光纖時(shí)間傳遞監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

邵智辰，謝昆峰，左發(fā)興，胡 亮，陳建平，吳龜靈

（上海交通大學(xué) 區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240）

引 言

高精度的光纖時(shí)間同步在通信、航天航空和導(dǎo)航定位等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景[1-3]。隨著光纖時(shí)間傳遞系統(tǒng)的不斷發(fā)展，設(shè)備規(guī)模變得越來越大，種類和數(shù)量變得越來越多，對(duì)系統(tǒng)的靈活性、完備性、安全性和高可用性的需求更是在不斷增長(zhǎng)，缺少一個(gè)完整監(jiān)控系統(tǒng)的局限性慢慢體現(xiàn)了出來[4-5]。首先，隨著系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的增加，當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障或信號(hào)發(fā)生異常時(shí)不能及時(shí)定位故障的源頭，導(dǎo)致處理故障的時(shí)間往往都消耗在尋找故障的位置。其次，隨著業(yè)務(wù)的擴(kuò)展，系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的位置分布在全國(guó)各地，為了獲取大規(guī)模系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)的信息和數(shù)據(jù)，現(xiàn)有的時(shí)間傳遞系統(tǒng)需要有技術(shù)人員在機(jī)房實(shí)時(shí)值守，耗費(fèi)大量的人力和時(shí)間。最后，儀器本身只能存儲(chǔ)少部分的數(shù)據(jù)，無法實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)和歷史狀態(tài)的回放。

針對(duì)以上問題，本文設(shè)計(jì)了高精度時(shí)間傳遞系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的總體架構(gòu)，包括故障管理、性能管理、配置管理、安全管理和數(shù)據(jù)管理5個(gè)部分，定義了各部分的功能，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)。在基于雙向時(shí)分復(fù)用同纖同波（BTDMSFSW）光纖時(shí)間傳遞系統(tǒng)[6-8]上實(shí)現(xiàn)和測(cè)試了監(jiān)控系統(tǒng)。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)地監(jiān)控傳遞節(jié)點(diǎn)狀態(tài)、傳遞系統(tǒng)的性能，并處理監(jiān)測(cè)到的故障，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

1 監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)

監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要有3種，分別是集中式系統(tǒng)、分布式系統(tǒng)和層次型系統(tǒng)[9]?？紤]到便于集中管理的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)的時(shí)間傳遞監(jiān)控系統(tǒng)采取集中式的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。監(jiān)控節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)與時(shí)間傳遞系統(tǒng)中的近端、遠(yuǎn)端和中繼節(jié)點(diǎn)相連；時(shí)間傳遞節(jié)點(diǎn)將本站點(diǎn)的鐘差數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息等通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至監(jiān)控系統(tǒng)的管理信息庫；監(jiān)控系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)配置管理、故障管理、性能管理、數(shù)據(jù)管理和安全管理。

圖2是設(shè)計(jì)的光纖時(shí)間傳遞監(jiān)控系統(tǒng)的總體架構(gòu)。各部分功能如下。

1）故障管理。用于發(fā)現(xiàn)、定位系統(tǒng)出現(xiàn)故障的位置和原因，并采取一定的恢復(fù)方式，保證時(shí)間傳遞系統(tǒng)的正常運(yùn)行，分為3個(gè)部分，即故障檢測(cè)與診斷、故障恢復(fù)和故障記錄。故障檢測(cè)與診斷用來檢測(cè)、識(shí)別和定位故障，并產(chǎn)生告警信息。光纖時(shí)間傳遞系統(tǒng)主要的故障信息包括輸入時(shí)間信號(hào)（PPS）異常、參考頻率信號(hào)異常、光纖鏈路狀態(tài)異常、設(shè)備異常等。故障恢復(fù)在檢測(cè)到故障時(shí)采取切換主備光纖、設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸方式等保證系統(tǒng)的運(yùn)行。故障記錄將故障信息存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中。

圖1 光纖時(shí)間傳遞監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of optical fiber time transmission monitoring system

