超长距离和无中继电力光纤通信系统方案_丁铁骑解析

1、超长距离和无中继电力光纤通信系统方案丁铁骑1,李海泉2（1.中天科技股份有限公司,上海200025; 2.中天日立光缆有限公司，上海200025摘要：超长距离输电与超长距离和无中继光纤通信是相伴生的输电和通信技术 结合中天科技多年的电力光纤通信应用和与光纤通信系统设备制造商合作的经验，提出了超长距离和无中继电力光纤通信系统方案，并对色散补偿光纤成缆应用、在OPG W中设置远程供电导线、无源光纤放大器、FSO的电力干线光纤线路 终端应用等构成的总体解决方案进行了评价。关键词：光纤通信系统；无中继；超长距离；光传输中图分类号：TN913. 33文献标识码：B文章编号：1005-7641（2005

2、05-0024-040引言超长距离的电力传输将在我国大规模应用，与其相配套的电力光纤通信系统也将采用超长距离传输方 案，另外，以海底光缆应用发展起来的无中继光纤通信系统方案，也可以移植到超长距离电力传输中应用，从而使得超长距离电缆传输中的电 力光纤通信系统建设和运营的投资大幅度下降，系统的可靠性大幅度提升。超长 距离（ULH, U ltra Long H au l 和无中继（UR, UnR epeatered, Repeater-les光纤通信 系统是随着半导体激光器和光电检测器（LD /PD/APD、光纤、密集波分复用（D WDM、掺铒光纤放大器（EDFA和喇曼光纤放大器（RFA、前向纠错（

3、FEC、动 态增益均衡（DGE、色散补偿和管理技术（DC M、光插分复用（OADM和光 交叉连接（OXC等技术的发展 逐步成熟,并已经在国内外的公用电信网和专用通 信网获得规模应用。光纤通信在电域本质上属于数字通信，信号转换到电域可以实现再定时、再 整形和再生放大 的3R中继，从而彻底消除噪声积累和信号畸变，但光纤通信目 前在光域本质上属于模拟通信，并且光纤通信系统的信号总是以电信号形式终结，电 域和光域都采取数字 通信的3R中继是重复和多余的技术措施，会引起不必要的成 本上升。光纤通信在光域采用光放大、色散补偿、波分复用、增益均衡、波长插分复用和交叉连接等技术，都属于模拟通信技术，可以最大限

4、度地降低光纤通信 的成本。电力光纤通信系统属于专用通信网，应用超长距离和无中继传输等光纤通信的 最新技术，可降低建设 和运营投资，提升系统的可靠性，同时也是超长距离电 力传 输较佳的配套光纤通信网络。1超长距离光纤传输系统超长距离（ULH, U ltra Long H au l光纤通信中,光电光中继的成本远高于模拟 的全光中继，所以要尽量 少采用光电光中继，超长距离传输系统就是采取模拟 的全 光技术，延长光电光中继的距离或根本不用光电光中继，从而达到大幅度降低光纤通信系统成本的目的。目前，超长距离光纤传输系统的无光电光中继距离已经可 以达到5000km以上，华为、中兴、烽火等光纤通信设备制造商

5、也已经可以提供 商用的超长距离光纤传输系统设备，中天科技与国内外众多光纤通信设备制造商 有过项目合作关系或建立战略关系，对超长距离光纤传输系统有较深刻的认识。2无中继光纤传输系统无中继（UR,UnRepeatered , Repea ter-les光纤 传输系统与超长距离光纤传输系 统相比，不仅不用光 电光中继，而且也不用需要供电的线路光放大器中继，在传输系统的光线路终端设备中，采用模拟全光技术 和电域数字技术，如功率光纤放大器 和前置光纤放大器、远程泵浦光放大器、喇曼光纤放大器、色散补偿模块、光 滤波器、光隔离器、前向纠错和增强前向纠错、特殊的电光信号调制等技术，这样做可能比超长距离光纤传输

