DWDM系統(tǒng)中的故障分析與定位

1、DWDM系統(tǒng)中的故障分析與定位    DWDM系統(tǒng)中的故障分析與定位摘要：本文從分析密集波分復(fù)用（DWDM）網(wǎng)絡(luò)中常見故障的特點(diǎn)入手，對DWDM網(wǎng)絡(luò)中影響業(yè)務(wù)的故障進(jìn)行了分類，介紹了各類故障產(chǎn)生的原因。在此基礎(chǔ)上，對網(wǎng)管上報(bào)的各種類型的告警在定位故障時所起的作用進(jìn)行了排序，并且舉例論證如何從系統(tǒng)中多個節(jié)點(diǎn)的多個告警中找出關(guān)鍵的告警，并把這些告警相互結(jié)合起來，準(zhǔn)確定位故障。對于網(wǎng)管沒有上報(bào)告警或者單純依靠告警不能定位故障的情形，本文也做了詳細(xì)地研究，分析了如何利用常用的儀表來準(zhǔn)確高效地定位故障點(diǎn)。  由于互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)對帶寬的需

2、求在不斷增加，持續(xù)推動著傳輸網(wǎng)絡(luò)尤其是DWDM網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和擴(kuò)容。近年來，中國電信的波分復(fù)用（WDM）網(wǎng)絡(luò)的容量一直在增加，多條波分干線實(shí)際配置的容量都已經(jīng)達(dá)到了800Gb/s，DWDM系統(tǒng)的最小波道間隔也達(dá)到了50GHz，單波道容量甚至達(dá)到了40Gb/s1。在DWDM系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，受到影響的業(yè)務(wù)量往往非常大。在這種形勢下，保證波道的可用性，為業(yè)務(wù)提供有效的QoS保證，成為DWDM網(wǎng)絡(luò)維護(hù)時必須考慮的首要問題。在DWDM網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時，必須盡快定位故障，以確保故障能夠得到及時解決。 本文從分析DWDM系統(tǒng)中各種器件可能引發(fā)的故障以及各種故障產(chǎn)生的原理入手，提出了一種把網(wǎng)管告警和儀表監(jiān)

3、測結(jié)合起來的障定位方法。本文主要分為五個部分，第一部分簡單介紹了傳輸系統(tǒng)的故障管理，指出了故障定位的重要性和難度；第二部分分析了DWDM系統(tǒng)中可能發(fā)生的故障，并對這些故障的形成原因進(jìn)行分類說明；第三部分介紹了WDM系統(tǒng)中所使用的關(guān)鍵器件，以及這些器件可能引發(fā)的故障；第四部分介紹了DWDM系統(tǒng)維護(hù)中使用的主要儀表和監(jiān)測方法，并對各種監(jiān)測方法做了一個簡單的比較；第五部分在前面分析的基礎(chǔ)上，分析了如何把網(wǎng)管告警和儀表監(jiān)測結(jié)合起來，高效快捷地定位故障。1故障定位的重要性和難度 故障管理作為網(wǎng)絡(luò)管理的一個非常重要的組成部分，主要包括以下幾個模塊234：故障監(jiān)測：判斷網(wǎng)絡(luò)中是否存在故障；故障定位

4、：判斷導(dǎo)致故障產(chǎn)生的原因和故障所在位置；業(yè)務(wù)恢復(fù)：采用其他的路由迂回，借助纖芯調(diào)度或者波導(dǎo)調(diào)度恢復(fù)業(yè)務(wù)；故障修復(fù)：修復(fù)或更換發(fā)生故障的光纖、器件或者單板。 在出現(xiàn)故障時，首先要恢復(fù)業(yè)務(wù)。在DWDM網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時，為了有效的利用備用資源，應(yīng)該先定位發(fā)生故障的段落或具體的位置，然后再在此之間調(diào)度業(yè)務(wù)5。因此，故障的定位往往是恢復(fù)業(yè)務(wù)的前提。從這個意義上講，故障定位是故障管理的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 日常維護(hù)中，故障定位會受到以下幾個因素的影響：1、網(wǎng)絡(luò)層次復(fù)雜，但是卻缺少管理不同層（WDM、SDH、ATM、IP）間關(guān)系的物理手段。DWDM作為底層的傳輸通道，在出現(xiàn)故障時，很可能會影響業(yè)

