基于光交叉矩陣的智能光纖資源調度系統設計

韋熹 唐林林 徐志強 徐維開

摘 ?要：光纖通信的飛速發展為高速數據的傳輸帶來便利，隨著全光網絡的覆蓋日趨完善，光纜資源及光口業務數量也急劇增長，對光纜資源的調度能力和運維效率提出更高要求。文章通過對比傳統光纜資源調度方式，提出基于光交叉矩陣的智能光纖調度系統，對系統工作原理、功能特點、應用場景、實現效果進行詳細闡述，為通信系統光網絡資源管理提供有益參考。

關鍵詞：光纖;光交叉;矩陣;調度

中圖分類號：TN929.5 ? ? ?文獻標識碼：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的飛速發展，臺站內光口業務數量也在急劇增長，在光纖配線架（Optical Distribution Frame， ODF）上人工調度的傳統模式存在開通費時、調度煩瑣、插損易增、容錯率低等弊端，同時，傳統模式人工插拔光纖的調度模式對人員業務素質和資料準確度的依賴較高，制約了指控信息的傳遞，難以適應迅速、準確、可靠的保障要求。在當前一線值勤維護力量日益緊張的背景下，如何實現遠程靈活調度、嚴格控制插入損耗，提高資源利用率并降低維護成本，增強通信系統的可靠性的需求日益突出。

為解決傳統人工配線所面臨的困難，提高光纜資源利用率、降低維護成本，本文提出一種基于光交叉矩陣切換的智能光纖配線系統解決方案。通過智能光配線管理系統，根據臺站的實際情況和業務需求進行設計，對光業務進行遠程調度，從而滿足“迅速、準確、可靠”的業務管理要求。通過軟硬件結合的方式增強通信系統的可靠性。

1 ?光交叉矩陣介紹

如圖1所示，光交叉矩陣內部將M個1×N和N個1×M光纖準直器按照two-stage的結構組合成了一個完全無阻塞的光路由控制矩陣，通過精密步進電機進行驅動，結合光準直精準定位設計，實現光路由交換。精密步進電機將軸向光纖準直器在電機的微步驅動下繞軸作微步轉動，分別一一對準呈扇形分布的N個光纖準直器來實現光路的耦合，達到光路開關切換的目的。

精密步進電機式光路由開關結構簡單、重復性好、插入損耗低、透明傳輸、切換速度快、性價比高等特點。M×N光路由控制包含了控制電路，利用嵌入式實時操作系統控制精密步進電機實現精確移位、精確定位、無積累誤差，來控制每個單元的工作情況，以及整個矩陣控制矩陣運行狀態，支持網絡遠程控制，通過程控指令即可實現光路由的控制，以及查詢當前光路由狀態。

2 ?光纖資源調度系統設計

2.1 ?總體架構

智能光纖資源調度系統由智能光纖配線設備（以下簡稱配線設備）和智能光纖資源管理軟件（以下簡稱管理軟件）組成。該系統通過部署在光纜網各級站點、管理中心等關鍵節點上的軟硬件，結合實時光纜監測數據計算出各互聯節點間光纜的長度、衰耗和選切等綜合數據，根據光網絡的使用需要，實現對光網絡資源的總體規劃、統一管理、實時監測、智能預警和綜合配置，確保網絡的快速部署和可靠運行。系統總體架構如圖2所示。

智能光纖資源管理軟件實現光纖資源規劃、光纜監測管理、光纜配置管理、智能運維、日志管理等功能，實時反映網絡運行情況，挖掘網絡運行異常，采用可視化方式展示光纜網信息，為光纜網管理決策提供有效的決策依據。

2.2 ?智能光纖配線設備

智能光纖配線設備是智能光纖資源調度系統的關鍵基礎設備。智能光纖配線設備由光交叉矩陣、監測模塊、OTDR模塊、網絡通信模塊等部件組成。光交叉矩陣通過步進電機實現光路耦合;監測模塊對光功率和電壓進行監測，并定時將檢測數值上報;控制模塊控制交叉矩陣的光路切換并獲取光功率信息，將數據上傳到管理系統;OTDR模塊可實現光纜監測及故障定位，并將故障信息上報管理系統;網絡通信模塊將控制信號與光纜監測信息進行傳輸，實現遠程控制。如圖3所示。

切換控制管理利用單片機芯片開發控制管理程序，驅動電機控制的關鍵在于步進的精準控制，利用光電傳感器的精準定位結合高精度的結構件，讓每次驅動都在設計的精度范位內，通過精密步進電機式光路由開關實現插入損耗小于1.2 dB，切換時間小于100 ms快速控制。

