探索新型低成本高效率空闲纤芯资源管理
作者
摘要：随着传输网络规模发展，纤芯资源需要越来越大，而纤芯资源作为一种“哑”资源，无法像有源设备能够进行有效监控和管理。该项目研究如何对一级以上线路的空闲纤芯（包括一、二干线）进行实时监控管理，使用户能随时查看重要线路纤芯资源的纤芯质量情况。该系统研究首先提出管理系统的硬件组成，辅以网管软件的基础上，验证其在实际中智能化监测空闲光纤资源的可行性，同时也简要展示该监测系统的网管的操作方法。之后则是同几种常见的纤芯资源监测做出比较，验证其高性价比的明显优势。最终结果证明，该空闲纤芯资源管理系统在当前纤芯资源越来越紧张的局面下，能做到实时监测光功率与异常报警，实现高效率及高性价比的空闲纤芯资源管理工作。
关键词：空闲光纤资源 高效率监测 高性价比
引言
光缆中断是网络故障中最常见的一种，中断往往伴随着基站掉站的风险，特别是重要的省干线路、二干线路、本地一级线路等，一旦中断将对网络运营产生极大风险，当环上无其他线路故障并且业务倒换正常则业务不受影响。但，一旦网络上出现其他故障时将可能面临大面积掉站和网络中断的风险。这是网络运营中不可容忍而又确实存在的问题。为了尽快恢复业务目前大多数重要线路都会有备用路由——即备用空闲纤芯。当某段重要线路中断时，维护人员通过跳纤到备用纤芯恢复业务，使在用业务不受任何影响。所以备用纤芯的质量和管理一直是网络维护重中之重。重要光缆段落空闲纤芯的管理和维护主要存在以下两个问题：
1）空闲纤芯没有相应管理系统，不能实时监测备用空闲纤芯质量是否完好
目前全区还没有建立相应的监测系统来对重要光缆纤芯资源进行监测，未能对这些重要的备用纤芯进行管理，当干线故障来临时 备用纤芯不可用将对在网业务产生直接影响，KPI也将受到影响。
2）日常巡检测试周期长，无法及时发现问题，无法及时处理存在问题的空闲光缆纤芯
根据现有管理方式，光缆纤芯测试为每半年一次（一级线路除外），如此长的巡检周期导致光缆空闲纤芯无法得到有效的管理和管控，加上部分施工队、代维单位随意跳纤占用空闲光缆的纤芯资源，没有任何报备，使得系统中的使用情况与实际产生较大偏差，造成大量空闲纤芯资源存在衰耗无修复、阻断未发现、占用未标识等问题。
对省干线路、本地汇聚层资源、应急备用纤芯等重要光缆资源的随意占用、抽芯等不规范的使用资源的方式，给现网带来极大隐患。
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2015年伊始LTE快速发展，业务开通任务艰巨，空闲光纤资源的优化与管理工作将是机遇和挑战。因光缆纤芯网络规模日益庞大，有限的人力和物力无法巡检所有空闲纤芯资源，造成无法真正管控空闲光纤资源，导致任务过程中增加光缆故障的不定因素增加。
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图1 全区一级以上线路增长情况
为了解决上述问题，构建一套空闲纤芯资源管理系统很有必要，实现对重要空闲纤芯资源进行实时监控，在发生干线故障时可精确掌握纤芯资源状态，使业务能快速恢复，并且节省定期巡检测试所耗费的人力物力和测试费用，提高了巡检测试上报的纤芯质量数据的准确性。
1 空闲纤芯资源管理系统预期目标
可以实现指定的光缆中继段光缆空闲光纤资源实时监控管理，对于空闲纤芯出现衰耗、中断等故障，可以安排维护人员第一时间处理，确保空闲资源完好率，极大提高重要光缆段落备用纤芯的质量和数量的管理；
空闲光缆段落纤芯资源实现实时监控管理，同时可以避免重要纤芯资源被随意占用的问题，从而实现重要光缆段落空闲纤芯资源的高效管理，提高资源使用规范性和网络的安全度。
2 项目主要技术难点及解决方案
1）项目主要技术难点
多设备高速率并发访问性能瓶颈：项目成果应用后，探测设备模块大规模应用部署，将带来设备高速率并发访问性能瓶颈。
监控管理系统数据展示性能瓶颈：网络监控管理系统在面对大规模探测设备显示光功率告警信息及设备状态信息时，由于告警信息及状态信息的累积，造成展示性能瓶颈。
光功率探测采集原有方案使用程控放大，元器件多，电路复杂，软件复杂，对实现标准19寸1U集成4插卡每插卡16通道的要求无法实现。 2）解决方案
