光网络启发式链路异常检测发现方法

毛志杰，张 杰，周继军

(1.国防科技大学 信息通信学院，湖北 武汉 430030；2.北京邮电大学 信息光电子与光通信研究院，北京 100876；3.北京邮电大学 网络空间安全学院，北京 100876)

中国光缆线路大部分已运行20多年，链路出现问题的概率逐渐增大，做好光缆链路检测安全管控就显得尤为重要[1-3]。在光网络流量检测管控方面，多尺度融合、光开关分布反演、光纤智能感知和图论等技术已广泛应用于流量分类、流量预测与流量异常检测中，进而实现光网络流量疏导、负载均衡与网络攻击定位。

文献[4]提出利用 “眼图法”对自建光波分复用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)多粒度交换可重构全光网中数字光信号进行全面监控的方法。文献[5]研究了光纤传感网络出现链路故障时光开关的切换策略，实现对失效光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)传感器信号的自修复性能。文献[6]建立关于异常检测需要的监测路径集合，在建立好的监测路径上同时发送探测信号。最后，在有故障的路径上执行故障定位，由此证明了最小监测路径集合问题是非确定多项式问题。文献[7]提出了一种采用散射光信号幅度分布反演气溶胶质量浓度的分形模型，利用了颗粒散射光的信号幅度信息与数目信息，有效提高了反演精度。文献[8]使用Godard定时误差检测器和施密特正交化法估计并补偿了接收机损伤，使用级联的判决引导实现了对发射机损伤不敏感的偏振解复用和载波相位恢复。但是，研究光缆线路中微弱信号检测的比较少[9-10]，并且对整体线路进行诊断成为当前重要的研究方向之一。

近年来，基于启发式网络流量管理与网络故障管理的应用不断涌现[11]。为提高光缆链路安全检测管控能力，针对全域全光缆线路的覆盖和线路中微弱信号的发现检测进行了研究，拟提出一种新的启发的分布式检测方法。该方法采用归零重置的策略，即通过构造监测路径遍历选择方法使得每条链路至少被一条监测路径经过，再结合Morlet小波微弱信号检测算子，实现分布式遍历、自归零的链路故障检测，发现微弱信号的感知与判别，以期提高光网络故障检测效率。同时，通过仿真实验验证所提方法的有效性。

1 光网络链路故障监测设计方案

为实现光网络中故障检测的灵敏测试、精度定位和快速响应的目标，将光网络故障预警系统分为一级远程评估中心、二级本地检测中心两级。一级远程评估中心通过建立故障评估体系，实现采集数据分析、处理、响应和备份，并及时做出行动预案，其基本功能是通过基于启发式的故障异常行为评估方法实现。二级本地检测发现中心是光网络链路故障监测发现的核心，其功能是对光网络的链路故障进行异常检测发现[12-13]。基于Morlet小波的链路故障检测行为发现技术实现光信号解调，获取传感光纤中的后向散射信号，并通过微弱信号处理确定光网络是否发现异常行为。同时，将采集到的各测评站的数据信息发送给一级监控中心。光网络全域链路故障监测原理结构如图1所示。

图1 光网络全域链路故障监测原理结构

当监测范围超出检测上限时，即光信号需要增强时，可以在监测范围内划分出多个监测子区域进行监控。设置总远程控制中心，控制各个子区域的本地监控站及其相关外设，实现对全域内的光缆线路检测控制，监测处理流程如图2所示。

图2 光网络全域链路故障监测流程

2 基于启发式的链路异常行为检测

在实际的光纤系统中，会出现短时间的温度和应力变化，接收的传感信号表现为其包络有小突起出现，且持续时间较短，但携带了重要检测信息。随着时间延长，包络中有多处突起后向散射信号经过时间平均累加信号趋于平稳，就无法检测到光网络中链路异常现象。为达到对这类变化有良好的检测效果，提出了基于Morlet小波的启发式链路异常检测方法。

基于Morlet小波的启发式链路异常检测方法包括源、传感光纤、Morlet检测、均衡检测、环形器以及参考光源等6个模块。采用中心波长为1 550 nm的窄线宽光纤激光器作为泵浦源，激光经隔离器后，进入声光调制器(Acoustooptical Modulators，AOM)调制成光脉冲信号。然后，为了抑制因掺饵光纤放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifier，EDFA)产生的自发辐射噪声，通过对脉冲光进行放大，在EDFA后端加入了窄带光滤波器进行滤波处理。最后，通过环形器将光信号注入到传感光纤中，后向散射信号与参考光经过均衡检测后，采用高灵敏度、低噪声的光电探测器与宽带放大器分别对两路信号进行光电转换与微弱信号检测。同时，结合高速累加平均器对转换数据进行信号处理并显示结果。所提出的基于Morlet小波的启发式链路异常检测原理如图3所示。

图3 基于Morlet小波的启发式异常检测原理

Morlet小波检测相当于一个复数滤波器，对输入后向散射信号x(t)作Morlet小波变换，其卷积形式[14-16]为

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小波函数。在式(2)中，下标a,b分别为移动因子和尺度因子；j为虚数单位；ψa,r(t)和ψa,i(t)分别表示Morlet小波变换函数的实部和虚部，其表达式分别为

(3)

(4)

信号x(t)进行复小波变换后，Wx(a,b)系数的实部和虚部分别表示为Re(Wx(a,b))和Im(Wx(a,b))，其相位差为π/2，且实部和虚部的幅值相同。对变换后信号x(t)进行包络检波，包络解调中小波系数的包络分量为

(5)

