CN109560866A - 基于可调谐激光器的无源光网络链路监测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于可调谐激光器的无源光网络链路监测系统和方法。该系统包括监测服务器、可调谐激光器、三端口环形器、波分复用器、光纤光栅编码器、光接收机和数据采集卡。本发明在发射端采用可调谐激光器，对编码波长进行逐个扫描，在接收端利用单路光接收机依次接收每个编码波长的反射信号，最终根据所有编码波长的反射信号对无源光网络链路状态进行判别，克服了现有技术成本高、不利于监测用户扩容以及温度影响光纤光栅中心波长等缺点。

Description

基于可调谐激光器的无源光网络链路监测系统和方法

技术领域

本发明属于光纤通信技术领域，特别涉及了基于可调谐激光器的无源光网络链路监测系统和方法。

背景技术

无源光网络(PON)以其业务透明性，带宽不受限制，易于升级扩容，成本低廉，易于维护等特点成为了接入网最佳的解决方案。随着PON技术的发展，特别是NG-PON2相关标准G.989.3的制定，对下一代PON安全性、可靠性提出了更高的要求。PON承载了越来越多的新业务，诸如大数据、云计算、VR/AR等业务，一旦光网络发生故障，势必降低用户满意度，甚至给用户造成经济损失。因此光网络链路故障的实时监测作为及时发现网络故障的手段，受到了越来越多的关注。

现有的光纤链路监控方案主要分为两大类，一种是基于OTDR的监测方案，另外一种是基于光编码技术的非OTDR监测方案。基于OTDR监测方案在PON系统点对多点连接模式下遇到了诸多困难。而基于光编码技术的非OTDR监测方案对于监测PON系统多分支链路具有显著优势。

然而，现有的基于光编码技术的非OTDR监测方案多采用多个监测波长和相应的光纤光栅编码器对链路状态进行监测。该类方案监测系统发射端需采用多个激光器同步生成多波长监测光脉冲信号，接收端需采用阵列波导光栅对多波长信号进行分路接收。考虑到PON系统的成本敏感性，发射端多只激光器和接收端多路信号并行接收和数据采集极大的增加了监测系统的成本。针对不同的监测用户规模，该类方案需设计不同的监测系统，更换光源模块，接收机模块以及阵列波导光栅，这不利于监测用户扩容。此外，光纤光栅是一种温度敏感器件，光纤光栅编码器所处外界环境温度变化范围大，光纤光栅与光源的中心波长偏移会影响链路状态的识别，增加链路识别算法的复杂度。

发明内容

为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提供了基于可调谐激光器的无源光网络链路监测系统和方法。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

基于可调谐激光器的无源光网络链路监测系统，包括监测服务器、可调谐激光器、三端口环形器、波分复用器、光纤光栅编码器、光接收机和数据采集卡；监测服务器向可调谐激光器发送控制信号，可调谐激光器根据控制信号发射监测光脉冲信号，监测光脉冲信号从三端口环形器的1端口射入，并从其2端口射出，所述波分复用器接收从三端口环形器射出的监测光脉冲信号和中心局发送的数据信号，将两种信号结合后通过干路光纤传送给光纤光栅编码器，光纤光栅编码器对监测光脉冲信号进行编码与分路，各光编码信号与数据信号通过各支路光纤传送至对应的用户端，各光编码信号在用户端前经反射器反射后回传至光纤光栅编码器，耦合得到光编码合信号，光编码合信号经波分复用器从三端口环形器的2端口射入，并从其3端口射出，光接收机接收从三端口环形器射出的光编码合信号并转化为电信号，再经数据采集卡采集转化为数字信号，最终送入监测服务器，监测服务器根据接收到的数字信号进行链路状态的识别。

进一步地，所述监测服务器包括光源控制端口、增益控制端口和状态识别端口，光源控制端口与可调谐激光器的控制端相连，增益控制端口与光接收机的输出增益端相连，状态识别端口与数据采集卡的输出端相连。

