光網(wǎng)絡(luò)啟發(fā)式鏈路異常檢測(cè)發(fā)現(xiàn)方法

毛志杰，張 杰，周繼軍

(1.國(guó)防科技大學(xué) 信息通信學(xué)院，湖北 武漢 430030；2.北京郵電大學(xué) 信息光電子與光通信研究院，北京 100876；3.北京郵電大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院，北京 100876)

中國(guó)光纜線路大部分已運(yùn)行20多年，鏈路出現(xiàn)問(wèn)題的概率逐漸增大，做好光纜鏈路檢測(cè)安全管控就顯得尤為重要[1-3]。在光網(wǎng)絡(luò)流量檢測(cè)管控方面，多尺度融合、光開(kāi)關(guān)分布反演、光纖智能感知和圖論等技術(shù)已廣泛應(yīng)用于流量分類、流量預(yù)測(cè)與流量異常檢測(cè)中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光網(wǎng)絡(luò)流量疏導(dǎo)、負(fù)載均衡與網(wǎng)絡(luò)攻擊定位。

文獻(xiàn)[4]提出利用 “眼圖法”對(duì)自建光波分復(fù)用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)多粒度交換可重構(gòu)全光網(wǎng)中數(shù)字光信號(hào)進(jìn)行全面監(jiān)控的方法。文獻(xiàn)[5]研究了光纖傳感網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)鏈路故障時(shí)光開(kāi)關(guān)的切換策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)失效光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG)傳感器信號(hào)的自修復(fù)性能。文獻(xiàn)[6]建立關(guān)于異常檢測(cè)需要的監(jiān)測(cè)路徑集合，在建立好的監(jiān)測(cè)路徑上同時(shí)發(fā)送探測(cè)信號(hào)。最后，在有故障的路徑上執(zhí)行故障定位，由此證明了最小監(jiān)測(cè)路徑集合問(wèn)題是非確定多項(xiàng)式問(wèn)題。文獻(xiàn)[7]提出了一種采用散射光信號(hào)幅度分布反演氣溶膠質(zhì)量濃度的分形模型，利用了顆粒散射光的信號(hào)幅度信息與數(shù)目信息，有效提高了反演精度。文獻(xiàn)[8]使用Godard定時(shí)誤差檢測(cè)器和施密特正交化法估計(jì)并補(bǔ)償了接收機(jī)損傷，使用級(jí)聯(lián)的判決引導(dǎo)實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)射機(jī)損傷不敏感的偏振解復(fù)用和載波相位恢復(fù)。但是，研究光纜線路中微弱信號(hào)檢測(cè)的比較少[9-10]，并且對(duì)整體線路進(jìn)行診斷成為當(dāng)前重要的研究方向之一。

近年來(lái)，基于啟發(fā)式網(wǎng)絡(luò)流量管理與網(wǎng)絡(luò)故障管理的應(yīng)用不斷涌現(xiàn)[11]。為提高光纜鏈路安全檢測(cè)管控能力，針對(duì)全域全光纜線路的覆蓋和線路中微弱信號(hào)的發(fā)現(xiàn)檢測(cè)進(jìn)行了研究，擬提出一種新的啟發(fā)的分布式檢測(cè)方法。該方法采用歸零重置的策略，即通過(guò)構(gòu)造監(jiān)測(cè)路徑遍歷選擇方法使得每條鏈路至少被一條監(jiān)測(cè)路徑經(jīng)過(guò)，再結(jié)合Morlet小波微弱信號(hào)檢測(cè)算子，實(shí)現(xiàn)分布式遍歷、自歸零的鏈路故障檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)微弱信號(hào)的感知與判別，以期提高光網(wǎng)絡(luò)故障檢測(cè)效率。同時(shí)，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所提方法的有效性。

