СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
SYSTEM OF MONITORING OF OPTICAL CABLE CONNECTIONS

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится преимущественно к технике связи и может использоваться для мониторинга соединений оптических коммутационных панелей.
Уровень техники
В мире существуют различные средства мониторинга оптических кабельных соединений, основной задачей которых является понять, каким образом с помощью кабеля соединены между собой оптические порты устройств.
Например, известны способ и система, описанные в патенте RU 2313800, имеющая датчики подключения на коммутационной панели. Оптические датчики срабатывают в момент установки соединения между устройствами, а идентификация порта панели, куда включено сетевое устройство, происходит путем сопоставления событий срабатывания датчика и изменения состояния порта сетевого устройства (LinkUp/LinkDown). Но такая система не работоспособна до момента установки соединения между сетевыми устройствами.
Сущность изобретения
Таким образом, задачей настоящего изобретения является разработка такого средства мониторинга оптических кабельных соединений, которое позволит идентифицировать порт оптической коммутационной панели, куда подключен оптический порт сетевого устройства, без установки сетевого соединения между сетевыми устройства.
Для достижения указанного технического результата предлагается система мониторинга оптических кабельных соединений, содержащая сетевое устройство, включающее в себя по крайней мере один оптический порт для сетевых подключений с передатчиком и приемником; коммутационную панель с оптическими портами для подключения оптических волокон оптического кабеля; оптическое волокно, подключенное в один из портов коммутационной панели; датчик, расположенный рядом с оптическим волокном, соответствующий одному из портов панели и воспринимающий побочное электромагнитное излучение (ПЭМИ) от сигналов, передаваемых сетевым устройством по оптическому волокну; отличающаяся тем, что датчик воспринимает сигнал для установки оптического соединения; содержит программно-аппаратный комплекс, способный изменять сигнал для установки оптического соединения оптического порта сетевого устройства; и программно-аппаратный комплекс, идентифицирует порт коммутационной панели, куда подключен оптический порт сетевого устройства, сопоставляя время изменения сигнала для установки оптического соединения и время изменения сигнала датчика.
Для расширения функционала системы датчик может изменять выходной сигнал, когда через порт панели, соответствующий датчику, сетевое устройство передает данные другому сетевому устройству. При этом программно-аппаратный комплекс идентифицирует порт коммутационной панели, куда подключен оптический порт сетевого устройства, сопоставляя время установки/разрыва соединения между сетевым устройством и другим сетевым устройством и время изменения сигнала датчика
В одном из вариантов конструкция датчик содержит по крайней мере один чувствительный элемент, преобразующий побочное электромагнитное излучение от оптического волокна в электрический сигнал. При этом чувствительный элемент может содержать лавинный фотодиод, или фототранзистор на гетероструктурах, или детектор излучения на базе MEMS или NEMS, или детектор излучения на базе графена и технологии квантовых точек.
Для лучшего восприятия ПЭМИ датчик может содержать несколько чувствительных элементов, которые расположены вдоль и/или вокруг оптического волокна.
В другом варианте для лучшего восприятия ПЭМИ датчик может содержать оптическую систему, которая фокусирует исходящее от оптического волокна побочное электромагнитное излучение на чувствительном элементе(-ах). В этом варианте оптическая система может содержать отражающую поверхность, сечение которой близко в параболе, и собирающую линзу или отражающую поверхность, сечение которой близко к эллипсу.
Для того чтобы изменить сигнал для установки оптического соединения программно-аппаратный комплекс может включать-выключать (shutdown) оптический порт сетевого устройства или изменять мощность его передатчика.
Для удобства эксплуатации коммутационная панель может содержать инфракрасные датчики, фиксирующие наличие разъема коммутационного шнура в порту панели, и/или световые индикаторы для своих портов.
С целью обеспечения дополнительного функционала программно-аппаратный комплекс с помощью датчика проверяет наличие сигнала для установки оптического соединения в оптическом волокне и при отсутствии такого сигнала принимает решение, что соответствующий датчику порт коммутационной панели не подключен к порту какого-либо сетевого устройства.
Чтобы улучшить характеристики системы, датчик можно располагать на расстоянии не более 20 метров от передатчика оптического порта сетевого устройства.
