烽火通信ODN網(wǎng)絡(luò)無源環(huán)境感應(yīng)方案

  隨著國家網(wǎng)絡(luò)強國戰(zhàn)略的持續(xù)深化和光纖通信技術(shù)的快速發(fā)展，5G和千兆網(wǎng)絡(luò)部署不斷加快，國內(nèi)已部署了大量的光纖接入網(wǎng)絡(luò)，但由于光纜老化以及施工不規(guī)范等因素，導(dǎo)致鏈路中經(jīng)常出現(xiàn)故障。故障一般分為兩類：一類是光纖鏈路的故障，諸如斷纖、連接器損壞、分路器損壞等;另一類故障是用于容納光器件的箱、盒體設(shè)備故障，諸如破損、漏水、未關(guān)門等現(xiàn)象。通常箱體盒體設(shè)備的故障會導(dǎo)致內(nèi)部光纖、器件直接暴露于室外自然環(huán)境，受到風(fēng)吹雨淋的影響而出現(xiàn)損壞，進(jìn)而出現(xiàn)鏈路故障。據(jù)統(tǒng)計，光纖、器件故障占通信中斷原因的 70% 以上，而光纜分纖箱、光纜接頭盒、光纜交接箱的設(shè)備損壞進(jìn)而導(dǎo)致內(nèi)部器件損害的原因占光纖、器件損壞的80%以上。

  由于ODN網(wǎng)絡(luò)分布面廣，錯綜復(fù)雜，進(jìn)行故障點的定位成為一個耗時耗力的工作。為了快速定位，目前行業(yè)內(nèi)開發(fā)了基于OTDR設(shè)備的在線鏈路檢測方案，可以通過OTDR以及數(shù)據(jù)分析平臺來實現(xiàn)光纖鏈路檢測、故障告警，能夠準(zhǔn)確、及時的判斷光纖折損點，極大的提高了故障排查效率。但是，以上方案只能對鏈路故障進(jìn)行事后的定位，并不能從根源上減少鏈路故障或提前告知隱患。如果可以實現(xiàn)對ODN網(wǎng)絡(luò)中的箱、盒體狀態(tài)進(jìn)行實時感應(yīng)，提前預(yù)警箱、盒體的故障，那么就有可能在箱、盒體內(nèi)部光纖、器件在損壞之前進(jìn)行維護(hù)，從而避免網(wǎng)絡(luò)故障的發(fā)生。

  根據(jù)這一現(xiàn)象，采用ODN設(shè)備有源感應(yīng)方案也可實現(xiàn)，通過對現(xiàn)有箱、盒體進(jìn)行有源化改造，內(nèi)部設(shè)置電池或者引入電源，并通過內(nèi)部的有源門禁傳感器、有源水浸傳感器等實現(xiàn)對箱、盒體狀態(tài)的感應(yīng)。但是，有源的方案需要額外進(jìn)行供電線路、通信線路的敷設(shè)，使用成本和維護(hù)成本高且可靠性低。

  客戶對ODN網(wǎng)絡(luò)有高壽命、可視化、高精度、融環(huán)境、易升級等要求，烽火通信根據(jù)行業(yè)用戶的差異化需求，推出ODN網(wǎng)絡(luò)無源環(huán)境感應(yīng)方案，該方案通過獨有的技術(shù)路線，更具成本和技術(shù)優(yōu)勢，可覆蓋石油、能源、核電、園區(qū)等行業(yè)領(lǐng)域，處于通信行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)先地位。

  ODN網(wǎng)絡(luò)無源環(huán)境感應(yīng)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)

  ODN網(wǎng)絡(luò)屬于無源光網(wǎng)絡(luò)，而行業(yè)內(nèi)常見的感應(yīng)系統(tǒng)都是基于有源網(wǎng)絡(luò)，ODN特殊的結(jié)構(gòu)和特性對環(huán)境感應(yīng)方案提出了較大的挑戰(zhàn)：

  (1) 線路供電難：ODN網(wǎng)絡(luò)中不存在供電線路，且絕大部分設(shè)備也是純無源設(shè)備，如采用基于有源傳感器的感應(yīng)方案難以進(jìn)行供電。

  (2) 敷設(shè)信號回路難：在國內(nèi)，F(xiàn)TTH建設(shè)已步入尾聲，現(xiàn)有已部署的ODN網(wǎng)絡(luò)數(shù)量龐大，如需要在鏈路中新增信號回路將是一項巨大的工作量，需投入大量的資源和人力。

  (3) 定位精度要求高：在同一設(shè)備中，可能需要集成多種傳感器，如在光纜交接箱中，既需要提供門禁傳感器，也需要提供水浸傳感器，因而需要更高的定位精度來區(qū)分傳感器信號，從而判斷故障類型。