1 光網(wǎng)絡(luò)鏈路故障監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)方案

為實(shí)現(xiàn)光網(wǎng)絡(luò)中故障檢測(cè)的靈敏測(cè)試、精度定位和快速響應(yīng)的目標(biāo)，將光網(wǎng)絡(luò)故障預(yù)警系統(tǒng)分為一級(jí)遠(yuǎn)程評(píng)估中心、二級(jí)本地檢測(cè)中心兩級(jí)。一級(jí)遠(yuǎn)程評(píng)估中心通過(guò)建立故障評(píng)估體系，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)分析、處理、響應(yīng)和備份，并及時(shí)做出行動(dòng)預(yù)案，其基本功能是通過(guò)基于啟發(fā)式的故障異常行為評(píng)估方法實(shí)現(xiàn)。二級(jí)本地檢測(cè)發(fā)現(xiàn)中心是光網(wǎng)絡(luò)鏈路故障監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)的核心，其功能是對(duì)光網(wǎng)絡(luò)的鏈路故障進(jìn)行異常檢測(cè)發(fā)現(xiàn)[12-13]。基于Morlet小波的鏈路故障檢測(cè)行為發(fā)現(xiàn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)光信號(hào)解調(diào)，獲取傳感光纖中的后向散射信號(hào)，并通過(guò)微弱信號(hào)處理確定光網(wǎng)絡(luò)是否發(fā)現(xiàn)異常行為。同時(shí)，將采集到的各測(cè)評(píng)站的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給一級(jí)監(jiān)控中心。光網(wǎng)絡(luò)全域鏈路故障監(jiān)測(cè)原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 光網(wǎng)絡(luò)全域鏈路故障監(jiān)測(cè)原理結(jié)構(gòu)

當(dāng)監(jiān)測(cè)范圍超出檢測(cè)上限時(shí)，即光信號(hào)需要增強(qiáng)時(shí)，可以在監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)劃分出多個(gè)監(jiān)測(cè)子區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控。設(shè)置總遠(yuǎn)程控制中心，控制各個(gè)子區(qū)域的本地監(jiān)控站及其相關(guān)外設(shè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)全域內(nèi)的光纜線路檢測(cè)控制，監(jiān)測(cè)處理流程如圖2所示。

圖2 光網(wǎng)絡(luò)全域鏈路故障監(jiān)測(cè)流程

2 基于啟發(fā)式的鏈路異常行為檢測(cè)

在實(shí)際的光纖系統(tǒng)中，會(huì)出現(xiàn)短時(shí)間的溫度和應(yīng)力變化，接收的傳感信號(hào)表現(xiàn)為其包絡(luò)有小突起出現(xiàn)，且持續(xù)時(shí)間較短，但攜帶了重要檢測(cè)信息。隨著時(shí)間延長(zhǎng)，包絡(luò)中有多處突起后向散射信號(hào)經(jīng)過(guò)時(shí)間平均累加信號(hào)趨于平穩(wěn)，就無(wú)法檢測(cè)到光網(wǎng)絡(luò)中鏈路異常現(xiàn)象。為達(dá)到對(duì)這類變化有良好的檢測(cè)效果，提出了基于Morlet小波的啟發(fā)式鏈路異常檢測(cè)方法。

基于Morlet小波的啟發(fā)式鏈路異常檢測(cè)方法包括源、傳感光纖、Morlet檢測(cè)、均衡檢測(cè)、環(huán)形器以及參考光源等6個(gè)模塊。采用中心波長(zhǎng)為1 550 nm的窄線寬光纖激光器作為泵浦源，激光經(jīng)隔離器后，進(jìn)入聲光調(diào)制器(Acoustooptical Modulators，AOM)調(diào)制成光脈沖信號(hào)。然后，為了抑制因摻餌光纖放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifier，EDFA)產(chǎn)生的自發(fā)輻射噪聲，通過(guò)對(duì)脈沖光進(jìn)行放大，在EDFA后端加入了窄帶光濾波器進(jìn)行濾波處理。最后，通過(guò)環(huán)形器將光信號(hào)注入到傳感光纖中，后向散射信號(hào)與參考光經(jīng)過(guò)均衡檢測(cè)后，采用高靈敏度、低噪聲的光電探測(cè)器與寬帶放大器分別對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換與微弱信號(hào)檢測(cè)。同時(shí)，結(jié)合高速累加平均器對(duì)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)處理并顯示結(jié)果。所提出的基于Morlet小波的啟發(fā)式鏈路異常檢測(cè)原理如圖3所示。

圖3 基于Morlet小波的啟發(fā)式異常檢測(cè)原理

Morlet小波檢測(cè)相當(dāng)于一個(gè)復(fù)數(shù)濾波器，對(duì)輸入后向散射信號(hào)x(t)作Morlet小波變換，其卷積形式[14-16]為

Wx(a,b)=x(t-b)ψa,b(t)=x(t-b)ψa,r(t-b)+
jx(t-b)ψa,i(t-b)

(1)

其中，

(2)

表示Morlet小波函數(shù)。在式(2)中，下標(biāo)a,b分別為移動(dòng)因子和尺度因子；j為虛數(shù)單位；ψa,r(t)和ψa,i(t)分別表示Morlet小波變換函數(shù)的實(shí)部和虛部，其表達(dá)式分別為

(3)

(4)