5、務(wù)。同樣，業(yè)務(wù)層的故障也可能會導(dǎo)致DWDM網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)告警。在業(yè)務(wù)出現(xiàn)告警時，我們往往很難定位到底是網(wǎng)絡(luò)中哪個層面的故障影響了業(yè)務(wù)。2、單一的故障往往會引發(fā)網(wǎng)絡(luò)中的多個節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)多種告警，其中有些告警可能會混淆我們的判斷，對故障定位造成不利的影響。3、由于波分設(shè)備中所使用的光監(jiān)控器件的靈敏度和響應(yīng)速度不夠或者設(shè)備本身存在缺陷，在系統(tǒng)性能下降時，網(wǎng)管不能及時上報(bào)告警，甚至在某些情況下，網(wǎng)管會上報(bào)假告警。在故障定位時，應(yīng)該克服這些不利因素的影響，準(zhǔn)確定位故障。2. DWDM系統(tǒng)中的故障分析 DWDM系統(tǒng)中常見的影響業(yè)務(wù)的故障大致可以分為三種：第一種是光纜中斷。對于這種故障，我們通過網(wǎng)管可以定位

6、出光纜斷點(diǎn)所在段落，再用OTDR監(jiān)測就可以精確定位斷點(diǎn)。第二種是設(shè)備故障。例如光放盤故障可能會導(dǎo)致系統(tǒng)中斷，分波合波單元的故障可能會造成一個波帶甚至整個系統(tǒng)的中斷，波長轉(zhuǎn)換單元盤的故障往往影響一個波道。正常情況下，出現(xiàn)這些故障時，網(wǎng)管一般都會上報(bào)相關(guān)盤的告警，借助網(wǎng)管，就可以準(zhǔn)確定位故障。DWDM系統(tǒng)中，比較常見但是卻又相對難定位的故障就是網(wǎng)管沒有上報(bào)或者沒有及時、準(zhǔn)確地上報(bào)告警，但是波道性能已經(jīng)劣化的故障。從理論上講，導(dǎo)致波道性能劣化的因素主要有以下幾點(diǎn)：光器件的插損、尾纖的衰耗以及線路的衰耗等原因造成光功率降低；光纖的非線形效應(yīng)，例如交叉相位調(diào)制（XPM）、自相位調(diào)制（SPM）以及四波混頻

7、（FWM）等引起的噪聲6；光纖的色散沒有得到合理地補(bǔ)償；摻餌光纖放大器（EDFA）的自發(fā)輻射（ASE）噪聲；光發(fā)射機(jī)激光器波長的漂移；光器件引入的串繞噪聲。 在工程設(shè)計(jì)時，通常都會考慮到這些因素的影響，但是在系統(tǒng)使用一段時間后，器件的老化、光纖的多次熔接等因素都會導(dǎo)致系統(tǒng)的性能下降。3. DWDM系統(tǒng)中的關(guān)鍵光器件及其對誤碼性能的影響 DWDM系統(tǒng)中的器件可以分成兩大類：處理業(yè)務(wù)信號的光器件和監(jiān)控器件。盡管，監(jiān)控器件實(shí)現(xiàn)了DWDM系統(tǒng)性能監(jiān)控和告警上報(bào)等功能，但是監(jiān)控器件只是從信號光中分離出了很小一部分的光，它對信號的影響可以忽略不計(jì)，在監(jiān)控器件出現(xiàn)故障時，業(yè)務(wù)不會受到影響

8、。因此，DWDM系統(tǒng)中的故障大多是由處理業(yè)務(wù)信號的光器件造成的。不同的光器件由于在系統(tǒng)中所處的位置和所起的作用不同，對系統(tǒng)性能的影響也不同。 3.1 光發(fā)射機(jī) DWDM系統(tǒng)中的光發(fā)射機(jī)通常采用的是集成式外調(diào)制激光器，因此，對光發(fā)射機(jī)而言，激光器的波長穩(wěn)定性是一個十分關(guān)鍵的參數(shù)。在激光器中采用溫控電路，使用良好的封裝，可以有效地解決短期波長穩(wěn)定性的問題，但對于激光器老化等原因引起的波長長期變化就顯得無能為力了。波長漂移會使波道出現(xiàn)大誤碼，甚至完全不可用。3.2 光纖 光信號在光纖中傳輸時，由于材料的吸收、彎曲損耗或者散射等原因會逐漸衰減。同時，光纖的非線性效應(yīng)會引入噪聲，使得

