李玉杰 ，汪 洋 ，趙宏波

(1.甘肅電力信息通信中心 蘭州 730050；2.中國電力科學(xué)研究院 北京 100192）

1 引言

電力系統(tǒng)通信網(wǎng)是我國專用通信網(wǎng)中規(guī)模較大、發(fā)展較為完善的專網(wǎng)。隨著通信網(wǎng)絡(luò)光纖化趨勢進(jìn)程的加速，我國電力專用通信網(wǎng)在很多地區(qū)已經(jīng)基本完成從主干線到接入網(wǎng)向光纖過渡的過程，光纖通信已經(jīng)成為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行以及電力系統(tǒng)生產(chǎn)生活中不可缺少的一個重要組成部分[1]，對其在電力通信中應(yīng)用的研究也越來越受關(guān)注[2～5]。近年來，隨著跨大區(qū)、特高壓輸電線路的建設(shè)使得電網(wǎng)傳輸容量越來越大，變電站(發(fā)電廠)至變電站的傳輸距離越來越長[6～8]，1000 kV交流輸電系統(tǒng)的輸電距離在300～500 km，±500 kV/±800 kV 直流輸電的距離在 1000 km左右，長距離500 kV交流輸電至少也有300 km。這樣與輸電線路同步建設(shè)的OPGW光纜及光纖通信也需要進(jìn)行超長站距傳輸或者新建中繼站。

新建中繼站涉及征地、外接電源引接、土建施工、消防排水、防雷接地等工作，工程實施比較困難，此外中繼站需設(shè)專人看守，易遭人為盜搶破壞，維護(hù)量大，所以近年來電力系統(tǒng)各網(wǎng)省公司紛紛開展超長站距光通信技術(shù)方面的研究并進(jìn)行試驗[9～12]。針對甘肅電力通信超長站距的實際情況，我們選取甘肅定西330 kV—平?jīng)?50 kV變電站進(jìn)行了現(xiàn)場測試與分析，提出了超長站距光傳輸?shù)慕鉀Q方案。

2 超長站距光傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)

超長站距光傳輸是指不采用任何電再生中繼的全光傳輸。根據(jù)ITU-T建議，對于2.5 Gbit/s速率的光通信系統(tǒng)，超長站距是指大于160 km的傳輸系統(tǒng)。由于減少了光/電轉(zhuǎn)換次數(shù)，并且可以利用光纖豐富的帶寬資源，超長站距光傳輸技術(shù)大大降低了長距離傳輸?shù)某杀荆瑫r系統(tǒng)的可靠性和傳輸質(zhì)量都得到了保證。正是由于這些優(yōu)點，長距離光傳輸技術(shù)受到了密切關(guān)注。針對光通信線路的衰減、色散、非線性等影響因素，光放大技術(shù)、受激布里淵散射（SBS）抑制技術(shù)、前向糾錯技術(shù)（FEC）、色散補(bǔ)償技術(shù)成為解決長站距無中繼傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)。

2.1 光放大技術(shù)

光纖放大是在使用光纖的通信系統(tǒng)中，不需將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，直接對光信號進(jìn)行放大的一種技術(shù)。目前,常用的且技術(shù)比較成熟的光放大器有摻鉺光纖放大器（EDFA）和光纖拉曼放大器（FRA）[13～15]。

2.1.1 EDFA

采用適當(dāng)?shù)墓に囋谑⒒蚱渌|(zhì)的光纖中摻雜鉺離子(Er3+)構(gòu)成摻鉺光纖，利用摻鉺光纖制作的光放大器就是EDFA。EDFA主要由摻鉺光纖（EDF）、泵浦光源、波分復(fù)用器（WDM）、隔離器等組成，如圖1所示。泵浦方式除了圖中所示的前向泵浦外，還有反向泵浦和雙向泵浦。

