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2021/12/15 11:25

烽火通信ODN网络无源环境感应方案

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随着国家网络强国战略的持续深化和光纤通信技术的快速发展,5G和千兆网络部署不断加快,国内已部署了大量的光纤接入网络,但由于光缆老化以及施工不规范等因素,导致链路中经常出现故障。故障一般分为两类:一类是光纤链路的故障,诸如断纤、连接器损坏、分路器损坏等;另一类故障是用于容纳光器件的箱、盒体设备故障,诸如破损、漏水、未关门等现象。通常箱体盒体设备的故障会导致内部光纤、器件直接暴露于室外自然环境,受到风吹雨淋的影响而出现损坏,进而出现链路故障。据统计,光纤、器件故障占通信中断原因的 70% 以上,而光缆分纤箱、光缆接头盒、光缆交接箱的设备损坏进而导致内部器件损害的原因占光纤、器件损坏的80%以上。

由于ODN网络分布面广,错综复杂,进行故障点的定位成为一个耗时耗力的工作。为了快速定位,目前行业内开发了基于OTDR设备的在线链路检测方案,可以通过OTDR以及数据分析平台来实现光纤链路检测、故障告警,能够准确、及时的判断光纤折损点,极大的提高了故障排查效率。但是,以上方案只能对链路故障进行事后的定位,并不能从根源上减少链路故障或提前告知隐患。如果可以实现对ODN网络中的箱、盒体状态进行实时感应,提前预警箱、盒体的故障,那么就有可能在箱、盒体内部光纤、器件在损坏之前进行维护,从而避免网络故障的发生。

根据这一现象,采用ODN设备有源感应方案也可实现,通过对现有箱、盒体进行有源化改造,内部设置电池或者引入电源,并通过内部的有源门禁传感器、有源水浸传感器等实现对箱、盒体状态的感应。但是,有源的方案需要额外进行供电线路、通信线路的敷设,使用成本和维护成本高且可靠性低。

客户对ODN网络有高寿命、可视化、高精度、融环境、易升级等要求,烽火通信根据行业用户的差异化需求,推出ODN网络无源环境感应方案,该方案通过独有的技术路线,更具成本和技术优势,可覆盖石油、能源、核电、园区等行业领域,处于通信行业应用领先地位。

ODN网络无源环境感应的关键挑战

ODN网络属于无源光网络,而行业内常见的感应系统都是基于有源网络,ODN特殊的结构和特性对环境感应方案提出了较大的挑战:

(1) 线路供电难:ODN网络中不存在供电线路,且绝大部分设备也是纯无源设备,如采用基于有源传感器的感应方案难以进行供电。

(2) 敷设信号回路难:在国内,FTTH建设已步入尾声,现有已部署的ODN网络数量庞大,如需要在链路中新增信号回路将是一项巨大的工作量,需投入大量的资源和人力。

(3) 定位精度要求高:在同一设备中,可能需要集成多种传感器,如在光缆交接箱中,既需要提供门禁传感器,也需要提供水浸传感器,因而需要更高的定位精度来区分传感器信号,从而判断故障类型。

(4) 使用寿命要求高:ODN网络的设计寿命一般达到20~30年,因而对感应链路同样需要达到同等的使用寿命和可靠性。

ODN网络无源环境感应系统的设计目标

由于ODN网络的特殊性,适用于ODN网络的无源环境感应需要达到以下的设计目标:

(1) 无源告警:网络部署中无需新增供电线路,通过光信号提供准确可靠的水浸、门禁、振动、温度、湿度等告警信息。

(2) 平滑升级:无需额外增加感应线路,利用传感器无源化、小型化、感应信号与通信信号共用光纤传输的特点,在不改动旧网的网络架构、设备以及不占用额外光纤链路的前提下,对旧网进行感应功能升级或用于新网建设。

(3) 故障高精度定位,定位误差小于1m。

(4) 故障可视化显示:通过GIS地图系统实现拓扑还原,将ODN网络结构直观的呈现在图形界面,做到故障点可视化显示。

(5) 提前故障预测:经过大数据分析以及特定算法,根据故障前的信号特征,提前进行故障预测,防患于未然。

(6) 高使用寿命:链路中新加入的无源传感器件同样达到ODN网络的设计寿命。

ODN网络无源环境感应系统的设计思路

该方案是在不改变现有网络结构、不增加额外通信回路的基础上实现ODN网络的无源环境感应,适用于新建线路或老线路改造。通过以下几个方面来实现。

(1) 感应信号的产生

为了避免感应信号在ODN网络传输中对原有的通信信号产生影响,使用了一个与通信信号不同波长的感应光信号,耦合到原有通信光纤中。在ODN链路箱体或盒体中加入无源传感器,并将其串联至原光纤链路中。该传感器与此前业内的机械式传感器的原理不同,原机械式传感器是采用光纤弯曲的光学特点产生反馈信号,但会存在原有光路损耗增大的弊端,烽火通信研发的传感器克服了此项缺陷,当产生故障信号时,原有线路的损耗几乎没有变化。传感器在盒体箱体受到水浸、门未正常关闭或恶意打开的情况下,能够产生回传信号,而通信信号不受任何影响。

