高海拔地區超長距無中繼光傳輸系統應用研究

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330 kV聯網工程是目前海拔最高的330 kV輸變電工程。玉樹地區地形復雜、交通不便，惡劣的氣候環境不僅對工程實施帶來極大困難，更對通信系統的安全穩定運行和日常維護帶來極大挑戰，特別是瑪多至玉樹長達348 km超長距光纖通信問題。

建設通信中繼站不僅涉及中繼站的選址、土地審批和建設問題，還要增加設備和日常運維工作量，采用超長距無中繼光通信技術是提高電路穩定性和安全性的一個恰當選擇，超長距光通信技術已成為跨大區電網聯網的重要技術基礎[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單模光纖衰耗系數為0.21 dB/km；活接頭損耗一般為0.5 dB/個；根據ITUT G.957和ITU-T G.691標準建議，對于L16.2和L64.2光傳輸系統，通道代價為2 dB；富裕度尚無標準規定，主要是根據光纜線路長度及線路質量決定，一般設定至少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致碼間干擾而產生誤碼，影響系統整體性能。在光纖中有三種色散效應：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射機發出的光譜包含一定范圍內不同成分的波長，不同頻率分量的光到達接收機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，與傳輸系統的誤碼率有密切關系。對于傳輸速率一定的光通信系統，如不考慮色散和非線性的影響，進入接收機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，導致信號衰減非常嚴重，經過光放大器放大時，噪聲可能會同信號能量相當造成接收端無法正確辨別信號，從而導致系統無法正常運行，即OSNR受限[3]。

1.4 非線性效應

光纖中的非線性效應分為折射率調制效應和受激散射效應[4]。超長距無中繼光傳輸系統非線性效應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生的電磁伸縮效應在物質內激起超聲波，入射光受超聲波散射而產生的，它嚴重限制入纖功率的提升，導致傳輸距離的受限。

2 關鍵技術

2.1 光放大技術

光放大器可對光信號進行直接放大，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的影響，延長傳輸距離，常用的有功率放大器（BA）、前置放大器（PA）?；谑芗だ⑸錂C制的放大器稱為光纖拉曼放大器（RFA），具有增益高、串擾小、噪聲指數低、頻譜范圍寬、溫度穩定性好等特點，根據增益介質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充，而不是代替，兩者結合起來的混合式放大器是一種理想的應用形式。

2.2 色散管理技術

色度色散會造成信號脈沖展寬導致產生碼間干擾，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。色度色散補償方式主要用色散補償模塊進行補償。色散補償模塊（DCM）利用啁啾光纖光柵進行色散補償，啁啾光纖光柵能與現有光纖系統較好兼容，具有較低的傳輸損耗和插入損耗，色散補償量大，能夠實現光纖色散和色散斜率的同時補償，折射率調制可以根據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。

2.3 前向糾錯技術

前向糾錯技術（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，對校驗比特進行一定的計算以糾正碼流中的錯誤，從而達到改善系統誤碼性能的目的。FEC允許系統工作在較高的誤碼率情況下，相當放寬了高速通信系統對各器件性能的要求，降低了系統造價，提高了系統對色散、非線性效應和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

當超長距傳輸方案采用光放大、前向糾錯編碼等技術提供的線路預算全部耗盡時，若進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，可有效延長光系統的傳輸距離。

表1 超低損耗光纜與普通G.652光纖參數的性能比較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聯網工程起始于日月山變，途經唐乃亥、瑪多變，止于玉樹變電站，隨輸電線路架設超低損耗光纜，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 參數預算

光功率計算可根據G.957建議書規定的最壞值計算法，公式如下：

式中：L為傳輸距離；Ps為發送器最小發送功率；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，As為光纖熔接頭衰減系數，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Pp=0 dB。

在進行光傳輸系統設計時通常采用“58”公式[4]來估算系統的接收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，logN是指系統總的跨段數。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）。在進入接收機前OSNR如果不能滿足正常接收的要求，系統就會產生OSNR受限，限制了傳輸的距離。對有光放的系統，功率不是主要問題，主要考慮系統的OSNR問題，表2是各傳輸速率系統的OSNR設計要求。

表2 各傳輸速率系統OSNR設計要求Tab.2 The OSNR design requirements of different transmission rates

3.3 系統方案

3.3.1 系統設計

系統設計必須保證設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在技術上非常成熟，且維護方便，但考慮到傳輸距離超長，因此必須考慮RFA與EDFA的綜合應用，兩者結合起來效果更加理想。本項目系統中，2.5 G速率下，RFA+PA的靈敏度可達-42 dBm。

2)配置 FEC

2.5 G光傳輸系統配置FEC后可提升8 dB編碼增益，同時設備維護也較為簡易。本項目系統中，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)色散補償

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

4)OSNR預算

由前面描述可得，2.5 G光傳輸系統的OSNR設計要求最低是20 dB，由于配置了FEC，本段線路實際OSNR設計要求最低為12 dB。本段線路根據“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設計要求。

瑪多至玉樹變超長距無中繼光傳輸系統解決方案如圖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 系統運行

系統試運行期間系統各關鍵節點光功率情況如表3所示，經掛表測試后誤碼為“0”，如圖3所示。

表3 超長距光傳輸系統關鍵點功率Tab.3 Key point optical power of ultra-long span optical transmission system

4 結束語

本傳輸系統將光纖拉曼放大器、大增益摻鉺光纖放大器、增強前向糾錯編碼技術、色散補償模塊以及超低損耗光纜優化組合，多種通信技術綜合應用，有效克服了玉樹地區海拔高、惡劣環境因素對光傳輸系統的影響，提高了通信系統對色散、非線性效應和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348 km超長站距光通信難題，對高海拔地區超長距無中繼的應用推廣具有重要的指導意義。

圖3 測試結果Fig.3 Test results

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