采用-48 V供電。其余9個站只增加了光源LSU，可以安裝在現(xiàn)有綜合機(jī)柜中。顯然，32路光開關(guān)本次只用了12路，另外20路預(yù)留供后期使用。4×9路光源本次也只用了12路，另外24路預(yù)留供后期使用（見表2）。

在省網(wǎng)管中心增加1 套網(wǎng)管系統(tǒng)，襄陽的測試數(shù)據(jù)通過DCN網(wǎng)傳至網(wǎng)管中心。本例投資不到20萬元。

表2 安裝設(shè)備統(tǒng)計表

光纜自動監(jiān)測及資源管理系統(tǒng)安裝后，任一條光纜故障時都能及時準(zhǔn)確地以相應(yīng)的故障級別，在告警中心發(fā)出聲光告警，并在電子地圖上顯示故障點(diǎn)的線路位置；在維護(hù)資料齊全的情況下，故障位置能夠以GIS坐標(biāo)的形式顯示，同時能報告鄰近的標(biāo)石、桿號或人井號；自動發(fā)出各種告警信息通知維護(hù)人員，為及時準(zhǔn)確地排除光纜線路故障提供強(qiáng)有力的監(jiān)控手段，有效地減少障礙時間；對監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并能分析光纜緩慢劣化的情況，預(yù)報光纜隱患，維護(hù)人員發(fā)現(xiàn)隱患時可隨時主動處理，變被動維護(hù)為主動維護(hù)。

據(jù)統(tǒng)計，安裝光纜監(jiān)測系統(tǒng)后，光纜中斷時間平均減少了2 h 以上，中斷頻率1 年減少了40%，為傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)揮了巨大基礎(chǔ)作用，間接創(chuàng)造了極大的經(jīng)濟(jì)效益。

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