超300km級別光纖傳輸技術在電力通信中的研究與應用

龍諾亞，王飛，鄭元偉

(1.貴州電網有限責任公司信息中心，貴州 貴陽 550002；2.無錫市德科立光電子技術股份有限公司，江蘇 無錫 214028)

電力通信網作為電力輸電線路的配套網絡，是電網調度自動化、網絡運營市場化和管理現代化的基礎；是確保電網安全、穩定、經濟運行的重要手段。電力通信與運營商通信有很大區別，電力通信光纜一般與輸電線路同時建設，電力路徑偏遠，設置中繼站成本高、維護不便，因此電力通信中繼站數量有限，光纜跨距大，中繼站間光纜跨距可達300km以上，超長跨距無中繼光通信傳輸方案一直是電網建設的重要課題。

現階段貴州電網省干OTN(光傳輸網)傳輸通道采用波分技術可承載帶寬40G的業務，單波帶寬最高達到10G。OTN系統容量大，傳輸帶寬高，但鏈路抗干擾能力弱，單跨段傳輸距離短，貴州電力線路超300km的跨段較多，需要新建大量中繼站，投入大、成本高[1-2]。

如何改善超長距大容量光傳輸系統的性能，節約建設成本，滿足特高壓電網通信大容量骨干OTN“超長距”、“大帶寬”系統建設的要求，是目前貴州電網建設中的重要課題。

1 光傳輸系統受限因素及解決技術

針對超長距離傳輸的目標，首先要考慮影響傳輸的主要因素，由于光纖傳輸的許多不利因素影響了光纖傳輸網絡的系統性能及傳輸距離：信號衰減、色散、非線性效應等，對于單通道10Gbit/sITU-TG.691系統中，前面提及的效應更為明顯，而偏振模色散主要在更高速率如40Gbit/s系統中，限制系統性能有明顯作用?？紤]到不同需求對光纖傳輸的信號衰減需求，對于本文描述的光信號傳輸系統的容限可總結為：功率容限、光信噪比(optical signal noise ratio,OSNR)容限、色散容限、非線性容限。對應的解決技術主要為光放大技術、前向誤碼糾錯技術(forward error correction,FEC )、色散管理技術、受激布里淵抑制技術(stimulated Brillouin scattering，SBS)等[3-5]。

1.1 功率容限

由于光纖的吸收和散射、接頭損耗的影響，光信號在傳輸過程中功率會逐漸降低，當單跨距光纜傳輸累計損耗逐步增加到接收端信號功率低于接收機的最小門限時，系統誤碼率增加，無法正常工作。引入光放大器是解決功率容限最簡單最直接最有效的方法，常用的光放大器主要為摻鉺光纖放大器[6-7](Er-doped fiber amplifier,EDFA)和光纖拉曼放大器[8-10](fiber Raman amplifier,FRA)。

EDFA主要為功率放大器(booster amplifier，BA)和前置放大器(pre-amplifier，PA)，其中BA放置于發射端，用于提高入纖功率。PA放置于接收端，用于提高接收功率。SDH(光同步傳輸)系統中，典型波長為1550.12nm，對于PA，一般會內置100GHz Filter，可以過濾信號波長+/-0.4nm以外的噪聲功率，接收端靈敏度可降低3dB以上。

FRA使用分布式拉曼放大器，根據泵浦方式可分為前向FRA (co-pumped Raman amplifier,CoPRA)和反向FRA(counter-pumped Raman amplifier,CtPRA)。其中CoPRA放置在BA之后，可以有效提高入纖功率，在一定程度上可抑制SBS效應[11-12]。如圖1所示，假設SBS入纖功率為20dBm，CoPRA有效增益為11dB，BA和CoPRA配合使用時，BA功率需要降低到16dbm以下，光功率隨著傳輸光纖長度增加，先逐漸增加再逐漸減小。從如圖1中可以看出，CoPRA可使得SBS閾值點從0km位置延后到25km位置，最終可增加約30km的距離，即相當于SBS閾值提高了5dB～6dB。

圖1 BA+CoPRA功率變化曲線Fig.1 Power curveof BA+CoPRA

CtPRA由于等效噪聲指數低，安裝在PA之前，可提高接收端OSNR，等效為接收靈敏度可降低5dB～6dB左右，傳輸記錄可增加25km～30km。

1.2 光信噪比容限

OSNR定義為光信號功率與噪聲功率的比值，是考量光傳輸系統信號質量的關鍵指標[13-15]。光傳輸系統的噪聲主要來自光放大器，放大器在解決功率容限的同時，會引入噪聲功率(自發輻射功率)，導致接收端OSNR劣化，誤碼率增加[16-17]。