6、系统的设备成本要高些，但其运行维护成本非常低, 而且系统可靠性很高，总体拥有成本大幅度降低，目前在海底光缆通信工程应用 水平可以达到400km的无中继光纤 传输距离，可在大陆 与海岛、海岛与海 岛、 穿越森林、沙漠、雪山等区域的公用通信网和超长 距离输电线路的电力光纤通信 中应用。但电力光纤通 信应用中，由于OPG W光缆的制造长度一般在35k m,(# 24 #第26卷第151期电力系统通信V o. I 26N o . 151 2005年5月10日T eleco mm un i ca tions for E lectric Pow er Syste m M ay 10, 2005达到5010

7、0km,甚至更长，接续损耗增加，以4km制造长度和每个接续损耗0. 03dB计算,相当于光纤 在1550nm波长处损耗增加到0. 23dB /km,陆地无中 继光 纤传输距离约为300km。中天科技结合自己的大长度海底光缆制造能力，为400k m无中继的海底光缆系统提出过解决放案，同样也可以结合自己OPGW的制造能力，为电力光纤通 信 提供无中继解决方案，并且与设备制造商共同为电 力光纤通信提供产品和服务。3光纤通信系统的光信噪比限制光纤通信系统过去有损耗受限、色散受限、偏振模色散受限之分，光纤放大器的出现克服了损耗限制，色散补偿和管理技术克服了色散限制，目前还没有很好 的技术来克服偏振模色散

8、，只能靠降低光纤的PMD值来解决，超长距离和无中继 光纤通信系统中出现了光 信噪比限制的新概念，光放大获得增益的同时也引入 了 噪声，色散引起的信号波形畸变通过色散补偿可以恢复，但色散补偿的损耗代价表现为光信噪比降低，超长距离和无中继光纤通信系统技术的核心，就是采用 光域和电域的各种技术，克服光信噪比限制。4掺铒光纤放大器和喇曼光纤放大器技术在光纤通信系统中，按配置的位置光纤放大器可分为功率放大器BA、线路 放大器LA和前置放大器PA,分别简称为功放、 线放和预放,按泵浦方式可分为 本地泵浦、远程泵浦和分布泵浦三类，其中本地和远程泵浦属于集中泵浦，将远程 泵浦光纤放大器称为无源 光纤放大器是不

9、妥的，无源与放大信号是矛盾的概念。 掺铒光纤放大器(EDFA利用波分复用方式将信号光与泵浦光耦合进入掺铒光纤, 泵浦光将铒离子激发到高能态，信号光从中抽运能量得到放大，泵浦光可以来自本 地，需要本地供电和监控，泵浦光也可以来自 远程，此时尽管泵浦光付出了远程传 输损耗的代价，但毋须本地供电和监控，可以使系统可靠性得到提升，运行维护成 本大幅度下降，在海底光缆和电力光纤通信中有广阔的应用前景。喇曼光纤放大器（RFA 般属于分布泵浦的光纤放大器，采用传输光纤作为 光信号放大的能量转换介质，利用波分复用方式将瓦级泵浦光功率与信号光耦合到光纤中，强光功率使光纤中产生受激喇曼效应，在比泵浦光波长约长10

10、0nm的光 谱区产生喇曼增益，泵浦光也可以波分复用，使得喇曼增益带宽拓展和实现动态增 益均衡，只要获得相应的泵浦波长，可以在光纤的任意低损耗波段实现光放大，分 布光放大还大幅 低,通常为1020dB ,实际应用的最高增益不超过 23dB。因此需 要与饱和输出功率可达2030dB m、小信号增益可达30dB以上的掺铒光纤放大 器配合使用，以实现高增益、低噪声的光放大。在超长距离光纤 传输系统中，考 虑到光纤线路和设备的老化，应该留有 足够的光信噪比余量。5光通道代价的改善由于整个光通道中，存在光纤损耗、菲涅尔反射、瑞利散射、光纤放大器中 被放大的自发辐射（ASE噪声、光纤色散、偏振模色散（P M