  (4) 使用壽命要求高：ODN網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計壽命一般達(dá)到20~30年，因而對感應(yīng)鏈路同樣需要達(dá)到同等的使用壽命和可靠性。

  ODN網(wǎng)絡(luò)無源環(huán)境感應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)

  由于ODN網(wǎng)絡(luò)的特殊性，適用于ODN網(wǎng)絡(luò)的無源環(huán)境感應(yīng)需要達(dá)到以下的設(shè)計目標(biāo)：

  (1) 無源告警：網(wǎng)絡(luò)部署中無需新增供電線路，通過光信號提供準(zhǔn)確可靠的水浸、門禁、振動、溫度、濕度等告警信息。

  (2) 平滑升級：無需額外增加感應(yīng)線路，利用傳感器無源化、小型化、感應(yīng)信號與通信信號共用光纖傳輸?shù)奶攸c，在不改動舊網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、設(shè)備以及不占用額外光纖鏈路的前提下，對舊網(wǎng)進(jìn)行感應(yīng)功能升級或用于新網(wǎng)建設(shè)。

  (3) 故障高精度定位，定位誤差小于1m。

  (4) 故障可視化顯示：通過GIS地圖系統(tǒng)實現(xiàn)拓?fù)溥€原，將ODN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)直觀的呈現(xiàn)在圖形界面，做到故障點可視化顯示。

  (5) 提前故障預(yù)測：經(jīng)過大數(shù)據(jù)分析以及特定算法，根據(jù)故障前的信號特征，提前進(jìn)行故障預(yù)測，防患于未然。

  (6) 高使用壽命：鏈路中新加入的無源傳感器件同樣達(dá)到ODN網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計壽命。

  ODN網(wǎng)絡(luò)無源環(huán)境感應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計思路

  該方案是在不改變現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、不增加額外通信回路的基礎(chǔ)上實現(xiàn)ODN網(wǎng)絡(luò)的無源環(huán)境感應(yīng)，適用于新建線路或老線路改造。通過以下幾個方面來實現(xiàn)。

  (1) 感應(yīng)信號的產(chǎn)生

  為了避免感應(yīng)信號在ODN網(wǎng)絡(luò)傳輸中對原有的通信信號產(chǎn)生影響，使用了一個與通信信號不同波長的感應(yīng)光信號，耦合到原有通信光纖中。在ODN鏈路箱體或盒體中加入無源傳感器，并將其串聯(lián)至原光纖鏈路中。該傳感器與此前業(yè)內(nèi)的機械式傳感器的原理不同，原機械式傳感器是采用光纖彎曲的光學(xué)特點產(chǎn)生反饋信號，但會存在原有光路損耗增大的弊端，烽火通信研發(fā)的傳感器克服了此項缺陷，當(dāng)產(chǎn)生故障信號時，原有線路的損耗幾乎沒有變化。傳感器在盒體箱體受到水浸、門未正常關(guān)閉或惡意打開的情況下，能夠產(chǎn)生回傳信號，而通信信號不受任何影響。

  (2) 感應(yīng)信號的收集

  為了實現(xiàn)感應(yīng)信號的收集，我們在PON網(wǎng)絡(luò)的始端串聯(lián)信號收集設(shè)備，以固定的開關(guān)周期采集光網(wǎng)絡(luò)中不同線路、不同時間軸位置的感應(yīng)信號，對信號變換分解以及最小二乘法處理和重構(gòu)獲取到容易識別的反饋曲線和光信號樣本數(shù)據(jù)。感應(yīng)信號被截止在信號收集設(shè)備處，不對PON設(shè)備產(chǎn)生任何影響。

  (3) 信號的分析與處理

  首先，為了更準(zhǔn)確的對信號進(jìn)行分析以便進(jìn)行故障分類，需要平臺開發(fā)的初期采集大量的光信號樣本數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)的特征標(biāo)定，然后將樣本數(shù)據(jù)、特征值以及人工智能算法提供給AI訓(xùn)練平臺進(jìn)行迭代式的訓(xùn)練、調(diào)優(yōu)以及測試，通過此方式我們得到一個信號處理的AI模型。

  其次，在具體應(yīng)用場景中，我們需要進(jìn)行無源設(shè)施節(jié)點及鏈路拓?fù)涞臉?gòu)建，以及需要進(jìn)行傳感器初始狀態(tài)的綁定，并利用GIS地圖實現(xiàn)上述管理對象的空間地理信息的管理。

