光纖通信技術在鐵路通信系統(tǒng)中的應用探討

胡 明

（吉林吉大通信設計院股份有限公司，吉林 長春 130012）

1 光纖通信技術相關內容論述

1.1 常用光纖分類

1.1.1 有源光纖

有源光纖主要是指摻有稀土離子的光纖，常用的稀土離子包括Er3+、Nb3+、Pr3+、Yb3+、Tm3+等，這也是制造光纖光放大器的核心物質。此類光纖在應用時的相助作用在于能夠對光信號進行放大，并延長信號傳輸距離。例如，摻鉺光纖放大器（Erbium Doped Fiber Application Amplifier，EDFA）應用于1 550 nm附近，可以在短時間內完成長距離信息的傳輸，并且在光纖放大器的輔助下也可以在無中繼器作用下完成百萬公里級別的信息傳輸，同時在長距離傳輸中還可以維持性能穩(wěn)定性，滿足鐵路通信系統(tǒng)的運營要求。

1.1.2 色散補償光纖

基于目前的使用情況來看，現階段常用的G.652光纖在1 550 nm波長附近所產生的色散值為17 ps/（nm·km）。在光纖傳播速度大于2.5 Gb/s后，隨著信號傳輸距離的延長，也會造成誤碼的問題，導致信號失真。而色散補償光纖則是用于抵消傳輸過程中的正色散數值，起到降低色散影響的作用。基于以往經驗，會利用質量因數（即色散值和衰減值之間的比值）來判斷補償情況，而此類光纖在具體應用中借助了基模波導色散來得到數值較大的負色散值，用作抵消信號傳輸時的色散值，質量因數保持在較大狀態(tài)，以此來滿足信號高效傳輸的同時，確保所傳輸信息的完整性和準確性。

1.1.3 光纖光柵

此類型光纜在使用中利用了光纖材料自身的光敏性，在外部紫外光的照射下，光纖芯部便會出現周期性折射率波動，以此來達到快速傳輸信號的作用。此類光纖主要利用摻鍺光纖進行制作，在相位掩膜板的掩蔽下，利用紫外光進行照射，直到纖芯的折射率處于周期性變化后，對其進行退火處理，從而得到所需的光纖材料。光柵本身屬于一類選頻器件，利用其特性可以制作許多類型的無源器件或有源器件，如光纖傳感器、光濾波器都是以此為載體制作的器件，同時也是目前常用的應用結構。

1.2 應用優(yōu)勢

1.2.1 信息容量較大

從現階段技術的發(fā)展情況可以了解到，光纖通信技術在應用中所帶來的信息容量較大，可以在單位時間內對外傳輸更多的信息量。相比于傳統(tǒng)的微波技術，光纖通信技術的信息容量能夠高出20～50倍，并且隨著技術創(chuàng)新度的提升，其容量也得到不斷增大。而且相比于傳統(tǒng)電流傳播方式，光纖通信技術在輸送信息時的狀態(tài)也更加穩(wěn)定，能夠在較短時間內完成大容量信息的傳輸，有助于信息同步目標的實現，提升所傳輸信息的可靠性。

1.2.2 損耗相對較低

光纖通信技術在制作中多采用石英作為生產原料，此材料具有來源廣、絕緣性強、加工簡便等優(yōu)勢，利用此材料來制作光纖，可以抵抗外部其他頻段信號的侵擾，從而將初始應用成本控制在合理范圍內。同時此類材料在應用中也具有良好的應用性能，使用時的損耗量較低，以此來加快信號的傳輸速度，提高信號傳輸結果的可靠性[1]。

