CN105553546B - 一种实现光网络故障监测的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种实现光网络故障监测的系统，包括光链路终端OLT和多个远端节点RN连接成的网状网和功率分配耦合器PSC，所述远端节点RN与功率分配耦合器PSC之间通过光纤连接；所述功率分配耦合器PSC通过树形拓扑网络与终端用户相连。目前没有单一方案可以有效的监测网状网加树的拓扑网络，包括节点和链路，针对监测时间，监测成本，可扩展性等方面，本发明结合了光迹检测机制和光编码机制的优势，通过简单、可扩展的解决方案最终实现全网的有效故障监测。

Description

一种实现光网络故障监测的系统和方法
技术领域
本发明涉及一种实现光网络故障监测的系统和方法，属于光网络生存性的技术领域。
背景技术
随着互联网技术的不断发展,互联网承载的业务种类越来越多并且业务量越来越大。但是一旦网络中的光纤链路或者是网络节点发生故障,就会造成大量的数据丢失和服务中断,因此只有快速监测定位到发生故障的光纤链路,各层的路由协议才能够及时地调整路由,把传输到故障链路的数据通过其他链路进行传输,从而及时地恢复数据传输。
为了监测网络的服务，网络需要具备应对多种类型错误提供有效的检测机制的能力。网络协议模型是分层结构的,理论上可以在任一个网络协议层中进行故障定位。在上层协议中进行故障监测由于其相对复杂的信令导致的监测时间较长,而在实际的工程应用中很难接受这么长的监测时间。在物理层上对故障进行监测,可以避免复杂的信令,降低检测信号的复杂性,能够较快速的实现故障的监测和定位。两种在物理层的故障定位的方案：光迹检测机制和光编码机制由于有效性好而应用较多。
光迹检测机制有以下特点：1、通过算法为整个网络分配专用的有向光链路，可以实现光网络链路精确和快速的故障定位；2、一个连通性好的网络中，可以把所需要的光监测迹的条数减小到所需监测链路数目的对数；3、可以实现监测器成本与专用链路数量的有效折衷；4、不易于监测网络节点故障。
光编码机制有以下特点：1、每个光纤段放置唯一的编码器，可以监测相应光纤链路或者节点的状态；2、光编码机制是一个集中的方案，网络管理系统(NMS)可以收集所有反射的编码信号并通过解码信号的自相关特征判断故障；3、使用单一(或较少数量)的专用监测波长；4、可扩展性好；5、所用的编码器的数量不少于需监测链路或节点的数量。
网状网-树状网的结构，可用于城域-接入网，网络结构为：光链路终端(OLT)连接一些远端节点(RN)，组成一个网状网，相比于环有更高的可靠性。RN与功率分配耦合器(PSC)之间通过光纤连接。PSC与终端用户之间是树形拓扑。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种实现光网络故障监测的系统。
本发明还提供一种实现光网络故障监测的方法。
本发明的技术方案如下：
一种实现光网络故障监测的系统，包括光链路终端OLT和多个远端节点RN连接成的网状网和功率分配耦合器PSC，所述远端节点RN与功率分配耦合器PSC之间通过光纤连接；所述功率分配耦合器PSC通过树形拓扑网络与终端用户相连。目前没有单一方案可以有效的监测网状网加树的拓扑网络，包括节点和链路，针对监测时间，监测成本，可扩展性等方面，本发明结合了光迹检测机制和光编码机制的优势，通过简单、可扩展的解决方案最终实现全网的有效故障监测。
一种实现光网络故障监测的方法，包括以下步骤：
(1)设计互不相同、且最大互相关系数为1的准正交周期码，以及对应该准正交周期码的双光纤光栅FBG编码器和FBG解码器；
(2)将所述FBG编码器分别放置在网状网环远端节点RN的两侧以及终端用户光路前面；首先采用光编码器监测网状网环远端节点RN、网状网环上的链路、树形拓扑网络的分支链路和远端节点RN与功率分配耦合器PSC之间的链路；