进一步地，所述波分复用器不包含数据信号频带的光纤光栅，对数据信号只具有分路功能。

进一步地，所述光纤光栅编码器设置于无源光网路远端光配线箱内。

进一步地，所述光接收机为单通道光接收机，所述数据采集卡为单通道数据采集卡。

基于上述无源光网络链路监测系统的无源光网络链路监测方法，包括以下步骤：

(1)监测系统初始化，监测服务器控制可调谐激光器对光纤光栅编码器所有编码波长进行扫描，根据反射信号确定各光纤光栅的中心波长，进而设定各编码波长对应的扫频频带；

(2)监测服务器控制可调谐激光器扫描第一个编码波长，发出一个设定频带和扫频时间的监测光脉冲信号，监测光脉冲信号从三端口环形器1端口射入，从其2端口射出，再经过波分复用器与数据信号结合，送入无源光网络传输；

(3)监测光脉冲信号与数据信号一起送入光纤光栅编码器，光纤光栅编码器对监测光脉冲信号进行编码与分路；

(4)各光编码信号与数据信号经支路光纤送达对应的用户端，位于用户端前的反射器将光编码信号反射回光纤光栅编码器，耦合得到光编码合信号，光编码合信号经波分复用器射入三端口环形器2端口，并从三端口环形器3端口射出；

(5)光接收机将从三端口环形器3端口射出的光编码合信号并转换为电信号，并对电信号进行增益调节后传送给数据采集卡，数据采集卡将电信号转化为数字信号后传送给监测服务器；

(6)重复步骤(2)-(5)，直至所有编码波长扫描完毕且反射信号被监测服务器接收，得到一个完整链路状态扫描周期的链路状态信号；

(7)监测系统服务器根据一个完整扫描周期内所有编码波长的链路状态信号对链路状态进行判别，得到无源光网络链路状态的监测结果。

采用上述技术方案带来的有益效果：

(1)现有技术中，多波长监测信号由多只窄带激光器同步产生，激光器数目随用户容量增加而增加，系统发射机成本较高。本发明中采用了当前工艺成熟的可调谐激光器，通过波长调谐生成了多波长监测信号，替代了现有技术中的多个光源，减少了系统所需光源数目，且用户容量的增加只需要增加扫描频带即可实现，显著降低了系统成本。

(2)现有的技术中，多波长监测信号的同步接收需要用到阵列波导光栅(AWG)、多通道高灵敏度光接收机和多通道数据采集卡，成本较高，特别是随着用户容量的扩展，通道数会进一步增加，针对不同的用户容量需要定制不同规格的光接收机和数据采集卡，这将进一步增加设计制造的成本。本发明通过设置可调谐激光器扫频速率和检索周期实现了监测信号的单路接收，移除了现有技术中采用的AWG，简化了接收端光路，降低了链路损耗，增加了系统功率预算，有利于进一步扩展用户容量，并且单路光接收机和单路数据采集卡易于批量定制，可以有效降低系统成本。

(3)现有技术中，光纤光栅编码没有考虑中心波长偏移对编码信号造成的影响。本发明利用可调谐激光器对光纤光栅编码器中编码光栅进行扫描，再根据编码光栅反射信号的时域特征可以得出编码光栅的中心波长，监测服务器根据扫描得到的中心波长控制可调谐激光器设定合适的扫频频带，达到最良好的编码效果，降低外界温度变化引起的光纤光栅中心波长偏移对编码信号的影响，提高监测系统对链路状态的判别准确度。

附图说明

图1是本发明系统组成示意图；

图2是本发明方法流程图；

图3是实施例中编码光栅反射信号示意图；

图4是实施例中6波长扫频信号图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

图1为本发明设计的基于可调谐激光器的无源光网络链路监测系统示意图，包括监测服务器、可调谐激光器、三端口环形器、波分复用器、光纤光栅编码器、光接收机和数据采集卡。各部件具体功能如下：

监测服务器：包含光源控制端口、增益控制端口和状态识别端口。光源控制端口与可调谐激光器连接，对激光器参数进行配置，设置扫频频带，扫频速率，扫频周期等。增益控制端口与光接收机连接，对光接收机输出信号进行增益控制，根据不同编码波长的反射信号设定相应的放大系数，减小各波长信道间信号幅值的差异；数据采集卡通过状态识别端口连接监测服务器，将采集到的数据上传到监测服务器，根据链路状态判别算法对上传的数据进行实时分析与处理，给出链路状态。

