大容量 OTN 单跨段超长距离电力通信系统设计与应用
关键词：OTN；超长距；大容量；混合速率中图分类号：TN915.62 文献标志码：A
Designs and Implementation of Electric Power Communication System using Ultra-Large Capacity and Single Span Ultra-long Haul Optical Transmission System based on OTN
LI Yin-tao,Yuan WEI-guo, LI Wang，SONG Wei，YANG Chun,SU Dan
(Information &Telecommunication Company, State Grid Electric Power Co.,Ltd., Beijing 100053,China)
Abstract: Optical fiber communication has become a more important role in the electric power system of high security, stabilization and efficiency. Development of China's energy Internet is a great project, the research and applications ofultra large capacity and ultra-long haul optical transmission system based on OTN are important of achievement the Internet of energy. We introduced the application of ultra large capacity and ultra-long haul optical transmission system based on OTN with mixing rate in the communication system of Hebei Electric Power, filling the research and applications’blank of this field.
Key words: OTN; long distance; large capacity; mixing rate
0引言
电力系统通信专网是我国众多行业专用通信网中规模较大、发展较为完善的专用通信网之一。随着电力系统通信专网光纤化趋势进程的加速，我国电力系统通信专网在全国电力骨干网络覆盖地区已实现全光网络组网。目前，电力系统光纤通信承载的业务主要有语音、数据、宽带业务、IP等常规电信业务；电力生产业务主要有保护、安全自动装置和电力市场化所需的宽带数据等，光纤通信已经成为电力系统安全稳定运行以及电力系统生产、生活中不可缺少的一个重要组成部分。光纤通信作为电力通信领域中的主要通信手段，一般随电网线路建设同期架设电力专用光缆，当单跨段光缆随线路架设较长时，随着光缆传输距离的增加，光信号会严重劣化，必须进行信号的中继放大，这就需要设置光纤通信中继站。特别是近年来，随着特高压交直流电网的建设，高压输电线路的传输距离越来越长，随着电压等级的升高，输电线路传输距离逐渐增长，需在沿线设置多个光纤通信中继站以保障光信号的传输质量。而特高压直流、交流线路经过的地区往往交通不便，自然条件恶劣，设置光通信中继站十分困难，建设投资较大。为此，电力通信迫切希望在保证系统安全性、可靠性的前提下提高光通信单跨段的传输距离，减少中继站的建设，控制工程总体造价，降低光通信工程投资和运行维护成本。
超长单跨距光传输是指不采用任何电再生中继的全光传输[1]。由于减少了光电转换次数，并且可以有效利用光纤丰富的带宽资源，超长距离传输技术大大降低了长距离传输的成本，同时系统的可靠性和传输质量都得到了保证。
本文“大容量OTN单跨段超长距离电力通信系统”是国网冀北电力有限公司信息通信分公司依托工程项目产出的科技成果。沽源-太平286km超长距跨段，作为冀北电力OTN骨干传输网的一部分，是西电东送一条重要的通信保障通道，作为中国第一条40波混合速率超大容量超长距离传输系统的研究与应用，本项目填补了混合速率超大容量、超长距离OTN光传输系统的空白，对未来电力光传输技术的应用和发展迈出了跨越式的一步。同时为电力通信混合速率、大容量OTN光传输系统的发展奠定了坚实的基础，更为特高压通信系统乃至全球能源互联网通信系统提供了详实的技术资料和案例。