9、信號的信噪比降低。此外，光纖的色散效應(yīng)也會使信號的質(zhì)量下降。機(jī)房中的尾纖由于插拔等原因造成接頭不清潔或者損壞，都有可能增加信號的衰減，導(dǎo)致信號的誤碼率增大。3.3 光接收機(jī) 光接收機(jī)的主要作用是把含有業(yè)務(wù)信息的光信號轉(zhuǎn)換成電信號。光接收機(jī)對接收到的信號的光功率和信噪比都很敏感，如果超出了它可以接受的范圍，就會出現(xiàn)誤碼。3.4 波長轉(zhuǎn)換器 在開放式DWDM系統(tǒng)中，最常用的器件是波長轉(zhuǎn)換器，波分系統(tǒng)中使用的波長轉(zhuǎn)換器實(shí)際就是一個收發(fā)一體的光收發(fā)機(jī)。他對接收到的信號的光功率和信噪比以及自身發(fā)出的光信號的波長都有較高的要求。3.5 光放大器 在DWDM系統(tǒng)中使用的光放大器

10、有兩種：EDFA和拉曼（Raman）放大器，其中，應(yīng)用相對較多的是EDFA。EDFA在C波段具有良好的放大性能，但是，EDFA在放大信號光光功率的同時，會引入自發(fā)輻射（ASE）噪聲，降低了輸入信號的信噪比。Raman放大器大多用在超長距離傳輸系統(tǒng)中，它的增益譜寬比EDFA更寬，同時噪聲系數(shù)（NF）也比EDFA低。在Raman放大器中，主要的噪聲來源有瑞利散射噪聲和ASE噪聲。3.6 分波和合波器 分波和合波器是復(fù)用器和解復(fù)用器中非常重要的光器件，它的插入損耗以及不同波道間的串繞是影響其性能的關(guān)鍵參數(shù)。低的插入損耗能夠確保系統(tǒng)的總衰耗保持在可用范圍之內(nèi)。串繞會引入噪聲，導(dǎo)致信號的信噪比

11、降低。3.7 濾波器 濾波器可以在復(fù)用器和解復(fù)用器中應(yīng)用，也可以應(yīng)用在光放大器中以增強(qiáng)光放大器的增益平坦度，同時濾除噪聲對各個波道的影響。濾波器對溫度比較敏感，在溫度超出額定范圍時，會產(chǎn)生串繞，引入噪聲。4DWDM系統(tǒng)中常用的性能監(jiān)測儀表或監(jiān)測方法4.1 光功率計(jì) 光功率計(jì)可以測量一定波長范圍內(nèi)各個波道的光功率。但是，光功率受靈敏度和響應(yīng)速度的影響，對于波道光功率逐漸緩慢變化的情形，不能及時做出反應(yīng)，往往這時，波道已經(jīng)產(chǎn)生大誤碼了。此外，光功率計(jì)不能衡量噪聲對系統(tǒng)性能的影響，波道的光功率正常，并不一定表示系統(tǒng)性能正常。4.2光譜分析 光譜分析儀（OSA）可以測量光

12、信號的頻譜，也可以測量各個信道的光功率、中心波長和信道的OSNR值。與光功率計(jì)不同，OSA不僅能測量波道的光功率，還能測量波道信噪比的變化。OSA的缺點(diǎn)是響應(yīng)時間比較長，在測量時，還有可能會引入采樣誤差。4.3 眼圖監(jiān)測 眼圖監(jiān)測可以直觀衡量碼間干擾和噪聲的影響。如果沒有碼間干擾和噪聲，則眼圖清晰，眼圖張開度大；當(dāng)存在碼間干擾時，眼圖的張開度就會減小。分析眼圖，可以得出信號的信噪比和Q值，進(jìn)而得出波道的誤碼率7。但是眼圖監(jiān)測是一個統(tǒng)計(jì)的過程，并不能對波道中持續(xù)時間不長的故障做出分析。4.4 多波長計(jì) 多波長計(jì)可以準(zhǔn)確測量DWDM系統(tǒng)各個波道的波長。通常多波長計(jì)測量波長的精度

13、比光功率計(jì)和光譜儀都高。對于由于激光器老化而造成的波長漂移，可以使用多波長計(jì)來準(zhǔn)確測量。4.5 回應(yīng)聲（Pilot tones） 回應(yīng)聲是一路與信號光同時傳送的光信號，用來監(jiān)測傳輸過程中，業(yè)務(wù)光有可能受到的損傷。回應(yīng)聲一般不能監(jiān)測串繞的影響，只有在回應(yīng)聲信號受到串繞的干擾時，才能對串繞做出一定地評估。4.6 OTDR OTDR通過分析探測信號發(fā)送端收到的回聲信號來準(zhǔn)確定位造成系統(tǒng)中斷的光纖彎折或中斷的故障點(diǎn)。4.7 誤碼監(jiān)測： 誤碼儀可以直接測量波道的誤碼率，衡量波道的QoS。誤碼儀測量誤碼時的采樣周期比較長，往往需要24小時以上。此外，誤碼儀的價格昂貴，不一定能