信號(hào)x(t)進(jìn)行復(fù)小波變換后，Wx(a,b)系數(shù)的實(shí)部和虛部分別表示為Re(Wx(a,b))和Im(Wx(a,b))，其相位差為π/2，且實(shí)部和虛部的幅值相同。對(duì)變換后信號(hào)x(t)進(jìn)行包絡(luò)檢波，包絡(luò)解調(diào)中小波系數(shù)的包絡(luò)分量為

(5)

Morlet小波的實(shí)部與虛部分別是具有π/2的正交特性，因此具有帶通濾波功能，可實(shí)現(xiàn)帶通濾波和幅值解調(diào)。改變尺度因子a的值，光纖載波頻率和傳輸帶寬都會(huì)發(fā)生變化，可以得到傳輸帶寬內(nèi)的信號(hào)的信號(hào)包絡(luò)，將這些信號(hào)組合在一起可以得到整個(gè)信號(hào)的包絡(luò)尺度譜。

采用Morlet小波變換實(shí)現(xiàn)包絡(luò)檢波的步驟如下。

步驟1對(duì)后向散射信號(hào)x(t)進(jìn)行快速傅里葉(Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT)變換。

步驟2經(jīng)變換后得到Morlet小波系數(shù)Wx(a,b)。

步驟3對(duì)信號(hào)ψa(w)進(jìn)行快速傅里葉逆(Inverse Fast Fourier Transform，IFFT)變換。

步驟4利用Morlet小波的帶通濾波功能和正交特性，實(shí)現(xiàn)基于Morlet小波的布里淵信號(hào)的包絡(luò)檢測(cè)，可由式(2)得到。

步驟5調(diào)整尺度a大小，得到信號(hào)在不同頻帶中的包絡(luò)成分，從而得到包絡(luò)檢波后的信號(hào)。

3 基于啟發(fā)式的鏈路故障行為發(fā)現(xiàn)

對(duì)于光網(wǎng)絡(luò)異常檢測(cè)路徑選擇，提出基于啟發(fā)式鏈路異常檢測(cè)方法，通過(guò)構(gòu)造監(jiān)測(cè)光纖使得每束光纜至少被一條檢測(cè)光纖遍歷過(guò)。考慮一組監(jiān)測(cè)路徑圖集M，在每條鏈路ei上設(shè)置一個(gè)計(jì)數(shù)器C(ei)，計(jì)數(shù)器表示從發(fā)送方T到接收方R每條鏈路上經(jīng)過(guò)的監(jiān)測(cè)路徑的數(shù)目，即按照局部稀缺最優(yōu)策略，選擇計(jì)數(shù)器數(shù)值C(ei)最小的節(jié)點(diǎn)作為下一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行鏈路檢測(cè)，即每條鏈路至少被一條監(jiān)測(cè)路徑經(jīng)過(guò)。

歸零重置的策略是通過(guò)構(gòu)造光網(wǎng)絡(luò)路徑遍歷方法使得每束光纖鏈路至少被一條監(jiān)測(cè)路徑經(jīng)過(guò)。在光網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DG(V,E)中，若存在一條從發(fā)送方到接收方的隨機(jī)路徑mk，則在由mk經(jīng)過(guò)的所有鏈路上的計(jì)數(shù)器加1，當(dāng)每條鏈路上的計(jì)數(shù)器C(ei)≠0時(shí)，算法結(jié)束，獲取后向散射信號(hào)相關(guān)數(shù)據(jù)。

具體基于啟發(fā)式鏈路故障行為發(fā)現(xiàn)方法步驟如下。

步驟1建立相關(guān)路徑集合M。依據(jù)光網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DG(V,E)，假設(shè)有兩個(gè)監(jiān)測(cè)站，即一個(gè)發(fā)送方，一個(gè)接收方，建立數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)有不同時(shí)期、不同時(shí)刻、不同條件下(溫度/應(yīng)力等環(huán)境條件)的相關(guān)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)路徑集合M。

步驟2選擇網(wǎng)絡(luò)路徑鏈路數(shù)。在異常檢測(cè)中，鏈路數(shù)選擇與檢測(cè)性能密切相關(guān)，是決定系統(tǒng)收斂快慢的關(guān)鍵，是檢驗(yàn)算法優(yōu)異的主要因素。

步驟3在集合M中，初始化每條鏈路上的計(jì)數(shù)器C(ei),(i=1,2,…,|E|)。

步驟4當(dāng)?C(ei)≠0時(shí)，在G中找一條從發(fā)送方到接收方的隨機(jī)路徑，如果mk∈M，放棄該路徑。

步驟5若mk?M，選擇該路徑，并且把mk放入M中；對(duì)mk經(jīng)過(guò)的每條鏈路ei，C(ei)+1，

由此，基于啟發(fā)式鏈路異常檢測(cè)方法就是最小監(jiān)測(cè)路徑優(yōu)化問(wèn)題。通過(guò)在一個(gè)交換節(jié)點(diǎn)得到最小監(jiān)測(cè)路徑集合M，從而在M中的所有監(jiān)測(cè)路徑上同時(shí)發(fā)送探測(cè)進(jìn)行異常檢測(cè)。