  當(dāng)系統(tǒng)采集到鏈路中的感應(yīng)信號樣本時，通過系統(tǒng)內(nèi)置的AI模型，可以快捷的分析判定出所采集的光信號數(shù)據(jù)所對應(yīng)的傳感結(jié)點的實際狀態(tài);并且管理系統(tǒng)可以利用錄入的設(shè)施節(jié)點及鏈路拓?fù)涞目臻g地理信息數(shù)據(jù)，在GIS系統(tǒng)上高亮標(biāo)記出傳感量有變化的設(shè)施節(jié)點，提示變化的原因，并通過APP推送該信息給維護(hù)人員及時進(jìn)行維護(hù)。

  ODN網(wǎng)絡(luò)無源環(huán)境感應(yīng)系統(tǒng)的架構(gòu)

  通過上面的設(shè)計思路，可以把ODN網(wǎng)絡(luò)無源環(huán)境感應(yīng)區(qū)分為以下三層：

  第一層為傳感層，主要由無源傳感器組成，包括水浸傳感器、溫濕度傳感器、門禁傳感器、震動傳感器等等，其主要作用為將外界的物理信號轉(zhuǎn)化為感應(yīng)光信號。

  第二層為感應(yīng)設(shè)備層，主要完成感應(yīng)信號的產(chǎn)生和采集工作，通過無源傳感器將感應(yīng)光信號通過通信網(wǎng)絡(luò)回傳至信號收集設(shè)備以實現(xiàn)信號樣本的采集和初步分析。

  第三層為軟件平臺層，主要通過AI算法、GIS系統(tǒng)等對數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行分析，并可視化的進(jìn)行故障點顯示。

  無源環(huán)境感應(yīng)系統(tǒng)的場景和功能擴展

  無源感應(yīng)方案因為其原理和特性，相比傳統(tǒng)的有源感應(yīng)，除了無需供電外，還具備以下優(yōu)勢：

  (1) 傳輸距離遠(yuǎn)：因為采用光纖進(jìn)行感應(yīng)信號的傳遞，因而具備了光通信的通信距離遠(yuǎn)的特性，而有源感應(yīng)由于存在傳輸壓降等問題，傳輸距離一般不會太遠(yuǎn);

  (2) 抗干擾能力強：相比有源感應(yīng)系統(tǒng)，光信號的傳輸不會受到外界電磁干擾的影響，因而無源傳感可以運用到電磁環(huán)境復(fù)雜的領(lǐng)域;

  (3) 更低成本：相比有源感應(yīng)系統(tǒng)中用到的銅纜，無源感應(yīng)所使用的光纖具備更低成本，且無需配備額外的供電設(shè)備;

  (4) 安全可靠：因為采用完全無源的系統(tǒng)，因而不會產(chǎn)生電弧等現(xiàn)象，相比有源系統(tǒng)，更適用于易燃易爆的特殊場景;

  (5) 抗腐蝕性好：銅纜以及有源傳感器通常會用到大量的金屬部件，在沿?；蛘吒啕}霧的環(huán)境，其更易受到腐蝕而損害，而光纖及光傳感器不存在這樣的弊端;

  (6) 使用壽命長：無源傳感器及所使用的光纖光纜通常可以達(dá)到ODN網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計壽命，即20~30年。

  相比有源感應(yīng)方案，無源傳感具備諸多優(yōu)勢。基于無源感應(yīng)系統(tǒng)的這些特性和優(yōu)點，除了運用于傳統(tǒng)的ODN網(wǎng)絡(luò)外，進(jìn)一步還可以推廣到其他的特種行業(yè)，如：石油化工制造、天然氣管道、礦區(qū)、核電站等。

  除了上述感應(yīng)功能外，該方案還可進(jìn)行光纖鏈路檢測的功能擴展，通過數(shù)據(jù)平臺的大數(shù)據(jù)分析來判斷光纖折損點或弱光點，實現(xiàn)精準(zhǔn)定位，極大的提高故障診斷效率。

  隨著ODN技術(shù)的成熟與應(yīng)用，烽火通信在ODN領(lǐng)域已深耕多年且處于領(lǐng)先地位，持續(xù)創(chuàng)新和勇于擔(dān)當(dāng)?shù)膽B(tài)度是烽火的動力源泉。烽火通信通過不斷地努力，推動行業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步，推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新，構(gòu)建安全高效的接入網(wǎng)絡(luò)體系。未來，烽火通信將繼續(xù)發(fā)揮ODN領(lǐng)域的核心優(yōu)勢，持續(xù)推進(jìn)產(chǎn)品及解決方案的研發(fā)，面向不同行業(yè)提供優(yōu)質(zhì)可靠的信息服務(wù)，助力國家網(wǎng)絡(luò)強國和新基建的目標(biāo)實現(xiàn)。

  烽火通信 黃美金