2.1.2 FRA

FRA的工作原理是基于光纖中的受激拉曼效應(yīng)(SRS)，用量子力學(xué)的觀點可解釋為：一個泵浦光子入射到光纖，光纖中電子受激并從基態(tài)躍遷到虛能級，然后處在虛能級的電子在信號光的感應(yīng)下回到振動態(tài)的高能級，同時發(fā)出一個低頻斯托克斯光子。光纖中電子也可以從振動態(tài)的高能級躍遷到虛能級，然后回到基態(tài)，發(fā)出反斯托克斯光子。

在光纖中位于基態(tài)之上的振動態(tài)能級有一個較大范圍，如果弱信號光與強(qiáng)泵浦光同時在光纖中傳輸，且信號光波長在泵浦光的拉曼增益譜內(nèi)，那么一部分能量就從泵浦光轉(zhuǎn)移到信號光，實現(xiàn)信號光的放大。

根據(jù)增益介質(zhì)的不同，F(xiàn)RA可分為兩種類型：分布式拉曼放大器(DRA)和分立式拉曼放大器(DCRA)。分立式所用增益光纖相對較短，泵浦功率很高，可產(chǎn)生40 dB以上的高增益，主要用在要求高增益、高功率、放大EDFA不能放大的波段；分布式所用增益光纖很長，一般是幾十千米，泵浦功率可以降低到幾百毫瓦，主要和EDFA配合使用，提高系統(tǒng)的整體性能。

2.1.3 遙泵技術(shù)

為了進(jìn)一步解決光信噪比（OSNR）受限延長傳輸距離，可在光纖鏈路中間對部分光信號進(jìn)行預(yù)先放大。在傳輸光纖的適當(dāng)位置熔入一段摻餌光纖，并從單段長站距傳輸系統(tǒng)的端站(發(fā)射端或接收端)發(fā)送一個高功率泵浦光，經(jīng)過光纖傳輸和合波器后注入餌纖并激勵餌離子。信號光在餌纖內(nèi)部獲得放大，并可顯著提高傳輸光纖的輸出光功率。由于泵浦激光器的位置和增益介質(zhì) (餌纖)不在同一個位置，因此稱為“遙泵(remote pump)[16]”。遙泵光源通常采用瓦級的1480 nm激光器，以克服長距離光纖傳輸?shù)膿p耗問題。根據(jù)泵浦光和信號光是否在一根光纖中傳輸，遙泵又分為“旁路”(泵浦光和信號光經(jīng)由不同光纖傳輸)和“隨路”(兩者通過同一光纖傳輸)兩種形態(tài)。隨路方式中泵浦光還可對光纖中的信號光進(jìn)行拉曼放大，進(jìn)一步增加傳輸距離，并可節(jié)省光纖資源。

2.2 SBS抑制技術(shù)

當(dāng)注入光纖的光功率足夠大時，光纖中就會出現(xiàn)非線性現(xiàn)象。光纖中典型的非線性主要分為克爾效應(yīng)(包括自相位調(diào)制、互相位調(diào)制、四波混頻等)和散射效應(yīng)(包括受激布里淵SBS和受激拉曼SRS)，其中SBS的閾值最低，因此是限制入纖光功率提高的主要因素[13]。SBS的表現(xiàn)為：當(dāng)輸入光纖的泵浦光功率不斷增大并超過某個閾值時，輸出光功率會趨向于飽和，而大量的光功率會通過散射產(chǎn)生反向傳輸?shù)乃雇锌怂构獠āＶ饕ㄟ^外加相位調(diào)制器的方法來抑制SBS效應(yīng)。

2.3 FEC技術(shù)

前向糾錯是一種糾錯編碼方式，它通過在需要傳輸?shù)脑夹盘柎a流中插入冗余碼，并在接收端利用一定的算法解碼以抵制傳輸過程中產(chǎn)生的誤碼從而獲得原始信號碼流[14]。根據(jù)應(yīng)用方式可以分為帶內(nèi)編碼FEC和帶外編碼FEC。所謂帶內(nèi)編碼FEC，是指利用信道本身的未使用傳輸開銷字節(jié)，作為FEC糾錯編碼字節(jié)，實施FEC編碼后，信道碼速不變，因為幀開銷中可利用的字節(jié)數(shù)和幀長度有限，所以編碼增益較小(3～4 dB)；所謂帶外編碼FEC，是指把FEC糾錯冗余字節(jié)加入傳輸信道，實施FEC編碼后，信道碼速增加，它的編碼冗余度大，糾錯能力強(qiáng)，編碼增益較高(5～6 dB)，并可方便地插入FEC開銷而不受SDH幀格式的限制，具有較強(qiáng)的靈活性?，F(xiàn)在主要采用帶外的增強(qiáng)型FEC或超強(qiáng)型FEC，編碼增益可以達(dá)到8～10 dB。

