超300km级别光纤传输技术在电力通信中的研究与应用

龙诺亚，王飞，郑元伟

(1.贵州电网有限责任公司信息中心，贵州 贵阳 550002；2.无锡市德科立光电子技术股份有限公司，江苏 无锡 214028)

电力通信网作为电力输电线路的配套网络，是电网调度自动化、网络运营市场化和管理现代化的基础；是确保电网安全、稳定、经济运行的重要手段。电力通信与运营商通信有很大区别，电力通信光缆一般与输电线路同时建设，电力路径偏远，设置中继站成本高、维护不便，因此电力通信中继站数量有限，光缆跨距大，中继站间光缆跨距可达300km以上，超长跨距无中继光通信传输方案一直是电网建设的重要课题。

现阶段贵州电网省干OTN(光传输网)传输通道采用波分技术可承载带宽40G的业务，单波带宽最高达到10G。OTN系统容量大，传输带宽高，但链路抗干扰能力弱，单跨段传输距离短，贵州电力线路超300km的跨段较多，需要新建大量中继站，投入大、成本高[1-2]。

如何改善超长距大容量光传输系统的性能，节约建设成本，满足特高压电网通信大容量骨干OTN“超长距”、“大带宽”系统建设的要求，是目前贵州电网建设中的重要课题。

1 光传输系统受限因素及解决技术

针对超长距离传输的目标，首先要考虑影响传输的主要因素，由于光纤传输的许多不利因素影响了光纤传输网络的系统性能及传输距离：信号衰减、色散、非线性效应等，对于单通道10Gbit/sITU-TG.691系统中，前面提及的效应更为明显，而偏振模色散主要在更高速率如40Gbit/s系统中，限制系统性能有明显作用。考虑到不同需求对光纤传输的信号衰减需求，对于本文描述的光信号传输系统的容限可总结为：功率容限、光信噪比(optical signal noise ratio,OSNR)容限、色散容限、非线性容限。对应的解决技术主要为光放大技术、前向误码纠错技术(forward error correction,FEC )、色散管理技术、受激布里渊抑制技术(stimulated Brillouin scattering，SBS)等[3-5]。

1.1 功率容限

由于光纤的吸收和散射、接头损耗的影响，光信号在传输过程中功率会逐渐降低，当单跨距光缆传输累计损耗逐步增加到接收端信号功率低于接收机的最小门限时，系统误码率增加，无法正常工作。引入光放大器是解决功率容限最简单最直接最有效的方法，常用的光放大器主要为掺铒光纤放大器[6-7](Er-doped fiber amplifier,EDFA)和光纤拉曼放大器[8-10](fiber Raman amplifier,FRA)。

EDFA主要为功率放大器(booster amplifier，BA)和前置放大器(pre-amplifier，PA)，其中BA放置于发射端，用于提高入纤功率。PA放置于接收端，用于提高接收功率。SDH(光同步传输)系统中，典型波长为1550.12nm，对于PA，一般会内置100GHz Filter，可以过滤信号波长+/-0.4nm以外的噪声功率，接收端灵敏度可降低3dB以上。

FRA使用分布式拉曼放大器，根据泵浦方式可分为前向FRA (co-pumped Raman amplifier,CoPRA)和反向FRA(counter-pumped Raman amplifier,CtPRA)。其中CoPRA放置在BA之后，可以有效提高入纤功率，在一定程度上可抑制SBS效应[11-12]。如图1所示，假设SBS入纤功率为20dBm，CoPRA有效增益为11dB，BA和CoPRA配合使用时，BA功率需要降低到16dbm以下，光功率随着传输光纤长度增加，先逐渐增加再逐渐减小。从如图1中可以看出，CoPRA可使得SBS阈值点从0km位置延后到25km位置，最终可增加约30km的距离，即相当于SBS阈值提高了5dB～6dB。

