基于OTN技術(shù)的電力通信傳輸網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化研究

趙陽， 金燊， 宋偉， 段程煜

(國網(wǎng)冀北電力有限公司信息通信分公司， 北京 100053)

0 引言

隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的推進，信息化應(yīng)用的需求不斷增加，電力通信系統(tǒng)的帶寬擴展建設(shè)進一步加快[1]。各種信息應(yīng)用系統(tǒng)在電力市場已進入建設(shè)階段或?qū)嶋H應(yīng)用階段，這類系統(tǒng)應(yīng)用范圍廣泛，實時性、可靠性要求高，對帶寬的要求也越來越高[2]。目前僅依靠現(xiàn)有的基于同步數(shù)字系統(tǒng)技術(shù)的主干傳輸網(wǎng)絡(luò)，顯然已經(jīng)不能滿足我國電力發(fā)展的需要[3]。

利用OTN(Optical Transport Network)光分插復(fù)用設(shè)備(FIROADM)實現(xiàn)多路網(wǎng)絡(luò)。以光交叉OTN網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，利用G709規(guī)范的封裝規(guī)程映射，在光層實現(xiàn)波長級交叉調(diào)度和信號傳輸。能夠進行波長級端到端業(yè)務(wù)的交叉調(diào)度，調(diào)度能力比電交叉連接強；服務(wù)可以在光層中運行，無須在電層中處理；光交叉連接可以實現(xiàn)靈活的組網(wǎng)，支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)；設(shè)定光通道、多路等多種光層保護方式。但是存在著波長一致性的限制，必須采取措施來避免資源沖突，長距離傳輸會導(dǎo)致信號衰減和色散，需要增加光放大器和色散補償，這會帶來截面距離較短、光交叉裝置的成本比電交叉裝置高的問題[4]。因此在電力通信網(wǎng)中應(yīng)用OTN設(shè)備可以綜合考慮，引入多個設(shè)備，各個設(shè)備互相配合、彼此協(xié)作，從而達到擴大其傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、增大其傳輸距離的目的[5]。

OTN最大的優(yōu)勢在于具有大粒度交叉調(diào)度能力，能夠滿足大容量交叉調(diào)度和傳輸?shù)囊螅允紫瓤紤]將其用于核心骨干層[6]。但是，隨著OTN技術(shù)的發(fā)展，國際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)分局ITU-T(ITU Telecommunication Standardization Sector)定義了ODUO (1 Gibit/s)交叉粒子[7]。由于OTN也能提供較少的交叉需求，所以O(shè)TN的應(yīng)用已經(jīng)擴展到了較低的網(wǎng)絡(luò)層次，將來可以直接由OTN+接入層構(gòu)建整個傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。通過提高資源利用率來降低網(wǎng)絡(luò)阻塞、增強通信網(wǎng)絡(luò)傳輸距離[8]。

OTN傳輸網(wǎng)絡(luò)的基本特點是大容量、遠距離。此外，OTN采用了新的調(diào)制編碼技術(shù)，并結(jié)合色散可調(diào)補償和電域均衡技術(shù)，使網(wǎng)絡(luò)的高速、高容量組態(tài)組網(wǎng)距離顯著增加，同時也大大提高了OTN網(wǎng)絡(luò)在高速大容量配置的情況下組網(wǎng)之間的距離[9]。在此基礎(chǔ)上，本文基于OTN技術(shù)研究一種新的電力通信傳輸網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法，并通過實驗驗證方法的可行性。

1 基于OTN技術(shù)的電力通信傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸距離優(yōu)化

在應(yīng)用OTN技術(shù)優(yōu)化電力通信傳輸網(wǎng)絡(luò)時必須考慮影響信號傳輸距離的因素，目前得出的因素主要有衰耗、色散和非線性效應(yīng)等，因此基于OTN技術(shù)建立的優(yōu)化方案要從上述因素入手增加傳輸距離[10]。

(1) 衰耗

光信號在光纖中的衰減是光信號傳輸時的能量損失。在材料對光波的吸收和傳輸過程中，由于光波本身的散射而造成能量損失。自然吸收損耗與散射損耗相互疊加，形成光纖的自然損耗譜。

(1)

(2)

式中，L表示被測光纖長度，km，P1、P2分別表示輸入光功率和輸出光功率，kW。

表1 光纖典型衰減常數(shù)

隨著科技進步，現(xiàn)有光纖的衰減系數(shù)可以降低到0.16 dB/km，再加上0.02 db/融合點的光纜融合拼接。在形成和安裝普通光纜時，光纜的衰減系數(shù)一般為0.190.21 dB/km左右。在衰減受限系統(tǒng)中，中繼距離越長，則光纖通信系統(tǒng)的成本越低，獲得的經(jīng)濟效益越高。