2.4 色散補(bǔ)償技術(shù)

色散補(bǔ)償?shù)幕驹砭褪窃谕ㄐ畔到y(tǒng)中插入具有負(fù)色散系數(shù)的裝置，平衡掉系統(tǒng)中積累的色散，或者用壓縮工具將被展寬的脈沖壓窄。傳統(tǒng)的方法是采用色散補(bǔ)償光纖（DCF），但是DCF造價昂貴、線路損耗大，通常衰減為0.5 dB/km，同時會引入插入損耗；并且普通DCF色散斜率不能與G.652光纖或G.655光纖完全匹配。近年來出現(xiàn)的比較新穎的是采用啁啾光纖光柵（CFG）進(jìn)行色散補(bǔ)償[18～20]，由于CFG為無源偏振不敏感器件，具有插入損耗低、波長選擇性好、與偏振無關(guān)、易于與其他光纖器件耦合等優(yōu)點，被認(rèn)為是極具發(fā)展前途的技術(shù)方案。

3 超長站距光傳輸試驗及解決方案分析

根據(jù)對甘肅光通信傳輸網(wǎng)的調(diào)查統(tǒng)計，特高壓電網(wǎng)建設(shè)后，多段新增線路的長度都超過了200 km，甚至出現(xiàn)300 km以上的線路。根據(jù)中國電力科學(xué)研究院和甘肅電力公司的研究，我們選取了定西330 kV變—平?jīng)?50 kV變進(jìn)行超長站距的試驗研究。

3.1 試驗方案

（1）方案依據(jù)

對速率為2.5 Gbit/s的單信道光傳輸系統(tǒng)，要實現(xiàn)超長站距傳輸，可以不考慮非線性的影響，主要考慮的是衰減的影響，是功率受限的系統(tǒng)。定西330 kV—平?jīng)?50 kV線路光纜傳輸損耗見表1。

表1 定西330 kV—平?jīng)?50 kV線路具體情況

從表1可以看出定西330 kV—平?jīng)?50 kV線路設(shè)計65 dB的總衰耗可以滿足要求。

（2）具體方案配置及測試結(jié)果分析

方案一：采用高輸出功率的功率放大器（BA，含SBS抑制）+FEC+高靈敏度前置放大器（PA），如圖2所示。

在方案一中，BA的典型輸出光功率為22 dBm，PA的靈敏度是-45 dBm，功率損耗極限=22-（-45）=67 dB＞65 dB；采用的SDH設(shè)備光口通道最大允許色散為1600 ps/nm，不能滿足傳輸252.6 km的要求，采用了啁啾光纖光柵色散補(bǔ)償模塊進(jìn)行色散補(bǔ)償，并采用了FEC模塊可以使光信噪比得到改善。

實際現(xiàn)場測試的功率極限傳輸距離為69.06 dB＞65 dB，測試的其他各項指標(biāo)也達(dá)到要求，滿足實際應(yīng)用需要。

方案二：采用 BA+分布式拉曼放大器（DRA）+PA，如圖3所示。

在方案二中，BA的典型輸出光功率為17 dBm，PA的靈敏度是-38 dBm，反向拉曼增益典型值 17 dB(＞10 dB)，功率損耗極限=17-（-38）+17=72 dB＞65 dB；采用的 SDH設(shè)備光口通道最大允許色散為10880 ps/nm，可以滿足252.6 km的長站傳輸要求，節(jié)省了色散補(bǔ)償單元。

實際現(xiàn)場測試結(jié)果的功率極限傳輸距離為73.32 dB＞65 dB，測試的其他各項指標(biāo)也達(dá)到要求，滿足實際應(yīng)用需要。

