MSTP超长距应用场景分析及解决方案

MSTP超长距应用场景分析及解决方案

2008年4月28日 15:34  CCTIME飞象网

一、应用场景分析     众所周知，由于电力干网传输和运营商不同，光缆采用的是OPGW，在500KV～1000KV的远距离、特高压输电线路上，两站间距离长达几百公里，而传统的光通信系统通过增加光放、预放，最大中继段距离一般在200km以下。对于数百公里的输电线路，由于高压走廊架空电缆上，无法加中继站，所以只能通过超长距传输方案解决。     另外，在无波分系统的应用场景下，受到自然环境条件（如大山区、大沙漠、大草原、供电电源等）以及工程投资的限制，中继站点建设的难度以及工程投资都比较大，即使建了中继站，对今后的运行维护也会带来很大困难。因此，采用超长站距光纤通信也是最佳的通信方案选择。     所以，无论是超高压或是特高压电网配套建设的光通信干线电路，还是中继站建设困难的沙漠等自然条件限制，由于无波分系统提供有效的超长距解决方案，而且不具备建设中继站点的条件时，基于MSTP系统（单波系统）采用单跨段超长站距光传输解决方案，在技术、经济上都是非常必要的。     二、受限因素及解决方案     MSTP系统光传输距离主要受以下三种因素的限制：光功率受限、色散受限以及OSNR受限。     1.光功率受限     由光源的发送功率、接收机灵敏度和通道的光衰减来决定。     其理论计算公式如下：     L=（Ps－Pr－Pp―C―Mc）/（af+as） ①     L=（Ps－Pr－Pp―C）/（af+as＋△Mc） ②     一般情况，长距传输采用公式①进行计算，而短距传输采用公式②进行计算。两个公式的主要差别在于Mc（光缆富裕度）所处的位置不同，在长距离传输中，Mc一般综合取值为3dB，而在短距离传输中，△Mc一般取值0.02～0.03dB/km。     由于光功率受限引起的衰减受限距离小于实际需要的传输距离，则需要配置光纤掺铒放大器（EDFA），进行衰减补偿。     光放大板分为三种：功率放大板OBA、前置放大板OPA和光线路放大板OLA。MSTP系统中，一般只使用OBA和OPA，如下图所示：       图1 OBA和OPA在系统中的位置     OBA的作用是提高发送端的光功率，也就是增大公式①、②中的Ps。     OPA的作用是提高发送端的光功率，也就是减小公式①、②中的Pr。     2.色散受限     由光源的类型和光通道总色散所限定。     色散主要是指集中的光能（例如光脉冲）经过光纤传输后在输出端发生能量分散，导致传输信号畸变。在数字通信系统中，由于信号的各频率成分或各模式成分的传输速度不同，在光纤中传输一段距离后，将互相散开，脉冲加宽。严重时，前后脉冲将互相重叠，形成码间干扰，增加误码率，影响了光纤的带宽，限制了光纤的传输容量。     与光纤色散有关的系统性能损伤有多种因素，主要有码间干扰、模分配噪声和啁啾噪声（chirping）三种。     对于高比特率的传输系统，色散是限制中继段传输长度的主要因素。色散功率代价随传输距离、光谱宽度和色散系数这些参数值的增加而迅速增加。为了防范由于色散功率代价的迅速增加而导致的系统性能恶化，应该使系统有足够的工作余度，避开高功率代价区。一般认为1dB功率代价所对应的光通道色散值(D*L)定义为通道最大色散值。

 就目前含EDFA的光通信系统工程应用的情况来看：光缆均采用G.652光纤，波长范围在1535nm～1565nm，属于单模传输，故不存在模分配噪声；对于STM-1和STM-4系统，系统一般采用DFB光源，由于速率不高，输出功率不大（≤3dBm），虽采用内调制方式，但啁啾噪声很小，可以忽略；而STM-16和STM-64系统一般采用外调制，激光器中没有啁啾噪声。因而系统色散对于目前的光通信系统的损伤主要是码间干扰。

    其理论计算公式如下：

    Ld=ε/Dm，ε为光源的色散容限值，由光源的性能决定，Dm为光纤色散系数，对于G.652光纤的色散系数一般取18ps/(nm•km)，而G.655光纤的色散系数一般取6ps/(nm•km)。

    由于色散受限引起的色散受限距离小于实际需要传输距离，则要配置色散补偿模块DCM，进行色散补偿。

 

    图2 色散补偿模块DCM在系统中的位置

    3.OSNR受限

    光放大器的引入会带来额外的ASE噪声。在EDFA中，铒离子周围的电子从基态被泵浦到激发态，当光信号穿过掺铒光纤（典型的长度大约为5至10米）时，前者从受激发的电子中抽取能量，信号随之得以放大，同时，电子在回到基态的过程中产生自发辐射，随机地辐射出光子。掺铒光纤在前端随机辐射生成的光子可以在光纤的后部分获得放大，其放大机理与输入光信号的一样，就产生了ASE噪声。该额外噪声由噪声指数NF描述。