(3)所述光链路终端OLT发射U波段监测脉冲，在所述网状网环上逆时针传输：每个FBG编码器耦合部分U波段监测脉冲，对应生成一个光编码，然后将所述光编码在所述网状网环上顺时针方向反射到光链路终端OLT；光链路终端OLT沿所述网状网环上顺时针方向收到所有反射的光编码总和；所述U波段为：1625-1675nm；
(4)网络管路系统NMS把接收到的光编码总和信号周期性地与各个相应的FBG解码器匹配，得到每个FBG解码器的自相关峰值：设定相关峰值的故障阈值，如果所述自相关峰值小于故障阈值，则所述自相关峰值对应的链路或远端节点RN无故障；如果所述自相关峰值大于或等于故障阈值，则所述自相关峰值对应的链路或远端节点RN存在故障，并根据自相关峰值对应的FBG编码器确定故障位置；
(5)网状网中除去环上的链路之外的其它链路，即网状网内部链路是通过光迹监测：通过启发式的监测迹分配MTA算法，生成专用监测链路；其中在生成光迹碎片之后，采用整个网状网中的任一链路连接所述光迹碎片使其形成更长的光迹链路；所述每条光迹链路分别具有唯一的报警码；所述MTA算法还同时生成报警码表ACT；
(6)当任意一条链路故障的时候，其经过该链路的所有的光迹链路分别触发报警信号，所述网络管理系统NMS收集到报警信号，并由报警码表ACT定位故障链路。
本发明的优势如下：
1、本发明低成本，不采用昂贵的可调谐光时域反射仪(OTDR)和滤波器。
2、本发明不需要用户参与网络监测，监测机制是用户独立的。
3、本发明由于采用两种监测技术结合，该监测技术可以支持大容量的用户监测。
4、本发明可扩展性好，当增加新用户的时候，只需要安装额外的光编码器，无需改变原来的网络的架构。
5、本发明结合了光迹检测和光编码检测的优势，可以在不增加MTA算法复杂度的基础上，比较简单地实现光网络节点的监测。
6、本发明可以取得检测器成本，监测波长成本，光编码器成本的有效折衷，进一步显著降低网络监测成本。
附图说明
图1为本发明所述实现光网络故障监测的系统网络结构框图；
图2为本发明所述远端节点RN的结构框图；其中，λm为光链路终端OLT发出的监测信号；λD为光链路终端OLT发出的数据信号；WS为波长选择器；λDi为节点i的数据信号；WDM为波峰复用装置；
图3为本发明所述FBG编码器的结构框图；其中，li为2个光纤之间的长度；
图4为本发明中所述网络管理系统的结构框图；
图5为本发明实施例的实现光网络故障监测的流程图；
图6为图5所示的实现光迹监测的MTA算法流程图。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。
实施例1、
一种实现光网络故障监测的系统，包括光链路终端OLT和多个远端节点RN连接成的网状网和功率分配耦合器PSC，所述远端节点RN与功率分配耦合器PSC之间通过光纤连接；所述功率分配耦合器PSC通过树形拓扑网络与终端用户相连。
实施例2、
一种实现光网络故障监测的方法，包括以下步骤：
(1)设计互不相同、且最大互相关系数为1的准正交周期码，以及对应该准正交周期码的双光纤光栅FBG编码器和FBG解码器；
(2)将所述FBG编码器分别放置在网状网环远端节点RN的两侧以及终端用户光路前面；首先采用光编码器监测网状网环远端节点RN、网状网环上的链路、树形拓扑网络的分支链路和远端节点RN与功率分配耦合器PSC之间的链路；
(3)所述光链路终端OLT发射U波段监测脉冲，在所述网状网环上逆时针传输：每个FBG编码器耦合部分U波段监测脉冲，对应生成一个光编码，然后将所述光编码在所述网状网环上顺时针方向反射到光链路终端OLT；光链路终端OLT沿所述网状网环上顺时针方向收到所有反射的光编码总和；所述U波段为：1625-1675nm；
(4)网络管路系统NMS把接收到的光编码总和信号周期性地与各个相应的FBG解码器匹配，得到每个FBG解码器的自相关峰值：设定相关峰值的故障阈值，如果所述自相关峰值小于故障阈值，则所述自相关峰值对应的链路或远端节点RN无故障；如果所述自相关峰值大于或等于故障阈值，则所述自相关峰值对应的链路或远端节点RN存在故障，并根据自相关峰值对应的FBG编码器确定故障位置；