(2) 色散

光纖的基本特性之一是色散。由于光的傳播速度依賴于介質(zhì)的折射率，而光纖的折射率又依賴于光信號的波長，所以光在光纖中的傳輸速度就會有所不同，這被稱為分散效應(yīng)。光纖通信中，色散會使信號脈沖在傳輸過程中發(fā)生變寬，造成碼間的串?dāng)_，最終影響系統(tǒng)的整體性能。在光纖中存在2種基本的色散效應(yīng)：色度色散和偏振模色散。一段光纖的色散分為色度色散和偏振模色散PMD(polarization-mode dispersion )傳輸系數(shù)、傳輸速率和傳輸距離之間滿足如下關(guān)系：

(3)

式中，B表示傳輸速率，PMD表示偏振模傳輸系數(shù)，在值一定的情況下隨著傳輸速率的增加，傳輸距離將急劇縮短。

對于任意一段光纖段來說，其值可以用平均值<Δτ>來表示：

(4)

式中，<·>表示取平均值，Δβ表示光纖的雙折射，LB表示偏振模式耦合長度。

在光纖傳輸光信號時，色散是一個必須考慮的重要問題。這是由于光纖中不同頻率的信號光波傳播速度不同，造成長距離傳輸后的信號擴展，從而引起前后相位的變化。鄰近信號脈沖重疊造成對應(yīng)的位置誤差。傳輸距離與碼速、光纖的色散系數(shù)以及光源的譜寬成反比，系統(tǒng)的傳輸速率越高，光纖的色散系數(shù)越大，光源譜寬越寬，為了保證一定的傳輸質(zhì)量，系統(tǒng)信號所能傳輸?shù)闹欣^距離也就越短。

(3) 非線性效應(yīng)

非線性效應(yīng)導(dǎo)致脈沖壓縮、頻譜展寬，嚴(yán)重影響高速光通信系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量。單模光纖的非線性特性可以分為受激散射特性和非線性折射率效應(yīng)2種。受激散射呈現(xiàn)出與光強有關(guān)的增益或損耗，而非線性折射則呈現(xiàn)出光強相關(guān)的相移。非線性折射率的影響主要表現(xiàn)為自相位調(diào)制/交叉相位調(diào)制以及四波混合頻率。

圖1 單模光纖的非線性效應(yīng)示意圖

實際光纖的纖芯幾何形狀可能不再是標(biāo)準(zhǔn)的圓柱，纖芯折射率也可能因內(nèi)部殘余應(yīng)力、扭曲等因素的影響而非理想的軸對稱分布。

建立OTN組網(wǎng)方案，實現(xiàn)電力通信保護提高電力通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離，進而完成電力通信傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸距離優(yōu)化。

2 實驗研究

為驗證優(yōu)化后的基于OTN技術(shù)的電力通信傳輸網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化效果，設(shè)定驗證實驗。為確保驗證結(jié)果的精準(zhǔn)度，對測試實驗環(huán)境做出如下要求：環(huán)境溫度0～40 ℃；相對濕度為3%～97%；實驗環(huán)境內(nèi)部灰塵不能超過14×105。基于OTN技術(shù)的電力通信優(yōu)化傳輸網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

圖2 基于OTN技術(shù)的電力通信優(yōu)化傳輸網(wǎng)絡(luò)

G652普通光纖在不同波段的衰減譜如圖3所示。

圖3 常規(guī)光纖Cz652在各個波段的衰耗譜

在形成和安裝普通光纜時，光纜的衰減系數(shù)一般為0.190.21 dB/km左右。

實驗時，針對電力通信網(wǎng)絡(luò)的每個業(yè)務(wù)都引入主、備2條路由，同時向路由分配波長，這樣每個業(yè)務(wù)都會擁有1條屬于自己的備用波導(dǎo)，設(shè)定通信網(wǎng)絡(luò)中的每根光纖可用波長為8，該跨段光纜全長 140.56 km，全程測試衰耗約為42.56 dB，承載波道為 193.5、193.6、193.7、193.8 四波。采用有線、無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)方案來提升網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性并為資產(chǎn)巡檢提供業(yè)務(wù)通道，得到的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部各個節(jié)點的配置結(jié)果如表2所示。

表2 電力通信網(wǎng)絡(luò)路由配置節(jié)點

基于OTN技術(shù)的電力通信傳輸優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)采用的保護方式與未優(yōu)化前采用的保護方式不同，一旦網(wǎng)絡(luò)中的某一個鏈路出現(xiàn)問題，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部路由就會重新分配，如果備用路由中的某條鏈路出現(xiàn)問題，基于OTN技術(shù)的電力通信傳輸優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)也會在短時間內(nèi)規(guī)劃出新的傳輸通道，確定最優(yōu)配置方案，從多方面確保電力系統(tǒng)傳輸過程的穩(wěn)定性。

3 總結(jié)

本文對電力通信光纜主干網(wǎng)絡(luò)的特點進行了研究，分析了超長單跨系統(tǒng)對OTN系統(tǒng)光傳輸部分和光復(fù)用部分的影響，確定了光傳輸和光復(fù)用的劃分，并通過實驗室測試和研究驗證，對推動OTNS技術(shù)的發(fā)展和電力通信網(wǎng)的進步具有重要意義。