图1 BA+CoPRA功率变化曲线Fig.1 Power curveof BA+CoPRA

CtPRA由于等效噪声指数低，安装在PA之前，可提高接收端OSNR，等效为接收灵敏度可降低5dB～6dB左右，传输记录可增加25km～30km。

1.2 光信噪比容限

OSNR定义为光信号功率与噪声功率的比值，是考量光传输系统信号质量的关键指标[13-15]。光传输系统的噪声主要来自光放大器，放大器在解决功率容限的同时，会引入噪声功率(自发辐射功率)，导致接收端OSNR劣化，误码率增加[16-17]。

一般采用两种方法降低OSNR容限：

第一种为采用前向纠错技术，可以通过在传输码列中加入冗余纠错码，可以大幅度降低接收端的OSNR容限，减少误码率和发射功率，使得OSNR容限可降低9dB～10dB。

第二种为采用分布式拉曼放大器，延缓OSNR劣化。如图1所示，使用CoPRA时，OSNR容限等效可降低5dB左右，功率容限提高5dB左右；CtPRA的等效噪声指数一般为-2dB,PA的噪声指数一般为5dB～6dB左右，组合使用时，等效级联噪声指数约为0dB～-1dB，和单独PA相比，噪声指数可降低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

光信号在光纤中传输时，脉冲宽度会随着传输距离增加而变宽，当脉冲宽度到一定程度时，相邻脉冲重叠导致码间干扰，造成误码率增加。色散容限(chromatic dispersion,CD)和信号调制速率平方成反比，随着速率的提高，色散容限急剧下降，传输距离急剧减短。色散现象导致的结果是信号失真，在光纤中有3种基本的色散效应：模间色散、色度色散和偏振模色散。为了减少信号变形的影响，可以采用色散管理技术，使传输中采用的光纤的色散值正负交替，系统总的色散为零。同时色散斜率过大，也对系统传输性能有影响，减少色散斜率的方法是在接收端加入色散均衡设备进行补偿，以及在系统中进行色散补偿，如采用光纤布拉格光栅色散补偿器。色散容限可用公式(1) 表示[18]：

(1)

D为色散系数，单位为ps/(nm·km)；B为速率，单位Gbit/s；LD表示色散容限距离，单位km。

从公式可知，10G速率系统因色散影响，不进行色散补偿的前提下，最大传输距离仅60km左右。系统中引入色散补偿光纤(dispersion compensating fiber,DCF)可消除或减弱色散对传输距离的限制，考虑到发射接收模块本身色散容限，DCF补偿量一般为(L-60)km即可满足系统需求，L表示传输光纤长度(光纤类型为G.652)。

1.4 非线性容限

在高强度电磁场中任何电介质对光的响应都会变成非线性，光纤中也不例外。对于SDH系统，光纤中的非线性主要是SBS。SBS制约了发送端的入纤功率[19-21]。入纤功率超过SBS阈值会带来严重的反射光能量，消耗正向传输的信号光能量，引起系统误码。准单色连续光信号在G.652光纤传输，SBS阈值仅为1dBm～2dBm左右。对于10G速率系统，信号谱宽相对较大，入纤SBS功率阈值一般为10dBm～13dBm左右，很大程度上制约了入纤功率，影响传输距离和接受端OSNR。

光纤中的非线性效应主要有两种：一种是光波散色产生的受激布里渊散色和受激拉曼散色；一种是折射率变化引起的非线性效应，主要有自相位调制、交叉相位调制和四波混频。增加传输光纤的有效面积和降低传输信道的功率可以有效抑制光纤的非线性，但传输功率的减小降低了传输的信噪比，光信噪比限制和非线性限制一起决定了光纤的最大传输距离和传输容量通过在发送端的光信号中加入特定的调制信号[22-23]，实现光信号光谱展宽，提高非线性阈值，抑制SBS效应，10G速率单波发送光功率可达到20dBm以上，功率容限可提高约7dB，延长无中继传输距离可达35km。

1.5 方案总结

综上所述，表1给出了不同系统方案可支持的极限损耗。

表1 系统极限损耗Tab.1 System limit loss

2 超300km级别光传输系统设计方案

2.1 系统配置方案

贵州电网超300km跨距电力系统，传输光缆型号为GYFTY-G.652，光缆距离超300km，无任何中继设备，300km范围内光缆衰减测试值为66dB。依据中华人民共和国电力行业标准《电力通信超长站距光传输工程设计技术规程》，为了保证系统传输可靠性，系统需保留5dB光缆富裕度，配置的光放系统极限容许衰耗需满足71dB。根据表1，可采用FEC + SBS抑制技术+ BA + CoPRA + CtPRA + PA的配置方案。