(5)网状网中除去环上的链路之外的其它链路，即网状网内部链路是通过光迹监测：通过启发式的监测迹分配MTA算法，生成专用监测链路；其中在生成光迹碎片之后，采用整个网状网中的任一链路连接所述光迹碎片使其形成更长的光迹链路；所述每条光迹链路分别具有唯一的报警码；所述MTA算法还同时生成报警码表ACT；
(6)当任意一条链路故障的时候，其经过该链路的所有的光迹链路分别触发报警信号，所述网络管理系统NMS收集到报警信号，并由报警码表ACT定位故障链路。
如实施1和实施例2的具体说明：
1、根据给定的光正交码的码重ω，自相关限λa和互相关限λc设计所需数量的光正交周期码，并确定正交码的周期pi。
2、光正交周期码与编码器是一一对应的。所有的编码器有相同的光纤光栅，反射系数分别为R1和R2，只有连接两个光栅之间的光纤长度li互不相同。应当选择合适的反射系数使得总的光功率可以集中在前ω个编码之后的脉冲内。
已设计好的编码器按照图1所示，放置于网状网中环上节点的两侧以及终端用户之前。放置于节点两侧是用来监测节点的故障情况，当NMS检测到一个节点一侧的编码器的形成的编码信号，未检测到另一侧的编码信号，判断该节点出现故障。与此同时，这些编码器也可以监测环上光纤链路的故障状态。当NMS检测到一条光纤链路一端的编码器的形成的编码信号，未检测到另一端的编码信号，判断该链路出现故障。放置于终端用户之前的编码器用来监测PSC到终端用户之间的光纤链路的健康状态。当NMS未检测到用户前编码器形成的编码信号，判断PSC到该终端用户之间的链路故障。当NMS未检测到连接到同一RN的所有用户前编码器形成的编码信号，判断节点RN到PSC之间的链路故障。
3、由图1，图2和图3可知，光链路终端(OLT)发射U波段监测脉冲，在环上逆时针传输。监测信号每达到一个节点时，由波长选择器选择出来之后，一部分通过PSC传输到树形网络中检测光纤链路，一部分旁路该节点，继续在环上传输，监测其余链路与节点。每个编码器会耦合一部分监测脉冲，生成一个光编码，顺时针方向反射到OLT。
4、此时NMS通过把接收到的总的编码信号循环性地与各个相应的解码器匹配，以得到的解码信号的自相关峰值与判决阈值之间的大小比较，来判断各光纤链路或者节点的健康状态,并进行故障进行定位，然后生成报警信号。具体阈值的设置与用户数，检测脉冲的幅度，损耗，干扰状态和噪声因素都有关系。如果所有的网络器件都健康工作，可观察到所有的自相关峰值都高于相应的阈值。如果有错误，也可以通过观察自相关峰值定位到错误链路或节点，并生成报警信号。
5、如果通过光编码机制对网络的监测，判断所有节点均处于健康状态，则网状网中除去环上的链路后的其它所有内部链路是通过光迹监测。光监测迹是从起始节点到终止节点的有向专用光路。每个监测迹都有一个检测器。一条光迹中的任何链路失效都将会使得光迹中的专用信号受到破坏。一条链路可以被多条光迹经过。当一条链路失效的时候，所有经过该链路的光迹都会触发报警信号，网络管理系统(NMS)会收集到这些触发信号，然后通过预先存储的ACT，可以定位到故障链路。
实现光迹分配，最优的整数现行算法(ILP)不适合实时的监测并且可扩展性好。随机码分配加上随机码交换(RCA+RCS)会受到光迹碎片问题的干扰。监测迹分配(MTA)是一种应用较广的启发式算法。启发式算法通过采用一个学习选择的机制可以提高搜索的有效性。监测迹问题的核心在于怎么样拓展光迹。MTA算法流程图如图6所示。MTA算法的详细内容为：
输入：节点数:point,平均节点度数:degree.
输出:光迹：trail1，每条链路的报警码：ACT.
Step 1:初始化模糊集:
根据节点数point和平均节点度数degree，随机选择一个网络拓扑结构Network。AS0集合中存放从未被光迹经过的链路。初始化AS0为Network.p是增加光迹的索引。设置p＝0.