2 光纖通信技術在鐵路通信系統(tǒng)中的具體應用

2.1 WDM技術

波分復用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）技術如圖1所示，在應用中是將同一系列、不同波長的信號匯聚在一起形成一束光信號，并以光纜為載體將其傳輸到目標端口，接收端口接收到此信息后又會在工具幫助下將整束光信號拆分成同一系列、不同波長的光信號，以此來達到信息高效傳輸的目的。鐵路通信系統(tǒng)可以細分為若干分支系統(tǒng)，該技術在應用中會將系統(tǒng)接收端作為終點，各傳感器、站點作為分支起點，匯聚到控制模塊中進行整合，不同信號的波長會占用光纖中的一段帶寬，最大限度利用單根光纖，達到高效傳輸信息的作用。從目前的使用情況來看，根據不同線路的工作情況，WDM技術在應用中又可以分為以下2個分支：（1）稀疏波分復用（Coarse Wavelength Division Multiplexing，CWDM）的信道間隔為20 nm，用于信號密度較低的通信系統(tǒng)；（2）密集波分復用（Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM）的信道間隔為0.2～1.2 nm，用于信號密度較高的通信系統(tǒng)[2]。

圖1 WDM技術

2.2 PHD技術

從目前鐵路通信系統(tǒng)的發(fā)展情況來看，準同步數字體系（Plesiochronous Digital Hierarchy，PHD）技術也具備了良好的應用價值。在技術具體的應用中，可以依托于PHD二芯來建設局域網通信系統(tǒng)，這也是該技術經常使用到的應用模式。在該技術模式的應用背景下，能夠對鐵路同軸通信狀態(tài)進行全面覆蓋，以此來提升整個鐵路通信系統(tǒng)工作狀態(tài)的穩(wěn)定性。此技術在應用中具有諸多應用優(yōu)勢，同時也存在一些不足，即技術方面的成熟度較低，無法應用于復雜的網絡管理活動，這在很大程度上影響到技術的應用效果，也是后續(xù)技術開發(fā)活動中需要重點關注的內容[3]。

2.3 SDH技術

同步數字體系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）技術在鐵路通信系統(tǒng)中也具備了良好的應用價值。如圖2所示，該技術在應用中使用了若干同步傳輸模塊（即STM-N模塊），基礎單位為STM-1模塊，每個模塊都會承載相應信息，并且借助組合的方式組成復用結構，如16個STM-1模塊便可以構成STM-16模塊。在鐵路通信系統(tǒng)中，可分為以下管理區(qū)域：（1）段開銷區(qū)，主要的工作內容是進行網絡運行管理、系統(tǒng)運營維護、系統(tǒng)綜合化管理，以營造安全的生產環(huán)境；（2）STM-N凈負荷區(qū)，主要工作是對信息業(yè)務進行綜合管理，并對整個通道進行管理，以達到預期的管理效果[4]；（3）管理單元指針區(qū)，主要的工作內容是對各類信息進行準確定位，以提高信息傳輸結果的準確性。在技術應用背景下，信號每幀傳輸時間在125 μs左右，可滿足單位時間內高容量信號的傳輸要求。

圖2 SDH技術運行結構

2.4 DWDM技術

從目前的使用情況來看，DWDM技術也具備了良好的應用價值。該技術在應用中會將多個波長作為載波，以此來滿足單位時間內多載波同時傳輸的目的。不同于以往的單信道系統(tǒng)，DWDM技術在使用中充分發(fā)揮出光纖帶寬優(yōu)勢，提升了網絡系統(tǒng)通信容量，確保多項業(yè)務的同時傳輸。在系統(tǒng)的具體運行中，會將光波作為信號傳輸時的載波，隨后根據不同信道廣播傳輸頻率，將光纖窗口細分為若干個信道，以此來提高信號的復用傳輸效率[5]。