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采用多线程池动态扩展及并发访问周期动态调整策略；根据不同光纤设备状态优先级，动态调整光纤探测设备访问周期，确保监控管理系统对主要探测设备的数据状态监测响应周期在1分钟以内；采用多线程池动态扩展策略，可根据成果应用后，探测设备规模动态调整线程池容量（100~1000），每个线程可通过对多台探测设备上报的光功率告警信息进行数据处理存储。
采用数据惰性加载及异步刷新策略；根据监控管理系统数据展示请求，采用数据惰性加载策略，仅加载展示所需的必要数据，延迟无关数据的加载时间可有效相应监控管理系统的数据调入展示；此外对于关键性数据采用异步刷新策略，可方便向用户实时展示系统状态数据，有效把握调整系统光纤资源。
使用单片高精度对数放大器log114，在每一通道集成一片log114，直接把探测器电流信号转换成线性电压，后期软件处理简单，实时性高，相比程控放大电路体积缩小四分之一，适合高度集成。
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3 空闲纤芯资源管理系统硬件组成
“空闲光纤资源管理系统平台”含数据模块、设备模块、监控模块；数据模块包括数据保存、报表统计、数据管理日志、测试模板管理；设备模块包括高稳定激光光源管理、高灵敏度光感传感器管理、智能光纤监控综合平台、GSM信息发送平台；监控模块包括用户与权限管理、站点设备管理、设备日志报警、系统状态设置管理。数据模块
数据保存：对光纤状态数据进行存储。
报表统计：对指定站点、指定时间的光纤状态数据统计及报表导出。 数据管理日志：对光纤资源及状态日志在内的各类数据导入、导出等管理。 测试模板管理：对光纤资源监测管理系统运行状态数据进行监测记录。 设备模块
高稳定激光光源管理：对高稳定激光光源及传感器状态进行实时监测。 高灵敏度光感传感器管理：对高灵敏度光感传感器状态进行实时监测。
智能光纤监控综合平台：对一段光缆中空闲的光纤资源进行损耗的日志化管理并配合远程网管进行损耗情况读取。
GSM信息发送平台：提供GSM短信平台，可定制系统告警状态报警短信发送。 监控模块
用户与权限管理：提供三级用户及系统权限分配管理，可个性化定制用户权限功能。 站点设备管理：提供站点设备的添加、更新、删除等管理。
设备日志报警：提供对系统内全站点设备监测光纤及设备状态异常日志记录及告警。 系统状态设置管理：提供包括数据库备份周期设定、告警日志存储周期设定等各类系统参数设定及管理。
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3.1 整机原理
设备采用模块化设计，标准1U机箱，主控盘、业务盘、电源盘均支持拔插，使用灵活，可以通过主控插盘上的以太网口接口（RJ45）来实现自动测量或实时监控以及参数设置，原理框图如图2所示。
电源模块插盘一（直流48V或交流220V）电源模块插盘二（直流48V或交流220V）机框总线板主控插盘（RJ45）业务插盘一（光源或采集仪）业务插盘二（光源或采集仪）业务插盘三（光源或采集仪）业务插盘四（光源或采集仪） 图2 整机原理框图
3.2 光源OS插盘
本光源是一种单波长激光稳定光源，由单支激光器经一分十六分光器输出十六路光源。光源采用了先进的自动光功率控制（APC）技术，保证了输出光功率有极高的稳定性。光源插盘由接口电路、电源部分、主控制电路、激光器驱动电路、半导体激光器、分光器（1分16）等组成，原理框图如图3所示。
接口电路主控制电路电源部分3.3 采集仪OPD插盘
激光器驱动电路图3 OS插盘原理框图
半导体激光器1550nm分光器1X16（16路光源输出） 光功率采集仪插盘是一种高性能的多通道光功率采集仪。适用于光纤、光缆、光无源器件等的损耗测量；及光纤通信系统工程建設和维护；光功率的在线实时监控。光功率采集仪测量精度高、稳定可靠、性价比高，是科研、生产、教学等方面的理想选择。采集仪插盘由接口电路、电源部分、主控制电路、模拟开关、对数放大器、光电二极管等组成，原理框图如图4所示。