Step 2:增加一条新的光迹trail1(p):
2.1)为光迹trail1(p)寻找光迹碎片Fj：
2.1.1)初始化Fj:
定义Fj＝{Fragment}是Fragment的集合，光迹碎片应当从Network中选取。c为所添加光迹的碎片索引。设置c＝0并且初始化Fj,Fragment为空集。
2.1.2)为碎片Fragment(c)寻找拓展节点StartPoint:
对于每个已生成的模糊集ASq(包括AS0),如果ASq∩Fj＝Φ，所有的ASq组成一个集合。从这个集合中，寻找有最大节点度数的点作为扩展点StartPoint。如果有多个点具有相同的最大节点度数，随机选择一个最为扩展节点
2.1.3)为与StartPoint相连的链路赋权重：
在剩余拓扑结构Network-Fj中，与StartPoint相连链路l的权重ωl为链路另一节点的节点度数。C1和C2是两个常数。AS是链路l的主模糊集，也就是说链路l在集合AS里。如果AS*＝AS0,则ωl＝ωl×C1；MTA算法更倾向于选择未被任何光迹经过的链路拓展光迹。如果AS与Fj的交集不是空集，设置ωl＝ωl/C2。如果链路l已经是UAL，或者是Fj已经经过了集合AS中一半数量的链路，ωl＝0。
2.1.4)扩展碎片Fragment(c):
初始化ExtendPoint为StartPoint.在剩余拓扑Network-Fj中,lmax为ExtendPoint相邻链路中具有最大权重的链路，lmax如果有多条链路有相同的最大权重，随机选择一条作为扩展光迹碎片的链路。PotentialPoint是链路的另一端节点。设置ExtendPoint为PotentialPoint，把lmax合并入Fragment，更新Fj。重复步骤2.1.3和2.1.4，直到没有正数权重的链路可以被合并到Fragment，或者是Fragment已经包括了Network中半数的链路。
2.1.5)循环控制生成Fj中的另一条碎片；
如果Fj已经经过现有所有模糊集，转到步骤2.2；否则c＝c+1，返回到步骤2.1.2去生成下一个连续的碎片。
2.2)把Fj中不连续的碎片连接起来，形成光迹trail1(p):
SPuv存储着剩余拓扑Network-Fj与环加起来后的网络中任意两个点u和v之间的最短链路。把这些链路按照它们长度升序的顺序排序，存放在SP1uv中。顺序检查SP1uv中的链路能否用于正确连接Fj中的不连续光迹碎片：
a)该链路的长度(跳数)小于γ
b)能正确连接Fj中的两个不连续的碎片为新的碎片；
c)新的碎片不能经过任意一个模糊集中的所有链路；
d)连接碎片的链路与两个碎片不可以有重叠的链路
更新Fragment和Fj.SP1uv中所有的链路都被检查之后，trail1(p)即为Fj中最长的片段
Step 3:更新模糊集和报警码：
根据已生成的光迹，计算每条链路的临时码，更新模糊集。除AS0之外，其余如果模糊集中只有一条链路，UAL的数目r＝r+1。
Step 4:循环直到每条链路有唯一的编码：
如果r等于Network中链路的数目,结束并且返回报警码AlarmCode.否则设置p＝p+1返回到步骤2继续寻找下一跳光迹。
总的检测成本包含检测器数量和被所有光迹经过的链路的总数目，成本比率γ是编码器和一条专用波长链路的成本之比。可通过多次求解MTA算法的结果，选择成本最低的结果。
6、按照步骤5，求得的MTA算法的结果，为光网络设置专用的监测光路，以及监测器。当一条链路失效的时候，所有经过该链路的光迹都会触发报警信号，网络管理系统(NMS)会收集到这些触发信号，并由报警码表(ACT)定位故障链路。

Claims (1)

1.一种利用实现光网络故障监测的系统实现光网络故障监测的方法，其中所述系统包括光链路终端OLT和多个远端节点RN连接成的网状网和功率分配耦合器PSC，所述远端节点RN与功率分配耦合器PSC之间通过光纤连接；所述功率分配耦合器PSC通过树形拓扑网络与终端用户相连；其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)设计互不相同、且最大互相关系数为1的准正交周期码，以及对应该准正交周期码的双光纤光栅FBG编码器和FBG解码器；
(2)将所述FBG编码器分别放置在网状网环远端节点RN的两侧以及终端用户光路前面；首先采用光编码器监测网状网环远端节点RN、网状网环上的链路、树形拓扑网络的分支链路和远端节点RN与功率分配耦合器PSC之间的链路；
(3)所述光链路终端OLT发射U波段监测脉冲，在所述网状网环上逆时针传输：每个FBG编码器耦合部分U波段监测脉冲，对应生成一个光编码，然后将所述光编码在所述网状网环上顺时针方向反射到光链路终端OLT；光链路终端OLT沿所述网状网环上顺时针方向收到所有反射的光编码总和；所述U波段为：1625-1675nm；
(4)网络管路系统NMS把接收到的光编码总和信号周期性地与各个相应的FBG解码器匹配，得到每个FBG解码器的自相关峰值：设定相关峰值的故障阈值，如果所述自相关峰值小于故障阈值，则所述自相关峰值对应的链路或远端节点RN无故障；如果所述自相关峰值大于或等于故障阈值，则所述自相关峰值对应的链路或远端节点RN存在故障，并根据自相关峰值对应的FBG编码器确定故障位置；
(5)网状网中除去环上的链路之外的其它链路，即网状网内部链路是通过光迹监测：通过启发式的监测迹分配MTA算法，生成专用监测链路；其中在生成光迹碎片之后，采用整个网状网中的任一链路连接所述光迹碎片使其形成更长的光迹链路；每条所述光迹链路分别具有唯一的报警码；所述MTA算法还同时生成报警码表ACT；
(6)当任意一条链路故障的时候，其经过该链路的所有的光迹链路分别触发报警信号，所述网络管理系统NMS收集到报警信号，并由报警码表ACT定位故障链路。
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