Оптический порт для сетевых подключений может поддерживать один из протоколов: 100Base-FX, или 100Base-SX, или 1000Base-SX, или 1000Base-LX, или 1000Base-LX10, или 1000Base-EX, или 1000Base-ZX, или 10GBase-SR, или 10GBase-LR, или 10GBase-ZR, или 10GBase-ER, или 10GBase-LRM, или 100GBASE-SR10, или 100GBASE-LR4, или 100GBASE-ER4. А оптическое волокно может быть одномодовое, пластиковое или многомодовое.
Дополнительно, чтобы не разрывать ранее установленное оптическое соединение между упомянутым сетевым устройством и другим сетевым устройством, программно-аппаратный комплекс идентифицирует порт коммутационной панели, куда подключен оптический порт сетевого устройства, сопоставляя время изменения мощности сигнала передачи данных в оптическом волокне, произведенного программно-аппаратный комплексом, и время изменения сигнала датчика.
В некоторых вариантах сигнал для установки оптического соединения может содержать наборы данных (ordered sets) «Idle», описанные в стандарте Ethernet.
Для достижения того же технического результата по настоящему изобретению предлагается датчик, воспринимающий сигналы побочного электромагнитного излучения от оптического волокна кабеля, отличающийся тем, что воспринимает побочное электромагнитное излучение от сигналов для установки оптического соединения, передаваемых по оптическому волокну.
Датчик может содержать по крайней мере один чувствительный элемент, преобразующий побочное электромагнитное излучение в электрический сигнал. Для улучшения чувствительности датчик может содержать несколько чувствительных элементов, которые расположены вдоль или вокруг оптического волокна. С этой же целью в состав датчика может быть включена оптическая система, которая фокусирует исходящее от оптического волокна побочное электромагнитное излучение на чувствительном элементе(-ах). При этом оптическая система может содержать отражающую поверхность, сечение которой близко в параболе, и собирающую линзу или отражающую поверхность, сечение которой близко к эллипсу.
Чувствительный элемент может включать лавинный фотодиод, или фототранзистор на гетероструктурах, или детектор излучения на базе MEMS или NEMS, или детектор излучения на базе графена и технологии квантовых точек.
И наконец, датчик может воспринимать электромагнитное излучение длиной волны 850 нм, или 1310 нм, или 1550 нм.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 изображена общая схема системы мониторинга оптических кабельных соединений.
На фиг. 2 изображен вариант датчика с чувствительными элементами вокруг оптического волокна.
На фиг. 3 изображен вариант датчика с чувствительными элементами вдоль оптического волокна.
На фиг. 4 изображен вариант датчика с параболической отражающей поверхностью.
На фиг. 5 изображен вариант датчика с эллиптической отражающей поверхностью.
Подробное описание изобретения
Система и датчик по настоящему изобретению могут быть реализованы в нескольких вариантах, которые, тем не менее, осуществляются сходным образом. На фиг. 1 представлена типичная схема подключения сетевого устройства 1, оснащенного оптическим портом для сетевых подключений 2, к коммутационной панели 3 с оптическими портами 4. Сетевое устройство может быть свитчом, маршрутизатором или сервером с оптическим портом для сетевых подключений 2, поддерживающим, например, один из вариантов оптической версии Ethernet скорости 100, 1000 или 10G, или работать по протоколу Fiber Channel. Разъем порта 2 может быть типа ST, SC или LC, как и разъем порта 4. На фиг. 1 показан сдвоенный коммутационный шнур 5 с дуплексным разъемом LC, содержащий два оптических волокна. Волокно 6 используется сетевым устройством 1 для передачи сигнала, а волокно 7 - для приема. С помощью проходной розетки, например, LC (не показана), волокно 6 соединяется с одним из волокон 8 оптического кабеля 9, который может быть подключен к другому сетевому устройству 10, также через оптические разъемы (не показаны). Непосредственно на поверхность оптического волокна 8 установлен датчик побочного электромагнитного излучения 11. Для более эффектного функционирования системы внешние защитные оболочки волокна 8 можно зачистить до отражающей оболочки, имеющий стандартный диаметр 125 мкм (у пластикового 1 мм).
Помимо этого система содержит программно-аппаратный комплекс 12, который способен воспринимать выходной сигнал датчика 11 и изменять сигнал для установки соединения оптического Ethernet оптического порта 2. Программно-аппаратный комплекс в общем случае представляет собой распределенную систему, включающую сетевой компьютер с соответствующим программным обеспечением, контроллер датчика(-ов), например, на базе MCU STM32 с логическими входами или входами АЦП. Контроллер может передавать на сетевой компьютер текущее состояние датчика 11 по шине RS485 через преобразователь RS485-TCP/IP, подключенный в компьютерную сеть. Или же сетевой компьютер может быть сделан на своей материнской плате, где уже имеются логические входы или АЦП. Вариантов реализации программно-аппаратного комплекса много, и они не являются предметом данного изобретения.