1 OTN单跨段超长距离传输在电网通信中的技术突破与创新
OTN（光传送网，Optical Transport Network），是以WDM为基础、在光层组织网络的传送网，是下一代的骨干传送网。众所周知，传统的传送网是基于语音业务而设计和优化的，它提供2M、155M等业务的汇聚，具备分插复用、交叉连接、管理监视以及自动保护倒换等基本功能。随着宽带业务的发展，特别是各种视频业务和互联网业务对带宽的需求呈现出几何级数增长，接口类型上，传统的基于SDH的接口越来越难以负担对大颗粒业务高效率低成本传送的需求，同时复杂的维护管理也限制了WDM设备的发展[2]。
OTN单跨段超长距传输的受限因素与传统WDM系统类似，但是随着技术的进步，更多的新技术和方法应用到OTN系统中来，大大提高了系统的传送性能。如相干接收技术、增强FEC技术、零啁啾光接口、软判决技术、新型编码调制技术等，或者减缓信号的衰减变形，或者降低了接收机对OSNR的要求，使得传送距离得以大幅提升。本文提出了实用性高的单跨段超长距光放大技术，并首次将远程泵浦光放大技术应用在国家电网通信中，通过相干光和智能功率恒定调节技术，使得在国家电网通信中，OTN单跨段超长距传输成为现实。
1.1单跨段超长距传输光放大技术
对于超长跨距光传输系统，有时采用EDFA和RFA仍然不能解决系统接收端光信噪比要求时，采用远程泵浦光放大器可以提供良好的解决方案[3]。远程泵浦光放大器（ROPA，Remotely Optically Pumped Amplifier）简称遥泵放大器，主要应用于超长跨距无中继光传输系统中，用来提高系统功率预算，延长传输跨距[4,5]。远程泵浦光放大器是在系统传输线路中引入一个远程增益单元（RGU），RGU由增益介质掺饵光纤（EDF）和相关无源器件组成，通常将RGU放置在接头盒内部，而提供泵浦放大的光泵浦源放置在传输系统的接收端或发送端。在传输光纤中的适当位置熔入一段掺饵光纤，在终端发送一高功率泵浦光，经由光纤传输至掺饵光纤并激励铒离子。信号光在掺铒光纤内部获得放大，并显著提高传输光纤的输出光功率。ROPA系统原理框图如图1所示，由远程泵浦单元（RPU）和远程增益单元（RGU）两部分组成，RGU的增益介质是由一段掺铒光纤组成，为系统提供增益单元，实现光信号的放大。RGU通过将远端RPU传来的泵浦光和信号光耦合进增益介质掺铒光纤，实现信号光的受激放大，从而实现信号的无源光中继。
ROPA依据在链路中放置位置的不同，分为遥泵前置放大器（Pre-ROPA）和遥泵后置放大器（Post-ROPA）两类。其中Pre-ROPA的泵源放置在接收端，ROPA在链路中的位置靠近接收端；Post-ROPA的泵浦源放置在发射端，ROPA在链路中的位置靠近接收端。
在电网通信中，如需要获得更大的无中继跨距，可以采用Post-ROPA和Pre-ROPA混合泵浦方式，即所谓的双遥结构。在Post-ROPA方式中，远程泵浦单元采用旁路泵浦方式；Pre-ROPA方式中，远程泵浦单元可采用旁路泵浦方式、同路泵浦方式以及同路与旁路混合泵浦方式，从而能明显地提高无中继跨距损耗，延长传输跨距。
在国内大容量超长距离光纤通信中，经常需穿过长距离的沼泽、沙漠、森林等无人区，建设中继站的成本较高，且不易于后期维护。遥泵超长距离传输系统可以解决上述难题，无中继传输在穿越无人区方面存在巨大的潜在市场应用。
1.2相干光传输技术在电网通信中实现超长跨距光传输系统，需要综合考虑信号功率、光信噪比、非线性效应以及信号干扰等多个因素，很多因素之间是互相排斥的关系，例如光放大器虽然放大了信号功率，但是却增加了噪声。不使用放大器，信号衰减会同时降低信号功率和信噪比，所以必须通过综合调节各种因素，达到最远的传输距离。此外，通过先进的编码技术和调制解调技术，可以有效对抗信号在传输过程中的劣化，大幅降低接收机对OSNR的要求。
本研究实验中，通过使用色散管理技术有效提高了非线性效应的门限，但是残余色散导致了10G信号的色散代价增加，进一步导致了OSNR的降低，为降低残余色散的影响，使用零啁啾调制10G光模块，使得色散代价降低0.5-0.8dB；图3为正色散区(>0)啁啾高斯脉冲展宽因子随传输距离的变化曲线，从整体来看，光纤的一阶色散会导致光脉冲在传输中展宽，但是从图3中还可以看到零啁啾的信号展宽明显低于啁啾系数大于0的信号，而具有初始负啁啾的光脉冲在传输初始阶段有一个明显的压缩过程(参见C=-2的曲线)，说明初始啁啾可以补偿一阶色散引起的脉冲展宽，而后脉冲在一阶色散的作用下又迅速展宽，说明光脉冲的初始啁啾对一阶色散的补偿是有限的。而零啁啾信号在长距离传输时抵抗色散的能力最好。
