基于光交叉矩陣的智能光纖資源調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韋熹 唐林林 徐志強(qiáng) 徐維開

摘 ?要：光纖通信的飛速發(fā)展為高速數(shù)據(jù)的傳輸帶來便利，隨著全光網(wǎng)絡(luò)的覆蓋日趨完善，光纜資源及光口業(yè)務(wù)數(shù)量也急劇增長，對光纜資源的調(diào)度能力和運(yùn)維效率提出更高要求。文章通過對比傳統(tǒng)光纜資源調(diào)度方式，提出基于光交叉矩陣的智能光纖調(diào)度系統(tǒng)，對系統(tǒng)工作原理、功能特點(diǎn)、應(yīng)用場景、實(shí)現(xiàn)效果進(jìn)行詳細(xì)闡述，為通信系統(tǒng)光網(wǎng)絡(luò)資源管理提供有益參考。

關(guān)鍵詞：光纖;光交叉;矩陣;調(diào)度

中圖分類號：TN929.5 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2096-4706（2022）05-0064-04

Design of Intelligent Optical Fiber Resource Scheduling System Based on Optical Cross Matrix

WEI Xi， TANG Linlin， XU Zhiqiang， XU Weikai

（The 34th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation， Guilin ?541004， China）

Abstract： The rapid development of optical fiber communication has brought convenience to the transmission of high-speed data. With the coverage of all-optical networks has become more and more perfect， the number of optical cable resources and optical port services has also increased sharply， and higher requirements are placed on the dispatching ability and operation and maintenance efficiency of optical cable resources. By comparing traditional optical fiber cable resource scheduling methods， this paper proposes an intelligent optical fiber scheduling system based on optical cross matrix， and elaborates the system’s working principle， functional characteristics， application scenarios， and implementation effects in detail， and it provides a useful reference for the optical network resource management of the communication system.

Keywords： optical fiber; optical cross; matrix; scheduling

0 ?引 ?言

隨著光纖通信傳送網(wǎng)的飛速發(fā)展，臺站內(nèi)光口業(yè)務(wù)數(shù)量也在急劇增長，在光纖配線架（Optical Distribution Frame， ODF）上人工調(diào)度的傳統(tǒng)模式存在開通費(fèi)時(shí)、調(diào)度煩瑣、插損易增、容錯(cuò)率低等弊端，同時(shí)，傳統(tǒng)模式人工插拔光纖的調(diào)度模式對人員業(yè)務(wù)素質(zhì)和資料準(zhǔn)確度的依賴較高，制約了指控信息的傳遞，難以適應(yīng)迅速、準(zhǔn)確、可靠的保障要求。在當(dāng)前一線值勤維護(hù)力量日益緊張的背景下，如何實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程靈活調(diào)度、嚴(yán)格控制插入損耗，提高資源利用率并降低維護(hù)成本，增強(qiáng)通信系統(tǒng)的可靠性的需求日益突出。

為解決傳統(tǒng)人工配線所面臨的困難，提高光纜資源利用率、降低維護(hù)成本，本文提出一種基于光交叉矩陣切換的智能光纖配線系統(tǒng)解決方案。通過智能光配線管理系統(tǒng)，根據(jù)臺站的實(shí)際情況和業(yè)務(wù)需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，對光業(yè)務(wù)進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)度，從而滿足“迅速、準(zhǔn)確、可靠”的業(yè)務(wù)管理要求。通過軟硬件結(jié)合的方式增強(qiáng)通信系統(tǒng)的可靠性。

1 ?光交叉矩陣介紹

如圖1所示，光交叉矩陣內(nèi)部將M個(gè)1×N和N個(gè)1×M光纖準(zhǔn)直器按照two-stage的結(jié)構(gòu)組合成了一個(gè)完全無阻塞的光路由控制矩陣，通過精密步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，結(jié)合光準(zhǔn)直精準(zhǔn)定位設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)光路由交換。精密步進(jìn)電機(jī)將軸向光纖準(zhǔn)直器在電機(jī)的微步驅(qū)動(dòng)下繞軸作微步轉(zhuǎn)動(dòng)，分別一一對準(zhǔn)呈扇形分布的N個(gè)光纖準(zhǔn)直器來實(shí)現(xiàn)光路的耦合，達(dá)到光路開關(guān)切換的目的。

