毛志杰，張 杰，周繼軍

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

中國光纜線路大部分已運行20多年，鏈路出現(xiàn)問題的概率逐漸增大，做好光纜鏈路檢測安全管控就顯得尤為重要[1-3]。在光網(wǎng)絡流量檢測管控方面，多尺度融合、光開關分布反演、光纖智能感知和圖論等技術已廣泛應用于流量分類、流量預測與流量異常檢測中，進而實現(xiàn)光網(wǎng)絡流量疏導、負載均衡與網(wǎng)絡攻擊定位。

文獻[4]提出利用 “眼圖法”對自建光波分復用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)多粒度交換可重構全光網(wǎng)中數(shù)字光信號進行全面監(jiān)控的方法。文獻[5]研究了光纖傳感網(wǎng)絡出現(xiàn)鏈路故障時光開關的切換策略，實現(xiàn)對失效光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG)傳感器信號的自修復性能。文獻[6]建立關于異常檢測需要的監(jiān)測路徑集合，在建立好的監(jiān)測路徑上同時發(fā)送探測信號。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)測路徑集合問題是非確定多項式問題。文獻[7]提出了一種采用散射光信號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幅度信息與數(shù)目信息，有效提高了反演精度。文獻[8]使用Godard定時誤差檢測器和施密特正交化法估計并補償了接收機損傷，使用級聯(lián)的判決引導實現(xiàn)了對發(fā)射機損傷不敏感的偏振解復用和載波相位恢復。但是，研究光纜線路中微弱信號檢測的比較少[9-10]，并且對整體線路進行診斷成為當前重要的研究方向之一。

近年來，基于啟發(fā)式網(wǎng)絡流量管理與網(wǎng)絡故障管理的應用不斷涌現(xiàn)[11]。為提高光纜鏈路安全檢測管控能力，針對全域全光纜線路的覆蓋和線路中微弱信號的發(fā)現(xiàn)檢測進行了研究，擬提出一種新的啟發(fā)的分布式檢測方法。該方法采用歸零重置的策略，即通過構造監(jiān)測路徑遍歷選擇方法使得每條鏈路至少被一條監(jiān)測路徑經(jīng)過，再結(jié)合Morlet小波微弱信號檢測算子，實現(xiàn)分布式遍歷、自歸零的鏈路故障檢測，發(fā)現(xiàn)微弱信號的感知與判別，以期提高光網(wǎng)絡故障檢測效率。同時，通過仿真實驗驗證所提方法的有效性。

1 光網(wǎng)絡鏈路故障監(jiān)測設計方案

為實現(xiàn)光網(wǎng)絡中故障檢測的靈敏測試、精度定位和快速響應的目標，將光網(wǎng)絡故障預警系統(tǒng)分為一級遠程評估中心、二級本地檢測中心兩級。一級遠程評估中心通過建立故障評估體系，實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)分析、處理、響應和備份，并及時做出行動預案，其基本功能是通過基于啟發(fā)式的故障異常行為評估方法實現(xiàn)。二級本地檢測發(fā)現(xiàn)中心是光網(wǎng)絡鏈路故障監(jiān)測發(fā)現(xiàn)的核心，其功能是對光網(wǎng)絡的鏈路故障進行異常檢測發(fā)現(xiàn)[12-13]?；贛orlet小波的鏈路故障檢測行為發(fā)現(xiàn)技術實現(xiàn)光信號解調(diào)，獲取傳感光纖中的后向散射信號，并通過微弱信號處理確定光網(wǎng)絡是否發(fā)現(xiàn)異常行為。同時，將采集到的各測評站的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給一級監(jiān)控中心。光網(wǎng)絡全域鏈路故障監(jiān)測原理結(jié)構如圖1所示。

圖1 光網(wǎng)絡全域鏈路故障監(jiān)測原理結(jié)構

當監(jiān)測范圍超出檢測上限時，即光信號需要增強時，可以在監(jiān)測范圍內(nèi)劃分出多個監(jiān)測子區(qū)域進行監(jiān)控。設置總遠程控制中心，控制各個子區(qū)域的本地監(jiān)控站及其相關外設，實現(xiàn)對全域內(nèi)的光纜線路檢測控制，監(jiān)測處理流程如圖2所示。

圖2 光網(wǎng)絡全域鏈路故障監(jiān)測流程

2 基于啟發(fā)式的鏈路異常行為檢測

在實際的光纖系統(tǒng)中，會出現(xiàn)短時間的溫度和應力變化，接收的傳感信號表現(xiàn)為其包絡有小突起出現(xiàn)，且持續(xù)時間較短，但攜帶了重要檢測信息。隨著時間延長，包絡中有多處突起后向散射信號經(jīng)過時間平均累加信號趨于平穩(wěn)，就無法檢測到光網(wǎng)絡中鏈路異?，F(xiàn)象。為達到對這類變化有良好的檢測效果，提出了基于Morlet小波的啟發(fā)式鏈路異常檢測方法。

基于Morlet小波的啟發(fā)式鏈路異常檢測方法包括源、傳感光纖、Morlet檢測、均衡檢測、環(huán)形器以及參考光源等6個模塊。采用中心波長為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，進入聲光調(diào)制器(Acoustooptical Modulators，AOM)調(diào)制成光脈沖信號。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，通過對脈沖光進行放大，在EDFA后端加入了窄帶光濾波器進行濾波處理。最后，通過環(huán)形器將光信號注入到傳感光纖中，后向散射信號與參考光經(jīng)過均衡檢測后，采用高靈敏度、低噪聲的光電探測器與寬帶放大器分別對兩路信號進行光電轉(zhuǎn)換與微弱信號檢測。同時，結(jié)合高速累加平均器對轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進行信號處理并顯示結(jié)果。所提出的基于Morlet小波的啟發(fā)式鏈路異常檢測原理如圖3所示。