(2) 感应信号的收集

为了实现感应信号的收集,我们在PON网络的始端串联信号收集设备,以固定的开关周期采集光网络中不同线路、不同时间轴位置的感应信号,对信号变换分解以及最小二乘法处理和重构获取到容易识别的反馈曲线和光信号样本数据。感应信号被截止在信号收集设备处,不对PON设备产生任何影响。

(3) 信号的分析与处理

首先,为了更准确的对信号进行分析以便进行故障分类,需要平台开发的初期采集大量的光信号样本数据,并对数据的特征标定,然后将样本数据、特征值以及人工智能算法提供给AI训练平台进行迭代式的训练、调优以及测试,通过此方式我们得到一个信号处理的AI模型。

其次,在具体应用场景中,我们需要进行无源设施节点及链路拓扑的构建,以及需要进行传感器初始状态的绑定,并利用GIS地图实现上述管理对象的空间地理信息的管理。

当系统采集到链路中的感应信号样本时,通过系统内置的AI模型,可以快捷的分析判定出所采集的光信号数据所对应的传感结点的实际状态;并且管理系统可以利用录入的设施节点及链路拓扑的空间地理信息数据,在GIS系统上高亮标记出传感量有变化的设施节点,提示变化的原因,并通过APP推送该信息给维护人员及时进行维护。

ODN网络无源环境感应系统的架构

通过上面的设计思路,可以把ODN网络无源环境感应区分为以下三层:

第一层为传感层,主要由无源传感器组成,包括水浸传感器、温湿度传感器、门禁传感器、震动传感器等等,其主要作用为将外界的物理信号转化为感应光信号。

第二层为感应设备层,主要完成感应信号的产生和采集工作,通过无源传感器将感应光信号通过通信网络回传至信号收集设备以实现信号样本的采集和初步分析。

第三层为软件平台层,主要通过AI算法、GIS系统等对数据样本进行分析,并可视化的进行故障点显示。

无源环境感应系统的场景和功能扩展

无源感应方案因为其原理和特性,相比传统的有源感应,除了无需供电外,还具备以下优势:

(1) 传输距离远:因为采用光纤进行感应信号的传递,因而具备了光通信的通信距离远的特性,而有源感应由于存在传输压降等问题,传输距离一般不会太远;

(2) 抗干扰能力强:相比有源感应系统,光信号的传输不会受到外界电磁干扰的影响,因而无源传感可以运用到电磁环境复杂的领域;

(3) 更低成本:相比有源感应系统中用到的铜缆,无源感应所使用的光纤具备更低成本,且无需配备额外的供电设备;

(4) 安全可靠:因为采用完全无源的系统,因而不会产生电弧等现象,相比有源系统,更适用于易燃易爆的特殊场景;

(5) 抗腐蚀性好:铜缆以及有源传感器通常会用到大量的金属部件,在沿海或者高盐雾的环境,其更易受到腐蚀而损害,而光纤及光传感器不存在这样的弊端;

(6) 使用寿命长:无源传感器及所使用的光纤光缆通常可以达到ODN网络的设计寿命,即20~30年。

相比有源感应方案,无源传感具备诸多优势。基于无源感应系统的这些特性和优点,除了运用于传统的ODN网络外,进一步还可以推广到其他的特种行业,如:石油化工制造、天然气管道、矿区、核电站等。

除了上述感应功能外,该方案还可进行光纤链路检测的功能扩展,通过数据平台的大数据分析来判断光纤折损点或弱光点,实现精准定位,极大的提高故障诊断效率。

随着ODN技术的成熟与应用,烽火通信在ODN领域已深耕多年且处于领先地位,持续创新和勇于担当的态度是烽火的动力源泉。烽火通信通过不断地努力,推动行业的发展和进步,推进技术创新,构建安全高效的接入网络体系。未来,烽火通信将继续发挥ODN领域的核心优势,持续推进产品及解决方案的研发,面向不同行业提供优质可靠的信息服务,助力国家网络强国和新基建的目标实现。

烽火通信 黄美金

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