可调谐激光器：经监测服务器的配置产生指定的监测光脉冲信号。

三端口环形器：环形器1端口连接可调谐激光器，环形器2端口连接波分复用器，环形器3端口连接光接收机，监测光脉冲信号从环形器1端口输入，从环形器2端口输出，再经过波分复用器与数据信号结合，送入无源光网络传输，反射信号从环形器2端口输入，从环形器第3端口输出，送入光接收机。

波分复用器：输入端分别连接中心局和监测系统光环形器第二端口，波分复用器输出端连接干路光纤，波分复用器用于将监测光脉冲信号和数据信号结合，一同送入无源光网络传输。

光接收机：用于接收监测光脉冲信号在所监测无源网络中产生的所有反射光信号，将反射光信号转化为电信号。

数据采集卡：用于采集单通道接收机所接收的电信号，并送入监测服务器。

光纤光栅编码器:具有1个输入端和n个输出端，具有1:n的光分路功能，能够对监测光脉冲信号同时进行编码和分路，对数据信号仅实现分路功能；

图2为上述监测系统的无源光网络链路监测方法流程图，包含以下步骤：

步骤1：监测系统初始化，监测服务器控制可调谐激光器对光纤光栅编码器所有编码波长进行扫描，根据反射信号确定各光纤光栅的中心波长，进而设定各编码波长对应的扫频频带；

步骤2：监测服务器控制可调谐激光器扫描第一个编码波长，发出一个设定频带和扫频时间的监测光脉冲信号，监测光脉冲信号从三端口环形器1端口射入，从其2端口射出，再经过波分复用器与数据信号结合，送入无源光网络传输；

步骤3：监测光脉冲信号与数据信号一起送入光纤光栅编码器，光纤光栅编码器对监测光脉冲信号进行编码与分路；

步骤4：各光编码信号与数据信号经支路光纤送达对应的用户端，位于用户端前的反射器将光编码信号反射回光纤光栅编码器，耦合得到光编码合信号，光编码合信号经波分复用器射入三端口环形器2端口，并从三端口环形器3端口射出；

步骤5：光接收机将从三端口环形器3端口射出的光编码合信号并转换为电信号，并对电信号进行增益调节后传送给数据采集卡，数据采集卡将电信号转化为数字信号后传送给监测服务器；

步骤6：重复步骤2-5，直至所有编码波长扫描完毕且反射信号被监测服务器接收，得到一个完整链路状态扫描周期的链路状态信号；

步骤7：监测系统服务器根据一个完整扫描周期内所有编码波长的链路状态信号对链路状态进行判别，得到无源光网络链路状态的监测结果。

下面结合一个6波长的无源光网络链路监测系统作进一步说明。

首先，监测系统初始化，监测服务器控制可调谐激光器对编码波长进行一次扫描，图3为编码光栅反射信号图(横坐标为时间，纵坐标为功率)，t₀时刻扫描开始，扫描起始波长为λ₀，t_k时刻该编码波长扫描完毕，扫频频带宽度为Δλ，扫频速率为Δλ/(t_k-t₀)，t_c时刻反射信号达到峰值，因此编码光栅中心波长为λ₀+Δλ(t_c-t₀)/(t_k-t₀)，再根据该中心波长设定最佳的扫频频带(λ₀+Δλ(t_c-t₀)/(t_k-t₀)-Δλ/2，λ₀+Δλ(t_c-t₀)/(t_k-t₀)+Δλ/2)。

图4为本实施例中6波长扫频信号，6个编码波长依次在波长域进行扫描，每个编码波长扫描时间为τ，扫描频带宽度为Δλ，各编码波长之间扫描时间间隔为Δt。初始化设定好各编码波长扫频频带以后，可调谐激光器经监测服务器控制扫描第一个编码波长，发出设定频带和扫频时间的监测光脉冲信号，第一个编码波长的监测光脉冲信号发出后，经被测无源光网络传输，首先有一部分会被光纤光栅编码器反射，然后会被用户端反射器反射，设干路光纤长度为l，最长支路光纤长度为l_max，光纤中光传播速率为ν，那么在该编码波长监测光脉冲信号结束发射2(l+l_max)/ν时间后，该编码波长各支路的反射信号被全部接收，因此Δt＝2(l+l_max)/ν。Δt时间之后，监测服务器控制可调谐激光器扫描下一个编码波长并重复以上步骤。

