超長距離光纖傳輸技術(shù)應(yīng)用 通訊工程師職稱論文

　　摘要:隨著電力光纖通信距離變得越來越長, 超長距離全光傳輸是光通信發(fā)展的目標(biāo)之一。文章首先簡單介紹了超長站距光傳輸?shù)闹饕夹g(shù)，并為電力系統(tǒng)中超長距離全光傳輸系統(tǒng)的設(shè)計和建設(shè)提供技術(shù)指向。

　　關(guān)鍵詞: 電力系統(tǒng)通信,拉曼放大器,超長距離全光傳輸

　　引言

　　超長距離光傳輸技術(shù)的研究已經(jīng)開展多年，相關(guān)的實驗室測試和現(xiàn)場試驗已經(jīng)證明了超長距光傳輸?shù)目尚行?。超長距離光傳輸中所應(yīng)用的相關(guān)技術(shù)，已從實驗室進入到市場應(yīng)用，我國也已經(jīng)制定出版了超長距離光傳輸相關(guān)的通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。在市場需求的推動作用下，構(gòu)架一個高性能、低成本的基礎(chǔ)光網(wǎng)絡(luò)逐漸成為運營商考慮的重點。超長距離光傳輸是指不采用電再生中繼的全光傳輸。由于減少了光/電轉(zhuǎn)換次數(shù),并且可以利用光纖豐富的帶寬資源,超長距離傳輸技術(shù)大大降低了長距離傳輸?shù)某杀?同時系統(tǒng)的可靠性和傳輸質(zhì)量都得到了保證。在超長距離傳輸解決方案中,色散補償、拉曼放大器、前向糾錯(FEC)、調(diào)制方式等已經(jīng)成為被眾多電信運營商、設(shè)備供應(yīng)商和科研人員廣泛認(rèn)同的關(guān)鍵技術(shù),其中拉曼放大器、色散補償?shù)燃夹g(shù)在電力系統(tǒng)超長距離光通信中也得到較好的應(yīng)用。

　　1 超長距離全光傳輸?shù)膸追N關(guān)鍵技術(shù)

　　1.1 色散補償

　　色散是光纖的基本屬性之一,光傳播的速度取決于介質(zhì)的折射率,由于光纖的折射率與波長相關(guān),不同波長的光在光纖中傳播的速度不同,產(chǎn)生色散效應(yīng)。光纖色散對通信系統(tǒng)的性能影響主要表現(xiàn)在對傳輸中繼距離和傳輸速率的限制。由于色散效應(yīng),經(jīng)過調(diào)制后的光脈沖在傳播過程中會變形、展寬和失真,最終限制系統(tǒng)的總體性能。

　　在電力系統(tǒng)光通信中,對于10Gbit/s系統(tǒng), 色散的影響對光纖長度的限制是100km,對于40Gbit/s系統(tǒng),沒有色散補償,光纖長度將不能超過10km,因此高速超長距離全光通信傳輸系統(tǒng)必須考慮色散補償問題。克服色散的主要方法有兩種:一是采用性能較好的激光源,二是采用色散補償和管理技術(shù)。目前,最常用的色散補償方法包括采用基模/高階模色散補償光纖、色散補償光纖光柵、高階模色散補償器和VIPA (Visual ImagePhase Array)器件等等。綜合考慮可靠性、溫度穩(wěn)定性、色散紋波性和成本等因素,在這些補償方法中,利用基模/高階模色散補償光纖是最好的色散補償方法,但是這種光纖具有較強的非線性效應(yīng), 會使得不同信道之間的串?dāng)_加大。在40Gbit/s系統(tǒng)當(dāng)中,環(huán)境因素的變化會造成色散量大小的隨機波動,因而還要求色散補償模塊是可調(diào)諧的,需要使用動態(tài)色散補償,應(yīng)該選擇光纖光柵器件、VIPA器件和平面波導(dǎo)器件等方案。

