基于OPM 的光信道性能監測系統的設計

薛成名，黃麗艷，陳文

（武漢光迅科技有限公司，湖北 武漢 430205）

隨著大數據、短視頻、視頻通話業務的增長，通信容量暴增。基于波分復用傳輸系統技術的不斷升級，光傳輸系統的拓撲結構變得更為復雜。在傳輸過程中，光纖的損耗、色散、非線性效應以及光器件的噪聲、碼間串擾等因素的累加，使得光通道的傳輸性能下降，進而導致光信號劣化和誤碼增多，造成網絡故障[1-3]。為保證高速率多通道光傳輸系統的穩定運行，需在傳輸系統關鍵位置對各個信道的信號波長、功率、光信噪比進行監測。若使用光譜儀對各信道進行監測，可以很輕松完成，但是不適用于集成的通信系統中。集成的系統參數的監測不僅要實現信道參數監測，還要實現根據信道設置的目標參數調整信道參數與目標參數相近[4]。而文中設計的監測系統用于光傳輸系統中EDFA、OADM 等關鍵設備節點處，監測系統通過監測這些設備輸出的信道參數，并反饋給傳輸系統，傳輸系統會根據反饋的參數聯動其他設備模塊實時調節信道參數為最優狀態，保證系統的穩定運行。

1 系統設計

1.1 系統整體設計

光監測模塊OPM、STM32F103VET6 單片機和S3C2440 核芯片等外圍電路共同組成了控制系統、主控管理系統和上位機系統。控制系統主要完成各個設備模塊和外圍電路的驅動，實現模塊初始化、OPM 信道間隔和信道數的設置及模塊光功率采集轉換后的數據儲存；主控管理系統主要完成設備模塊信息的讀取、系統參數的管理和下達設置命令給控制系統，控制系統響應主控管理系統下達的命令配置；上位機系統將監測系統通過網口或串口接收到的監測數據呈現出來，用于監測人員對傳輸系統信號的實時監控[5-6]。系統框圖如圖1 所示。

圖1 整體設計結構框圖

1.2 控制系統設計

控制系統主要通過軟件設計實現對監控信道間隔、信道數及工作模式的配置，并對掃描的信道進行無光閾值，報警閾值等設計，出現數據異常會上報給主控管理系統，管理系統再對數據進行處理，轉發給上位機系統顯示[7-8]。控制系統主要由單片機、OPM、光開關、供電單元等組成。文中選取的OPM 模塊采用靈活柵格，支持自定義通道間隔且可用于C 波段、L 波段、C+L 波段。采集信道數據實時響應小于1 ms，其測量數據用于光傳輸系統遠程增益的均衡，其動態范圍可達50 dB，支持網絡配置和傳輸協議及物理層監控。其光學參數如表1所示。

表1 模塊性能參數

OPM 主要將獲取的光信號通過內部光學原理將不同頻率的波長分離開來，波長分離后分時對各個波長的光進行探測，然后對波長頻率依次進行信號快速采集后送入信號處理器，信號處理器對采集到的數據進行分析，通過卷積計算出光信號的中心波長、光功率等。將計算的數據送入單片機控制系統進行處理，控制系統會通過測量的數據快速識別通道的配置、通道波長的變化和多波長通道的性能指標[9]。將其測量的數據與系統設置的目標參數做差值，根據差值范圍聯動其他設備模塊，控制系統通過驅動對應的設備模塊實時調整信道數據，使監測的數據參數與設置目標參數相近。

監測系統采用1×2的光開關，通過接收單片機的指令，自動在各監測點切換，可以實現一套監測系統對多個設備重要節點進行監測，簡化傳輸系統的復雜度。光開關切換的同時，管理系統通過控制系統上報設備節點信息，可以識別出對應的設備信息，將該設備節點的波長信息、光功率及光信噪比傳送給網管，進而實現同時對多個節點設備的監測[10-12]。

控制系統中的單片機選用STM32F103VET6，該款芯片內置高速存儲器，擁有高20k 字節SRAM 和128 字節的閃存；具有80 個GPIO 和12 位的ADC 三路，共有16 個通道，其配置滿足對監測系統的需求；具有先進的RIS結構；具有低功耗、性價比高的特點。