为了更好地利用光通信系统来提高通信质量，同时降低系统成本，在尽量补偿光信号损伤的同时，可以通过前向纠错编码FEC(Forward Error Correction)的方法来增强光传输系统的抗干扰能力。通过软判决、增强型FEC，可以使得100G信号的增益达到11dB以上。
100G信号采用相干光接收技术，有效抵御色散对信号造成的影响，在100G OTN系统中无需进行DGD和PMD色散补偿。采用PDM-QPSK相干检测的系统，可以大幅度消除光纤带来的传输损伤，其PMD的容忍度可高达30ps，色度色散的容忍度可达几万ps/nm。实验研究表明，PDM-QPSK调制和相干检测技术的100G传输系统，可以支持3000km以上的传输距离。同时在同一平台上，100G和40G、10G信号可以邻道部署，同时传送，大大提高网络频谱的使用效率和配置灵活度，为网络的平滑演进奠定了坚实基础。
1.3智能功率恒定调节技术
拉曼放大器主要应用于光纤线路中应用于分布式光放大，因此对信号光的放大尤为重要，主要是泵浦光为信号光提供能量实现信号光的功率放大，但是当泵浦源工作在电流工作模式ACC时，随着器件的老化和输入信号的变化，会导致输出信号光也发送变化，尤其是光纤线路的老化。因此通常将其设置为增益恒定AGC工作模式和泵浦光恒定APPC工作模式。
当拉曼放大器工作在AGC模式时，通过其带内ASE噪声和带外ASE噪声来实时探测信号光功率的变化和增益的起伏现象，最终通过调节泵浦光功率来实现拉曼放大器稳定工作在增益恒定模式。通常在系统接收端时主要采用该工作模式，用于长期稳定控制接收端的信号光功率。
当拉曼放大器工作在APPC模式时，通过将泵浦光输出端连接一个5%分光比的分光器，用于实施探测总的泵浦光功率。一般拉曼放大器由多个泵浦激光器组合而成，尤其是多波传输系统，更是由多个不同波长的泵浦激光器耦合而成，形成较大的泵浦光源，当拉曼放大器设置为APPC模式时，同时实时探测总的泵浦功率，使得控制单元实时调整不同的泵浦激光器的功率分配比，最终实现总的泵浦光功率保持不变。
1.4 100Gbit/s和10Gbit/s的40波在电网通信中的混传应用
10Gbit/s到100Gbit/s，信号速率提高了10倍，在同等物理条件下100G OTN与10G OTN系统从相比，信号的光信噪比要求比 10G 系统信号高 10dB，色度色散容限降低为10Gbit/s 信号的 1/100，偏振模色散容限（PMD）劣化为10Gbit/s信号的1/10，非线性效应变得更加明显[6,7]。
因此，100G OTN系统采用一系列新技术来实现与10G OTN系统大致相当的无电中继传输距离。比如采用更强的FEC技术提高克服白噪声的纠错能力，降低系统OSNR要求；采用更为先进的调制码型，提升传输性能，降低OSNR、PMD、非线性、色散等各方面的限制。
由于技术方案的差异，在OTN系统中100G波道与10G波道混传存在一些挑战，主要是非线性效应带来的传输损伤随调制方式和DCM配置的不同而不同。
正在运行的100OTN系统升级支持100G波道的主要技术难点是非线性效应。如何降低网络升级过程中的通道间非线性效应，提升100G相干系统的传输距离和接收性能，实现当前现网的平滑升级扩容，成为网络规划过程中必须考虑的问题。
根据我们的调研分析，在10G、40G系统升级到100G PDM相干系统过程中，10G、40G信号与100G信号间的非线性效应会带来一定的系统代价。当系统传输距离较短时，混传代价较小，不至于对100G波道性能造成严重的影响。系统传输距离较长时，混传代价会迅速上升。此时可以采用如下措施来减少串扰通道引入的XPM/XPolM噪声[8]。
1增大通道带宽
在100G相干通道和10G通道之间预留足够的带宽。比如对于通道间隔为 50GHz 的系统，将保护间隔增大到500GHz，则可将XPM/XPolM滤波器的带宽减小到1/10，这对于现网升级来说无疑是一个非常有效的措施。
2降低入纤光功率
