可插拔光層技術的研究

陳 思，李鵬程

（內蒙古電力信息通信中心，內蒙古 呼和浩特 010020）

0 引 言

隨著電力通信網所承載業務種類的增加和通信網絡密集度的增大，很多運行的光纜出現了芯數已滿或余量不足的問題，給電力通信的發展了帶來了兩大挑戰：一方面，新業務無法接入；另一方面，由于沒有冗余纖芯供故障時路徑倒換使用，給通信網絡的安全運行埋下了隱患。目前，內蒙古電網部分光纜資源緊張，制約了業務的進一步發展。早期建設的光纜由于技術水平和經濟問題的制約，建設芯數少，尤其是中調和各個區調的出城光纜，需要經過220 kV或110 kV變電站跳纖，光纜芯數嚴重不足。例如，信通中心至永圣域的光路需要從昭君變跳纖，而信通至昭君的兩根光纜新纜共48芯，已使用42芯，剩余6芯，其中4芯良好，舊纜共24芯，已使用19芯，剩余5芯全部中斷不能使用。

建設智能化電網，需要電力通信網支持。電力通信網的建設與發展必須立足當前，著眼未來，遵循可持續發展、適度超前、易于升級以及易于擴容的原則，高度重視通信網絡的可靠性和生存性，確保電力通信為電網的安全生產提供可靠的保障。

通過可插拔光層技術可實現多波長信號在一對光纖中的傳輸，解決目前內蒙古電力通信網內部分光纜資源不足的問題。可插拔光層技術使用靈活，可以根據業務發展情況靈活升級。功放、合分波器以及波長轉換器等業務單元采用模塊化設計，大幅減少了機房占用空間。可以根據不同傳輸距離靈活調整設備配置，明顯改善了出城光纜局部光纜纖芯使用緊張等問題，在不建設光纜的情況下提高了電力通信網絡的靈活性和可靠性。利用這個試驗平臺可以進行上述相關技術的驗證和測試，為電網的新技術應用提供依據。

1 國內外研究現狀

光子集成技術已經有了長足發展，如早期尺寸為90 mm×70 mm的EDFA。目前，迷你型EDFA尺寸只有60 mm×40 mm。隨著芯片技術的發展，EDFA集成在常見XFP激光器上應用成為可能。目前，已經有相關的商用激光器的報道。傳輸速率為100 Gb/s的CFP激光器已經得到了廣泛應用。在傳統波分設備上，需要單獨板卡或設備來實現可調光衰、前置放大器、功率放大器、濾波器以及OTDR等功能。隨著光子集成技術的發展，這些功能也能集成在單個激光器上，使光層模塊的即插即用成為可能。根據查閱國內外文獻和網絡搜索，國內外對相關器件均有大量報道，但未見可插拔光層技術應用的相關系統在電力專網上報道[1-5]。

2 研究內容與思路

光子集成技術的發展，使可插拔光層技術成為可能。在激光器中內嵌EDFA放大器，單個激光器就可以進行光放大，無需單獨的功率放大器，就可以實現80 km甚至120 km以上的長距離傳輸，簡化了網絡配置，減少了故障點。

單模塊可以內嵌光功率自動調節和波長復用等功能。單模塊甚至可以實現光時域反射（Optical Timedomain Reflectometer，OTDR）功能，在線監控光纖的運行質量，提高網絡維護能力。可插拔光層技術使現有網絡可根據業務靈活升級，節省前期設備投資和后期運營成本。可插拔光層技術可以應用在同步數字序列（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）、波分復用設備（Wavelength Division Multiplexing，WDM）以及分組傳送網絡（Packet Transport Network，PTN）等設備上。本項目為了解決內蒙古電網中部分光纜資源不足的問題，研究了可插拔光層技術在內蒙古電力通信網內的應用。

采用粗波分復用（Coarse Wavelength Division Multiplexing，CWDM）和密集波分復用（Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM）技術可以進行波長復用，在一對光纖中進行多系統傳輸，解決光纜緊張的問題。CWDM無法進行光信號放大且傳輸距離短，而DWDM配置需求高，初期項目投資及后期維護成本較高。可插拔光層技術將放大器集成到現有激光器中，合、分波器都可以采用無源子架，設備構造簡單，降低了投資和運營成本。不但滿足不同業務顆粒和不同業務類型的傳送需求，而且能夠根據業務發展情況靈活升級，在提升傳送效率的基礎上，最大程度保護現有投資，具有重要的現實意義。

2.1 方案設計

在明安220 kV變電站和達地220 kV變電站兩個變電站加裝小型化波分設備，應用于波長轉換器和前置光放大器。初期采用8波配置，根據后期業務情況，可以靈活擴展到40波。為提高系統的可靠性，采用ODU層面的子網連接保護，單波速率為10 Gb/s。后期可根據業務匯聚的增加，采用更高速率的卡板使單波速率增加至100 Gb/s。據悉，600 Gb/s單波速率已經實現商用。可插拔光層技術充分利用原有的各廠家設備，減少建設資金的投入，滿足了新數據業務的發展需要，便于將來組建多業務傳送網。