基于Morlet小波的發(fā)現(xiàn)技術(shù)獲取數(shù)據(jù)，在相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)中找出具有相似條件下(溫度、應(yīng)力)數(shù)據(jù)與之求相關(guān)，進(jìn)行基于統(tǒng)計(jì)閾值的異常行為檢測(cè)評(píng)估，及時(shí)做出行動(dòng)預(yù)案判定，并進(jìn)行案例的備份和上報(bào)。

4 仿真結(jié)果

在室溫下，當(dāng)波長(zhǎng)為λ=1 550 nm時(shí)，普通石英光纖的增益gp≈5×1011m/W，若本征布里淵譜寬為40 MHz，發(fā)射光信號(hào)的脈寬為100 ns，后向散射信號(hào)經(jīng)過(guò)均衡處理和基于Morlet小波檢測(cè)濾波，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得的布里淵信號(hào)的時(shí)頻分布圖以及光纖沿線上三維布里淵頻譜圖，如圖4所示。由圖4中可以看出，功率譜逼近洛倫茲形狀，隨著光纖長(zhǎng)度的增加，功率譜的幅度逐漸減小，圖4中3段不同明暗程度的傳感光纖對(duì)應(yīng)于圖3的Fiber_A、Fiber_B、Fiber_C光纖，具有不同的布里淵頻移，布里淵頻移分別為10.94 GHz、10.92 GHz和10.96 GHz。如圖5所示，光纖Fiber_B在應(yīng)力為0.1%和0.3%時(shí)的布里淵頻移分別為10.99 GHz和11.03 GHz。

圖4 Fiber_A、Fiber_B、Fiber_C光纖信號(hào)沿線上三維布里淵頻譜反應(yīng)

圖5 光纖Fiber_B在不同應(yīng)力時(shí)的布里淵頻移

如圖6所示，在誤報(bào)率為1%時(shí)，光纖Fiber_B處在溫度升高到50°時(shí)前后兩序列的互相關(guān)關(guān)系，由此可以看出，不管是溫度或應(yīng)力改變，均能有效地發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象。

圖6 隨溫度變化時(shí)光纖異常發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象

鏈路數(shù)的選擇是決定系統(tǒng)收斂快慢的關(guān)鍵因素之一。在實(shí)際光纜網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)于交換局一個(gè)方向一般有(48×2)芯光纜，以小、中、大不同交換局(200,500,1 000)芯為例，檢驗(yàn)鏈路數(shù)與算法收斂快慢的關(guān)系如圖7所示。對(duì)于不同鏈路數(shù)在小于150 s時(shí)算法收斂，相比之下，小交換局鏈路數(shù)小、收斂較快。那么，對(duì)于中大型交換局來(lái)說(shuō)，算法收斂速度快慢是可以接受的。

圖7 系統(tǒng)鏈路數(shù)與算法收斂快慢關(guān)系

圖8給出了網(wǎng)絡(luò)中定位所有單鏈路故障時(shí)，隨機(jī)游走檢測(cè)算法和基于啟發(fā)式故障探測(cè)算法所消耗平均時(shí)間的對(duì)比關(guān)系。由圖8可以看出，所提出的啟發(fā)探測(cè)選擇算法比隨機(jī)游走檢測(cè)算法時(shí)間收斂更快。

圖8 算法計(jì)算中所需鏈路數(shù)與時(shí)間關(guān)系

5 結(jié)語(yǔ)

為了檢測(cè)每條鏈路中可能受溫度和擾動(dòng)引起的線路質(zhì)量變化等問(wèn)題，提高光纜鏈路安全檢測(cè)管控能力，提出了光網(wǎng)絡(luò)啟發(fā)式鏈路異常檢測(cè)發(fā)現(xiàn)方法。所提方法結(jié)合Morlet小波微弱信號(hào)檢測(cè)算子和歸零重置策略，實(shí)現(xiàn)分布式全域遍歷、自歸零的鏈路故障檢測(cè)，以及微弱信號(hào)的感知與判別，提高故障檢測(cè)效率。同時(shí)，仿真結(jié)果表明，所提方法能夠?qū)崿F(xiàn)光網(wǎng)絡(luò)中故障檢測(cè)的靈敏測(cè)試、精度定位和快速響應(yīng)。