方案三：采用高功率輸出BA（含SBS抑制）+FEC+DRA+高靈敏度PA，如圖4所示。

在方案三中，BA的典型輸出光功率為22 dBm，PA的靈敏度是-45 dBm，DRA的典型增益為10 dB,功率損耗極限=22-（-45）+10=77 dB＞65 dB；采用的 SDH 設(shè)備光口通道最大允許色散為1880 ps/nm，不能滿足傳輸252.6 km的要求，采用了啁啾光纖光柵色散補(bǔ)償模塊進(jìn)行色散補(bǔ)償，并采用了FEC模塊可以使光信噪比得到改善。

實際現(xiàn)場測試的功率極限傳輸距離為79.5 dB＞65 dB，測試的其他各項指標(biāo)也達(dá)到要求，滿足實際應(yīng)用需要。

3.2 超長站距解決方案分析

主要從3個方面進(jìn)行分析。

3.2.1 光線路衰耗問題及其解決方案

普通2.5 Gbit/s SDH的光接口參見表2。

表2 2.5 Gbit/s SDH光接口參數(shù)

分析表1的參數(shù)可知，L16.2型和L16.2JE型光接口設(shè)備按照衰耗限制最大的傳輸距離只能是(按最壞值考慮)90 km和108 km,遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)場超長站距的要求。

為此，需探討解決問題的具體方案。

①若采用EDFA，則可以延長相當(dāng)?shù)膫鬏斁嚯x，但由于G.652普通光纖上傳輸2.5 Gbit/s速率時，光放大器的入光功率不能超過+18 dBm，建議使用+17 dBm的入光功率，否則將產(chǎn)生較為嚴(yán)重的非線性效應(yīng)。接收端的低噪聲PA的最低入光功率一般取-37 dBm，在不考慮色散的情況下，最大傳輸距離約為200 km。

②當(dāng)注入光纖的光功率足夠大時，光纖中就會出現(xiàn)非線性現(xiàn)象。如果在功率放大器前一級采用抑制SBS技術(shù)，使功率放大器的入纖光功率提升至22 dBm(商用最高水平)，在不考慮色散的情況下，最大傳輸距離約為224 km；若進(jìn)一步提高PA的靈敏度至-45 dBm，最大傳輸距離約為260 km。

③拉曼光纖放大器(FRA)是一種在最新低噪聲放大技術(shù)基礎(chǔ)上開發(fā)的器件,其主要特性是增益平坦、噪聲低，非常適合長距離的傳輸和海底光傳輸系統(tǒng)的信號放大。當(dāng)拉曼光纖放大器對2.5 Gbit/s速率傳輸信號進(jìn)行放大時,其增益有10 dB、14 dB、18 dB和20 dB這幾種典型值,相應(yīng)拉曼的接收靈敏度對應(yīng)-47 dBm、-51 dBm、-55 dBm和-57 dBm。這樣，在不考慮色散的情況下，最大傳輸距離分別約為 270 km、288 km、306 km、315 km。

④若再需要更遠(yuǎn)的無中繼傳輸距離，則可以采用遙泵（RPOA）技術(shù)，但是采用遙泵技術(shù)要將遙泵增益單元安裝在纜路中的適當(dāng)位置。需要預(yù)先設(shè)計傳輸線路或是對已敷設(shè)的線路，需要在適當(dāng)?shù)奈恢们袛喙饫|，將摻鉺光纖串聯(lián)到原來的光纖中，施工改動量和難度較大。

3.2.2 光線路色散問題及其解決方案

普通的L16.2型光接口設(shè)備最大色散值為1600 ps/nm,若采用G.652光纖,其最大平均色散系數(shù)按17 ps/nm·km計算,那么按照色散計算的最大傳輸距離應(yīng)約為94 km(光接口最大色散與光纖色散系數(shù)之比)，L16.2JE型光接口設(shè)備的最大色散值2400 ps/nm,其最大傳輸距離應(yīng)為141 km。

