烽火通信ODN網絡無源環境感應方案

  隨著國家網絡強國戰略的持續深化和光纖通信技術的快速發展，5G和千兆網絡部署不斷加快，國內已部署了大量的光纖接入網絡，但由于光纜老化以及施工不規范等因素，導致鏈路中經常出現故障。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、盒體設備故障，諸如破損、漏水、未關門等現象。通常箱體盒體設備的故障會導致內部光纖、器件直接暴露于室外自然環境，受到風吹雨淋的影響而出現損壞，進而出現鏈路故障。據統計，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、光纜交接箱的設備損壞進而導致內部器件損害的原因占光纖、器件損壞的80%以上。

  由于ODN網絡分布面廣，錯綜復雜，進行故障點的定位成為一個耗時耗力的工作。為了快速定位，目前行業內開發了基于OTDR設備的在線鏈路檢測方案，可以通過OTDR以及數據分析平臺來實現光纖鏈路檢測、故障告警，能夠準確、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。如果可以實現對ODN網絡中的箱、盒體狀態進行實時感應，提前預警箱、盒體的故障，那么就有可能在箱、盒體內部光纖、器件在損壞之前進行維護，從而避免網絡故障的發生。

  根據這一現象，采用ODN設備有源感應方案也可實現，通過對現有箱、盒體進行有源化改造，內部設置電池或者引入電源，并通過內部的有源門禁傳感器、有源水浸傳感器等實現對箱、盒體狀態的感應。但是，有源的方案需要額外進行供電線路、通信線路的敷設，使用成本和維護成本高且可靠性低。

  客戶對ODN網絡有高壽命、可視化、高精度、融環境、易升級等要求，烽火通信根據行業用戶的差異化需求，推出ODN網絡無源環境感應方案，該方案通過獨有的技術路線，更具成本和技術優勢，可覆蓋石油、能源、核電、園區等行業領域，處于通信行業應用領先地位。

  ODN網絡無源環境感應的關鍵挑戰

  ODN網絡屬于無源光網絡，而行業內常見的感應系統都是基于有源網絡，ODN特殊的結構和特性對環境感應方案提出了較大的挑戰：

  (1) 線路供電難：ODN網絡中不存在供電線路，且絕大部分設備也是純無源設備，如采用基于有源傳感器的感應方案難以進行供電。

  (2) 敷設信號回路難：在國內，FTTH建設已步入尾聲，現有已部署的ODN網絡數量龐大，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分傳感器信號，從而判斷故障類型。

  (4) 使用壽命要求高：ODN網絡的設計壽命一般達到20~30年，因而對感應鏈路同樣需要達到同等的使用壽命和可靠性。

  ODN網絡無源環境感應系統的設計目標

  由于ODN網絡的特殊性，適用于ODN網絡的無源環境感應需要達到以下的設計目標：

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

  (2) 平滑升級：無需額外增加感應線路，利用傳感器無源化、小型化、感應信號與通信信號共用光纖傳輸的特點，在不改動舊網的網絡架構、設備以及不占用額外光纖鏈路的前提下，對舊網進行感應功能升級或用于新網建設。

  (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地圖系統實現拓撲還原，將ODN網絡結構直觀的呈現在圖形界面，做到故障點可視化顯示。

  (5) 提前故障預測：經過大數據分析以及特定算法，根據故障前的信號特征，提前進行故障預測，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到ODN網絡的設計壽命。

  ODN網絡無源環境感應系統的設計思路

  該方案是在不改變現有網絡結構、不增加額外通信回路的基礎上實現ODN網絡的無源環境感應，適用于新建線路或老線路改造。通過以下幾個方面來實現。

  (1) 感應信號的產生

  為了避免感應信號在ODN網絡傳輸中對原有的通信信號產生影響，使用了一個與通信信號不同波長的感應光信號，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，并將其串聯至原光纖鏈路中。該傳感器與此前業內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特點產生反饋信號，但會存在原有光路損耗增大的弊端，烽火通信研發的傳感器克服了此項缺陷，當產生故障信號時，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、門未正常關閉或惡意打開的情況下，能夠產生回傳信號，而通信信號不受任何影響。

  (2) 感應信號的收集

  為了實現感應信號的收集，我們在PON網絡的始端串聯信號收集設備，以固定的開關周期采集光網絡中不同線路、不同時間軸位置的感應信號，對信號變換分解以及最小二乘法處理和重構獲取到容易識別的反饋曲線和光信號樣本數據。感應信號被截止在信號收集設備處，不對PON設備產生任何影響。

  (3) 信號的分析與處理

  首先，為了更準確的對信號進行分析以便進行故障分類，需要平臺開發的初期采集大量的光信號樣本數據，并對數據的特征標定，然后將樣本數據、特征值以及人工智能算法提供給AI訓練平臺進行迭代式的訓練、調優以及測試，通過此方式我們得到一個信號處理的AI模型。

  其次，在具體應用場景中，我們需要進行無源設施節點及鏈路拓撲的構建，以及需要進行傳感器初始狀態的綁定，并利用GIS地圖實現上述管理對象的空間地理信息的管理。

  當系統采集到鏈路中的感應信號樣本時，通過系統內置的AI模型，可以快捷的分析判定出所采集的光信號數據所對應的傳感結點的實際狀態;并且管理系統可以利用錄入的設施節點及鏈路拓撲的空間地理信息數據，在GIS系統上高亮標記出傳感量有變化的設施節點，提示變化的原因，并通過APP推送該信息給維護人員及時進行維護。

  ODN網絡無源環境感應系統的架構

  通過上面的設計思路，可以把ODN網絡無源環境感應區分為以下三層：

  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化為感應光信號。

  第二層為感應設備層，主要完成感應信號的產生和采集工作，通過無源傳感器將感應光信號通過通信網絡回傳至信號收集設備以實現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系統等對數據樣本進行分析，并可視化的進行故障點顯示。

  無源環境感應系統的場景和功能擴展

  無源感應方案因為其原理和特性，相比傳統的有源感應，除了無需供電外，還具備以下優勢：

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

  (2) 抗干擾能力強：相比有源感應系統，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境復雜的領域;

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

  (4) 安全可靠：因為采用完全無源的系統，因而不會產生電弧等現象，相比有源系統，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?？梢赃_到ODN網絡的設計壽命，即20~30年。

  相比有源感應方案，無源傳感具備諸多優勢?；跓o源感應系統的這些特性和優點，除了運用于傳統的ODN網絡外，進一步還可以推廣到其他的特種行業，如：石油化工制造、天然氣管道、礦區、核電站等。

  除了上述感應功能外，該方案還可進行光纖鏈路檢測的功能擴展，通過數據平臺的大數據分析來判斷光纖折損點或弱光點，實現精準定位，極大的提高故障診斷效率。

  隨著ODN技術的成熟與應用，烽火通信在ODN領域已深耕多年且處于領先地位，持續創新和勇于擔當的態度是烽火的動力源泉。烽火通信通過不斷地努力，推動行業的發展和進步，推進技術創新，構建安全高效的接入網絡體系。未來，烽火通信將繼續發揮ODN領域的核心優勢，持續推進產品及解決方案的研發，面向不同行業提供優質可靠的信息服務，助力國家網絡強國和新基建的目標實現。

  烽火通信 黃美金