一般采用兩種方法降低OSNR容限：

第一種為采用前向糾錯技術，可以通過在傳輸碼列中加入冗余糾錯碼，可以大幅度降低接收端的OSNR容限，減少誤碼率和發射功率，使得OSNR容限可降低9dB～10dB。

第二種為采用分布式拉曼放大器，延緩OSNR劣化。如圖1所示，使用CoPRA時，OSNR容限等效可降低5dB左右，功率容限提高5dB左右；CtPRA的等效噪聲指數一般為-2dB,PA的噪聲指數一般為5dB～6dB左右，組合使用時，等效級聯噪聲指數約為0dB～-1dB，和單獨PA相比，噪聲指數可降低6dB左右，即OSNR容限等效可降低6dB，功率容限提高6dB。

1.3 色散容限

光信號在光纖中傳輸時，脈沖寬度會隨著傳輸距離增加而變寬，當脈沖寬度到一定程度時，相鄰脈沖重疊導致碼間干擾，造成誤碼率增加。色散容限(chromatic dispersion,CD)和信號調制速率平方成反比，隨著速率的提高，色散容限急劇下降，傳輸距離急劇減短。色散現象導致的結果是信號失真，在光纖中有3種基本的色散效應：模間色散、色度色散和偏振模色散。為了減少信號變形的影響，可以采用色散管理技術，使傳輸中采用的光纖的色散值正負交替，系統總的色散為零。同時色散斜率過大，也對系統傳輸性能有影響，減少色散斜率的方法是在接收端加入色散均衡設備進行補償，以及在系統中進行色散補償，如采用光纖布拉格光柵色散補償器。色散容限可用公式(1) 表示[18]：

(1)

D為色散系數，單位為ps/(nm·km)；B為速率，單位Gbit/s；LD表示色散容限距離，單位km。

從公式可知，10G速率系統因色散影響，不進行色散補償的前提下，最大傳輸距離僅60km左右。系統中引入色散補償光纖(dispersion compensating fiber,DCF)可消除或減弱色散對傳輸距離的限制，考慮到發射接收模塊本身色散容限，DCF補償量一般為(L-60)km即可滿足系統需求，L表示傳輸光纖長度(光纖類型為G.652)。

1.4 非線性容限

在高強度電磁場中任何電介質對光的響應都會變成非線性，光纖中也不例外。對于SDH系統，光纖中的非線性主要是SBS。SBS制約了發送端的入纖功率[19-21]。入纖功率超過SBS閾值會帶來嚴重的反射光能量，消耗正向傳輸的信號光能量，引起系統誤碼。準單色連續光信號在G.652光纖傳輸，SBS閾值僅為1dBm～2dBm左右。對于10G速率系統，信號譜寬相對較大，入纖SBS功率閾值一般為10dBm～13dBm左右，很大程度上制約了入纖功率，影響傳輸距離和接受端OSNR。

光纖中的非線性效應主要有兩種：一種是光波散色產生的受激布里淵散色和受激拉曼散色；一種是折射率變化引起的非線性效應，主要有自相位調制、交叉相位調制和四波混頻。增加傳輸光纖的有效面積和降低傳輸信道的功率可以有效抑制光纖的非線性，但傳輸功率的減小降低了傳輸的信噪比，光信噪比限制和非線性限制一起決定了光纖的最大傳輸距離和傳輸容量通過在發送端的光信號中加入特定的調制信號[22-23]，實現光信號光譜展寬，提高非線性閾值，抑制SBS效應，10G速率單波發送光功率可達到20dBm以上，功率容限可提高約7dB，延長無中繼傳輸距離可達35km。

1.5 方案總結

綜上所述，表1給出了不同系統方案可支持的極限損耗。

表1 系統極限損耗Tab.1 System limit loss

2 超300km級別光傳輸系統設計方案

2.1 系統配置方案

貴州電網超300km跨距電力系統，傳輸光纜型號為GYFTY-G.652，光纜距離超300km，無任何中繼設備，300km范圍內光纜衰減測試值為66dB。依據中華人民共和國電力行業標準《電力通信超長站距光傳輸工程設計技術規程》，為了保證系統傳輸可靠性，系統需保留5dB光纜富裕度，配置的光放系統極限容許衰耗需滿足71dB。根據表1，可采用FEC + SBS抑制技術+ BA + CoPRA + CtPRA + PA的配置方案。