降低10G信道的入纤光功率。由于10G信道对100G相干信道产生的XPM/XpolM相位噪声及其代价(dB值)与10G信道纤光功率(mW)的平方成正比，10G信道入纤光功率降低可非常显著地改善100G相干信道与10G混传时的性能。因此，在10G信道系统预算足够的情况下，降低入纤光功率是实现100G相干码型和10G混合组网的有效方法。
3低速率业务汇聚到高速率通道
10G信道汇聚到100G速率上。将强度调制信号汇聚到更高速的相位调制信号上，如将 10G 汇聚到 100G PDM-QPSK。由于PSK调制信号具有近似恒包络特性，其引入的XPM相位噪声远小于强度调制信号，该方法可以有效地提升现有网络的光谱利用效率和总传输容量。
④选择最优相干码型
采用星座点之间距离更大、波特率更高的相干码型。比如在100G、10G混传时优先选用100G PDM-BPSK码型而非100G PDM-QPSK。BPSK信号星座点之间的距离大于QPSK，从而可以容忍更多相位噪声和幅度噪声。更高的波特率意味着收端DSP采用更高的采样率，从而跟踪快变的XPM相位噪声的能力更强。
4采用软差分解码技术
软差分解码可以通过信号相位的前后差分来部分地消除XPM相位噪声。相位上的差分操作相当于一个高通滤波，可以显著地滤除相对低频的XPM相位噪声，这也解释了为什么直接检测PSK信号与低速强度调制信号的混传能力较强。采用常规相位恢复的非差分或硬差分相干信号用更长的符号序列估计相位误差，因此无法跟踪相对来说快变的XPM相位噪声。需要注意的是，抗XPM能力的提升是以牺牲OSNR性能为代价的，因此在系统设计时需要在XPM相位噪声和OSNR之间做出权衡。一个容易采用的措施是综合采用软判决FEC和软差分解码，利用软判决FEC的更强纠错能力来弥补软差分解码带来的OSNR容限的损失。
针对OTN单跨段超长距传输，在单跨段286km传输距离下分别对40×10Gbit/s和39×10Gbit/s+1×100Gbit/s进行现场不同场景下的反复实测，通过测试数据分析给出了OTN单跨段超长距传输公式，并通过不同光放大器的组合应用的测试数据整理统计出在286km的传输距离内，10Gbit/s 和100Gbit/s混传情况下的最佳光放大器配置，提炼影响混传性能的关键制约因素，总结出实现OTN单跨段、超长距混传的技术路线，成功实现了在电网光通信中的大容量、混合速率传输。
2结束语
本文对在河北电力系统中实现的混合速率超大容量、超长单跨距、实用化OTN光传输系统进行了介绍，该系统首次在电网通信系统中分别实现了 40 ×10Gbit/s 以及 39 × 10G+1×100Gbit/s在286km线路上大容量、超长跨距的通信传输，不仅节约了投资，减少了系统整体电力消耗，而且降低了系统运维工作量，提高了电力系统的调度效率。为我国未来建成安全可靠、开放兼容、双向互动、高效经济和清洁环保的智能电网体系，具有重要的通信支撑作用，也为日后国家电网通信系统或其他通信领域中超远距离、大容量传输技术的发展与应用提供了重要的理论依据和实践参考。
参考文献：
[1]杨雪,刘卫华,于昉.电力系统长跨距光纤通信技术的应用探讨[J].电力系统通信，2010，31(8):40-43.
[2]孙海蓬，刘卫华，王子龙.特高压超长距光传输的中继站应用研究[J].电力系统通信，2011，32(9) :16-20.
[3]程细海,徐健,殷天峰, 等.基于遥泵技术的超长距系统研究与应用[J].光通信技术, 2015, 39(6).
[4]印欣，徐闯，张志军.遥泵技术在电力系统中的研究与应用[J].电力系统通信，2012，33(12) :45-49.
[5]徐健,付成鹏,卜勤练,等.超长跨距无中继光传输系统中远程增益单元的研究[J].激光与光电子学进展, 2012(10): 98-103.
[6] 袁卫国,李垠韬, 徐健. 286 km 40×10 Gbit/s 旁路ROPA系统的研究与应用[J].光通信研究, 2015(3):21-23.
[7]Jian X, Cheng-Peng F, Yi J, et al. ULH WDM Experiment over 412 km using Co-RFA and ROPA[J].中国电子商情·通信市场, 2013(1):88-92.
[8] J.Downie，D.Hurley.40 ×1 l 2 Gb／s Transmission over all Unrepeatered 365 km EffectiveArea-Managed Span Comprised ofUltra-Low Loss Optical Fibre【C】.ECOC.2010：19-23.