具體實施過程中，內蒙古電力信通中心通信運行處購置2套PICO新型光傳輸設備，采用點到點的組網方式，在明安220 kV變電站和達地220 kV變電站各配置一套設備。明安變和達地變電實驗設備連接如圖1所示。

圖1 明安變和達地變電實驗設備連接圖示

采用線路側波長可調的XFP激光器模塊，避免了不同波長彩光需要配置不同DWDM激光器模塊的情況。根據工程需要，可以通過軟件調整激光器的波長，靈活方便。

客戶側采用支持多速率和多協議的SFP激光器模塊，可以根據客戶側業務模型調整SFP激光器工作模式，完成GE、OTU1以及STM16等業務的適配。明安220 kV變電站和達地220 kV變電站試驗配置清單如表1所示。

表1 明安220 kV變電站和達地220 kV變電站試驗配置清單

2.2 試驗方法

可插拔光層的原理邏輯框如圖2所示。以信號從A站發往B站的方向為信號流程，SDH系統1的白光輸出接到變電站A波長轉換器的第一個客戶側模塊，SDH系統2接到變電站A波長轉換器的第二個客戶側模塊，經過OTN幀封裝成ODU單元。這兩個系統封裝的ODU單元以SNC子網連接保護模式，交插到兩個線路側XFP對應的ODU單元中。OTN幀對應的電信號經XFP調制轉換成標準彩色波長。工作通道承載λ1彩色波長，保護通道承載λ2彩色波長，通過合波器在一根光纖中傳輸。線路上采用自帶OSC光監控通道的前置光放大器，減小了設備體積。整個系統利用波長轉換器的SNC子網連接保護功能，實現主、備路由的自動倒換。

圖2 可插拔光層的原理邏輯框示意圖

信號傳送到變電站B后，通過分波器分離出原來波長。其中，λ1彩色波長對應工作通道，λ2彩色波長對應保護通道。光信號經XFP解調出電信號，然后轉換器解封裝輸出到客戶側對應的ODU單元。第一個客戶側模塊接到SDH系統1，第二個客戶側模塊接到SDH系統2，從而實現SDH系統1和系統2的互聯。兩個變電站之間采用一對光纖，可實現多個SDH系統的互聯，解決了光纜資源不足的問題。信號從B站發往A站方向的信號流程類似。由于采用了可插拔光層技術，改造時只需要增加器件，原有設備無需大規模改造，不影響原有業務。

2.3 試驗結果

2.3.1 長期丟包率

單載波400 Gb/s的方案是采用高波特率+16QAM/32QAM等高階調制，在50 GHz柵格內實現400 Gb/s信號傳輸。一個載波為一個400 Gb/s波道，理論上提高了頻譜效率，但受香農定理的限制，實現成本高、難度大，傳輸距離很有限。通過測試長期丟包率了解測試GE、10GE業務的12 h丟包率數值運用測試儀表。數據網絡分析儀配置以太網業務長期性能測試，如圖3所示[2]。

圖3 以太網業務長期性能測試示意圖

在OTN技術實際應用過程中，OTN技術本身具有的特點和優勢較為突出，主要體現在大顆粒有效交叉調度等方面。因此，可以將這一技術直接應用在核心骨干層中，尤其是在科學技術不斷發展的過程中，OTN技術的發展和應用前景較為良好。測試步驟：連接測試配置；分別配置GE和10GE業務，業務路徑為“節點A→節點B”；業務應正常接通；啟動長期丟包率測試，24 h后記錄測試結果。10GE LAN業務24 h丟包率如圖4所示，GE業務24 h丟包率如圖5所示。

圖4 10GE LAN業務24 h丟包率示意圖

圖5 GE業務24小時丟包率示意圖

應用OTN技術對交叉的要求較低，自身實際應用范圍較大，且逐漸向更低的網絡層次下沉。通過對OTN技術在當前階段應用的情況進行觀察和分析，在未來發展過程中，OTN技術在實際應用過程中本身接入層能夠直接進行傳輸網絡結構構建。針對電力系統而言，當前需要將重點放在骨干層網絡上。

2.3.2 吞吐量

受香農定理的限制，系統容量（頻譜效率）和傳輸距離是400G光傳輸最大的矛盾。單一解決方案無法保證不同場景下容量、距離和成本的最優，需要不同的解決方案來滿足不同應用場景的需求。雙載波是400G的主流方案，能夠覆蓋絕大部份400G應用場景。以太網吞吐量性能測試結果[3]，測試拓撲圖詳見圖3。