2.5 光纖接入技術

該技術在應用中能夠確保信息的順利交互，這也是交互與傳遞工程非常重要的環(huán)節(jié)。為了確保網絡信息的高速傳輸，會將互聯(lián)網和光纖對接在一起，從而讓信號以非常快的速度傳輸到目標區(qū)域。在鐵路通信系統(tǒng)的信號傳輸中，涉及不同種類的信號，因此在技術應用中也會使用光纖到戶（Fiber To The Home，FTTH）和光纖到交換箱（Fiber To The Cabinet，FTTCab）2種協(xié)議來優(yōu)化系統(tǒng)，并且在技術應用中也會對環(huán)境具有較高抵抗性，這樣也便于相關信息的快速傳輸，同時也可以更好地解決信息傳輸問題，滿足差異化信息傳輸要求[6,7]。

2.6 交換技術

除上述提到的相關技術外，交換技術在鐵路通信系統(tǒng)中也具備了良好的應用價值。該技術在應用中可以細分為以下類型：（1）光電路交換（Optical Circuit Switching，OCS），在應用中會利用光交叉連接（Optical Cross-Connect，OXC）、光分插復用器（Optical Add/Drop Multiplexer，OADM）等光器件來布置光通路，其中設置的中間節(jié)點不需要對光進行緩存，以滿足信號傳輸的相關要求；（2）光分組交換（Optical Packet Switching，OPS），在應用中會通過時間、空間等層面來完成信號交互，不同類型的用戶信號可以借助互成正交的不同碼序列進行填充處理，而且依托于該載體也可以滿足相應的技術傳輸要求，以此來提高信息傳輸過程的可靠性與有效性[8]。

3 光纖通信技術在鐵路通信系統(tǒng)中的發(fā)展趨勢

3.1 長距離傳輸模式

在光纖通信技術未來發(fā)展過程中，將沿著長距離傳輸模式方向發(fā)展。隨著鐵路工程里程的不斷增大，信號所需傳輸的距離也在不斷延長，這也需要相匹配的技術能夠沿著傳輸距離更長的方向快速推進。目前，在技術應用中，可以利用CWDM技術和DWDM技術來完成信息傳輸，并且在應用中也可以滿足多信道傳輸要求，提高信息傳輸結果的高效性與安全性[9]。同時在未來發(fā)展過程中也需要提高光纖傳輸容量，從而為后續(xù)相關活動的推進奠定良好基礎。

3.2 光孤子通信模式

在光纖通信技術未來的發(fā)展過程中，也會不斷完善光孤子通信模式，以達到預期的綜合管理要求。光孤子作為一類ps數量級的超短光脈沖，其光纖位于反常色散區(qū)，并且在運行中的群速度色散和非線性效應也會處于比較平衡的狀態(tài)，這樣在信息完成長距離傳輸后，信號的傳輸速度、傳輸波形都會保持良好的狀態(tài)，從而達到信號長距離無畸變狀態(tài)，確保信號可以在零誤碼的情況下將預期信息傳輸到指定位置，滿足不同情況下的運營要求[10]。

3.3 全光網絡模式

在未來的發(fā)展過程中，所建立的高速通信網絡將是全光網絡模式，這也是確保信息傳輸高效性、穩(wěn)定性以及準確性的基礎條件。全光網網絡模式在應用中作為技術發(fā)展的最高階段，也是信息傳輸過程的理想階段。傳統(tǒng)的光網絡實現了節(jié)點間的全光化，但在網絡結點處仍采用電器件，限制了通信網干線總容量的進一步提高。對此，在未來的發(fā)展過程中，實現真正意義上的全光網也是需要重點關注的內容，并且在全光網絡的發(fā)展中也會將光節(jié)點代替電節(jié)點，節(jié)點之間也會利用全光化處理，這樣也使信息可以通過光的形式來完成傳播和交換，提高信息傳輸效率，達到預期的工作目的[11]。

4 結 論

對于鐵路系統(tǒng)而言，通信線路中信息傳輸的效率和穩(wěn)定性至關重要，光纖通信技術的應用價值就在其中得以充分體現。光纖通信技術在應用過程中也需要結合實際對其應用現狀和發(fā)展趨勢進行全面掌握，以達到最為理想的通信效果。