精密步進(jìn)電機(jī)式光路由開關(guān)結(jié)構(gòu)簡單、重復(fù)性好、插入損耗低、透明傳輸、切換速度快、性價(jià)比高等特點(diǎn)。M×N光路由控制包含了控制電路，利用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)控制精密步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)精確移位、精確定位、無積累誤差，來控制每個(gè)單元的工作情況，以及整個(gè)矩陣控制矩陣運(yùn)行狀態(tài)，支持網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制，通過程控指令即可實(shí)現(xiàn)光路由的控制，以及查詢當(dāng)前光路由狀態(tài)。

2 ?光纖資源調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 ?總體架構(gòu)

智能光纖資源調(diào)度系統(tǒng)由智能光纖配線設(shè)備（以下簡稱配線設(shè)備）和智能光纖資源管理軟件（以下簡稱管理軟件）組成。該系統(tǒng)通過部署在光纜網(wǎng)各級站點(diǎn)、管理中心等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上的軟硬件，結(jié)合實(shí)時(shí)光纜監(jiān)測數(shù)據(jù)計(jì)算出各互聯(lián)節(jié)點(diǎn)間光纜的長度、衰耗和選切等綜合數(shù)據(jù)，根據(jù)光網(wǎng)絡(luò)的使用需要，實(shí)現(xiàn)對光網(wǎng)絡(luò)資源的總體規(guī)劃、統(tǒng)一管理、實(shí)時(shí)監(jiān)測、智能預(yù)警和綜合配置，確保網(wǎng)絡(luò)的快速部署和可靠運(yùn)行。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2所示。

智能光纖資源管理軟件實(shí)現(xiàn)光纖資源規(guī)劃、光纜監(jiān)測管理、光纜配置管理、智能運(yùn)維、日志管理等功能，實(shí)時(shí)反映網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行情況，挖掘網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行異常，采用可視化方式展示光纜網(wǎng)信息，為光纜網(wǎng)管理決策提供有效的決策依據(jù)。

2.2 ?智能光纖配線設(shè)備

智能光纖配線設(shè)備是智能光纖資源調(diào)度系統(tǒng)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)備。智能光纖配線設(shè)備由光交叉矩陣、監(jiān)測模塊、OTDR模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊等部件組成。光交叉矩陣通過步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)光路耦合;監(jiān)測模塊對光功率和電壓進(jìn)行監(jiān)測，并定時(shí)將檢測數(shù)值上報(bào);控制模塊控制交叉矩陣的光路切換并獲取光功率信息，將數(shù)據(jù)上傳到管理系統(tǒng);OTDR模塊可實(shí)現(xiàn)光纜監(jiān)測及故障定位，并將故障信息上報(bào)管理系統(tǒng);網(wǎng)絡(luò)通信模塊將控制信號與光纜監(jiān)測信息進(jìn)行傳輸，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。如圖3所示。

切換控制管理利用單片機(jī)芯片開發(fā)控制管理程序，驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制的關(guān)鍵在于步進(jìn)的精準(zhǔn)控制，利用光電傳感器的精準(zhǔn)定位結(jié)合高精度的結(jié)構(gòu)件，讓每次驅(qū)動(dòng)都在設(shè)計(jì)的精度范位內(nèi)，通過精密步進(jìn)電機(jī)式光路由開關(guān)實(shí)現(xiàn)插入損耗小于1.2 dB，切換時(shí)間小于100 ms快速控制。