14、保證各個機(jī)房都有誤碼儀。 DWDM系統(tǒng)中的監(jiān)測方法主要有以上幾種。圖1對各種方法的有效性、復(fù)雜程度、所花費(fèi)時間以及成本高低等特點(diǎn)做了一個簡單的比較。在實(shí)際監(jiān)測或者定位故障時，應(yīng)該因地制宜，采用合理并且高效的方法。圖1. 各種測量方法的特點(diǎn)比較5. DWDM系統(tǒng)中故障定位的主要方法和手段5.1 借助告警定位故障 在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，網(wǎng)管一般都會上報(bào)告警，因此，通過告警來定位故障是最直接的辦法。在故障發(fā)生時，通常會在多個相鄰的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生多種告警，但是并不是所有這些告警信息都對故障定位有幫助，僅僅其中部分關(guān)鍵的告警信息對于故障定位是必須的。設(shè)備故障告警的告警源是發(fā)生故障的設(shè)備，通過查

15、詢告警源就能直接定位故障。光監(jiān)控通道（OSC）作為傳遞監(jiān)控信息的通道，它的速率通常只有2.048Mb/s，遠(yuǎn)小于系統(tǒng)中業(yè)務(wù)波道的速率，因此，OSC信號對噪聲最不敏感，對應(yīng)的接收機(jī)的靈敏度也更高。當(dāng)OSC通道發(fā)生故障時，如果OSC盤沒有上報(bào)告警，就表明系統(tǒng)性能劣化了，系統(tǒng)中業(yè)務(wù)波道的性能也會下降，因此，OSC通道的告警所包含的信息量應(yīng)該比波道告警所包含的信息量大。此外，我們不難分析出合路信號的告警比單個波道的告警在定位故障時所起的作用更大。由以上的分析，按照告警信息的關(guān)鍵程度，可以給各種告警在定位故障時的重要性排一個序： 設(shè)備故障告警OSC通道告警合路信號告警單個波道告警 以

16、業(yè)務(wù)全阻為例，如圖2所示，當(dāng)節(jié)點(diǎn)B-C間所有的業(yè)務(wù)中斷時，可能的原因有兩個，一是節(jié)點(diǎn)B和C之間的光纜中斷，二是節(jié)點(diǎn)B和C的功率放大器、前置放大器或者解復(fù)用器等設(shè)備出現(xiàn)故障。在這種情況下，應(yīng)該首先判斷是不是設(shè)備的故障。如果是設(shè)備故障，通過網(wǎng)管上報(bào)的告警就可以準(zhǔn)確地定位故障。如果網(wǎng)管沒有上報(bào)設(shè)備故障的告警，可以觀察同纜中其他系統(tǒng)的運(yùn)行情況來判斷光纜是否中斷。如果光纜中所有的系統(tǒng)都中斷，我們就可以斷定光纜中斷了。 對于光纜中斷的情形，應(yīng)該做一個詳細(xì)的分析。當(dāng)光纜在節(jié)點(diǎn)B和C之間中斷時，與斷點(diǎn)相鄰的兩個節(jié)點(diǎn)B和C都會出現(xiàn)合路信號丟失告警、OSC信號丟失的告警以及單波道信號丟失的告警。如果業(yè)務(wù)

17、在節(jié)點(diǎn)C直通到節(jié)點(diǎn)D，C點(diǎn)收到OSC信號丟失的告警時，C往D方向發(fā)送的光功率將會大大降低。光信號在C點(diǎn)到D點(diǎn)傳輸過程中，由于光纖的衰減，D點(diǎn)收到的光信號可能會很弱，這樣D點(diǎn)也有可能會報(bào)合波信號丟失的告警。在這種情形下，如果我們單純關(guān)注合路信號丟失的告警，就很難判斷出光纜斷點(diǎn)是在B和C之間還是在C和D之間。但是，應(yīng)該看到，在光纜中斷時，節(jié)點(diǎn)B和C都會報(bào)OSC信號丟失的告警，C向D發(fā)送的業(yè)務(wù)信號光功率雖然降低了，但是發(fā)送的監(jiān)控通道的光功率并沒有下降，因此，節(jié)點(diǎn)D不會上報(bào)OSC信號丟失的告警。在這種情況下，如果把OSC通道的告警和合路信號的告警結(jié)合起來，就可以準(zhǔn)確判斷出光纜中斷的段落在節(jié)點(diǎn)B和C之間