系統框架圖如圖2所示：

圖2 系統框架圖Fig.2 System framework

設備及性能參數如表2所示：

表2 設備清單及性能參數Tab.2 List of equipment and performance parameters

2.2 光傳輸系統預算

2.2.1 功率損耗預算

傳輸系統可支持的極限損耗可采用公式(2)計算：

(2)

2.2.2 色散預算

對于10G光傳輸系統，主要需考慮色度色散，即光源光譜中不同波長分量在光纖中傳輸時由于其群速度不同而引起的脈沖展寬現象。實際系統傳輸光纖為G.652，色散系數D的典型值為17.5ps/(nm·km)[24-26]。

圖2所示的系統框架，由表2可知，TAC-10G FEC(SBS抑制器) 的色散容限為1600ps/nm，換算為色散受限距離LD1為1600/17.5=91km；色散補償單板TAC-DCM240的色散補償距離LD2為240km。系統色散受限總距離LD=LD1+LD2=331km，大于300km，可滿足貴州超300km線路色散需求。

2.2.3 OSNR預算

目前10G光傳輸系統接收端OSNR一般要求大于22dB，本方案增加了FEC，編碼增益不低于9dB，因此本系統接收端OSNR的極限值為13dB。

放大器中，頻率v對應的噪聲指數(noise figure,NF)可采用公式(3)計算[27]：

(3)

其中，h為普朗克常數，取值6.62607015×10^(-34) J·s；v為信號頻率，單位Hz；Δv為譜寬，單位Hz；Pase為放大器產生的Δv帶寬內的前向ASE功率，單位mW；G為頻率v的增益，線性單位。

從公式(3)可知，對于傳輸系統來說，級聯后的噪聲指數NFsys可寫為：

(4)

發射光源的OSNR一般在45dB以上，遠大于系統接收端的OSNR容限值，故光源OSNR的影響可以忽略。由OSNR的基本定義可得接收端OSNR計算值，如公式(5)所示：

(5)

其中，NFsys為系統等效噪聲指數，線性單位；Pin為系統發射端功率(即BA輸入功率)，單位mW；Δv取0.1nm對應的譜寬；信號波長為1550.12nm時，公式(5)轉換為對數單位為：

OSNRsys(dB)=58+Pin(dBm)-NFsys(dB)

(6)

公式(6)即為ITU-T G.692規范中所定義的“58”公式。

由“58”公式可知，只要計算得到NFsys就可以得到對應的OSNRsys。如圖3所示的級聯示意圖，NFsys和每級的NF、G、損耗IL之間的關系，可用公式(7)表示：

圖3 級聯示意圖Fig.3 Cascade diagram

(7)

其中，G1～n為每級放大器的增益，線性單位；NF1～n為每級放大器的噪聲指數，線性單位；IL1～n-1為放大器之間的等效損耗值(光纖損耗、連接損耗等)，線性單位。

BA、CoPRA、CtPRA、PA的典型增益、典型NF及損耗IL值如表3所示。Pin=0dBm時，考慮到SBS效應，由公式(6)、(7)計算OSNRsys=13.91 dB，可滿足貴州超300km線路OSNR需求。

表3 OSNRsys仿真計算結果Tab.3 OSNRsys simulation results

3 實施案例

3.1 案例基本信息

本次實施，設備分別安裝在貴州電力公司信息中心通信機房和都勻變，線路長度295km，實測損耗為71.3dB。

各板卡信息如表2所示，其中，色散補償器單板采用TAC-DCM240，光源本身色散容限91km，系統色散受限距離為240+91=331km，可滿足295km色散需求。

整體設備如圖4所示。

圖4 設備圖Fig.4 Equipment drawing

3.2 設備配置參數

實際系統中，各板卡工作參數配置、工作模式及功率檢測上報如表4所示：

表4 工作參數配置、工作模式及功率檢測結果Tab.4 Working parameter configuration, working mode and power test results

其中，CoPRA和CtPRA的工作方式為自動泵浦功率控制(auto pump power control,APPC)；其他板卡工作模式為自動功率控制(auto power control,APC)。

