基于OPM 的光信道性能监测系统的设计

薛成名，黄丽艳，陈文

（武汉光迅科技有限公司，湖北 武汉 430205）

随着大数据、短视频、视频通话业务的增长，通信容量暴增。基于波分复用传输系统技术的不断升级，光传输系统的拓扑结构变得更为复杂。在传输过程中，光纤的损耗、色散、非线性效应以及光器件的噪声、码间串扰等因素的累加，使得光通道的传输性能下降，进而导致光信号劣化和误码增多，造成网络故障[1-3]。为保证高速率多通道光传输系统的稳定运行，需在传输系统关键位置对各个信道的信号波长、功率、光信噪比进行监测。若使用光谱仪对各信道进行监测，可以很轻松完成，但是不适用于集成的通信系统中。集成的系统参数的监测不仅要实现信道参数监测，还要实现根据信道设置的目标参数调整信道参数与目标参数相近[4]。而文中设计的监测系统用于光传输系统中EDFA、OADM 等关键设备节点处，监测系统通过监测这些设备输出的信道参数，并反馈给传输系统，传输系统会根据反馈的参数联动其他设备模块实时调节信道参数为最优状态，保证系统的稳定运行。

1 系统设计

1.1 系统整体设计

光监测模块OPM、STM32F103VET6 单片机和S3C2440 核芯片等外围电路共同组成了控制系统、主控管理系统和上位机系统。控制系统主要完成各个设备模块和外围电路的驱动，实现模块初始化、OPM 信道间隔和信道数的设置及模块光功率采集转换后的数据储存；主控管理系统主要完成设备模块信息的读取、系统参数的管理和下达设置命令给控制系统，控制系统响应主控管理系统下达的命令配置；上位机系统将监测系统通过网口或串口接收到的监测数据呈现出来，用于监测人员对传输系统信号的实时监控[5-6]。系统框图如图1 所示。

图1 整体设计结构框图

1.2 控制系统设计

控制系统主要通过软件设计实现对监控信道间隔、信道数及工作模式的配置，并对扫描的信道进行无光阈值，报警阈值等设计，出现数据异常会上报给主控管理系统，管理系统再对数据进行处理，转发给上位机系统显示[7-8]。控制系统主要由单片机、OPM、光开关、供电单元等组成。文中选取的OPM 模块采用灵活栅格，支持自定义通道间隔且可用于C 波段、L 波段、C+L 波段。采集信道数据实时响应小于1 ms，其测量数据用于光传输系统远程增益的均衡，其动态范围可达50 dB，支持网络配置和传输协议及物理层监控。其光学参数如表1所示。

表1 模块性能参数

OPM 主要将获取的光信号通过内部光学原理将不同频率的波长分离开来，波长分离后分时对各个波长的光进行探测，然后对波长频率依次进行信号快速采集后送入信号处理器，信号处理器对采集到的数据进行分析，通过卷积计算出光信号的中心波长、光功率等。将计算的数据送入单片机控制系统进行处理，控制系统会通过测量的数据快速识别通道的配置、通道波长的变化和多波长通道的性能指标[9]。将其测量的数据与系统设置的目标参数做差值，根据差值范围联动其他设备模块，控制系统通过驱动对应的设备模块实时调整信道数据，使监测的数据参数与设置目标参数相近。

监测系统采用1×2的光开关，通过接收单片机的指令，自动在各监测点切换，可以实现一套监测系统对多个设备重要节点进行监测，简化传输系统的复杂度。光开关切换的同时，管理系统通过控制系统上报设备节点信息，可以识别出对应的设备信息，将该设备节点的波长信息、光功率及光信噪比传送给网管，进而实现同时对多个节点设备的监测[10-12]。

控制系统中的单片机选用STM32F103VET6，该款芯片内置高速存储器，拥有高20k 字节SRAM 和128 字节的闪存；具有80 个GPIO 和12 位的ADC 三路，共有16 个通道，其配置满足对监测系统的需求；具有先进的RIS结构；具有低功耗、性价比高的特点。