Если сетевое устройство 1 включено и порт 2 поднят (а устройство 10 выключено), то в соответствии со стандартами Ethernet в оптических волокнах 6 и 8 присутствует сигнал для установки соединения оптического Ethernet, например, пакеты «IDLE» для 10GBase или пакеты «IDLE» и «CONFIGURATION» для 1000Base. Датчик 11 фиксирует их наличие в волокне 8. Из-за рэллеевского рассеивания часть фотонов сигнала для установки оптического соединения покидает волокно и воспринимается датчиком 11. Программно-аппаратный комплекс, например, с помощью эмуляции терминала по протоколам telnet или ssh, или с помощью SNMPSET может выключить (shutdown) порт 2 сетевого устройства. Очевидно, что порт сетевого устройства в этом случае перестанет передавать сигналы для установки соединения. Выходной сигнал датчика 11 изменится. Сопоставив время выключения порта 2 и время пропадания сигналов в оптическом волокне 8, программно-аппаратный комплекс 12 идентифицирует порт коммутационной панели 4, куда подключен порт 2 сетевого устройства 1 без установки сетевого соединения между устройствами 1 и 10. Затем порт сетевого устройства 1 опять можно включить. Схожий результат можно получить, выключив лазер, например, командой «[edit interfaces interface-name otn-options] set laser-disable» в устройствах Juniper.
Понятно, что включение/выключение порта 2 во избежание потери данных не следует производить при установленном соединении между устройствами 1 и 10, когда устройство 10 включено.
В другом варианте можно изменить мощность сигнала, который передает порт 2 в оптическое волокно 8. Иногда уровень мощности оптического передатчика можно задавать программным путем. Например, в маршрутизаторах Juniper это можно осуществить командой «[edit interfaces interface-name optics-options] set tx-power value», например, на модуле MIC3-100G-DWDM MIC от -8 до 0 dBm, то есть больше, чем 6 раз. Аналогично, сопоставляя время команды и время изменения сигнала датчика 11, можно идентифицировать порт коммутационной панели 4, куда подключен порт 2 сетевого устройства 1 без установки сетевого соединения.
Дополнительно, выше описанная система может функционировать несколько по-другому. В момент установки оптического соединения между сетевыми устройствами 1 и 10 почти сразу начинают передаваться данные, поскольку, даже в отсутствие данных пользователя по кабелю передается сигнал «Незанято» (Idle). При этом в программно-аппаратный комплекс 12 устройством 1 по сети передается информация об изменении состояния порта (LinkUp - с помощью SNMP ловушек (trap), лог-файла или считывания текущего состояния таблицы МАС-адресов). Программно-аппаратный комплекс 12 сопоставляет время установки соединения и время срабатывания датчика 11, и определяет в какой порт 4 панели 3 подключен порт 2.
Если же соединение между устройствами 1 и 10 уже установлено, то средствами мониторинга сети, например, по SNMP может получить мощность сигнала оптического передатчика устройства 1, уровень принимаемого сигнала на устройстве 10, рассчитать бюджет оптического тракта, и временно максимально изменить (увеличить или уменьшить) уровень мощности передатчика устройства 1 так, чтобы сетевое соединение не было разорвано. А затем, отследив изменение выходного сигнала датчика 11, определить в какой порт 4 панели 3 подключен порт 2.
Понятно, что уровень побочного электромагнитного излучения (ПЭМИ) оптического волокна очень маленький, в порядке убывания мощности излучения: многомодовое волокно длина волны 850 нм, многомодовое - 1310 нм, одномодовое - 1310 нм, одномодовое - 1550 нм. Но его можно воспринять, используя существующие технологии. Общая конструкция датчика, воспринимающего сигналы для установки оптического соединения, может содержать чувствительный элемент, преобразующий побочное электромагнитное излучение в электрический сигнал, и усилитель этого электрического сигнала, выполненный на базе операционных усилителей и/или компараторов. С другой стороны чувствительный элемент может быть оптическим: если передатчик оптического порта 2 очень мощный, с помощью отражателей и линз ПЭМИ может быть направлено в другое оптоволокно и там быть усилено с помощью волоконного усилителя (например, эрбиевого или тулиевого) и в виде оптического сигнала передано на программно-аппаратный комплекс 12.