CoPRA的有效增益設計值為10dB，輸出功率為等效輸出功率，等效輸出功率為26dBm。

CtPRA的有效增益設計值為25dB，實際總輸出功率為-20.3dBm,計算關泵條件下的輸入功率為-45.3dBm。

系統每個節點的噪聲功率較低，和輸出信號功率相比，可以忽略。

表4對應的實際線路損耗為71.3dB，和表3對應的仿真損耗72dB吻合。

3.3 具體實施情況

本成果研究超300km級別光纖傳輸技術在電力通信中的研究與應用，將超長距光纖傳輸技術應用于貴州電網綜合數據網新平面工程實際中，以超長距光纖傳輸技術將綜合數據網設備直接相連接，由此可節省光纖路由通道、OTN傳輸設備等資源，可實現省干綜合數據網至省內各供電局超300公里范圍內的無任何中繼、中途放大器等設備的直連通信。并在工程實際中實現超長距光纖傳輸技術，其主要功能包括實現傳輸距離超過300km的光信號傳輸，且在無中繼的前提下，實現超長距信號傳輸功能。能夠實現傳輸容量不小于10G；傳輸距離不小于300km；長距離傳輸前提下可滿足實際業務光功率需求，即按照《南方電網數據網絡技術規范》(Q/CSG1204016.2-2016)綜合數據網要求，需滿足：1.本項目裝置本身通信的時延應控制在100ms以內；2.誤碼應小于10-5；3.抖動應控制在20ms以內三點要求。適配G.652系列光纖的要求。同時開發的超300km級別光纖傳輸裝置管理軟件，實現對光放設備全面可視化管理。

在研究成果的基礎上，在案例中選擇了貴陽至都勻295km地埋光纜、貴陽至凱里265km地埋光纜組成超長距應用環境，分別在貴陽、都勻、凱莉網絡機房部署了設備，并聯通至各地區綜合數據網接入交換機；經測試，貴陽-都勻共計68dB衰耗，OTDR分段測試后總距離295km，貴陽-凱里共計70dB衰耗，OTDR分段測試后總距離265km。

圖5 衰耗測試結果Fig.5 Attenuation test results

對部署的設備進行掛表測試，可以看到在10Gb/s帶寬的速率下，設備所組成的通道在誤碼、時延和抖動的指標完全滿足網絡通信要求，經過掛表24小時及間斷性掛表測試一周后，將貴陽-都勻、貴陽-凱里綜合數據網新平面接入設備組成的通道，路由器通信正常。

圖6 抖動測試結果圖Fig.6 Jitter test results

圖7 誤碼測試結果圖Fig.7 Error code test results

圖8 時延測試結果圖Fig.8 Time delay test result chart

實現在貴州電網綜合數據網新平面工程中，采用超長距無中繼傳輸技術，實現省干綜合數據網至省內地、市供電局超300km范圍內的無任何中繼、中途放大器等設備的直連通信，可節省光纖路由通道、OTN傳輸設備等資源，同時能夠達到長距離傳輸的大帶寬穩定通道可保障多種路由組織方式，進一步增強系統安全可靠性。

3.4 存在的不足

經過一定時間的測試和試運行，超長距傳輸設備可穩定、安全、長效的承載10G帶寬需求的綜合數據網業務需求，在保證傳輸質量的前提下，極大地提高了傳輸的穩定性；超300km級別光纖傳輸技術采用無中繼傳輸技術，大功率器件較多，維護要求較高，對光纜質量要求較高，在后期運行和維護過程中，需考慮光纜質量和光纜故障頻率等因素，在保障光纜良好、穩定運行的前提下，該設備可提供較好的長距離傳輸解決方案。

4 結語

本文介紹了貴州超300km級別單跨無中繼光傳輸系統的設計方案、仿真計算和實施案例。

1)利用常規GYFTY-G652.d光纜，克服貴州特殊地理和氣候環境，實現超300km，72dB 10G超長距大容量傳輸，該系統于2020年11月投入工程應用，運行穩定可靠，填補了貴州地區電力超長距傳輸技術的應用及部署空白；

2)利用貴州特殊的應用環境，研究綜合數據網新平面點到點超長距離無中繼傳輸問題，為后續超長距大容量傳輸系統在貴州省復雜應用環境中的部署提供理論及實踐指導。