11、D、光纤非线性等因 素的影响，光信号在传输过程中会产生劣化现象，主要表现为 光信号的光信噪比 OSNR下降、信号波形畸变和相互串 扰，使得光接收机的灵敏度下降，在国际标准 中用光通 道代价来衡量，一般要求光通道代价应小于2dB。现在光纤通信系统中 大都采用密集波分 复用技术，随着波长数量的增加，波长间隔必然减小，加上超 长距离和无中继光纤传输系统都追求全光传输距离的延长，光纤非线性效应将显著增强，精密色散补偿越发 困难，致使色散代价增加，对光通道增益均衡也提出更 高 要求。采用先进色散管理、 光功率管理、前向纠错和 超级前向纠错、G. 652C /D、G. 655B光纤、优异的光缆结构（防潮、

12、阻水、低附加损耗和偏振模色散 等 技术，能够有效改善光通道代价。6超长距离和无中继系统中光纤的选用通信光纤经过近40年的发展，已经针对光纤通信系统和网络的各种应用要求,形成G. 651/652/653/ 654/655/656等几大类光纤,每一类光纤中又 根据细 分的 应用要求形成了相应的子类，在常用的通信光纤 中，可以简单地认为G. 652B光纤 是低P MD的G. 652光纤；G. 652C光纤是低水 峰的G. 652光纤；G. 652D光纤是 综合了 G. 652B和G. 652C两种光纤长处的G . 652光纤；G. 655A光纤是适合C 波段密集波分复用 且波长间隔较大(1.6n m

13、以上的G. 655光纤；G . 655B光纤由 于色散值比G. 665A的大,是适合C和L波段密 集波分复用且波长间隔较小(0. 8n m以下 的G. 655光纤；G. 655C是在G. 655B的基础上 附加了低P M D要求的G. 655光纤，适合波长速率10Gb it/s传输3000km以上、波长速率40Gb it/s传输 80km以上；G . 656光纤是S、C、L波段上都具有非零色散，适合更 大波长范围 密集波分复用的光纤。事物的发展总是螺 旋式上升,如果对O /E/S/C/L都提出密集 波分复用的 要求,也许G. 656光纤的后续光纤 就是要求更高的G . 652D光纤了。# 25

14、 #长距离无中继传输#丁铁骑，等超长 距离和无中继电力光纤通信系统方案(1 初始波段 O :12601360nm;(2 扩展波段 E :13601460n m;(3 短波长波段 S :14601530nm ;(4 常规波段 C :15301565n m;(5 长波长波段 L :15651625nm ;(6超长波长波段 U :16251675nm。在超长距离和无中继光纤通信系统中，对传输光纤的要求主要是损耗低、偏 振模色散低、色散大小适度、低水峰并能够长期保持、低成本等，从技术和经济两方面综合考虑问题,经过氘处理的G. 652C /D光纤完全满足 这些要求,在大 部分情况下是最佳选择,G . 6

15、52C /D光纤与大部分已经敷设的光纤具有非常好 的可接续 性。曾经有位光纤 通信资深专家评价说：G .652光纤成本最低、技术 最成熟、结构最简单,我们应该好好地利用。中天科技在 G. 652C /D光纤方面 取得了长足的进步,特别是采用氘处理技术,使得G . 652C /D光纤能长期保持 低水峰状态。7D W DM宽带色散补偿技术目前光纤通信干线大部分采用2. 5Gb it/s或10Gb it/s的传输速率和密集 波分复用技术,而在超长距离和无中继光纤通信系统中，由于2. 5Gb it/s和10Gb it/s系统设备成本相差不多,采用10Gb it/s的D W DM系统将成为主流,这时无