从开始扫描第一个编码波长，直至所有编码波长扫描完毕，为一个完整的扫描周期。经过一个完整的扫描周期，单通道光接收机和单通道数据采集卡，获取了所有编码波长的链路状态信号，送入监测服务器。监测服务器根据该信号的时域特征对链路状态进行判别。

实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.基于可调谐激光器的无源光网络链路监测系统，其特征在于：包括监测服务器、可调谐激光器、三端口环形器、波分复用器、光纤光栅编码器、光接收机和数据采集卡；监测服务器向可调谐激光器发送控制信号，可调谐激光器根据控制信号发射监测光脉冲信号，监测光脉冲信号从三端口环形器的1端口射入，并从其2端口射出，所述波分复用器接收从三端口环形器射出的监测光脉冲信号和中心局发送的数据信号，将两种信号结合后通过干路光纤传送给光纤光栅编码器，光纤光栅编码器对监测光脉冲信号进行编码与分路，各光编码信号与数据信号通过各支路光纤传送至对应的用户端，各光编码信号在用户端前经反射器反射后回传至光纤光栅编码器，耦合得到光编码合信号，光编码合信号经波分复用器从三端口环形器的2端口射入，并从其3端口射出，光接收机接收从三端口环形器射出的光编码合信号并转化为电信号，再经数据采集卡采集转化为数字信号，最终送入监测服务器，监测服务器根据接收到的数字信号进行链路状态的识别。

2.根据权利要求1所述基于可调谐激光器的无源光网络链路监测系统，其特征在于：所述监测服务器包括光源控制端口、增益控制端口和状态识别端口，光源控制端口与可调谐激光器的控制端相连，增益控制端口与光接收机的输出增益端相连，状态识别端口与数据采集卡的输出端相连。

3.根据权利要求1所述基于可调谐激光器的无源光网络链路监测系统，其特征在于：所述波分复用器不包含数据信号频带的光纤光栅，对数据信号只具有分路功能。

4.根据权利要求1所述基于可调谐激光器的无源光网络链路监测系统，其特征在于：所述光纤光栅编码器设置于无源光网路远端光配线箱内。

5.根据权利要求1所述基于可调谐激光器的无源光网络链路监测系统，其特征在于：所述光接收机为单通道光接收机，所述数据采集卡为单通道数据采集卡。

6.基于权利要求1所述无源光网络链路监测系统的无源光网络链路监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)监测系统初始化，监测服务器控制可调谐激光器对光纤光栅编码器所有编码波长进行扫描，根据反射信号确定各光纤光栅的中心波长，进而设定各编码波长对应的扫频频带；

(2)监测服务器控制可调谐激光器扫描第一个编码波长，发出一个设定频带和扫频时间的监测光脉冲信号，监测光脉冲信号从三端口环形器1端口射入，从其2端口射出，再经过波分复用器与数据信号结合，送入无源光网络传输；

(3)监测光脉冲信号与数据信号一起送入光纤光栅编码器，光纤光栅编码器对监测光脉冲信号进行编码与分路；

(4)各光编码信号与数据信号经支路光纤送达对应的用户端，位于用户端前的反射器将光编码信号反射回光纤光栅编码器，耦合得到光编码合信号，光编码合信号经波分复用器射入三端口环形器2端口，并从三端口环形器3端口射出；

(5)光接收机将从三端口环形器3端口射出的光编码合信号并转换为电信号，并对电信号进行增益调节后传送给数据采集卡，数据采集卡将电信号转化为数字信号后传送给监测服务器；

(6)重复步骤(2)-(5)，直至所有编码波长扫描完毕且反射信号被监测服务器接收，得到一个完整链路状态扫描周期的链路状态信号；

(7)监测系统服务器根据一个完整扫描周期内所有编码波长的链路状态信号对链路状态进行判别，得到无源光网络链路状态的监测结果。