CN102378997A - 监视edc偏振逆滤波器系数以识别对核心光网络或城域光网络的实时物理入侵 - Google Patents

Abstract

对光纤网络进行监视以便检测物理入侵。对光纤的偏振状态进行监视。如果光纤的偏振状态改变超出被发现与所有类型的光纤分路相关联的预定量，则确定已出现光纤分路。替代地，如果偏振状态改变超出第二预定量并且在预定方向上，则可以确定已出现光纤分路。对偏振状态的监视发生在某一时间段之前和之后，该时间段被选择为小于光纤的偏振状态被预期在其期间漂移的时间。该步骤消除了归因于自然的光纤PMD漂移的假阳性。

Description

监视EDC偏振逆滤波器系数以识别对核心光网络或城域光网络的实时物理入侵

相关申请的交叉引用

本申请要求2009年4月6日提交的标题为“Monitoring eDC Polarization Inverse Filter Coefficients to Identify Real-Time Physical Intrusion into a Core or Metro Optical Network”的、美国专利申请系列号12/418,919的较早申请日的优先权，该申请通过引用而全文并入于此。

技术领域

本发明总体上涉及对光网络中光纤分路的检测。更具体而言，本发明涉及对光纤色散模式进行监视以检测光纤分路。

背景技术

创建针对网络的综合安全策略是一个多方面的问题，其需要网络的多个不同层处的保护技术。在网络的0层（例如，在光网络中携带信号的光纤）处的物理入侵不总是能够在较高层处得到有效处理。例如，某些加密技术是不充分的，有时仅有数据得到加密，而源地址和目的地地址被暴露。甚至可以分析业务级监视来揭示关于实时事件的重要信息。另外，一旦入侵者已经接入光纤，则服务拥塞或服务拒绝技术将更加难以停止。虽然在过去的几年中已经研究过从量子物理学到人工智能处理的大范围的可能的解决方案，但在当今没有自动检测物理光纤入侵的简单、有效的机制。

发明内容

根据本发明，提供一种可以通过监视光纤的偏振改变来自动检测对光纤链路进行分路的任何实时企图的相对低成本和相对简单的方法。

本发明的方法包括下列步骤：监视光纤的偏振状态，以及如果偏振状态改变超出第一预定量则确定已出现光纤分路。替代地，该方法还可以包括如果偏振状态改变超出第二预定量并且在大致连续的非随机方向上则确定已出现光纤分路的步骤。更具体而言，监视步骤包括下列步骤：监视光纤的第一偏振状态；等待一个时间段；以及监视光纤的第二偏振状态。确定步骤包括如果第二偏振状态从第一偏振状态改变超出第一预定量，则确定已出现光纤分路。所述时间段被选择为小于光纤的偏振状态被预期在其期间漂移的时间。该步骤消除了归因于自然的光纤PMD漂移的假阳性。第一预定量为大约2.4弧度，因为其已被显示是由光纤分路所造成的最小偏振旋转。

本发明的装置包括：用于对光纤的偏振状态进行监视的逻辑；以及用于如果偏振状态改变超出第一预定量则确定已出现光纤分路的逻辑。替代地，该装置还可以包括用于如果偏振状态改变超出第二预定量并且在大致连续的非随机方向上则确定已出现光纤分路的逻辑。更具体而言，用于进行监视的逻辑包括：用于对光纤的第一偏振状态进行监视的逻辑；用于等待一个时间段的逻辑；以及用于对光纤的第二偏振状态进行监视的逻辑。

用于确定的逻辑包括用于如果第二偏振状态从第一偏振状态改变超出第一预定量则确定已出现光纤分路的逻辑。所述时间段被选择为小于光纤的偏振状态被预期在其期间漂移的时间。该步骤消除了归因于自然的光纤PMD漂移的假阳性。第一预定量为大约2.4弧度，因为其已被显示是由光纤分路所造成的最小偏振旋转。