圖3 基于Morlet小波的啟發(fā)式異常檢測原理

Morlet小波檢測相當于一個復數(shù)濾波器，對輸入后向散射信號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a,b分別為移動因子和尺度因子；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)的實部和虛部，其表達式分別為

(3)

(4)

信號x(t)進行復小波變換后，Wx(a,b)系數(shù)的實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，且實部和虛部的幅值相同。對變換后信號x(t)進行包絡檢波，包絡解調(diào)中小波系數(shù)的包絡分量為

(5)

Morlet小波的實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發(fā)生變化，可以得到傳輸帶寬內(nèi)的信號的信號包絡，將這些信號組合在一起可以得到整個信號的包絡尺度譜。

采用Morlet小波變換實現(xiàn)包絡檢波的步驟如下。

步驟1對后向散射信號x(t)進行快速傅里葉(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對信號ψa(w)進行快速傅里葉逆(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，實現(xiàn)基于Morlet小波的布里淵信號的包絡檢測，可由式(2)得到。

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

3 基于啟發(fā)式的鏈路故障行為發(fā)現(xiàn)

對于光網(wǎng)絡異常檢測路徑選擇，提出基于啟發(fā)式鏈路異常檢測方法，通過構造監(jiān)測光纖使得每束光纜至少被一條檢測光纖遍歷過?？紤]一組監(jiān)測路徑圖集M，在每條鏈路ei上設置一個計數(shù)器C(ei)，計數(shù)器表示從發(fā)送方T到接收方R每條鏈路上經(jīng)過的監(jiān)測路徑的數(shù)目，即按照局部稀缺最優(yōu)策略，選擇計數(shù)器數(shù)值C(ei)最小的節(jié)點作為下一個節(jié)點進行鏈路檢測，即每條鏈路至少被一條監(jiān)測路徑經(jīng)過。

歸零重置的策略是通過構造光網(wǎng)絡路徑遍歷方法使得每束光纖鏈路至少被一條監(jiān)測路徑經(jīng)過。在光網(wǎng)絡拓撲圖G(V,E)中，若存在一條從發(fā)送方到接收方的隨機路徑mk，則在由mk經(jīng)過的所有鏈路上的計數(shù)器加1，當每條鏈路上的計數(shù)器C(ei)≠0時，算法結(jié)束，獲取后向散射信號相關數(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建立相關路徑集合M。依據(jù)光網(wǎng)絡拓撲圖G(V,E)，假設有兩個監(jiān)測站，即一個發(fā)送方，一個接收方，建立數(shù)據(jù)庫存儲有不同時期、不同時刻、不同條件下(溫度/應力等環(huán)境條件)的相關監(jiān)測網(wǎng)絡路徑集合M。

步驟2選擇網(wǎng)絡路徑鏈路數(shù)。在異常檢測中，鏈路數(shù)選擇與檢測性能密切相關，是決定系統(tǒng)收斂快慢的關鍵，是檢驗算法優(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數(shù)器C(ei),(i=1,2,…,|E|)。

步驟4當?C(ei)≠0時，在G中找一條從發(fā)送方到接收方的隨機路徑，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mk經(jīng)過的每條鏈路ei，C(ei)+1，

由此，基于啟發(fā)式鏈路異常檢測方法就是最小監(jiān)測路徑優(yōu)化問題。通過在一個交換節(jié)點得到最小監(jiān)測路徑集合M，從而在M中的所有監(jiān)測路徑上同時發(fā)送探測進行異常檢測。

基于Morlet小波的發(fā)現(xiàn)技術獲取數(shù)據(jù)，在相關數(shù)據(jù)庫中找出具有相似條件下(溫度、應力)數(shù)據(jù)與之求相關，進行基于統(tǒng)計閾值的異常行為檢測評估，及時做出行動預案判定，并進行案例的備份和上報。

4 仿真結(jié)果

在室溫下，當波長為λ=1 550 nm時，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)射光信號的脈寬為100 ns，后向散射信號經(jīng)過均衡處理和基于Morlet小波檢測濾波，對采集到的數(shù)據(jù)進行處理，獲得的布里淵信號的時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應于圖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在應力為0.1%和0.3%時的布里淵頻移分別為10.99 GHz和11.03 GHz。

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

圖5 光纖Fiber_B在不同應力時的布里淵頻移

如圖6所示，在誤報率為1%時，光纖Fiber_B處在溫度升高到50°時前后兩序列的互相關關系，由此可以看出，不管是溫度或應力改變，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)收斂快慢的關鍵因素之一。在實際光纜網(wǎng)絡中，對于交換局一個方向一般有(48×2)芯光纜，以小、中、大不同交換局(200,500,1 000)芯為例，檢驗鏈路數(shù)與算法收斂快慢的關系如圖7所示。對于不同鏈路數(shù)在小于150 s時算法收斂，相比之下，小交換局鏈路數(shù)小、收斂較快。那么，對于中大型交換局來說，算法收斂速度快慢是可以接受的。

圖7 系統(tǒng)鏈路數(shù)與算法收斂快慢關系

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

圖8 算法計算中所需鏈路數(shù)與時間關系

5 結(jié)語

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