為消除色散對傳輸距離的限制，考慮兩種解決方案。

·采用波長轉(zhuǎn)換技術(shù),將普通的灰色光接口轉(zhuǎn)換為彩色光接口(波長1550.12 nm),功率放大器之前增加波長轉(zhuǎn)換器設(shè)備,該設(shè)備也可集成在SDH設(shè)備內(nèi)部。

·增加色散補(bǔ)償模塊，可以采用光纖光柵或色散補(bǔ)償光纖?，F(xiàn)在比較常用的是采用光纖光柵進(jìn)行色散補(bǔ)償，主要是其插損小，易于普通單模光纖耦合，并且還能濾除以部分EDFA引入的ASE噪聲等特點。

3.2.3 光信噪比問題及其解決方案

由于光放大器不但能對輸入的光信號和ASE噪聲進(jìn)行相同增益的放大，而且會額外增加一部分ASE噪聲功率，因此ASE噪聲會沿著傳輸光纖路徑積累起來，這一效應(yīng)可利用“光信噪比（OSNR）”這一概念來定量衡量。

OSNR定義為某信道的光功率和該信道波長上的ASE光功率之間的比值。顯然，沿著傳輸光纖路徑上OSNR數(shù)值是逐步降低（劣化）的。

對于一個帶光放大的傳輸鏈路，作為衡量系統(tǒng)性能最終手段的接收比特誤碼率 （BER）直接與接收器的OSNR有關(guān)。其他條件不變，OSNR越大，則BER越低。在2.5G系統(tǒng)中，為獲得e-10～e-12的BER所要求的最小OSNR的典型值為14 dB～15 dB，因此2.5G系統(tǒng)在接收端的OSNR必須大于這一數(shù)值。相應(yīng)這一OSNR數(shù)值稱為該傳輸系統(tǒng)的“OSNR容限”。顯然，OSNR最終也會對傳輸距離造成限制。

由于OSNR受限引起的OSNR受限距離小于實際需要傳輸?shù)木嚯x，一般采用FEC降低接收端的OSNR門限，或DRA和RPOA技術(shù)提高光信號的OSNR值。

4 超長站距光傳輸解決方案推薦

4.1 光線路的具體參數(shù)計算

光傳輸系統(tǒng)計算參數(shù)的選取遵循國際電信聯(lián)盟（ITU）的有關(guān)建議，遵循原電力部、郵電部頒布的有關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，SDH傳輸系統(tǒng)性能指標(biāo)遵循中華人民共和國通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YD/T 5095-2005《SDH長途光纜傳輸系統(tǒng)工程設(shè)計規(guī)范》及ITU-T G.826建議。

·功率受限采用ITU-T建議G.957的最壞值法計算再生段距離公式如下

其中：L為再生段距離；Ps為S點壽命終了時的最小平均發(fā)送功率；Pr為R點壽命終了時的最差靈敏度(BER≤10-12)；Pp為光通道代價；Ac為所有活動連接器衰減之和，每個連接器衰減取0.5 dB；Mc為光纜富余度，L小于75 km時取 3 dB，L大于 125 km時取 5 dB；Af為光纖衰減常數(shù)，取0.21 dB；As為光纖熔接接頭每公里衰減系數(shù)，取0.0125 dB。

·色散受限實際可達(dá)再生段距離計算公式為：

其中：L為色散受限再生段長度 (km)；Dmax為 S（MPI-S）、R（MPI-R）間設(shè)備允許的最大色散值（ps/nm）；D為光纖色散系數(shù) (ps/(nm·km))。

·光信噪比受限計算

當(dāng)采用常規(guī)EDFA及DRA等技術(shù)單站段超長站距系統(tǒng)時，OSNR的計算公式為：

其中，Pout等效于發(fā)射端的發(fā)射光功率，取BA輸出的光功率；L為跨距損耗；Nf為前置放大器的噪聲指數(shù)；NEFC為采用FEC技術(shù)對OSNR的改善，一般取5 dB;NRFA為采用RFA對OSNR的改善，一般取3 dB;N為跨段數(shù)。

