高海拔地區(qū)超長距無中繼光傳輸系統(tǒng)應(yīng)用研究

楊 興，馬聰琦，馮力娜

（青海省電力公司信息通信公司 青海 西寧810008）

玉樹與青海主網(wǎng)330 kV聯(lián)網(wǎng)工程是目前海拔最高的330 kV輸變電工程。玉樹地區(qū)地形復(fù)雜、交通不便，惡劣的氣候環(huán)境不僅對工程實施帶來極大困難，更對通信系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行和日常維護(hù)帶來極大挑戰(zhàn)，特別是瑪多至玉樹長達(dá)348 km超長距光纖通信問題。

建設(shè)通信中繼站不僅涉及中繼站的選址、土地審批和建設(shè)問題，還要增加設(shè)備和日常運維工作量，采用超長距無中繼光通信技術(shù)是提高電路穩(wěn)定性和安全性的一個恰當(dāng)選擇，超長距光通信技術(shù)已成為跨大區(qū)電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)的重要技術(shù)基礎(chǔ)[1]。

1 受限因素

1.1 線路損耗

線路損耗主要包括光纜本身損耗、活接頭損耗、系統(tǒng)通道代價及光纜損耗的富裕度[2]。對于1 550 nm單模光纖衰耗系數(shù)為0.21 dB/km；活接頭損耗一般為0.5 dB/個；根據(jù)ITUT G.957和ITU-T G.691標(biāo)準(zhǔn)建議，對于L16.2和L64.2光傳輸系統(tǒng)，通道代價為2 dB；富裕度尚無標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，主要是根據(jù)光纜線路長度及線路質(zhì)量決定，一般設(shè)定至少3 dB。

1.2 色散因素

色散是指信號在光纖中傳輸時脈沖的寬度被展寬導(dǎo)致碼間干擾而產(chǎn)生誤碼，影響系統(tǒng)整體性能。在光纖中有三種色散效應(yīng)：模間色散、色度色散和偏振模色散。單模光纖中不存在模間色散，色度色散是由于光發(fā)射機(jī)發(fā)出的光譜包含一定范圍內(nèi)不同成分的波長，不同頻率分量的光到達(dá)接收機(jī)的時間不一樣會造成脈沖展寬，色度色散在單模光纖中占主導(dǎo)地位。

1.3 光信噪比

光信噪比（OSNR）是光纖中信號與噪聲的比值，與傳輸系統(tǒng)的誤碼率有密切關(guān)系。對于傳輸速率一定的光通信系統(tǒng)，如不考慮色散和非線性的影響，進(jìn)入接收機(jī)信號的光信噪比越大則其誤碼率越低。在長跨距無中繼傳輸中，由于線路長、損耗大，導(dǎo)致信號衰減非常嚴(yán)重，經(jīng)過光放大器放大時，噪聲可能會同信號能量相當(dāng)造成接收端無法正確辨別信號，從而導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常運行，即OSNR受限[3]。

1.4 非線性效應(yīng)

光纖中的非線性效應(yīng)分為折射率調(diào)制效應(yīng)和受激散射效應(yīng)[4]。超長距無中繼光傳輸系統(tǒng)非線性效應(yīng)主要來自受激布里淵散射，是由于入射光功率很高使得光波產(chǎn)生的電磁伸縮效應(yīng)在物質(zhì)內(nèi)激起超聲波，入射光受超聲波散射而產(chǎn)生的，它嚴(yán)重限制入纖功率的提升，導(dǎo)致傳輸距離的受限。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 光放大技術(shù)

光放大器可對光信號進(jìn)行直接放大，還具有實時性、高增益、寬帶、低噪聲、低損耗的全光放大功能，實用化的主要有摻鉺光纖放大器、光纖拉曼放大器。摻鉺光纖放大器(EDFA)在光通信中主要解決光纖損耗對傳輸?shù)挠绊?，延長傳輸距離，常用的有功率放大器（BA）、前置放大器（PA）。基于受激拉曼散射機(jī)制的放大器稱為光纖拉曼放大器（RFA），具有增益高、串?dāng)_小、噪聲指數(shù)低、頻譜范圍寬、溫度穩(wěn)定性好等特點，根據(jù)增益介質(zhì)的不同可分為分布式拉曼放大器（DRA）和分離式拉曼放大器（LRA）。拉曼放大器是摻鉺光纖放大器的補(bǔ)充，而不是代替，兩者結(jié)合起來的混合式放大器是一種理想的應(yīng)用形式。