2）性能管理。用來采集和分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)和評(píng)估系統(tǒng)性能，確認(rèn)系統(tǒng)性能在可接受的水平內(nèi)，包括數(shù)據(jù)采集、性能計(jì)算、評(píng)估分析。數(shù)據(jù)采集獲取每個(gè)傳遞節(jié)點(diǎn)測(cè)量的時(shí)間間隔。性能計(jì)算利用數(shù)據(jù)采集獲取到的時(shí)間間隔計(jì)算時(shí)間傳遞的穩(wěn)定度，繪制相應(yīng)的曲線。評(píng)估分析根據(jù)各傳遞節(jié)點(diǎn)的性能對(duì)系統(tǒng)做綜合評(píng)估和分析，根據(jù)設(shè)定的閾值產(chǎn)生告警信息。

3）配置管理。用來對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)、鏈路連接、數(shù)據(jù)傳輸方式等進(jìn)行遠(yuǎn)程配置。時(shí)間傳遞系統(tǒng)的配置信息包括系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)、系統(tǒng)告警參數(shù)和數(shù)據(jù)接口參數(shù)。系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)包括鏈路連接狀態(tài)、系統(tǒng)校準(zhǔn)參數(shù)和設(shè)備參數(shù)等；系統(tǒng)告警參數(shù)包括故障、性能和安全等告警的類型、方式和閾值等；數(shù)據(jù)接口參數(shù)包括數(shù)據(jù)通信接口地址、碼率等。設(shè)計(jì)的配置管理模塊包括配置信息的初始化、配置更新和配置備份。配置信息的初始化在系統(tǒng)更新或重啟后從數(shù)據(jù)庫讀取存儲(chǔ)的系統(tǒng)配置，快速恢復(fù)系統(tǒng)狀態(tài)。配置更新讀取系統(tǒng)管理員設(shè)定的配置信息，并通過網(wǎng)絡(luò)下發(fā)給系統(tǒng)相應(yīng)的設(shè)備。配置備份將每一次配置的更改記錄在數(shù)據(jù)庫中。

圖2 光纖時(shí)間傳遞監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.2 Overall architecture of optical fiber time transmission monitoring system

4）安全管理。用來保證只有具有一定權(quán)限的用戶才能進(jìn)入系統(tǒng)查看和修改系統(tǒng)信息，防止系統(tǒng)被破壞或是數(shù)據(jù)被竊取，包括用戶分類、身份驗(yàn)證，以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全和保密。用戶分類將能夠進(jìn)入系統(tǒng)的用戶分為不同等級(jí)的用戶。身份驗(yàn)證根據(jù)用戶名和密碼檢查登錄用戶的合法性和權(quán)限，并記錄每一次的登錄信息，對(duì)超過指定次數(shù)的非法登錄做出告警。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全和保密用來保證系統(tǒng)的數(shù)據(jù)被安全的存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中不被泄漏。

5）數(shù)據(jù)管理。負(fù)責(zé)存儲(chǔ)和維護(hù)系統(tǒng)的性能、配置、用戶、告警記錄等數(shù)據(jù)，并提供數(shù)據(jù)的歷史回放與分析。管理員可以通過數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)調(diào)用和查看歷史的數(shù)據(jù)信息、歷史的狀態(tài)信息和歷史告警信息。

2 監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

管理信息庫的結(jié)構(gòu)如圖3所示，包含故障表、性能表、配置表和安全表。故障表和性能表對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)子表。配置表又分為當(dāng)前配置表和修改配置表，當(dāng)前配置表用來存儲(chǔ)當(dāng)前的配置，修改配置表用來存儲(chǔ)待修改的配置。配置表中包含了針對(duì)不同配置項(xiàng)（如光纖、數(shù)據(jù)傳輸方式等）的子表。安全表用來存儲(chǔ)用戶信息和登錄記錄。

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸入秒脈沖信號(hào)（1PPS）異常、輸入10 MHz頻率信號(hào)異常、光纖鏈路異常的監(jiān)控。其中，輸入PPS信號(hào)和10 MHz頻率信號(hào)通過光纖時(shí)間傳遞端機(jī)的可編程邏輯門陣列（FPGA）板卡實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，光纖鏈路通過光收發(fā)器對(duì)輸入光監(jiān)控。PPS是頻率為1 Hz、脈寬在20 ms和200 ms之間的脈沖信號(hào)，10 MHz頻率輸入FPGA后可以認(rèn)為是頻率為10 MHz、占空比為50%的方波信號(hào)。通過FPGA本地100 MHz晶振實(shí)現(xiàn)對(duì)PPS和10 MHz的監(jiān)控，故障監(jiān)控狀態(tài)機(jī)如圖4所示。圖4（a）中IDLE狀態(tài)產(chǎn)生告警；State1狀態(tài)代表檢測(cè)到PPS的上升沿；State2狀態(tài)代表此時(shí)脈寬大于20 ms，符合要求；State3狀態(tài)代表PPS脈寬小于200 ms，是正常的輸入PPS信號(hào)。圖4（b）中IDLE狀態(tài)產(chǎn)生告警；State1狀態(tài)代表檢測(cè)到10 MHz參考頻率上升沿；State2狀態(tài)代表檢測(cè)到10 MHz參考頻率下降沿。