　　1.2 拉曼放大器

　　拉曼光纖放大器的原理是基于光纖中的非線性效應(yīng):受激拉曼散射(SRS)。拉曼放大器利用光纖作為放大介質(zhì),經(jīng)SRS效應(yīng),把短波長泵浦光的能量轉(zhuǎn)化為長波長信號光的能量,實現(xiàn)對信號光的放大。與摻餌光纖放大器(EDFA)不同,拉曼放大器放大的光譜范圍由光泵浦源決定,理論上講只要泵浦源的波長適當(dāng),拉曼放大器具有極寬的增益頻譜,可以放大任意波長的信號光。此外,拉曼放大器具有頻譜范圍寬、噪聲指數(shù)低、增益高、溫度穩(wěn)定性好、光纖兼容性好等優(yōu)點,是實現(xiàn)長距離光傳輸?shù)睦硐牍夥糯笃鳌?/p>

　　但是,拉曼放大器也有自身不可避免的缺陷,它受瑞利后向散射和信號的雙瑞利后向散射效應(yīng)所限制,這些效應(yīng)在系統(tǒng)中引起多點反射和多路徑干涉,產(chǎn)生碼間干擾,使BER性能惡化,導(dǎo)致系統(tǒng)性能的下降。與EDFA放大器相比,在信號功率較低時,拉曼放大器的泵浦效率是很低的。對于WDM信號來說,還涉及到拉曼放大帶來的德爾菲線性損耗問題。

　　1.3 前向糾錯(FEC)

　　糾錯編碼是超長距離傳輸中增加系統(tǒng)余量的一項有效的關(guān)鍵技術(shù),它通過在信號中加入少量的冗余信息來發(fā)現(xiàn)并剔除傳輸過程中由噪聲引起的誤碼,以較低的成本和較小的帶寬損失換取高質(zhì)量的傳輸。前向糾錯技術(shù)是目前高速光通信系統(tǒng)中運用最多的糾錯編碼方式。所謂前向糾錯 (Forward error correction, FEC)是指信號在被傳輸之前預(yù)先對其進行按一定格式處理,在接收端則按規(guī)定的算法進行解碼以達(dá)到找出錯碼并糾錯的目的。

　　FEC是以犧牲有效帶寬為代價來換取高的傳輸質(zhì)量,其在光傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用具有能延長光信號傳輸距離,降低光發(fā)射機發(fā)射功率等優(yōu)點。目前,業(yè)界提出的基于SDH/DWDM的實用化的FEC的實現(xiàn)方式有三種:帶外FEC(Out-of-band FEC)、帶內(nèi)FEC(In-band FEC)和增強型FEC(Super-FEC)。帶外FEC的增益遠(yuǎn)高于帶內(nèi),因此超長距系統(tǒng)均采用帶外FEC編碼。而采用增強型FEC時,OSNR可以提高9dB,大大提高了系統(tǒng)的傳輸距離,如采用基于BCH的TPC[BCH(128,113,6)×BCH(256,239,6),碼率為0.82]可以取得10.1dB的編碼增益。

　　1.4 編碼調(diào)制

　　在光通信系統(tǒng)中,不同的線路碼型抗光纖信道中噪聲、色散、非線性影響的程度不同,選擇合適的碼型能夠在不增加其他設(shè)施的條件下延長最大傳輸距離。碼型技術(shù)成為繼色散補償、拉曼放大和FEC等技術(shù)之后的有一種超長距離全光傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)。