2.2 色散管理技術(shù)

色度色散會造成信號脈沖展寬導(dǎo)致產(chǎn)生碼間干擾，因此在接收端保持較小的累積色散以保持較好的脈沖形狀，減少信號的碼間干擾。色度色散補(bǔ)償方式主要用色散補(bǔ)償模塊進(jìn)行補(bǔ)償。色散補(bǔ)償模塊（DCM）利用啁啾光纖光柵進(jìn)行色散補(bǔ)償，啁啾光纖光柵能與現(xiàn)有光纖系統(tǒng)較好兼容，具有較低的傳輸損耗和插入損耗，色散補(bǔ)償量大，能夠?qū)崿F(xiàn)光纖色散和色散斜率的同時補(bǔ)償，折射率調(diào)制可以根據(jù)需要來通過不同的曝光過程加以控制，價格低廉易于大批量生產(chǎn)。

2.3 前向糾錯技術(shù)

前向糾錯技術(shù)（FEC）是在傳輸信號中加入一定的校驗比特碼，在接收端通過解碼，對校驗比特進(jìn)行一定的計算以糾正碼流中的錯誤，從而達(dá)到改善系統(tǒng)誤碼性能的目的。FEC允許系統(tǒng)工作在較高的誤碼率情況下，相當(dāng)放寬了高速通信系統(tǒng)對各器件性能的要求，降低了系統(tǒng)造價，提高了系統(tǒng)對色散、非線性效應(yīng)和OSNR的容忍度，利于信號高速率長距離地傳輸。圖1給出了加FEC和不加FEC系統(tǒng)的誤碼率水平。

圖1 加FEC和不加FEC誤碼率水平Fig.1 The bit error rate of add FEC and without FEC

2.4 超低損耗光纜技術(shù)

當(dāng)超長距傳輸方案采用光放大、前向糾錯編碼等技術(shù)提供的線路預(yù)算全部耗盡時，若進(jìn)一步延長跨段距離變得非常困難[6]。若能降低光纖損耗，將會是延長現(xiàn)有傳輸極限距離極有效的方法。超低損耗光纖（UUL）是一種具有超低衰減、超低偏振色散[7]、更優(yōu)溫度特性[8]、滿足G.652的單模光纖。表1列出了UUL光纖與普通G.652光纖主要參數(shù)的對比，其在1 550 nm傳輸窗口損耗典型值為0.168 dB/km，大大低于普通G.652光纖0.20 dB/km的典型損耗，可有效延長光系統(tǒng)的傳輸距離。

表1 超低損耗光纜與普通G.652光纖參數(shù)的性能比較Tab.1 Comparison of performance parameters of UUL optical fiber and common optical fiber

3 解決方案

3.1 項目概況

玉樹330 KV聯(lián)網(wǎng)工程起始于日月山變，途經(jīng)唐乃亥、瑪多變，止于玉樹變電站，隨輸電線路架設(shè)超低損耗光纜，全線平均衰耗0.186 dB/km，光路為1+1配置，傳輸容量為2.5 G。

3.2 參數(shù)預(yù)算

光功率計算可根據(jù)G.957建議書規(guī)定的最壞值計算法，公式如下：

式中：L為傳輸距離；Ps為發(fā)送器最小發(fā)送功率；Pr為光接收器最小接受光功率；Pp為光通道代價；∑Ac為所有活動連接器衰減和，每個連接器衰減取 0.5 dB；Mc為光纜富裕度；Af為光纖衰減系數(shù)，As為光纖熔接頭衰減系數(shù)，ULL光纜線路衰減（含接頭損耗）Af+As的值0.186 dB/km，G.652D光纖取OPGW光纜鏈路衰減的工程典型值 Af+As=0.21 dB/km，Mc=5 dB，使用功率放大器的系統(tǒng)Pp=0 dB。