圖3 管理信息庫的結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of management information base

圖4 故障監(jiān)控狀態(tài)機(jī)Fig.4 Fault monitoring state machine

配置管理和故障管理緊密相關(guān)，兩者的關(guān)系如圖5所示。圖中上面部分是傳遞節(jié)點(diǎn)，中間部分是數(shù)據(jù)庫，下面部分是監(jiān)控節(jié)點(diǎn)。傳遞節(jié)點(diǎn)中故障管理模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)各傳遞節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到有故障發(fā)生時(shí)，產(chǎn)生告警信息并存入數(shù)據(jù)庫中。監(jiān)控節(jié)點(diǎn)查詢數(shù)據(jù)庫中傳遞節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，進(jìn)而定位和判斷故障類型，并做出相應(yīng)處理決策，如將輸入信號(hào)故障及時(shí)通知系統(tǒng)管理員，切換光纖至備用光纖解決光纖鏈路故障等。監(jiān)控節(jié)點(diǎn)將需要修改的配置寫入數(shù)據(jù)庫的修改配置表中。傳遞節(jié)點(diǎn)的配置管理模塊讀取數(shù)據(jù)庫中的修改配置表，當(dāng)查詢到有配置更新則修改相關(guān)配置。

通過當(dāng)前配置表和修改配置表來協(xié)調(diào)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)和傳遞節(jié)點(diǎn)的配置更改過程，配置更改流程圖如圖6所示。傳遞節(jié)點(diǎn)查詢數(shù)據(jù)庫當(dāng)前配置表。若當(dāng)前配置表中的配置信息與實(shí)際配置不一致則先向當(dāng)前配置表寫入實(shí)際配置記錄。之后查詢修改配置表，若有配置需要更新則修改自身的配置，成功修改后向當(dāng)前配置表寫入修改后的配置記錄。監(jiān)控節(jié)點(diǎn)將需要修改的配置信息寫入修改配置表后查詢數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)的當(dāng)前配置表。若查詢到當(dāng)前配置已全部修改完成后，將修改成功的記錄寫入修改配置表。

圖5 故障管理和配置管理的關(guān)系圖Fig.5 Relationship between fault management and configuration management

圖6 配置更改流程圖Fig.6 Configuration change flowchart

實(shí)測(cè)的鐘差和時(shí)間偏差（TDEV）能準(zhǔn)確反映系統(tǒng)性能的指標(biāo)，但實(shí)際應(yīng)用的系統(tǒng)中傳遞節(jié)點(diǎn)不能得到實(shí)測(cè)的鐘差?？紤]到利用傳遞節(jié)點(diǎn)測(cè)試的時(shí)間間隔計(jì)算出的相對(duì)鐘差（ ΔT）也能大致反映實(shí)際鐘差的趨勢(shì)，本文采用 ΔT實(shí)時(shí)監(jiān)控時(shí)間傳遞的性能。對(duì)BTDM-SFSW時(shí)間傳遞系統(tǒng)，ΔT由主站測(cè)得的時(shí)間間隔TAB、從站測(cè)得的時(shí)間間隔TBA、時(shí)間延遲量Td計(jì)算得到