本发明的程序产品由用于存储数据的、具有其中包含的计算机程序的计算机可读介质来实现。该计算机程序包括：用于对光纤的偏振状态进行监视的逻辑；以及用于如果偏振状态改变超出第一预定量则确定已出现光纤分路的逻辑。替代地，该程序产品还可以包括用于如果偏振状态改变超出第二预定量并且在大致连续的非随机方向上则确定已出现光纤分路的逻辑。更具体而言，用于进行监视的逻辑包括：用于对光纤的第一偏振状态进行监视的逻辑；用于等待一个时间段的逻辑；以及用于对光纤的第二偏振状态进行监视的逻辑。

用于确定的逻辑包括用于如果第二偏振状态从第一偏振状态改变超出第一预定量则确定已出现光纤分路的逻辑。所述时间段被选择为小于光纤的偏振状态被预期在期间漂移的时间。该步骤消除了归因于自然的光纤PMD漂移的假阳性。第一预定量为大约2.4弧度，因为其已被显示是由光纤分路所造成的最小偏振旋转。

附图说明

通过结合附图对以下描述做出参考，可以更好地理解本发明的优势，在附图中，相同的标号指示各图中的相同结构元素及特征。附图并不一定是按比例绘制的，而是着重于阐明本发明的原理。

图1是光纤网络的功能框图，在该光纤网络中闯入者试图对光纤网络进行分路。

图2是庞加莱球的图示，其示出了由光纤分路弯曲方法所造成的偏振旋转。

图3是庞加莱球的图示，其示出了由在光纤分路期间发生的光纤操纵所造成的偏振旋转。

图4是根据本发明的检测光纤分路的过程的流程图。

图5A是针对光纤的史托克矢量（stokes vector）的点积对时间步长的绘图，其示出了偏振旋转漂移及其随机性。

图5B是类似于图5A的绘图的LMS绘图。

图6是根据本发明的检测光纤分路的过程的流程图。

图7是演示假阳性结果上的监视窗口尺寸影响的表。

图8是本发明优选实施例的框图。

图9是本发明的更加详细的优选实施例的框图。

具体实施例

现在参照图1，其示出了描述本发明对其进行操作的光纤网络系统10的系统框图。包括发射器、接收器、放大器等的安全设施12和14经由公众可访问的传输路径（在此示为光纤网络16）互连。光纤网络16例如可以是电话线、DSL线、TV电缆、诸如以太网、FDDI、TDM（诸如SONET、WDM、DWDM等）之类的数据网络等，其中的任何一个或者其中的全部都可以传递数据、视频和/或联网服务。光纤网络16可以由一个或多个可接入光纤18组成。闯入者尝试对可接入光纤18进行分路以获得关于网络的信息。

闯入者可能试图收集关于网络的不同信息。能够检测到信道并且探明在该信道上传输的信息——特别是以无损的方式必然是令人感兴趣的。然而，对业务级或者信号本身存在与否的简单监视对于闯入者而言也可以被视为感兴趣的信息。光纤分路可以提供任何此类信息。存在许多用于经由易用的商用设备对光纤进行分路的已知方法。因此，有效的光纤分路检测技术必须能够检测到对于所有这些技术而言所共有的最轻微的物理入侵。