系统框架图如图2所示：

图2 系统框架图Fig.2 System framework

设备及性能参数如表2所示：

表2 设备清单及性能参数Tab.2 List of equipment and performance parameters

2.2 光传输系统预算

2.2.1 功率损耗预算

传输系统可支持的极限损耗可采用公式(2)计算：

(2)

2.2.2 色散预算

对于10G光传输系统，主要需考虑色度色散，即光源光谱中不同波长分量在光纤中传输时由于其群速度不同而引起的脉冲展宽现象。实际系统传输光纤为G.652，色散系数D的典型值为17.5ps/(nm·km)[24-26]。

图2所示的系统框架，由表2可知，TAC-10G FEC(SBS抑制器) 的色散容限为1600ps/nm，换算为色散受限距离LD1为1600/17.5=91km；色散补偿单板TAC-DCM240的色散补偿距离LD2为240km。系统色散受限总距离LD=LD1+LD2=331km，大于300km，可满足贵州超300km线路色散需求。

2.2.3 OSNR预算

目前10G光传输系统接收端OSNR一般要求大于22dB，本方案增加了FEC，编码增益不低于9dB，因此本系统接收端OSNR的极限值为13dB。

放大器中，频率v对应的噪声指数(noise figure,NF)可采用公式(3)计算[27]：

(3)

其中，h为普朗克常数，取值6.62607015×10^(-34) J·s；v为信号频率，单位Hz；Δv为谱宽，单位Hz；Pase为放大器产生的Δv带宽内的前向ASE功率，单位mW；G为频率v的增益，线性单位。

从公式(3)可知，对于传输系统来说，级联后的噪声指数NFsys可写为：

(4)

发射光源的OSNR一般在45dB以上，远大于系统接收端的OSNR容限值，故光源OSNR的影响可以忽略。由OSNR的基本定义可得接收端OSNR计算值，如公式(5)所示：

(5)

其中，NFsys为系统等效噪声指数，线性单位；Pin为系统发射端功率(即BA输入功率)，单位mW；Δv取0.1nm对应的谱宽；信号波长为1550.12nm时，公式(5)转换为对数单位为：

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

(6)

公式(6)即为ITU-T G.692规范中所定义的“58”公式。

由“58”公式可知，只要计算得到NFsys就可以得到对应的OSNRsys。如图3所示的级联示意图，NFsys和每级的NF、G、损耗IL之间的关系，可用公式(7)表示：

图3 级联示意图Fig.3 Cascade diagram

(7)

其中，G1～n为每级放大器的增益，线性单位；NF1～n为每级放大器的噪声指数，线性单位；IL1～n-1为放大器之间的等效损耗值(光纤损耗、连接损耗等)，线性单位。

BA、CoPRA、CtPRA、PA的典型增益、典型NF及损耗IL值如表3所示。Pin=0dBm时，考虑到SBS效应，由公式(6)、(7)计算OSNRsys=13.91 dB，可满足贵州超300km线路OSNR需求。

表3 OSNRsys仿真计算结果Tab.3 OSNRsys simulation results

3 实施案例

3.1 案例基本信息

本次实施，设备分别安装在贵州电力公司信息中心通信机房和都匀变，线路长度295km，实测损耗为71.3dB。

各板卡信息如表2所示，其中，色散补偿器单板采用TAC-DCM240，光源本身色散容限91km，系统色散受限距离为240+91=331km，可满足295km色散需求。

整体设备如图4所示。

图4 设备图Fig.4 Equipment drawing

3.2 设备配置参数

实际系统中，各板卡工作参数配置、工作模式及功率检测上报如表4所示：

表4 工作参数配置、工作模式及功率检测结果Tab.4 Working parameter configuration, working mode and power test results