    理论上EDFA的最小噪声指数是3dB，但实际应用中EDFA的典型噪声指数达到了6dB。由于光放大器不但能对输入的光信号和ASE噪声进行相同增益的放大，而且会额外增加一部分ASE噪声功率，因此ASE噪声会沿着传输光纤路径积累起来，这一效应可利用“光信噪比（OSNR）”这一概念来定量衡量。

    OSNR定义为某信道的光功率和该信道波长上的ASE光功率之间的比值。显然，沿着传输光纤路径上OSNR数值是逐步降低（劣化）的。

    对于一个带光放大的传输链路，作为衡量系统性能最终手段的接收比特误码率（BER）直接与接收器的OSNR有关。其他条件不变，OSNR越大，则BER越低。在2.5G系统中，为获得10～12的BER所要求的最小OSNR的典型值为14dB～15dB，因此2.5G系统在接受端的OSNR必须大于这一数值。相应这一OSNR数值称为该传输系统的“OSNR容限”。显然，OSNR最终也会对传输距离造成限制。

    由于OSNR受限引起的OSNR受限距离小于实际需要传输距离，则要采用前向纠错技术（FEC）降低接受端的OSNR门限，或采用分布式拉曼放大器（DRA）和遥泵（PROA）技术提高光信号的OSNR值。

    (1)前向纠错（FEC）技术

    前向纠错(FEC)技术，通过在传输列中加入冗余码进行纠错，在发送端由发送设备按一定算法生成冗余码插入到要传输的数据流中，接收端按同样算法对接收到的数据流进行解码，根据接收到的码流确定误码的位置并进行纠错。通过采用FEC编码，能够消除系统性能曲线中的误码率平台现象，其编码增益也提供了一定的系统富余量，从而降低光链路中线性及非线性因素对系统性能的影响。

    业界目前提出的FEC技术类型包括以下三种：1）带内FEC，利用SDH帧中的一部分开销字节装载FEC码的冗余码；2）带外FEC，在帧尾插入冗余码，编码冗余度7％，纠错能力强，编码增益也较高，一般可达到5－6dB，并且可方便的插入FEC冗余码而不受SDH帧格式的限制，具有较强的灵活性；3）增强型FEC（EFEC），主要应用于时延要求不严、编码增益要求特别高的光通信系统，目前还较少应用。

    目前较为通用的是采用带外FEC。

    (2)分布式拉曼放大器（DRA）

    分布式拉曼放大器（DRA）基于光纤受激拉曼散射（SRS）效应，一般采用反向泵浦方式，实现方法如下：将高功率连续运转激光从光纤跨段的输出端注入传输光纤，该泵浦光的传输方向与信号光传输方向相反。泵浦激光器的波长比信号光短约100nm。高功率光场泵浦光纤中的组分物质产生虚激发态；电子从这些虚激发态向基态跃迁，从而实现光信号的增益。分布式拉曼放大器传输光纤本身就是增益介质，信号在光纤中传输的同时得到放大，使得拉曼放大器的等效噪声指数为负。低噪声系数分布式拉曼放大器（DRA）可以有效克服四波混频等非线性效应的影响，并改善系统的光信噪比（OSNR）。3)遥泵（PROA）

    遥泵（PROA）技术是用于单长跨距传输的专门技术，其在传输光纤中的适当位置熔入一段掺铒光纤，即线路增益单元（RGU），并从单长跨距传输系统的端站（发射端或接收端）发送一个高功率泵浦光，经过光纤传输和合波器后注入铒纤并激励铒离子。信号光在铒纤内部获得放大，并显著提高传输光纤的输出光功率。

    遥泵的线路增益单元（RGU）不需要供电设施，也无须人员维护，适合用于穿越沙漠、高原、湖泊、海峡等维护、供电不便的地区。

    三、中兴通讯解决方案

    综上所述，MSTP系统单跨段超长距离传输解决方案包括终端技术和线路技术，前者采用前向纠错（FEC）技术以降低接受端的OSNR门限值，后者则分别采用光放大器（OA）以提高、色散补偿模块（DCM）、分布式拉曼放大器（DRA）和遥泵（PROA）等技术以提高信号经过长距离线路传输后的OSNR值。

    在国电通信中心和中兴通讯携手进行的四川电力超长距光传输跨段工程测试会场上，中兴通讯光传输遥泵系统顺利通过单跨段350±5km超长距离传送测试，超长工程的各项单机性能、系统性能和功能测试结果均优于行业标准，业务稳定运行时间超过2个月无误码。此次测试也是国内外最长的实际工程应用案例，系统实际测得的线路衰耗承受能力大于80dB。

    此次工程采用的核心技术是中兴通讯光传输遥泵技术，工程测试的成功又一次固化了中兴通讯在光传输领域尤其是超长距传输方面的业界领先优势，展示了强大的技术实力和工程实施能力，为电力系统通信站距光传输遥泵技术的应用及研究提供了有益的经验和借鉴。