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机框总线板主控制电路（含模数转换）模拟开关（通道切换）对数放大器CH1。。。光电二极管PIN1。。。光信号输入IN1。。。接口电路电源部分对数放大器CH16光电二极管PIN16光信号输入IN16 图4 采集仪OPD插盘原理框图
3.4 系统硬件组网
系统硬件组网主要由探测终端，PC，跳线，网线连接线组成。组网构成图如图5所示。
图5 系统硬件组网构成图
1）将空闲光缆纤芯分别接入中继段2端机房内的空闲光纤管理设备。
2）空闲光纤管理设备通过RJ45以太口与同机房传输设备连接，通过已有传输网络将监控信息回传至光纤故障网络监控系统，完成该光缆中继段空闲纤芯的实时监控工作。
3.5 系统逻辑模块组网
主要由数据管理系统、设备主控模块、探测模块组成，组成图如图6所示。
图6 系统逻辑模块组网构成图
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1）探测模块：① OPD光功率采集模块：用于测量光纤光功率值。② OS光源插盘：将电信号转变成光信号，并有效的把光信号送入传输光纤。
2）核心器件：① 高灵敏度探测器：将光信号转换成电信号。② 高稳定激光光源：将电信号转变成光信号。③ 对数放大芯片：将探测器输出的宽动态范围电流（“pA”级到“mA”级）线性压缩。④ 主控模块：收集个模块数据并管理各个模块。⑤ RJ45网络接口：与网络监控管理系统通信进行数据交换。
3）设备模块：对系统站点及设备状态及系统运行状态提供实时动态监测管理功能。 4）光纤故障网络监控管理系统：对系统设备监控的光纤资源状态及故障提供实时监测并定时触发系统监控告警信息，及时准确的向系统运维人员提供系统状态反馈报告。
4 空闲纤芯资源管理系统软件组成及网管展示
4.1 软件主要关键技术
1）数据采集服务程序采用C#语言编写，通过多线程池、数据缓存、标准化日志记录等功能与光纤监测设备进行通信完成光纤状态数据的采集工作。
2) 资源管理系统是一个web程序。考虑到系统跨平台移植性、扩展性等因素本系统采用Apache+MySQL+PHP的编程环境。
3）资源管理系统可在Windows XP以上平台及Unix/Linux平台运行。在网站开发方面使用的是Yii Framework4.0作为开发框架。
4）在权限管理方面，使用的是基于角色的访问控制（Role-Based Access Control）。 5）在UI方面，使用的是Bootstrap框架。Bootstrap是Twitter推出的，目前非常受欢迎的前端开发框架。
6）资源管理系统的站点拓扑图使用HTML5中的画布canvas来实现，所以为了能够使用正常的使用系统需要使用支持HTML5的浏览器。
4.2 系统网管软件展示
本系统以直观的图形化（图表）形式对系统中涉及光纤状态监测站点设备及其所监测的光纤状态为用户提供简洁、方便的管理功能。
系统接收各光纤监测站点设备发送的光纤状态数据及报警日志数据，并将所接受的各类数据完整、统一的存储于本地数据库中。 本系统的主要功能设计如下： 一、用户与权限管理
本系统根据用户权限及角色不同可分为普通用户及管理员用户两类角色。管理员用户
拥有本系统的最高权限可对普通用户及其所能操作的系统各功能模块进行授权及解授权。 1.用户管理
用户管理界面如图7所示。 （1）用户登录
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系统通过统一授权管理用户登录本系统，用户登录需通过用户名及密码形式完成登录。此外，登录页面通过验证码形式确保系统安全。 （2）用户注册
系统为使用者提供注册（或新增）用户功能。用户注册后需由系统管理员激活及授权用户所能操作的系统各功能模块。
（3）删除用户
系统管理员可删除指定用户账号。用户账号一旦删除，其所授权的操作权限一并删除。
（4）用户激活与禁用