18、。  圖2. DWDM系統(tǒng)業(yè)務(wù)全阻故障示意圖 從上面的例子我們可以看到，各種告警在定位故障時所起的作用是不同的。在定位故障時，應(yīng)該從相對重要的告警信息入手，排除其他次要或者無用信息的干擾。當(dāng)然，我們也不能只依靠那些相對重要的告警信息，而是應(yīng)該把各種告警信息關(guān)聯(lián)起來考慮，找出各種信息之間的內(nèi)在聯(lián)系，才能有效的定位故障。此外，也應(yīng)該注意各種告警對于故障定位的重要性并不是千篇一律的，應(yīng)該針對具體情況做出具體的分析。5.2 借助性能監(jiān)測來定位故障 對于波道性能劣化的故障，網(wǎng)管可能會在某個單元盤上給出相關(guān)的提示。通常這個提示只是有一定的參考作用，并不能準(zhǔn)確指出性能

19、劣化的根源所在，因?yàn)?，很有可能在此單元盤之前，波道的性能就已經(jīng)下降了。在這種情形下，應(yīng)該根據(jù)本文第二、三小節(jié)所作的分析，判斷可能發(fā)生故障的器件，然后逆著信號傳輸?shù)姆较?，找到造成波道性能劣化的故障點(diǎn)。 對于業(yè)務(wù)已經(jīng)受到影響，但是網(wǎng)管卻沒有上報(bào)告警，或者沒有上報(bào)有效的告警的情況，在處理的時候，通常需要分段環(huán)回，借助網(wǎng)管或者誤碼儀的監(jiān)測來逐步縮小故障點(diǎn)所在的范圍。然后，測量故障點(diǎn)或故障段落的相關(guān)參數(shù)的性能，定位故障。圖1對測量各種性能參數(shù)數(shù)所花費(fèi)的時間和成本、操作的難易程度以及定位故障的有效性等方面做了一個簡單的比較。由圖1的分析，我們可以看到，對于這類性能下降的故障，通常測量光功率是最容

20、易實(shí)現(xiàn)的，但是，如果光功率在正常范圍之內(nèi)，就需要進(jìn)一步測量光信噪比、眼圖或者誤碼率。 從上面的分析，我們可以看到，如果單純依靠網(wǎng)管不能定位故障，為了以最快的速度和最高的效率定位故障，恢復(fù)業(yè)務(wù)。應(yīng)該首先通過逐段環(huán)回找到故障點(diǎn)或故障段落，然后使用圖2中方框內(nèi)所給出的測量方法來定位故障點(diǎn)。在實(shí)際處理故障時，我們應(yīng)該根據(jù)實(shí)際需要，把網(wǎng)管和儀表結(jié)合起來，采用簡單快捷的方法定位故障。6結(jié)論 故障定位是故障管理的一個重要環(huán)節(jié)，它是故障修復(fù)和業(yè)務(wù)恢復(fù)的基礎(chǔ)和前提。在定位DWDM系統(tǒng)的故障時，應(yīng)該分析各種故障自身的特點(diǎn)，把不同節(jié)點(diǎn)、不同類型的告警結(jié)合起來，找出其中的關(guān)鍵信息，準(zhǔn)確定位故障。對

21、于單純依靠網(wǎng)管上報(bào)的告警不能定位的故障，或者網(wǎng)管沒有上報(bào)告警的故障，應(yīng)該借助合適的儀表，測量相關(guān)的性能參數(shù)，找出故障點(diǎn)。參考文獻(xiàn)華信郵電咨詢設(shè)計(jì)研究院有限公司， 國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）課題“可擴(kuò)展到80×40G 3Tnet長途試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建設(shè)、測試與試運(yùn)行”項(xiàng)目一階段設(shè)計(jì)，2005.9Laxman Sahasrabuddhe, S. Ramamurthy, and Biswanath Mukherjee, “Fault Management in IP-Over-WDM Networks: WDM Protection Versus IP Restoration”, IEEE J. Select. Areas Commun., vol. 20, Jan. 2002, pp. 21-34.J. S. Baras, M. Ball, S. Gupta, P. Viswanathan and P. Shah, “Automated Network Fault Management”, MILCOM'97, Monterey, CA, Novembe