16、论是G. 652还是G . 655光纤通道,都要考虑宽带色散补偿问题。色散补偿主要可采用单模或多模色散补偿光纤、啁啾光纤光栅、色散补偿滤波器等，要综合考 虑色散补偿的带宽、可靠性、温度和环境稳定性、色散补偿波纹和成本等因素， 在已有的色散补偿技术中，利用基模或 高阶模色散补偿单模光纤或多模光纤是首选 的色散补 偿方案。由于单模色散补偿光纤模场直径非常细，具有较强的非线性效应，会使得不同波长间产生传输串 扰，因此色散补偿光纤一般置于光信号较弱的位 置,例如光发射 机后功率光放大器前或光接收机前。在40Gb it/s速率的系统 中，对温度等环境因素变化造成 的传输色散随机波动已经有所反应，要求色散

17、补偿 可调以实现动态色散补偿，可以采用色散补偿光纤与啁 啾光纤光栅组合的色散补 偿方案，所幸的是40Gb it/s速率的系统不是目前干线传输的主流速率。光纤的色散在制造完成后，不像损耗和偏振模色散那样会有明显变化，因此光 纤色散具有比较稳定的 数值，而且补偿比较容易，目前色散补偿光纤DCF技术已 经成熟，基于DCF的色散补偿模块也已商用化，但将色散补偿光纤成缆应用是非常 不可取的做法，将此作为解决方案提出更是常识性错误，主用和备用传 缆也使其失 去了多抽头变换色散补偿量的便利。另外，色散补偿光纤的非线性效应比传输光 纤强的多，不宜用在光信号功率较强的发射端，将色散补偿光纤做 成有抽头的模块 配

18、置在光信号功率较弱接收端，这些问题就都迎刃而解了。8光插分复用和交叉连接技术在密集波分复用占主导地位的光纤通信中，光插分 复用和交叉连接技术几乎与 波长插分复用和交叉连接等同，因此光插分复用和交叉连接设备的核心是密集波 分复用器件。密集波分复用属于光域模拟复用技术，在超长距离和无中继光纤通信 系统中，可以实现以波长为 粒度的插分复用和交叉连接，而不需要通过光电光中继 后在电域进行电路级的插分复用和交叉连接，由于是模拟和以波长为粒度，波长插分复用和交叉连接只是通过成本非常低的光器件即可完成，不需要本地上下的波长 可以直接通过，结合两端电域的插分复用和交叉连接设 备及波长调谐技术，建立两 点间的波

19、长连接，从而最大 限度地降低了系统成本，还提高了系统的可靠性，对于 超长距离电力光纤通信特别适用。光插分复用和交叉连接可分为固定和可重构两类，其中都不需要光电光的转 换过程，固定的光插分复用和交叉连接可以无源化，不要监测和控制信号通路和本 地或远程供电，降低了运行维护成本，提高系统可 靠性；可重构的光插分复用和交 叉连接需要监测控制 和供电，增加了波长连接的灵活性，同时也增 加了成本，降低 系统可靠性，因此需要视具体情况选用固定还是可重构的光插分复用和交叉连接设 备。光插分复用和 交叉连接可以逐波长串行实现，也可以由波 长组构成的波 段 并行实现，还可以由波长间插即隔 波长并 行实现，对应的光

20、器件是单波 长窄 带光滤波器、多波长波带光滤波器和间插波长光滤波器。9前向纠错技术前向纠错技术FEC是在信号的带内（帧结构内或带外（帧结构外插入纠错码， 采取相应的纠错算法，只依靠前向传输的单方向码流实现纠错的技术 ，本质上是 以信号开销为代价来提高接收灵敏度和克服光信噪比限制。目前10Gbit/s及以下 速率的基于SDH块状帧结构FEC的ASI C都已经商用化，实现方式有 带内、带 外和超级增强3种FEC ,带外FEC由于不受 已有帧结构限制，其增益远高于带内 FEC ,因此超长距 离和无中继 光纤通信系统中，大都采用带外FEC编码。超级增 强的FEC ,等效光信噪比OSNR可以提高dB26