當(dāng)采用遙泵放大技術(shù)時，光傳輸系統(tǒng)由單跨段變成多跨段系統(tǒng)，這時OSNR的計算公式為：

其中，Li為第i段的線路衰減；Nfi為第i個放大器的噪聲指數(shù)。

4.2 采用各種光接口和放大器組合所能傳輸?shù)木嚯x

從上節(jié)的計算公式可以看出，功率受限得到滿足時，OSNR受限也能滿足。所以計算受限距離時主要從功率受限考慮。下面列舉了采用各種光接口和放大器組合所能傳輸?shù)木嚯x。

（1）純光接口傳輸方案

純光接口傳輸方案見表3。

（2）BA

分別采用不同輸出光功率的BA傳輸方案見表4（BA10，表示BA輸出功率為10 dBm,其余表示意義相同；其中BA22中應(yīng)采用SBS抑制技術(shù)）。

（3）BA+PA

分別采用不同輸出光功率的BA+PA傳輸方案見表5。（4）采用 BA+DRA+PA

分別采用不同輸出光功率的BA+DRA+PA傳輸方案見表 6。

從表3～6可知，如果無中繼傳輸距離超過315 km，那么就需要采用ROPA或者新建中繼站。

表3 純光接口傳輸方案

表4 采用BA傳輸方案

表6 采用BA+DRA+PA傳輸方案

4.3 超長站距傳輸方案推薦

根據(jù)現(xiàn)場測試和分析，對超長站距傳輸方案推薦如下。

（1）185 km 以內(nèi)站距方案

該站距內(nèi)系統(tǒng)方案很成熟，可采用功放、FEC以及SBS抑制技術(shù)。

（2）171～260 km 超長站距方案

該站距內(nèi)系統(tǒng)方案也比較成熟，可采用功放、前置放大器組合，較長站距則增加色散補(bǔ)償模塊以及SBS抑制技術(shù)。在超過220km時，還應(yīng)選擇高靈敏度的PA。設(shè)計時要進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)字傳輸計算，確定合適的放大器參數(shù)。

（3）247～315 km 超長站距方案

由于常規(guī)功放、預(yù)放的功率受到一定限制，一般采用功放+拉曼+預(yù)放組合，并采用FEC技術(shù)和色散補(bǔ)償，設(shè)計時也要進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)字傳輸計算，確定合適的放大器參數(shù)。

（4）315 km以上超長站距方案

當(dāng)超長站距超過315 km時，可有兩種選擇。

一種，采用功放+遙泵+拉曼+預(yù)放組合，并采用FEC技術(shù)和色散補(bǔ)償，設(shè)計時要進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)字傳輸計算，確定遙泵模塊的位置。但是該方案在電力光纜的應(yīng)用有待進(jìn)一步驗證。

另一種，新建中繼站。合理地選擇中繼站的地址，要綜合考慮各方面的因素。首先，從功率受限、OSNR受限和CD受限來考慮。其次，要考慮其他方面的因素，如征地、工程實施難度等。

5 結(jié)束語

隨著光纖通信技術(shù)的不斷發(fā)展，功率放大、前置放大器、前向糾錯技術(shù)、拉曼技術(shù)、泵浦技術(shù)等不斷涌現(xiàn)和完善，超長站距光傳輸能實現(xiàn)更遠(yuǎn)的單站傳輸距離,在電力系統(tǒng)的應(yīng)用將進(jìn)一步深入。

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15 胡松.光纖拉曼放大器仿真理論分析及算法研究.北京：清華大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005

16 夏江珍，謝同林，賈小鐵等.507 km超長站距無中繼光傳輸系統(tǒng).電力系統(tǒng)通信，2009，30（197）：10～12

17 Govind P，Agrawa1.非線性光纖光學(xué)原理及應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社，2002

18 龔倩，徐榮，葉小華等.高速超長距離光傳輸技術(shù).北京：人民郵電出版社，2005

19 陳勇.全光通信網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的研究與實現(xiàn).北京：北京交通大學(xué)博士學(xué)位論文，2006

20 戴一堂.新型光纖布拉格光柵的研究與應(yīng)用.北京：清華大學(xué)博士學(xué)位論文，2006