Morlet小波的实部与虚部分别是具有π/2的正交特性，因此具有带通滤波功能，可实现带通滤波和幅值解调。改变尺度因子a的值，光纤载波频率和传输带宽都会发生变化，可以得到传输带宽内的信号的信号包络，将这些信号组合在一起可以得到整个信号的包络尺度谱。

采用Morlet小波变换实现包络检波的步骤如下。

步骤1对后向散射信号x(t)进行快速傅里叶(Fast Fourier Transform，FFT)变换。

步骤2经变换后得到Morlet小波系数Wx(a,b)。

步骤3对信号ψa(w)进行快速傅里叶逆(Inverse Fast Fourier Transform，IFFT)变换。

步骤4利用Morlet小波的带通滤波功能和正交特性，实现基于Morlet小波的布里渊信号的包络检测，可由式(2)得到。

步骤5调整尺度a大小，得到信号在不同频带中的包络成分，从而得到包络检波后的信号。

3 基于启发式的链路故障行为发现

对于光网络异常检测路径选择，提出基于启发式链路异常检测方法，通过构造监测光纤使得每束光缆至少被一条检测光纤遍历过。考虑一组监测路径图集M，在每条链路ei上设置一个计数器C(ei)，计数器表示从发送方T到接收方R每条链路上经过的监测路径的数目，即按照局部稀缺最优策略，选择计数器数值C(ei)最小的节点作为下一个节点进行链路检测，即每条链路至少被一条监测路径经过。

归零重置的策略是通过构造光网络路径遍历方法使得每束光纤链路至少被一条监测路径经过。在光网络拓扑图G(V,E)中，若存在一条从发送方到接收方的随机路径mk，则在由mk经过的所有链路上的计数器加1，当每条链路上的计数器C(ei)≠0时，算法结束，获取后向散射信号相关数据。

具体基于启发式链路故障行为发现方法步骤如下。

步骤1建立相关路径集合M。依据光网络拓扑图G(V,E)，假设有两个监测站，即一个发送方，一个接收方，建立数据库存储有不同时期、不同时刻、不同条件下(温度/应力等环境条件)的相关监测网络路径集合M。

步骤2选择网络路径链路数。在异常检测中，链路数选择与检测性能密切相关，是决定系统收敛快慢的关键，是检验算法优异的主要因素。

步骤3在集合M中，初始化每条链路上的计数器C(ei),(i=1,2,…,|E|)。

步骤4当∀C(ei)≠0时，在G中找一条从发送方到接收方的随机路径，如果mk∈M，放弃该路径。

步骤5若mk∉M，选择该路径，并且把mk放入M中；对mk经过的每条链路ei，C(ei)+1，

由此，基于启发式链路异常检测方法就是最小监测路径优化问题。通过在一个交换节点得到最小监测路径集合M，从而在M中的所有监测路径上同时发送探测进行异常检测。

基于Morlet小波的发现技术获取数据，在相关数据库中找出具有相似条件下(温度、应力)数据与之求相关，进行基于统计阈值的异常行为检测评估，及时做出行动预案判定，并进行案例的备份和上报。

4 仿真结果

在室温下，当波长为λ=1 550 nm时，普通石英光纤的增益gp≈5×1011m/W，若本征布里渊谱宽为40 MHz，发射光信号的脉宽为100 ns，后向散射信号经过均衡处理和基于Morlet小波检测滤波，对采集到的数据进行处理，获得的布里渊信号的时频分布图以及光纤沿线上三维布里渊频谱图，如图4所示。由图4中可以看出，功率谱逼近洛伦兹形状，随着光纤长度的增加，功率谱的幅度逐渐减小，图4中3段不同明暗程度的传感光纤对应于图3的Fiber_A、Fiber_B、Fiber_C光纤，具有不同的布里渊频移，布里渊频移分别为10.94 GHz、10.92 GHz和10.96 GHz。如图5所示，光纤Fiber_B在应力为0.1%和0.3%时的布里渊频移分别为10.99 GHz和11.03 GHz。

图4 Fiber_A、Fiber_B、Fiber_C光纤信号沿线上三维布里渊频谱反应

图5 光纤Fiber_B在不同应力时的布里渊频移

如图6所示，在误报率为1%时，光纤Fiber_B处在温度升高到50°时前后两序列的互相关关系，由此可以看出，不管是温度或应力改变，均能有效地发现异常现象。

图6 随温度变化时光纤异常发现现象

链路数的选择是决定系统收敛快慢的关键因素之一。在实际光缆网络中，对于交换局一个方向一般有(48×2)芯光缆，以小、中、大不同交换局(200,500,1 000)芯为例，检验链路数与算法收敛快慢的关系如图7所示。对于不同链路数在小于150 s时算法收敛，相比之下，小交换局链路数小、收敛较快。那么，对于中大型交换局来说，算法收敛速度快慢是可以接受的。

图7 系统链路数与算法收敛快慢关系

图8给出了网络中定位所有单链路故障时，随机游走检测算法和基于启发式故障探测算法所消耗平均时间的对比关系。由图8可以看出，所提出的启发探测选择算法比随机游走检测算法时间收敛更快。

图8 算法计算中所需链路数与时间关系

5 结语

为了检测每条链路中可能受温度和扰动引起的线路质量变化等问题，提高光缆链路安全检测管控能力，提出了光网络启发式链路异常检测发现方法。所提方法结合Morlet小波微弱信号检测算子和归零重置策略，实现分布式全域遍历、自归零的链路故障检测，以及微弱信号的感知与判别，提高故障检测效率。同时，仿真结果表明，所提方法能够实现光网络中故障检测的灵敏测试、精度定位和快速响应。