Понятно, что чем ближе к передатчику порта 2 расположен датчик 11, тем большее количество фотонов на него поступает, потому что общее количество фотонов в кабеле 9 убывает по мере удаления от порта 2. Поэтому не следует слишком удалять датчик от передатчика, например, не более, чем на 20 м.
Существуют фотоумножители, выполненные на основе лавинных диодов, которые способны удавливать даже один фотон. Они весьма дороги, но даже один такой фотоумножитель вполне способен уловить побочное электромагнитное излучение (ПЭМИ) от оптического волокна 8.
Кроме того в статьях «High-performance graphene photodetector using interracial gating (Xitao Guo, Wenhui Wang и др.)» и «Photodetectors based on graphene, other two-dimensional materials and hybrid systems» (F.H.L. Koppens, T. Mueller и др.) описаны чувствительные элементы на базе графена, в том числе с использованием технологии квантовых точек. В статье «Graphene-aluminum nitride NEMS resonant infrared detector» (Zhenyun Qian, Yu Hui и др.) описан MEMS (или NEMS, потому что размеры структур измеряются нанометрами) чувствительный элемент сходного функционала. Указанные в статьях чувствительные элементы обладают способностью воспринимать электромагнитное излучение ИК-диапазона мощностью в доли нановатта. Некоторые вполне способны заменить фотоумножитель в случае многомодового волокна.
С другой стороны размеры этих чувствительных элементов 13 (фиг. 2) составляют несколько десятков микрон, что позволяет разместить их вокруг оптического волокна 8. В результате в разы увеличивается количество фотонов, воспринимаемых датчиком 11.
Нужно учитывать, что оптическое волокно 8 достаточно протяженное и ничто не мешает разместить вдоль него большое количество чувствительных элементов 13, например фототранзисторов на гетероструктурах, включенных по схеме с общим эмиттером, где все коллекторы подключены к одному резистору, как показано на фиг. 3. Увеличение эффективности датчика практически пропорционально количеству фототранзисторов. При необходимости такие протяженные датчики так же можно размещать вокруг волокна 8, воспринимая больше фотонов ПЭМИ.
В другом варианте увеличить количество фотонов, поступающих на чувствительный элемент можно при помощи оптической системы. На фиг. 4 представлена в перпендикулярном разрезе (по отношению к оптическому волокну) оптическая система с отражающей поверхностью 14, сечение которой близкой к параболе, в фокусе которой находится оптическое волокно 8, а собирающая линза 15 концентрирует ПЭМИ на чувствительном элементе 13, находящемся в фокусе линзы 15.
Еще один вариант оптической системы можно изготовить, используя отражающую поверхность 16, сечение которой близко к эллипсу. При этом оптическое волокно 8 и чувствительный элемент 13 находятся в разных фокусах эллипса.
Отражающие поверхности в обоих случаях можно выгнуть из полированного металла, закрепив оптическое волокно 8 и чувствительный элемент(-ы) 13 в нужном месте с помощью кронштейнов. Длину зеркальной поверхности вдоль оптического волокна можно выбирать, размещая необходимое число чувствительных элементов 13. Либо поместить оптическое волокно 8 в отливку из кварцевого стекла, разделенную вдоль пополам (чтобы можно было поместить волокно 8 внутрь). Если внешнюю поверхность отливки сделать в виде параболы или эллипса, отполировать, покрыть снаружи отражающим слоем путем металлизации, а коэффициент преломления кварцевого стекла сделать меньше, чем у отражающей оболочки оптического волокна 8, то фотоны ПЭМИ будут проникать в отливку практически без потерь и фокусироваться на чувствительном элементе 13.
Кроме того коммутационную панель дополнительно полезно оснащать ИК-датчиками (на отражение или просвет), которые срабатывают на подключение разъема в порт коммутационной панели, и визуальными светодиодными индикаторами над портами панели. При этом, если ИК-датчиками фиксируют наличие разъема в порту панели, а в оптическом волокне отсутствуют сигналы для установки оптического соединения и сигналы передачи данных, то программно-аппаратный комплекс может принять решение, что соответствующий порт коммутационной панели не подключен ни к какому сетевому устройству, а второй разъем оптического коммутационного шнура «болтается».
Хотя настоящее изобретение описано со ссылками на конкретные варианты его осуществления, специалистам ясно, что эти иллюстративные примеры, в которых можно сделать различные модификации, не ограничивают объема изобретения, определяемого только прилагаемой формулой изобретения.