其中，CoPRA和CtPRA的工作方式为自动泵浦功率控制(auto pump power control,APPC)；其他板卡工作模式为自动功率控制(auto power control,APC)。

CoPRA的有效增益设计值为10dB，输出功率为等效输出功率，等效输出功率为26dBm。

CtPRA的有效增益设计值为25dB，实际总输出功率为-20.3dBm,计算关泵条件下的输入功率为-45.3dBm。

系统每个节点的噪声功率较低，和输出信号功率相比，可以忽略。

表4对应的实际线路损耗为71.3dB，和表3对应的仿真损耗72dB吻合。

3.3 具体实施情况

本成果研究超300km级别光纤传输技术在电力通信中的研究与应用，将超长距光纤传输技术应用于贵州电网综合数据网新平面工程实际中，以超长距光纤传输技术将综合数据网设备直接相连接，由此可节省光纤路由通道、OTN传输设备等资源，可实现省干综合数据网至省内各供电局超300公里范围内的无任何中继、中途放大器等设备的直连通信。并在工程实际中实现超长距光纤传输技术，其主要功能包括实现传输距离超过300km的光信号传输，且在无中继的前提下，实现超长距信号传输功能。能够实现传输容量不小于10G；传输距离不小于300km；长距离传输前提下可满足实际业务光功率需求，即按照《南方电网数据网络技术规范》(Q/CSG1204016.2-2016)综合数据网要求，需满足：1.本项目装置本身通信的时延应控制在100ms以内；2.误码应小于10-5；3.抖动应控制在20ms以内三点要求。适配G.652系列光纤的要求。同时开发的超300km级别光纤传输装置管理软件，实现对光放设备全面可视化管理。

在研究成果的基础上，在案例中选择了贵阳至都匀295km地埋光缆、贵阳至凯里265km地埋光缆组成超长距应用环境，分别在贵阳、都匀、凯莉网络机房部署了设备，并联通至各地区综合数据网接入交换机；经测试，贵阳-都匀共计68dB衰耗，OTDR分段测试后总距离295km，贵阳-凯里共计70dB衰耗，OTDR分段测试后总距离265km。

图5 衰耗测试结果Fig.5 Attenuation test results

对部署的设备进行挂表测试，可以看到在10Gb/s带宽的速率下，设备所组成的通道在误码、时延和抖动的指标完全满足网络通信要求，经过挂表24小时及间断性挂表测试一周后，将贵阳-都匀、贵阳-凯里综合数据网新平面接入设备组成的通道，路由器通信正常。

图6 抖动测试结果图Fig.6 Jitter test results

图7 误码测试结果图Fig.7 Error code test results

图8 时延测试结果图Fig.8 Time delay test result chart

实现在贵州电网综合数据网新平面工程中，采用超长距无中继传输技术，实现省干综合数据网至省内地、市供电局超300km范围内的无任何中继、中途放大器等设备的直连通信，可节省光纤路由通道、OTN传输设备等资源，同时能够达到长距离传输的大带宽稳定通道可保障多种路由组织方式，进一步增强系统安全可靠性。

3.4 存在的不足

经过一定时间的测试和试运行，超长距传输设备可稳定、安全、长效的承载10G带宽需求的综合数据网业务需求，在保证传输质量的前提下，极大地提高了传输的稳定性；超300km级别光纤传输技术采用无中继传输技术，大功率器件较多，维护要求较高，对光缆质量要求较高，在后期运行和维护过程中，需考虑光缆质量和光缆故障频率等因素，在保障光缆良好、稳定运行的前提下，该设备可提供较好的长距离传输解决方案。

4 结语

本文介绍了贵州超300km级别单跨无中继光传输系统的设计方案、仿真计算和实施案例。

1)利用常规GYFTY-G652.d光缆，克服贵州特殊地理和气候环境，实现超300km，72dB 10G超长距大容量传输，该系统于2020年11月投入工程应用，运行稳定可靠，填补了贵州地区电力超长距传输技术的应用及部署空白；

2)利用贵州特殊的应用环境，研究综合数据网新平面点到点超长距离无中继传输问题，为后续超长距大容量传输系统在贵州省复杂应用环境中的部署提供理论及实践指导。