系统管理员可对指定用户账号进行激活或禁用操作。新增（新注册）用户默认处于禁用状态，需由系统管理员激活后方可登录系统进行相关操作。已注册用户一旦被禁用，则该用户不可登录本系统。 （5）用户查询
系统提供列表形式展示系统当前用户信息，且提供查询框以便当前操作者查询指定用户信息。
（6）密码重置
本模块为用户提供密码重置功能，拥有本模块授权的用户可对除了系统管理员之外的其他用户进行密码重置操作。 （7）用户信息更新
系统管理员可对指定用户账号执行更新操作；用户可对其自身账号执行更新操作。用户信息的更新包括除用户登录名以外的其他用户信息。
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图7 用户管理界面图
2.用户与系统功能权限管理
用户与系统功能权限管理界面如图8所示。
本模块仅提供系统管理员用于对普通用户在本系统中对各模块操作权限进行管理。 （1）系统功能模块授权
系统已列表形式展示出当前指定用户与系统各功能模块间的权限关系。系统管理员可通过勾选形式授权用户可执行某功能模块。
（2）系统功能模块解授权
系统已列表形式展示出当前指定用户与系统各功能模块间的权限关系。系统管理员可通过勾选形式解授权用户可执行某功能模块。
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图8 用户与系统功能权限管理界面图
二、站点设备管理 1.监测站点管理
站点设备的纤芯资源可针对运营商光缆分为一二三级，按照级别以一二三级的优先级顺序进行光功率监测，优先保证省干等重要纤芯资源的正常，管理界面如图9所示。
图9 站点分组管理界面图
（1）新增站点
系统提供表单形式为用户提供新增监测站点设备功能。站点设备名作为站点的标识必须唯一，站点设备其他信息由需求方提供。 （2）查看站点
系统已列表形式展示当前系统所包含站点信息：源站点名、光纤线路名、目标站点名等形式；用户可点击某一站点，查看该站点下监测的所有光纤线路状态。 （3）编辑站点
系统提供对指定站点进行编辑的功能，包括：站点名等相关信息。 （4）删除站点
系统提供对指定站点进行删除的操作，站点一旦删除，其所监测的光纤线路也一并被删除。 （5）站点查询
系统已列表形式显示当前系统所包含站点信息并为用户提供根据源站点、目标站点、光纤线路名等方式进行站点或光纤线路进行查询搜索的功能。搜索功能可根据搜索关键字提供模糊搜索。 2.站点设备管理
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本系统支持对多个站点设备管理。系统默认以列表形式显示当前系统中的设备信息，在设备列表中可通过操作栏对某一设备进行查看、更新、删除的操作，管理界面如图10所示。
图10 站点设备管理界面图
（1）创建新设备
系统提供表单形式为用户提供新增监测站点设备功能。站点上的每一台设备以设备名称、所属站点、设备IP地址及端口号（端口号默认为4001）作为标识信息来加以区分。 （2）查看设备
系统已列表形式展示当前系统所包含站点信息：设备名称、所属站点、设备IP地址及端口号等形式。 （3）编辑设备
系统提供对指定设备进行编辑的功能，包括：设备名称、所属站点、设备IP地址及端口号等相关信息。 （4）删除设备
系统提供对指定设备进行删除的操作。删除设备时，设备所关联的光纤资源信息也将一并被删除掉。 3.光纤监测线路管理
光纤监测线路管理界面如图11所示。
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图11 光纤监测线路管理界面图
（1）新增光纤线路
光纤线路依附于对其进行监测的站点设备。新增光纤线路时，除提供光纤光芯数量外，还需提供该光纤线路对应的源站点节点及目的站点节点名。 （2）删除光纤线路
用户可删除指定光纤线路，光纤线路一旦删除，与其关联的源站点、目的站点中的光纤线路列表将发生变化。 （3）查看光纤线路
用户可查看指定光纤线路状态，系统以列表形式显示出当前光纤线路中各光芯的使用情况（包括：空闲、占用、损坏等）。 （4）编辑光纤线路
用户可编辑指定光纤线路，例如修改其所属源站点、目的站点、光芯数量、以及指定光纤状态等操作。 （5）光纤线路查询