系統(tǒng)通過對(duì) ΔT設(shè)定一個(gè)閾值實(shí)現(xiàn)性能監(jiān)控，當(dāng)計(jì)算出的 ΔT超過閾值時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生告警信號(hào)并將告警信息記錄進(jìn)數(shù)據(jù)庫。合理的閾值設(shè)計(jì)是性能監(jiān)控的關(guān)鍵。由于系統(tǒng)是一個(gè)反饋控制系統(tǒng)，發(fā)送給晶振的反饋值會(huì)隨著 ΔT的變大而變大。但是光纖鏈路的抖動(dòng)和數(shù)據(jù)接收誤碼的存在會(huì)導(dǎo)致計(jì)算出的 ΔT的突變，若用某一時(shí)刻突變的 ΔT計(jì)算出的反饋值輸入給晶振，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能的瞬間惡化。故當(dāng) ΔT超過閾值時(shí)，不需要將反饋值輸入給晶振，使 ΔT在沒有反饋的情況下隨時(shí)間緩慢增長(zhǎng)。若閾值過小，雖然能夠很好的監(jiān)控系統(tǒng)性能，但是增長(zhǎng)的 ΔT容易超過閾值，造成反饋系統(tǒng)的停止運(yùn)行；若閾值過大又不能很好的監(jiān)控系統(tǒng)性能。因此本文通過對(duì) ΔT閾值的自適應(yīng)的調(diào)整實(shí)現(xiàn)性能監(jiān)控。當(dāng)系統(tǒng)剛開始運(yùn)行時(shí)，主從兩端的時(shí)間還不同步，需要將閾值保持在較高的值保證反饋系統(tǒng)運(yùn)行；在系統(tǒng)趨于穩(wěn)定后將閾值保持較低的值對(duì) ΔT的大小實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)遇到偶發(fā)的突變則適當(dāng)調(diào)高閾值，保證鏈路重新正常后的 ΔT不超過閾值。

在基于BTDM-SFSW時(shí)間傳遞系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)和測(cè)試了光纖時(shí)間傳遞監(jiān)控系統(tǒng)，圖7是監(jiān)控系統(tǒng)的測(cè)試圖。主、從傳遞節(jié)點(diǎn)分別包含一個(gè)時(shí)間傳遞端機(jī)和一個(gè)監(jiān)控上位機(jī)，上位機(jī)中運(yùn)行監(jiān)控軟件客戶端。監(jiān)控節(jié)點(diǎn)為一個(gè)上位機(jī)，運(yùn)行監(jiān)控服務(wù)端和數(shù)據(jù)庫。主、從端時(shí)間傳遞端機(jī)通過主、備兩根光纖連接，監(jiān)控節(jié)點(diǎn)和傳遞節(jié)點(diǎn)間通過局域網(wǎng)連接。

圖7 光纖時(shí)間傳遞監(jiān)控系統(tǒng)的測(cè)試圖Fig.7 Test of optical time transmission monitoring system

圖8是光纖故障時(shí)主備光纖切換前后時(shí)間間隔和鐘差的變化曲線圖。圖8（a）中TAB是主站測(cè)得的時(shí)間間隔，TBA是從站測(cè)得的時(shí)間間隔。可以見到，主用光纖在第11 s時(shí)斷開，其后的1 s內(nèi)，主、從端測(cè)得的時(shí)間間隔都減少了約50 μs。這表明系統(tǒng)成功地由30 km的主用光纖切換到了20 km的備用光纖，保證了時(shí)間傳遞的持續(xù)進(jìn)行。又在第21 s時(shí)將備用光纖斷開，系統(tǒng)又成功切換回了主用光纖。圖8（b）是計(jì)算出的相對(duì)鐘差，可見相對(duì)鐘差沒有中斷或突變，即沒有受到主用光纖或備用光纖斷開的影響。上述結(jié)果表明，故障管理能夠有效處理光纖鏈路斷開故障，在不影響傳遞性能的情況下保證系統(tǒng)的持續(xù)正常運(yùn)行。

圖8 變化曲線圖Fig.8 Change curves

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了時(shí)間傳遞監(jiān)控系統(tǒng)的總體架構(gòu)和管理信息庫的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了故障管理、性能管理、配置管理、安全管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的功能，在BTDM-SFSW時(shí)間傳遞系統(tǒng)上進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)的采集數(shù)據(jù)信息和狀態(tài)信息，做出故障處理，并回放任意時(shí)刻的歷史數(shù)據(jù)和歷史告警信息，為大范圍多節(jié)點(diǎn)時(shí)間傳遞時(shí)間系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行提供有效保障。本系統(tǒng)使用數(shù)據(jù)庫作為傳遞節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控節(jié)點(diǎn)之間的橋梁，無需直接建立連接，易于后期多節(jié)點(diǎn)的拓展，同時(shí)減少了系統(tǒng)數(shù)據(jù)流量。在未來節(jié)點(diǎn)變多且不易管理時(shí)，可以考慮使用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)控，如SNMP協(xié)議。