在此考虑了用于光纤分路的各种已知方法。弯曲诱发耦合（Bend Induced Coupling）是最为经济和直接的方法之一。若干制造商生产用于对光纤的弯曲进行控制以及对从弯曲处的纤芯失去的光进行捕捉的设备。弯曲方法还被认为是具有最低风险的方法之一，因为不需要中断通过将被分路的光纤传播的光信号。侧边抛磨是光纤分路的另一形式，在其中对光纤进行小心地抛磨以从光纤的一侧清除覆层。继而将另一光纤放在极为靠近目标光纤的纤芯之处，以便制成渐逝波耦合器（evanescent coupler）。侧边抛磨需要熟练技师花费很长时间来完成。折射率改变是光纤分路的又一形式，在其中通过各种方法中的任何方法来改变纤芯的折射率。可以通过应用高强度脉冲激光在纤芯上刻写光栅而永久性地改变纤芯折射率。或者，可以从光纤上切割足够靠近纤芯的楔形以扰乱光场，以便将光耦合出纤芯。或者，可以通过声光效应的方式来诱发暂时性的折射率改变。光纤分路的另一形式被称为熔融光纤耦合器。这涉及将光纤绞缠在一起、蚀刻掉覆层以及继而拉伸并加热光纤以形成耦合器。还可以通过在光纤中产生小裂口以使一些光跨该裂口传播至覆层之中从而产生法布里-珀罗腔（fabry-perot cavity）来形成光纤分路。并且，对于熟练的闯入者而言，对光纤进行破裂和接合是可行的——但这导致至少数毫秒的传输路径阻断，而这应会导致较高层协议报警（例如，50ms内的SONET LoS故障转移）。

传输光纤可以以各种状态来部署。可以将光纤埋在地下或海底（水下）的保护性布线中，或者可将其悬挂在具有最低环境保护性的柱杆上（空中）。一旦获得了对光纤的物理接入，所有分路方法都将需要光纤操纵。

所寻求的是用于表征、测量和监视所有不同类型的光纤分路所共有的效应的方式，使得在出现光纤分路时可对其进行识别并报告。不同类型的光纤分路造成各种异常，包括：插入损耗、偏振依赖损耗以及偏振模色散（PMD）。根据本发明，已意识到为了使光逸出光纤以使得任何类型的光纤分路能够工作，在光纤中发生双折射（bifrefringement）现象。这些双折射转而引起光纤的偏振状态（SOP）的改变——特别是，发生偏振旋转。已意识到，由弯曲和分路所引起的双折射的水平会产生程度显著到足以检测及测量的偏振旋转。

PMD是模态色散的一种形式，在其中光的两个不同的偏振以不同的速度沿着光纤行进。其通常由被称为史托克矢量的三分量色散矢量所表征，并且如庞加莱球上所标绘的那样被可视化。在此将按照史托克矢量和庞加莱球来描述偏振状态。

一旦理解了偏振旋转是物理入侵的标记，即进行分析及实验研究以探明哪种光纤分路方法产生最低的偏振旋转。如果产生最低偏振旋转的方法所产生的偏振旋转足以被检测，则所有方法均可被检测。已经确定，上述光纤分路的弯曲方法产生最小的偏振旋转，最小为2.4弧度，如图2的庞加莱球绘图上所示。在光纤分路的准备中的光纤操纵导致最小.8弧度的额外偏振旋转，如图3的庞加莱球绘图上所示。如将进一步描述的那样，利用最近获得的技术，此类偏振旋转是可检测的。

因此如图4所示，根据本发明，对光纤的偏振状态（SOP）进行监视（步骤40）。如果SOP改变了预定量（步骤42），则确定已出现光纤分路（步骤44）。更具体而言，在一个时间段上对SOP进行监视，以查看其是否在庞加莱球上旋转超过90度（见图2）。如果是这样，则指示了光纤分路。

然而，还要理解，在光纤网络中可能发生自然的PMD漂移，因此根据本发明，鲁棒的检测系统对该自然漂移进行考虑最小化假阳性结果。

传输光纤的性质随时间而改变。PMD（由于双折射）、PDL、色度色散等全都发生并变化。变化部分地取决于部署光纤的方式。例如，水下光缆的色散性质趋向于以月级别缓慢地变化，而空中光纤中的色散则由于风以及温度的改变而趋向于以小时级别更快地变化。漂移的幅度可能与光纤分路所造成的偏振状态改变一样大，但漂移发生的缓慢得多。