在進(jìn)行光傳輸系統(tǒng)設(shè)計時通常采用“58”公式[4]來估算系統(tǒng)的接收OSNR，公式如下：

式中 Pout是指入纖信號光功率，L是跨距中的損耗，NF是指放大器的噪聲指數(shù)，logN是指系統(tǒng)總的跨段數(shù)。對于無中繼光放大的單跨距傳輸，在傳輸中途并沒有噪聲累積的過程，因此上式中 N取1，最后一項為零。信噪比受限主要有兩方面：一是信號經(jīng)過功率放大器、前置放大器或者拉曼放大器時引入的噪聲（上式中NF項表示）造成 OSNR的下降；二是信號光經(jīng)長距離的傳輸受到很大的衰減造成 OSNR不斷下降（上式中 L項表示）。在進(jìn)入接收機(jī)前OSNR如果不能滿足正常接收的要求，系統(tǒng)就會產(chǎn)生OSNR受限，限制了傳輸?shù)木嚯x。對有光放的系統(tǒng)，功率不是主要問題，主要考慮系統(tǒng)的OSNR問題，表2是各傳輸速率系統(tǒng)的OSNR設(shè)計要求。

表2 各傳輸速率系統(tǒng)OSNR設(shè)計要求Tab.2 The OSNR design requirements of different transmission rates

3.3 系統(tǒng)方案

3.3.1 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計必須保證設(shè)備運行的安全可靠性，還要考慮運維的簡易性，特別是在同等改善條件下更要遵循此原則。

1)配置 EDFA-BA、EDFA-PA 及 RFA

配置BA和PA在技術(shù)上非常成熟，且維護(hù)方便，但考慮到傳輸距離超長，因此必須考慮RFA與EDFA的綜合應(yīng)用，兩者結(jié)合起來效果更加理想。本項目系統(tǒng)中，2.5 G速率下，RFA+PA的靈敏度可達(dá)-42 dBm。

2)配置 FEC

2.5 G光傳輸系統(tǒng)配置FEC后可提升8 dB編碼增益，同時設(shè)備維護(hù)也較為簡易。本項目系統(tǒng)中，光纜線路為348 kM，平均損耗0.186 dB/km，光纜衰耗64.4 dB，2.5 G速率下RFA+PA的靈敏度是-42 dBm，配置FEC后，編碼增益是8 dB，所以接收功率可低至-50 dBm，功率損耗極限=22-（-42）+8=72 dB，余量=72-64.4=7.6 dB。

3)色散補(bǔ)償

本系統(tǒng)支持高入纖功率的FEC的色散容限是70 km，由于光纜線路長度為348 km，因此配置補(bǔ)償280 km的DCM。

4)OSNR預(yù)算

由前面描述可得，2.5 G光傳輸系統(tǒng)的OSNR設(shè)計要求最低是20 dB，由于配置了FEC，本段線路實際OSNR設(shè)計要求最低為12 dB。本段線路根據(jù)“58”公式計算可得：OSNR=58+22-64.4-（-1）=16.6 dB≥12 dB，上述公式中拉曼放大器的NF取值-1 dB，滿足OSNR設(shè)計要求。

瑪多至玉樹變超長距無中繼光傳輸系統(tǒng)解決方案如圖2所示。

圖2 瑪多-玉樹光傳輸解決方案Fig.2 Optical transmission solution between Maduo and Yushu

3.3.2 系統(tǒng)運行

系統(tǒng)試運行期間系統(tǒng)各關(guān)鍵節(jié)點光功率情況如表3所示，經(jīng)掛表測試后誤碼為“0”，如圖3所示。

表3 超長距光傳輸系統(tǒng)關(guān)鍵點功率Tab.3 Key point optical power of ultra-long span optical transmission system

4 結(jié)束語

本傳輸系統(tǒng)將光纖拉曼放大器、大增益摻鉺光纖放大器、增強(qiáng)前向糾錯編碼技術(shù)、色散補(bǔ)償模塊以及超低損耗光纜優(yōu)化組合，多種通信技術(shù)綜合應(yīng)用，有效克服了玉樹地區(qū)海拔高、惡劣環(huán)境因素對光傳輸系統(tǒng)的影響，提高了通信系統(tǒng)對色散、非線性效應(yīng)和OSNR的容忍度，大大延長了高速率信號的傳輸距離，解決了玉樹高海拔地區(qū)348 km超長站距光通信難題，對高海拔地區(qū)超長距無中繼的應(yīng)用推廣具有重要的指導(dǎo)意義。

圖3 測試結(jié)果Fig.3 Test results

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