1.3 管理系統設計

設計的管理系統基于芯片S3C2440，操作系統為Linux 操作系統[13]。管理系統主要提供網絡管理，通過自定義的傳輸協議實現與控制系統和上位機系統的聯動，并進行固件程序升級的實現。設計CLI（命令行控制界面）的命令，實現對設備的動態配置。主要命令如表2 所示。

表2 模塊功能參數

管理系統會把來自控制系統輸出數據的存放形式進行封裝，把數據通過軟件實現數據結構的管理，使展現的數據更加清晰。通過清晰的數據管理，用戶人員可以更容易發現異常的數據。管理系統還提供網絡管理、單片機告警采集、單片機命令設置、參數輪詢等功能[14]。

主控使用的S3C2440 是一款采用RISC 技術的ARM9芯片，ARM920T內核實現了MMU，適合多道程序運行多任務處理，支持Linux 系統、AMBA 總線和哈佛結構高速緩沖體系結構，使其具有獨立的16 kB指令高速緩存和16 kB 數據高速緩存。它還具有3通道的USART、10/100M 以太網接口、USB 端口、130個通用IO 等，擁有豐富的系統與應用外設及標準的接口，具有很高的性價比。

文中設計對Linux 操作系統進行裁剪和修改。Linux 在嵌入式設備方面有很多特色，適應于多種CPU 和多種硬件平臺，而且性能穩定、裁剪性好，容易開發和使用。另外，Linux 內核的結構在網絡通信方面是非常完善的，支持網絡中最常用的TCP/IP 協議。Linux 移植流程圖如圖2 所示。

圖2 Linux移植流程圖

2 軟件系統設計

文中設計的信道監測性能系統的軟件設計主要采用分層設計的思想和同步響應異步相響相結合的思想。分層設計思想將軟件設計分為底層、中層和上層的結構層次，每個層次的分工各不相同。底層主要對硬件設備進行驅動，包括OPM 模塊驅動、串口通信和網絡通信的驅動，并為中層程序設計提供相應接口；中層調用底層的函數，根據監測系統的需求，實現相對應的功能，并為上層提供函數接口，主要包括一些設置和獲得模塊參數信息的函數。上層調用中層的函數實現相對應的功能，比如命令行界面及網管等功能[15]。同步響應異步相響應相結合是指當主控管理系統下發不同的配置命令時，設備模塊響應的時間不同，對設備模塊可以及時響應返回數據的，采用同步響應；對設備模塊響應返回數據需要時間等待的，采用異步響應模式。在響應等待時，可以響應其他邏輯功能，之后在中斷中輪詢該配置命令的響應標志，輪詢到響應標志后處理相應結果，保證了控制系統處理業務的實時性。系統軟件整體框圖如圖3 所示。

圖3 軟件設計框圖

管理系統軟件設計采用輪詢方式對其下設備模塊進行通信，能夠讀取單片機存儲的各信道的功率、波長、信道配置信息及模塊出現的告警信息，并將讀取到的數據信息轉發到上位機由用戶處理。上位機接收到由管理系統從控制系統中讀取到的信息，并將該數據信息用PC 終端顯示出來，便于用戶人員查看。此外，上位機系統和主控管理系統通信，間接可與控制系統通信，通過命令行控制界面（CLI）接口配置指令信息對控制系統進行相應的配置和管理[16]。

3 監測系統性能與評估

文中通過光譜儀和監測系統測試同一根、同一節點處的業務信號，監測系統通過命令行界面讀出測試系統上報的數據，然后和光譜儀讀出的數據進行對比。數據對比如表3 所示。

表3 測量數據對比

從光譜儀讀出的數據和監測系統的數據在誤差允許范圍內基本保持相同，監測系統的設計可以較好地應用于光傳輸系統中。

4 結束語

隨著大容量數據在光網絡中的傳輸，對光網絡中信道數據的監測保證了光網絡的穩定可靠的運行。文中設計的監測系統可以實時對傳輸系統中的參數進行監測，根據監測的參數可以及時發現傳輸過程中遇到的異常。通過異常數據的反饋，系統可以及時作出相應的調整，進而保持系統的穩定。用戶人員也可以根據參數及時定位故障，減少排除故障的時間。監測系統的設計可以提升光網絡的安全可靠性，使傳輸系統穩定運行。