　　目前有許多種可用的編碼格式,主要分為兩大類:歸零(RZ, return- to-zero)編碼和不歸零(NRZ,non-return-to-zero)編碼。其中RZ編碼主要包括RZ(常規(guī)RZ碼)、CRZ(啁啾RZ碼)、CS-RZ(載波抑制RZ)等方式。CRZ碼采用了三級調(diào)制技術(shù)(RZ幅度調(diào)制、相位調(diào)制和數(shù)據(jù)調(diào)制),其相位調(diào)制器在發(fā)射端對RZ脈沖的上升沿和下降沿上加入一定的啁啾量,抵抗非線性效應(yīng)的能力非常優(yōu)異。此外,CRZ還具有優(yōu)良的抵抗偏振相關(guān)損耗(PDL)和偏振模色散(PMD)的能力,具有更高的傳輸穩(wěn)定性。它的缺點是調(diào)制技術(shù)比較復(fù)雜,對三級調(diào)制之間的定時和時延要求很高。在CS-RZ碼中,相鄰碼元的電場振幅的符號相反,從而達(dá)到降低光譜寬度的目的,在功率較高的情況下,不但增加了色散容限,而且有更強的抵抗SPM和FWM等光纖非線性效應(yīng)的能力。

　　相同速率下的RZ碼、CRZ碼和CS-RZ碼具有比NRZ碼有更寬的頻譜范圍,可以更好地抑制光纖非線性效應(yīng)的影響,適合于在大功率長距離傳輸條件下工作,但它展寬了信號的頻譜,限制了信道的間隔,而且色散容限也大大降低。雖然在超長距離傳輸中,CRZ碼的性能更好,但是CRZ碼的調(diào)制比較復(fù)雜,提高了系統(tǒng)的成本,所以更多的時候是采用RZ碼。對于信道間隔小的系統(tǒng),采用頻譜寬度小的NRZ碼或CS-RZ碼能減小非線性串?dāng)_的影響,表現(xiàn)出比CRZ碼和RZ碼好的性能,而對于信道間隔大的系統(tǒng),采用寬頻譜的CRZ碼和RZ碼能較好地抑制非線性串?dāng)_的影響。

　　2 超長距離全光傳輸技術(shù)在電力系統(tǒng)通信的應(yīng)用建議

　　超長距離全光傳輸結(jié)構(gòu)簡單,具有端到端的特點,在城際網(wǎng)、無人地區(qū)建網(wǎng)得到廣泛的應(yīng)用,這些優(yōu)勢使其在電力系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。按照國家電網(wǎng)公司未來電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃,到2016年,基本建成以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展, 具有信息化、自動化、互動化特征的堅強智能電網(wǎng)。電壓等級的升高在提高電力線路輸送能力的同時也大大拓展了 相鄰變電站間的距離,因而電力通信網(wǎng)對超長距離全光傳輸技術(shù)的需求非常迫切。

　　由于光傳輸系統(tǒng)中存在的衰耗及色散等因素的影響,限制了光信號的傳輸距離。在電力系統(tǒng)通信中,傳統(tǒng)的光通信系統(tǒng)中繼距離一般在200km以下,當(dāng)站距超過200km時,通常采用建設(shè)再生中繼站的辦法來延長傳輸距離。尤其是偏遠(yuǎn)地區(qū),光傳輸受限時,中途也很難設(shè)置中繼站,運行管理維護也很困難,而超長距離全光傳輸系統(tǒng)可以行之有效的解決這些問題,保障電網(wǎng)運行的安全可靠性,降低成本,提高經(jīng)濟效益。

　　目前拉曼放大器在電力系統(tǒng)通信中應(yīng)用比較廣泛。

　　拉曼放大技術(shù)能較好的提高系統(tǒng)的SNR,但是不能完全解決超長距離全光傳輸?shù)膯栴}。在系統(tǒng)設(shè)計時,需將上述若干關(guān)鍵技術(shù)和當(dāng)前各種先進技術(shù)(如:動態(tài)增益均衡技術(shù)、偏振模色散抑制技術(shù)、非線性效應(yīng)抑制技術(shù)以及新型光纖技術(shù)等)充分結(jié)合起來,才能更好的提高傳輸容量和距離,實現(xiàn)真正意義上的超長距離全光傳輸系統(tǒng)。

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