系统以列表形式显示所有站点、光纤线路信息时，提供搜索查询功能。可通过光纤线路名等关键字进行模糊搜索。 3. 光纤监测状态报警 （1）断纤、损耗超阈值报警
系统对所监测的所有光纤线路状态出现断纤、损耗超阈值等情况进行报警显示，已较直观的形式在系统首页及监测站点列表页面进行显示。方便用户对出现报警信息的光纤进行查看。同时，系统将出现的报警信息记录至设备日志中。 （2）断纤、损耗超阈值报警处理
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系统为用户提供报警处理功能，对于出现断纤、损耗超阈值等报警信息的光纤线路处理。处理主要对当前报警记录状态进行操作，包括忽略报警、已处理报警等。 4.查询站点设备状态
在系统主页的拓扑图中，可查看该站点下部属的设备状态，如图12所示。
系统将在拓扑图下方以列表形似显示出当前站点部属的设备，每个设备将列举出该设备的插盘及其类别，对于OPD类型插盘，系统将以分别以●（灰色）、●（绿色）、●（红色）、●（黄色）显示出当前端口监测到的光纤状态，其中灰色表示当前端口未插入光纤、绿色表示当前端口对应的光纤资源状态正常、红色表示当前端口对应的光纤资源发生断纤或损耗超阈值、黄色则表示当前端口监测到光纤功率值，但尚未对该段光纤编号。
图12 查询站点设备状态界面图
5.查询站点间光纤状态
在系统主页拓扑图中，可查看两个站点间所有光纤资源的状态信息 ，如图13所示。站点间所有光纤资源将以列表形式在站点拓扑图下方显示。光纤资源列表中，状态异常的光纤将排在前面，且以淡红色背景进行显示以便方便您进行相关操作。
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图13 查询站点间光纤状态界面图
三、设备日志及报警 1.设备日志记录管理
设备日志记录管理界面图如图14所示。
图14 设备日志记录管理界面图
（1）设备日志记录查询
设备日志记录只各光纤监测设备本身运行的状态数据记录。系统在收集各光纤监测站点设备记录的同时，以列表形式显示出系统中当前各设备的日志信息，并提供根据监测站点名，日志记录日期范围等形式的查询搜索功能。
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（2）设备日志记录导出
系统为用户提供设备日志记录查询的同时，为用户提供设备日志记录导出功能。用户可选择导出所有设备日志记录或指定符合某一查询条件的设备日志记录。导出设备日志记录格式为XLS文件格式，以方便用户在其他软件中对设备日志进行处理。 2.设备报警记录管理
设备报警记录管理界面图如图15所示。
图15 设备报警记录管理界面图
（1）设备报警记录查询
系统在实时显示设备报警状态的同时，将设备报警状态记录于设备报警记录日志中，并以列表形式展示以便用户进行浏览、查询等操作。用户可根据设备名、报警等级、记录产生日期范围等信息进行模糊查询。 （2）设备报警记录导出
系统为用户提供设备报警记录查询的同时，为用户提供设备报警记录导出功能。用户可选择导出所有设备报警记录或指定符合某一查询条件的设备报警记录。导出设备报警记录格式为XLS文件格式，以方便用户在其他软件中对设备报警进行处理。 3．用户操作日志记录管理
用户在本系统中涉及到对设备或系统设置进行的操作均记录与用户操作日志中。系统以列表形式展示用户操作记录，并提供查询、导出等功能。 4.短信告警
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本系统带有GSM模块，带短信发送功能，支持十条短信自动发送与定时发送，创建告警联系人后，系统将当前系统信息通过GSM短信模块发送至指定的站点负责人手机上。告警联系人界面图如图16所示。
图16 告警联系人界面图
四、系统状态设置管理 1.光纤监测周期设置
针对空闲光纤状态的监测情况，系统提供对空闲光纤监测周期进行设置的功能。用户可设置所有空闲光纤或指定光纤监测周期（例如：1天、3天、一周、一个月等）。 2.光纤告警值设置