光功率檢測單元中，監(jiān)控單元提供多路光功率檢測，提供一個(gè)串口供控制管理單元發(fā)送波長控制命令和讀取當(dāng)前光功率值。監(jiān)控單元提供Ethernet和RS232兩種接口控制方式。輸出光功率檢測時(shí)每一路輸出首先經(jīng)過分光比為1：99的分光器，99%的激光（插入損耗0.4 dB）輸出到程控光配線架的輸出端，1%的激光（衰耗20 dB）進(jìn)入光功率檢測單元，進(jìn)行光功率檢測。

控制電路始終監(jiān)測光開關(guān)模塊狀態(tài)，并與單元內(nèi)的FLASH中的通道切換配置表比較，若有差別則重新配置光開關(guān)模塊，提高系統(tǒng)可靠性。由并行控制電路（FPGA）完成并行控制光開關(guān)模塊。PC機(jī)向主控制電路（MCU）傳遞所需切換的通道序號表，由主控制電路解釋為控制光開關(guān)模塊的數(shù)字信號，以8位寬度傳遞給并行控制電路，并行控制電路把控制光開關(guān)模塊的數(shù)字信號并行送至光交換單元和輸出單元，實(shí)現(xiàn)對每一個(gè)光開關(guān)并行控制。

智能光纖配線設(shè)備內(nèi)置OTDR光纜監(jiān)測模塊，用于對紛繁復(fù)雜的光纜故障實(shí)時(shí)準(zhǔn)確定位和光纜參數(shù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)光纜性能分析和光纜數(shù)據(jù)采集和歷史數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)預(yù)測光纜參數(shù)變化，提前預(yù)警光纜故障，為光纜資源網(wǎng)絡(luò)健康運(yùn)行及光纜網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)提供重要運(yùn)維依據(jù)。

2.3 ?智能光纖資源管理軟件

智能光纖資源管理軟件通過分布式數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)集中顯控來管理各級節(jié)點(diǎn)的光纜資源。各節(jié)點(diǎn)配備的服務(wù)器和數(shù)據(jù)采集程序?qū)?jié)點(diǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集;中心站點(diǎn)部署的光纜網(wǎng)可視化管理軟件對各節(jié)點(diǎn)光纜資源的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中顯示和控制。智能光纖資源管理軟件主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）光纜資源規(guī)劃功能。光纜網(wǎng)資源規(guī)劃可根據(jù)使用需求實(shí)時(shí)了解當(dāng)前光纜資源使用情況和光纜路由關(guān)系，結(jié)合實(shí)時(shí)光纜監(jiān)測數(shù)據(jù)，計(jì)算出目標(biāo)節(jié)點(diǎn)間的光纜長度、光纜衰減、光纜選切等綜合數(shù)據(jù)，為用戶規(guī)劃出最佳連接方案。

（2）光纜資源管理功能。光纜資源管理采用信息化管理技術(shù)對新增光纜入網(wǎng)、光纜廢棄或退網(wǎng)、光纜遷改、光纜外線GPS定點(diǎn)、外線設(shè)施信息及編號、光纜成端情況、纖芯使用情況、光纜部署軌跡等資源進(jìn)行綜合管理。

（3）光纜網(wǎng)監(jiān)測功能。光纜網(wǎng)監(jiān)測可實(shí)時(shí)準(zhǔn)確定位光纜故障和監(jiān)測光纖物理參數(shù)動(dòng)態(tài)。提供基于OTDR技術(shù)的光纜數(shù)據(jù)采集、光纖性能分析和歷史大數(shù)據(jù)對比，實(shí)現(xiàn)對光纖物理參數(shù)變化的預(yù)測，提前對光纜故障進(jìn)行預(yù)警，為光纜資源的健康運(yùn)行及光纖網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃運(yùn)維提供重要依據(jù)。

（4）智能運(yùn)維管理功能。智能運(yùn)維管理將光纜監(jiān)測數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)流量、端口速率等信息進(jìn)行深度分析，判斷帶寬容量和業(yè)務(wù)質(zhì)量，提供網(wǎng)絡(luò)資源性能報(bào)告，直觀了解當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)整體運(yùn)行情況，為后續(xù)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化調(diào)整、清除故障隱患、維護(hù)網(wǎng)絡(luò)等工作提供依據(jù)。