21、#电力系统通信2005, 26（151系统的传输距离。但遗憾的是，目前40Gb it/s速率的前向纠错全世界还没有 商业化ASI C可供使用。10特殊的信号调制技术在光纤通信系统中，光发射机的信号调制方式对改善光信噪比有很大的影响， 对非光信噪比受限的常 规光纤通信系统，一般采用简单的不归零（NRZ调制方式， 而对超长距离和无中继光纤通信系统，都属于光 信噪比受限系统，需要采取不同 于 常规的调制技术。在相同信号速率下，归零码（RZ、啁啾归零码（CRZ和载波抑 制归零码（CS-RZ,比不归零码具有更宽的信号频谱带宽，可以更好地抑制光纤非线 性效应的影 响，适用于超长距离和无中继这样大功率、长距

22、离传输 的系统，但归零码调制拓展了信号频谱带宽，从而限制了波长间隔，而且色散容限也相应降低。 在超长距离（5000km和无中继（400km传输中，CRZ码具有更 为优越的性能，CRZ 码调制的复杂性稍许提高了系统成本，但与常规的NRZ调制存在兼容性问题。对 于波长间隔小的系统，可以采用信号频谱带宽小的 CS-RZ调制技术，而对于波长 间隔大的系统，可以采用CRZ和RZ调制技术。11电力光纤通信干线与自由空间光通信自由空间光通信（FSO是利用光学天线即光学望远镜系统，使光信号在自由空间相互对准、捕获、跟踪，进而实现稳定发射和接收的点对点的光通信技术，通常采用处于大气窗口的光纤通信波长，因而与光纤

23、 通信具有兼容性，通信距离目前可以达到15km,传输速率可以达到2. 5Gb it/s,在 光缆难以到达或敷设代价很大的区域、临时性应急通信、需要快速部署通信等 情况下有应用前景，但作为电力光纤通信干线的中继 或末端，由于其只能达到企业 级即99. 9%可用性,离电信级即99. 999%可用性还相差很远,因此,我们认 为在 电力光纤通信干线中采用自由空间光通信 ，将全系统的可靠性下降到企业级，是具有明显短板效应的 技术方案，中天科技认为 在电力光纤通信干线中，不宜使用自由空间光通信技术。12电力光纤通信干线中的远程供电电力通信光缆主要是 ADSS和OPGW。ADSS本身就强调无金属,因此不能

24、设置远程供电的金属单元。OPGW从输电角度看是地线，但如在其中设置的远程 供电金属单元存在绝缘、强电磁场感生电流、 不对称性 产生的残余回流、引雷到通信设备上等影响因素，会导致远程供电在稳定性、 安全性和可靠性方面存在严 重问题，电力光缆与电信电缆应用环境的最大区别就是电力光缆处于强大的环境电磁场中，感生的电流和电 压比属于弱电类的光纤通信设备供电所需的电流和电 压要大得多，生搬硬套电信光缆的远程供电方式，是考虑问题过于简单化。采用超 长距离和无中继光纤通信 方案，可以解决绝大部分电力光纤通信干线中原来需要远程供电才能解决的问题。13结束语超长距离输电的建设与超长距离传输和无中继光纤通信系统是

25、非常配套的技术方案，本文介绍的各种 适用技术方案的集成，就是与超长距离输电配套的超 长距 离传输和无中继光纤通信方案，我国光纤通信设备制造商已经能够提供相关的技术 和设备，必将使得与超长距离输电配套的光纤通信系统建设成本大幅度下降、系统的可靠性大幅度提升，实现多快好省的电力 光纤通信系统建设目标。丁铁骑（1959-,男，江苏连云港人，研究员，研究生导师，多年从事光纤通信研 究，参与江苏省光纤通信规划和企业战略咨询。李海泉（1973-,男，江苏南通人，工程师，多年从事 电缆、光缆的技术开发、 生产质量管理工作。U Itra long haul and repeater -less syste m

26、 solutions for electric po w eroptical fiber co mm uni cati onD I N G T ie -qi 1, LI H ai -quan 2(1. Zhongati an T echno l og ies Co . , L td , . Shanghai 200025, Chi na ; 2. Zhonga tian H itach iO ptica l Cable Co . , L t d . Sha ngha i 200025, Ch i naAbstrac t :U ltra long hau l repea ter -less opti ca l