系统为用户提供光纤告警阈值设置功能。用户可统一设置所有光纤告警阈值或指定光纤告警阈值。
4.3 系统同传统模式下监测方式的效率比较
传统模式下，代维员工长途跋涉抵达待测站点进行现场测试， 如线路不通还需排查端口对应情况，再驱车前往断点位置，进行熔接。移动员工则需对每次巡检测试的结果进行详细记录，将一段时间内的巡检记录进行汇总统计，再将汇总统计表单上报，双方的流程都繁琐复杂。而上线该系统后，代维员工只需沿线巡察，当移动员工导出测试结果派发修复任务工单时，代维员工根据工单数据进行修复任务，最终移动员工汇总报表上报，流程得到极大优化。以一个干线中继段为30公里，72芯计算。传统的人工测试并记录每芯2分钟72X2=2.4时。全区一级以上光缆总长为22847公里（7月通报）。测试耗时=1826小时；系统全面部署后，测试数据全部由系统直接提取人工半小时内便可完成。二者耗时一对比，即能发现本系统对于监测空闲纤芯资源的工作效率有多大的提高。
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4.4 系统部同传统模式下监测方式的花费比较
系统部署后可随时按需求提取空闲纤芯测试报表，可弥补巡检测试周期长、人为测试互差大等人为限定因素，同时节省一大笔测试费用。以计算为例。传统监测模式下全区一干、二干本地一级光缆测试单价每芯10.15元计算，每条光缆为72芯3个中继算，有三分之一空闲纤芯需监控计算，每月需测试维护一次，年测试费用约8769元。全区年测试费=0.33X72X10.15X3X12=8769元，5年费用为约4.4万。在一段干线上部署该系统，需部署两套空闲纤芯资源管理设备，每套约2000元，共投入4000元。总投资成本=2000X2=4000 5年维保费用约1.5万，总费用=4000+15000=1.9万，每条干线可节省4.4-1.9=2.5万。两项相比较，突出了该系统在价格方面的高性价比优势。
5 空闲纤芯资源管理系统本地验证
5.1实时监测数据展示
图17 空闲纤芯资源管理设备实测结果
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图18 传统测试实测结果
通过以上两组数据的对比，可以发现空闲纤芯资源管理系统设备的光功率实测值同传统测试下的光功率实测结果基本一致，保证了数据采集数值的正确性，也确保了之后将功率值同功率阈值进行比较来确定纤芯资源是否异常的方法的可行性。
5.2 系统现场模拟
结合空闲光纤资源管理系统，进行了干线故障应急情况调度模拟。
图19 系统现场模拟报警纤芯状态
如图所示，当时模拟了来宾兴宾区维林机房到武宣中心机房两芯主干光缆的故障调度，从拔出尾纤到故障告警发生耗时12秒，告警发出后，通过快速检索两站点间空闲光缆的状况，发现尚有多根纤芯空闲，立即将跳纤要素发送至抢修调度人员并安排前往该两站点进行跳纤。将故障纤芯路由跳至空闲的ODF01-04A-1盘-25芯到ODF01-02A-1盘-41芯，完美快速地解决了干线故障的应急跳纤。
5.3 系统本地应用情况
表一 系统本地部署情况
源站点 宾维林机房 目标站点 武宣中心机房 使用纤芯数量 6根 上线期限 5个月 测试人员 韦丛正 测试结论 使用正常 如图所示，通过增加空闲光纤管理设备，解决了来宾移动局部重要纤芯的自动监管问题，节约了每月测试、记录、汇总的工作时间及费用，有效提高了工作效率。经过5个月的上线使用，目前使用状况稳定高效。
空 闲 光纤管理设备 宾维林机房
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空闲光缆管理设备 武宣中心机房
传输光缆 Q
图20 系统线路部署情况
5.4 系统本地应用情况总结
只需一台普通的PC作为服务器便可部署该系统，空闲纤芯资源管理系统设备部署的机房一般为汇聚机房，可直接走传输网络内网回到服务器端（传输监控中心），组网方便快捷、操作简易、效率高、价格性价比高。该系统平台可推广性强。
参考文献
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