在图5A和图5B中示出了一对曲线图，其估算出光纤中的漂移量。庞加莱球上的偏振输出状态由三元素史托克矢量所表示。在实际光纤中，偏振的输出状态将会自然地随时间漂移。可以通过求某些时间的史托克矢量与某些稍后时间的史托克矢量的点积来对这两个矢量作出比较。图5A示出了该点积的实现。可以看出，对于少量的时间步长（图5A或图5B的左侧）而言，点积将接近于1，这指示出不久的将来的偏振状态将与现在的偏振状态类似。然而，对于足够长的时间而言，未来的偏振状态将与现在的偏振状态不类似。这在图5B的LMS绘图中更清楚地看到。还可以看出，经过少量的时间步长，在某些实现中，偏振状态可能改变，但是是以比光纤分路所诱发的速率慢得多的速率改变。因此，根据本发明，如果在足够短的窗口期间监视光纤分路，则归因于光纤漂移的偏振旋转将不引起假阳性。

图5A还阐明了确实在光纤中发生的偏振状态中的漂移实际上是随机的。与此相反，如从图2和图3中的庞加莱绘图可见，归因于光纤分路的偏振状态的改变以连续的方式改变方向。光纤分路期间的SOP改变并不显现出自然光纤漂移的随机游动（walk）图案。因此，这是可以监视的光纤分路的另一标记图案。

因此，进一步根据本发明，如图4中所示，除了针对旋转中的最小改变而监视光纤的SOP（步骤42）以外，还可对光纤进行监视以查看旋转改变是否正以非随机方式在连续的方向上发生，因此可能指示出光纤分路（步骤46）。在这种情况下，即使在庞加莱球上正在发生小于90度的旋转改变，如果其是在光纤分路的连续非随机方向上发生，或者处于定向旋转改变的包络或窗口内，则报告光纤分路。

还根据本发明，对光纤的自然PMD漂移进行考虑以提供鲁棒的解决方案。参照图6，观察SOP（步骤60），并且在时间T的监视窗口之后再次观察SOP（步骤64）。将该SOP与时间T之前测量的SOP进行比较，以查看是否已经超过了预定的旋转量——例如，大于90度的庞加莱球旋转（步骤66）。如果发现此类SOP改变，则报告光纤分路（步骤68）。而且，如果发现具有适当方向性的较小SOP改变，则也可以报告光纤分路（步骤70）。所选择的时间T限制了假阳性的概率。例如，已从实验上显示，实际光纤中的漂移时间范围在空中光纤的5分钟到水下光纤的2个月之间。

参照图7，其示出了可能用于空中光纤的两个不同的监视窗口大小的示例。随着漂移时间窗口相对于监视窗口的大小增大，假阳性减少。可以看出，通过将窗口（T）从30分钟降低为10分钟，每天的假阳性数量从显著下降到可忽略不计。T可以基于所部署的光纤类型来选择。对于水下光纤，T可以大；对于空中光纤，T可以较小。

应该理解，利用足够强大的处理，可将监视窗口T减小至数分钟或者数秒。

根据如图8的系统100中所示的本发明的一个实施例，采用电子色散补偿（eDCO）。电子色散补偿允许发射器和接收器适应于色散的、正发生改变的光信道。改变可能来自外部环境，或者可以归因于网络设计本身。图8的系统中所使用的电子色散补偿对偏振模色散进行跟踪，这是因为已知PMD会随时间在光纤上变化。由于已经跟踪了PMD，因此修改接收器以在重新计算eDCO系数时对它们进行监视，从而查看是否针对PMD中的大改变进行修正。PMD改变的幅度和方向可从系数中推断出来。如果发生幅度足够大的PMD改变，则向更高层软件116指示光纤分路。

因此如图8中所示，安全设施102和104经由光纤网络106互连。安全设施104内的接收器108包括能够进行PMD跟踪112的eDCO 110。根据图4和/或图6的方法，SOP监视逻辑114实现用于在eDOC系数被重新计算时对它们进行监视以查看偏振旋转是否正以应报告光纤分路的程度发生的逻辑。而且，如果使用图6的方法，则如果对系数进行重新计算的DSP或者其他处理器具有的处理功率足够，则可以将监视窗口减为数秒。