雙載波200G方案根據調制方式的不同，單載波信道帶寬、系統容量、傳輸距離以及應用場景均不同。測試步驟：連接測試配置；分別配置GE和10GE業務，業務路徑為“節點5→節點3→節點4→節點1→節點2”；業務應正常接通；分別啟動GE和10GE吞吐量測試，并記錄測試結果。10GE業務的吞吐量如表2所示。GE業務業務的吞吐量如圖6所示。可以看出，對于GE及10GE業務，系統都沒有發生丟包，數據業務的傳送正常。

表2 10GELAN業務的吞吐量

圖6 GE業務業務的吞吐量示意圖

光電混合交叉組網模式本身具備電層處理過程的應用優勢。在具體應用時，不僅能夠適應各種業務的要求，而且能實現光層與電層之間的聯合調度。從實踐方面來說，它自身的優勢主要為光電聯合調度的靈活性較高，且具有多樣化特點。具體實施OTN技術時，需有效應用組網結構技術，不斷優化和組合處理網絡通信結構，對節點實施較為科學合理的分配處理，并且在實施調控時提升網絡通信節點組合的穩定程度，提高網絡的通信安全性。OTN技術在合理調控的情況下，網絡通信業務職權本身具有較為明確的特點，使得網絡通信結構在這一基礎上能夠調整自身具備的組合模式[4]。在OTN技術對組網結構科學合理調整的過程中，網絡通信技術也具有較為良好的發展趨勢。

2.3.3 過載丟包率

以太網業務過載丟包率測試結果[4]，測試拓撲圖詳見圖3。測試步驟：連接測試配置；分別配置GE和10 GE業務，業務路徑為節點A-節點B；業務應正常接通；分別啟動GE和10 GE過載丟包率測試，并記錄測試結果。10 GE業務的過載丟包率如表3所示。可以看出，在發射不同幀長包的情況下沒有發生幀丟失，系統工作正常。

表3 10GELAN業務的過載丟包率

靈活柵格（Flexible grid）波長選擇開關（Wavelength Seleective Swicth，WSS）技術可以靈活設置帶寬，目前具備2～20維靈活、可重構的波道調度能力，支持20個方向的光收發線路和本地上下。400G OTN系統ROADM采用靈活柵格（Flexible grid）帶寬調度方式，不同的信號適配不同的帶寬，提高了頻譜利用率，又滿足400 Gb/s速率時代的靈活調度要求。GE業務的過載丟包率如圖7所示。

圖7 GE業務的過載丟包率示意圖

2.3.4 時 延

以太網業務時延測試結果[5]，測試拓撲圖詳見圖3。

OTN技術又稱為傳送網組網技術，能夠在子網內部實施全光處理，在波分復用的作用下實施大容量傳輸處理，使各種業務適配介入成為可能。通常情況下，OTN技術分為光信道層、光復用段層以及光傳輸段層等。這項技術在大顆粒交叉調度方面的能力較為突出，能夠有效保證大容量交叉調度和質量等。在推廣應用時，使用核心骨干層面逐漸成為重要的發展趨勢。10GE業務的時延如表4所示，GE業務的時延如圖8所示。

表4 10GE業務的時延

圖8 GE業務的時延示意圖

2.3.5 系統抖動

本次測試項目為系統抖動，測試目的在于測試SDH接口的系統輸入抖動容限和系統輸出抖。STM-N抖動測試，測試拓撲圖詳見圖3。

連接測試配置，配置STM-16業務，業務路徑為節點A-節點B，業務應正常接通，依次啟動輸入抖動容限和輸出抖動測試，并記錄測試結果。STM-16輸入抖動容限，如圖9所示。

圖9 STM-16輸入抖動容限示意圖

3 結 論

小型可插拔光層技術在嚴苛的實踐檢驗中表現優良。根據實際應用需求，可插拔光層技術不斷創新。從1995出現第一個可插拔激光器模塊GBIC的標準制定，到2000年以后開始大規模商用，改變了原來激光器模塊固化在通信卡板上的設計理念。從GBIC開始，不斷推出10G XFP模塊、40G和100G的CFP模塊都遵循可插拔的技術風格。目前，可插拔光層技術把模塊化緊湊型的設計理念推廣到光放大器、光合分波器、波長選擇器以及光時域反射測試器等，已經在世界范圍通信行業大運營商有了大規模的應用部署。可插拔光層技術憑借其省地、省電、省人力以及便于模塊化維護的優勢，在新興行業的IT和金融數據中心應用推廣速度迅猛。國內電力通信為安全考慮，且原有傳統老通信基建規模過大，目前雖然已經大規模部署了可插拔激光器，但仍然對其他可插拔模塊的光器件技術處于觀望狀態。例如，對可插拔光放、可插拔合分波器以及可插拔波長轉換器等的應用還需時間的檢驗。根據內蒙電網的業務特點進行可插拔光層技術的探索與研究，若能精細分析現有網絡架構，根據各應用場景逐步進行推廣應用，可取得顯著的經濟價值。