3 ?應(yīng)用實(shí)例

某電網(wǎng)場區(qū)根據(jù)光纜網(wǎng)使用特點(diǎn)及任務(wù)需要，在核心節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)分別部署了智能光纖調(diào)度設(shè)備及管理軟件，利用基于光交叉矩陣的智能光纖資源調(diào)度系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全場區(qū)光纜資源的統(tǒng)一管理及高效調(diào)度。

光纖資源調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)用場景如圖4所示。

智能配線設(shè)備可以感知光纜線路故障信息，將故障信息反饋給核心節(jié)點(diǎn)，核心節(jié)點(diǎn)部署管理平臺，決策規(guī)劃新的光纜路由，將發(fā)起的調(diào)度指令下發(fā)到下級各站點(diǎn)，完成光纜資源調(diào)度。下面就該智能化調(diào)度系統(tǒng)與傳統(tǒng)光纖調(diào)度系統(tǒng)運(yùn)行效果進(jìn)行對比分析，根據(jù)調(diào)度現(xiàn)行規(guī)定，調(diào)度流程及效果對比分析，流程對比如圖5所示。

3.1 ?傳統(tǒng)人工調(diào)度流程

由管理中心發(fā)起人工調(diào)度，包括核查資料、文電通知、查找端口、逐站調(diào)度調(diào)度、測試確認(rèn)、報(bào)告交付等流程。按照現(xiàn)行光業(yè)務(wù)緊急調(diào)度時(shí)限要求，發(fā)起站30分鐘，轉(zhuǎn)接站20分鐘，即在資料準(zhǔn)確、器材完備、業(yè)務(wù)熟練、不考慮走線規(guī)范、所有臺站均有人值守的前提下，單站內(nèi)調(diào)通一條業(yè)務(wù)需30分鐘、跨3個(gè)臺站需要90分鐘。

3.2 ?智能調(diào)度流程

由管理中心智能光配線管理系統(tǒng)發(fā)起，包括資源查詢、系統(tǒng)調(diào)度、測試確認(rèn)、報(bào)告交付等流程。采用智能光配線管理系統(tǒng)之后，從流程上減少了查找端口和逐站調(diào)度，可通過管理系統(tǒng)遠(yuǎn)程下發(fā)命令實(shí)施調(diào)度，單站調(diào)度僅需3分鐘、跨3個(gè)臺站僅需10分鐘，較人工調(diào)度用時(shí)節(jié)省約87%，且智能調(diào)度在調(diào)度過程中可同時(shí)實(shí)現(xiàn)測試確認(rèn)，質(zhì)量可靠、走線規(guī)范，更重要的是擺脫了對人工跳線的依賴，可在任意一臺聯(lián)網(wǎng)終端上實(shí)施調(diào)度，極大提高了管理效率和業(yè)務(wù)質(zhì)量。

實(shí)踐證明，該場區(qū)通過部署智能光纖資源調(diào)度系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對場區(qū)內(nèi)光纜網(wǎng)資源的集中規(guī)劃、管理、監(jiān)測和維護(hù)，極大地提高了該場區(qū)內(nèi)光纜網(wǎng)的運(yùn)維調(diào)度能力。

4 ?結(jié) ?論

智能光纖資源調(diào)度系統(tǒng)的部署相較傳統(tǒng)光纜資源調(diào)度方式能夠有效提高光纜網(wǎng)絡(luò)的資源分配、光路切換、通信鏈路選擇效率，能夠有效避免光纜網(wǎng)運(yùn)維過程中人工參與導(dǎo)致的通信故障和時(shí)效問題，通過整體規(guī)劃和管理，顯著降低了光纜網(wǎng)的運(yùn)維成本。

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作者簡介：韋熹（1988.07—）男，壯族，廣西柳江人，工程師，碩士研究生，研究方向：光通信系統(tǒng)。