光功率檢測單元中，監控單元提供多路光功率檢測，提供一個串口供控制管理單元發送波長控制命令和讀取當前光功率值。監控單元提供Ethernet和RS232兩種接口控制方式。輸出光功率檢測時每一路輸出首先經過分光比為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）進入光功率檢測單元，進行光功率檢測。

控制電路始終監測光開關模塊狀態，并與單元內的FLASH中的通道切換配置表比較，若有差別則重新配置光開關模塊，提高系統可靠性。由并行控制電路（FPGA）完成并行控制光開關模塊。PC機向主控制電路（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模塊的數字信號，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模塊的數字信號并行送至光交換單元和輸出單元，實現對每一個光開關并行控制。

智能光纖配線設備內置OTDR光纜監測模塊，用于對紛繁復雜的光纜故障實時準確定位和光纜參數動態監測，實現光纜性能分析和光纜數據采集和歷史數據分析，實現預測光纜參數變化，提前預警光纜故障，為光纜資源網絡健康運行及光纜網絡規劃設計提供重要運維依據。

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據采集和數據集中顯控來管理各級節點的光纜資源。各節點配備的服務器和數據采集程序對節點狀態數據進行采集;中心站點部署的光纜網可視化管理軟件對各節點光纜資源的狀態數據進行集中顯示和控制。智能光纖資源管理軟件主要實現以下功能：

（1）光纜資源規劃功能。光纜網資源規劃可根據使用需求實時了解當前光纜資源使用情況和光纜路由關系，結合實時光纜監測數據，計算出目標節點間的光纜長度、光纜衰減、光纜選切等綜合數據，為用戶規劃出最佳連接方案。

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

（3）光纜網監測功能。光纜網監測可實時準確定位光纜故障和監測光纖物理參數動態。提供基于OTDR技術的光纜數據采集、光纖性能分析和歷史大數據對比，實現對光纖物理參數變化的預測，提前對光纜故障進行預警，為光纜資源的健康運行及光纖網絡的規劃運維提供重要依據。

（4）智能運維管理功能。智能運維管理將光纜監測數據、網絡流量、端口速率等信息進行深度分析，判斷帶寬容量和業務質量，提供網絡資源性能報告，直觀了解當前網絡整體運行情況，為后續網絡優化調整、清除故障隱患、維護網絡等工作提供依據。

3 ?應用實例

某電網場區根據光纜網使用特點及任務需要，在核心節點、匯聚節點分別部署了智能光纖調度設備及管理軟件，利用基于光交叉矩陣的智能光纖資源調度系統，實現全場區光纜資源的統一管理及高效調度。

光纖資源調度系統應用場景如圖4所示。

智能配線設備可以感知光纜線路故障信息，將故障信息反饋給核心節點，核心節點部署管理平臺，決策規劃新的光纜路由，將發起的調度指令下發到下級各站點，完成光纜資源調度。下面就該智能化調度系統與傳統光纖調度系統運行效果進行對比分析，根據調度現行規定，調度流程及效果對比分析，流程對比如圖5所示。

3.1 ?傳統人工調度流程

由管理中心發起人工調度，包括核查資料、文電通知、查找端口、逐站調度調度、測試確認、報告交付等流程。按照現行光業務緊急調度時限要求，發起站30分鐘，轉接站20分鐘，即在資料準確、器材完備、業務熟練、不考慮走線規范、所有臺站均有人值守的前提下，單站內調通一條業務需30分鐘、跨3個臺站需要90分鐘。

3.2 ?智能調度流程

由管理中心智能光配線管理系統發起，包括資源查詢、系統調度、測試確認、報告交付等流程。采用智能光配線管理系統之后，從流程上減少了查找端口和逐站調度，可通過管理系統遠程下發命令實施調度，單站調度僅需3分鐘、跨3個臺站僅需10分鐘，較人工調度用時節省約87%，且智能調度在調度過程中可同時實現測試確認，質量可靠、走線規范，更重要的是擺脫了對人工跳線的依賴，可在任意一臺聯網終端上實施調度，極大提高了管理效率和業務質量。

實踐證明，該場區通過部署智能光纖資源調度系統，實現了對場區內光纜網資源的集中規劃、管理、監測和維護，極大地提高了該場區內光纜網的運維調度能力。

4 ?結 ?論

智能光纖資源調度系統的部署相較傳統光纜資源調度方式能夠有效提高光纜網絡的資源分配、光路切換、通信鏈路選擇效率，能夠有效避免光纜網運維過程中人工參與導致的通信故障和時效問題，通過整體規劃和管理，顯著降低了光纜網的運維成本。

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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。