在图9中示出了本发明的优选实施例的框图。光发射器200和光接收器202通过光路径204耦合。发射器200是采用双偏振QPSK的北电网络（Nortel Networks）40 Gb/s发射器。在发射器处，将来自共同激光器206的信号分为2个路径。对每个路径进行调制（208、210）以产生正交相移键控（QPSK）调制。调制以大约10 G符号/s进行。使用偏振合束器（PBC）212将2个路径合并起来。在PBC 212的输出处是双偏振QPSK，其总比特率为大约40 Gb/s。

光路径由复用器214、传输光纤216、放大器218和解复用器220组成。这些组件中的每一个都导致各种损伤，这些损伤可能包括偏振旋转、色度色散（CD）和PMD。

接收器202是北电网络40Gb/s接收器。在接收器202处，使用偏振分束器222来分割经调制的光信号，并使用光混合器226将其与本地振荡器激光器224合并起来。在混合器226之后，由光电检测器228检测光信号，并继而进行数字信号处理（DSP）230以对各种光及电损伤进行补偿[23]。DSP 230的输出进一步由前向纠错（FEC）芯片232进行进一步处理以纠错。

DSP 230实现偏振跟踪。因此，根据本发明，修改接收器202以包括SOP监视逻辑234。SOP监视逻辑234实现图4和/或图6的方法，以通过监视光纤纤芯的偏振旋转的改变来确定沿光路径204的光纤的任何地方是否被分路。如上所述，通过在重新计算eDCO系数时对来自DSP 230的这些eDCO系数进行跟踪而指示出偏振旋转的度数。如果这些系数指示偏振状态已旋转超过90度，则SOP监视逻辑234向更高层监视软件236指示光纤分路。

然而，本发明并不限于eDCO实现。在不偏离本发明原理的情况下可以采用其他类型的发射器和接收器是可行的。可以利用能够对PMD进行跟踪的任何接收器。例如，可以使用可用的PMD监视测试设备和工具。

还应理解，光纤分路技术将演进，并且最终可能存在导致小于2.4弧度（或者在庞加莱球上90度）的SOP改变的光纤分路技术。但无论如何都预期会有某些程度的SOP改变，而此类分路将可以通过使用不同的预定限制及采样间隔而经由本发明的方法被检测到。

此外应当理解，可能因为除闯入以外的其他目的而引发光纤分路，而本发明应用于出于任何目的的光纤分路或操纵。例如，可以在城域网络或核心网络中光纤分段上安排需要光纤分路的维护操作。这些网络可能非常大，数千米长，并且重要的是确保昂贵的维护或维修操作发生在正确的跨度上。本发明的光纤分路检测机制可以与更高层网络监视软件一同采用，以便例如确保维护操作在光纤的正确分段上发生。

图8和图9的SOP监视逻辑以及图4和图6的方法可以以硬件或软件来实现。本发明的SOP监视逻辑可以实现为一组计算机程序指令，该组计算机程序指令存储在计算机可读介质中并且由例如图8或图9的接收器内的嵌入式微处理器系统执行。本发明的实施例可以整体地或者部分地以任何常规计算机编程语言来实现。例如，可以以过程化编程语言（例如，“C”）或者面向对象式编程语言（例如，“C++”）来实现优选实施例。本发明的替代实施例可以整体地或者部分地利用分立组件、集成电路或者与诸如现场可编程门阵列（FPGA）或微处理器之类的可编程逻辑设备一同使用的可编程逻辑或者包括其任何组合的任何其他装置来实现。本发明的附加实施例可以整体地或者部分地实现为与计算机系统一起使用的计算机程序产品。此类实现可以包括固定在诸如计算机可读介质（例如，软盘、CD-ROM、ROM或者固定式盘）之类的有形介质上或者固定在包含在可经由调制解调器或者其他接口设备（诸如，通过介质与网络连接的通信适配器）向计算机系统传输的载波中的计算机数据信号中的一系列计算机指令。该介质可以是有形介质（例如，光通信线路或者模拟通信线路）或者利用无线技术（例如，微波、红外或者其他传输技术）实现的介质。该系列计算机指令实现在此关于系统所描述的所有功能或者部分功能。本领域中技术人员应当理解，此类计算机指令可以以与众多计算机架构或操作系统一起使用的多个编程语言来编写。此外，此类指令可以存储在诸如半导体、磁、光或其他存储器设备之类的任何存储器设备中，并且可以使用诸如光、红外、微波或者其他传输技术等任何通信技术来传输。