1.3 管理系统设计

设计的管理系统基于芯片S3C2440，操作系统为Linux 操作系统[13]。管理系统主要提供网络管理，通过自定义的传输协议实现与控制系统和上位机系统的联动，并进行固件程序升级的实现。设计CLI（命令行控制界面）的命令，实现对设备的动态配置。主要命令如表2 所示。

表2 模块功能参数

管理系统会把来自控制系统输出数据的存放形式进行封装，把数据通过软件实现数据结构的管理，使展现的数据更加清晰。通过清晰的数据管理，用户人员可以更容易发现异常的数据。管理系统还提供网络管理、单片机告警采集、单片机命令设置、参数轮询等功能[14]。

主控使用的S3C2440 是一款采用RISC 技术的ARM9芯片，ARM920T内核实现了MMU，适合多道程序运行多任务处理，支持Linux 系统、AMBA 总线和哈佛结构高速缓冲体系结构，使其具有独立的16 kB指令高速缓存和16 kB 数据高速缓存。它还具有3通道的USART、10/100M 以太网接口、USB 端口、130个通用IO 等，拥有丰富的系统与应用外设及标准的接口，具有很高的性价比。

文中设计对Linux 操作系统进行裁剪和修改。Linux 在嵌入式设备方面有很多特色，适应于多种CPU 和多种硬件平台，而且性能稳定、裁剪性好，容易开发和使用。另外，Linux 内核的结构在网络通信方面是非常完善的，支持网络中最常用的TCP/IP 协议。Linux 移植流程图如图2 所示。

图2 Linux移植流程图

2 软件系统设计

文中设计的信道监测性能系统的软件设计主要采用分层设计的思想和同步响应异步相响相结合的思想。分层设计思想将软件设计分为底层、中层和上层的结构层次，每个层次的分工各不相同。底层主要对硬件设备进行驱动，包括OPM 模块驱动、串口通信和网络通信的驱动，并为中层程序设计提供相应接口；中层调用底层的函数，根据监测系统的需求，实现相对应的功能，并为上层提供函数接口，主要包括一些设置和获得模块参数信息的函数。上层调用中层的函数实现相对应的功能，比如命令行界面及网管等功能[15]。同步响应异步相响应相结合是指当主控管理系统下发不同的配置命令时，设备模块响应的时间不同，对设备模块可以及时响应返回数据的，采用同步响应；对设备模块响应返回数据需要时间等待的，采用异步响应模式。在响应等待时，可以响应其他逻辑功能，之后在中断中轮询该配置命令的响应标志，轮询到响应标志后处理相应结果，保证了控制系统处理业务的实时性。系统软件整体框图如图3 所示。

图3 软件设计框图

管理系统软件设计采用轮询方式对其下设备模块进行通信，能够读取单片机存储的各信道的功率、波长、信道配置信息及模块出现的告警信息，并将读取到的数据信息转发到上位机由用户处理。上位机接收到由管理系统从控制系统中读取到的信息，并将该数据信息用PC 终端显示出来，便于用户人员查看。此外，上位机系统和主控管理系统通信，间接可与控制系统通信，通过命令行控制界面（CLI）接口配置指令信息对控制系统进行相应的配置和管理[16]。

3 监测系统性能与评估

文中通过光谱仪和监测系统测试同一根、同一节点处的业务信号，监测系统通过命令行界面读出测试系统上报的数据，然后和光谱仪读出的数据进行对比。数据对比如表3 所示。

表3 测量数据对比

从光谱仪读出的数据和监测系统的数据在误差允许范围内基本保持相同，监测系统的设计可以较好地应用于光传输系统中。

4 结束语

随着大容量数据在光网络中的传输，对光网络中信道数据的监测保证了光网络的稳定可靠的运行。文中设计的监测系统可以实时对传输系统中的参数进行监测，根据监测的参数可以及时发现传输过程中遇到的异常。通过异常数据的反馈，系统可以及时作出相应的调整，进而保持系统的稳定。用户人员也可以根据参数及时定位故障，减少排除故障的时间。监测系统的设计可以提升光网络的安全可靠性，使传输系统稳定运行。