虽然已经参照具体优选实施例示出并描述了本发明，但是本领域技术人员应当理解，可以在其中做出形式及细节上的各种改变而不偏离如以下权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims (15)

1.一种方法，包括以下步骤：

对光纤的偏振状态进行监视；

如果所述偏振状态改变超出第一预定量，则确定已出现光纤分路。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：

替代地，如果所述偏振状态改变超出第二预定量并且在大致连续的非随机方向上，则确定已出现光纤分路。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述监视步骤包括以下步骤：

对光纤的第一偏振状态进行监视；

等待一个时间段；

对所述光纤的第二偏振状态进行监视；

并且其中确定步骤包括：

如果所述第二偏振状态从所述第一偏振状态改变超出第一预定量，则确定已出现光纤分路。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述时间段被选择为小于所述光纤的偏振状态被预期在其期间漂移的时间。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述第一预定量是大约2.4弧度。

6.一种装置，包括：

用于对光纤的偏振状态进行监视的逻辑；

用于如果所述偏振状态改变超出第一预定量则确定已出现光纤分路的逻辑。

7.根据权利要求6所述的装置，还包括：

替代地用于如果所述偏振状态改变超出第二预定量并且在大致连续的非随机方向上则确定已出现光纤分路的装置。

8.根据权利要求6所述的装置，其中用于监视的所述逻辑包括：

用于对光纤的第一偏振状态进行监视的逻辑；

用于等待一个时间段的逻辑；

用于对所述光纤的第二偏振状态进行监视的逻辑；

并且其中用于确定的所述逻辑包括：

用于如果所述第二偏振状态从所述第一偏振状态改变超出第一预定量则确定已出现光纤分路的逻辑。

9.根据权利要求8所述的装置，其中所述时间段被选择为小于所述光纤的偏振状态被预期在其期间漂移的时间。

10.根据权利要求9所述的装置，其中所述第一预定量是大约2.4弧度。

11.一种程序产品，包括用于存储数据的、具有包含于其中的计算机程序的计算机可读介质，所述计算机程序包括：

用于对光纤的偏振状态进行监视的逻辑；

用于如果所述偏振状态改变超出第一预定量则确定已出现光纤分路的逻辑。

12.根据权利要求11所述的程序产品，还包括：

替代地用于如果所述偏振状态改变超出第二预定量并且在大致连续的非随机方向上则确定已出现光纤分路的逻辑。

13.根据权利要求11所述的程序产品，其中用于监视的所述逻辑包括：

用于对光纤的第一偏振状态进行监视的逻辑；

用于等待一个时间段的逻辑；

用于对所述光纤的第二偏振状态进行监视的逻辑；

并且其中用于确定的所述逻辑包括：

用于如果所述第二偏振状态从所述第一偏振状态改变超出第一预定量则确定已出现光纤分路的逻辑。

14.根据权利要求13所述的程序产品，其中所述时间段被选择为小于所述光纤的偏振状态被预期在其期间漂移的时间。

15.根据权利要求14所述的程序产品，其中所述第一预定量是大约2.4弧度。

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