太原—石家莊間鐵路通信光纜線路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周五成

(忻州市四八四四電視轉(zhuǎn)播臺(tái)，山西忻州036200)

為適應(yīng)形勢(shì)，我國(guó)電信、聯(lián)通、網(wǎng)通等幾家經(jīng)營(yíng)電信業(yè)務(wù)的公司迅速發(fā)展起來，組建了許多先進(jìn)的光纖通信系統(tǒng)，而鐵道光纖通信發(fā)展速度明顯滯后。我國(guó)國(guó)土幅員遼闊，鐵路網(wǎng)絡(luò)四通八達(dá)，鐵路建設(shè)正朝現(xiàn)代化方向邁進(jìn)。為保證鐵路列車的高速化和準(zhǔn)高速化進(jìn)程，為使鐵道光纖通信網(wǎng)能優(yōu)質(zhì)、高效、安全地運(yùn)行，更好地服務(wù)于鐵路運(yùn)輸，增強(qiáng)與網(wǎng)通、聯(lián)通、移動(dòng)等公司的競(jìng)爭(zhēng)力，迫切需要建立一個(gè)功能完善、技術(shù)先進(jìn)的鐵路通信網(wǎng)。旅客也需在列車上享受如同在現(xiàn)代家庭和辦公室環(huán)境下的信息交流。目前鐵路通信網(wǎng)提供的傳統(tǒng)電話業(yè)務(wù)早已不能滿足這種要求。鐵路信息系統(tǒng)的建設(shè)正在全面的展開，對(duì)鐵路通信業(yè)務(wù)和服務(wù)提出了更新、更高的要求，不僅需要電話業(yè)務(wù)，而且大量需要數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和圖像業(yè)務(wù)。因此，采用先進(jìn)的、現(xiàn)代化的有線和無線通信的傳輸和接入方式，是任何通信業(yè)務(wù)發(fā)展的保障。

1 設(shè)計(jì)初衷

基于鐵道部在未來幾年內(nèi)建成可覆蓋全國(guó)大中城市的鐵路互聯(lián)網(wǎng)。各種固定設(shè)施之間的通信方式，首選方案是采用SDH傳輸設(shè)備進(jìn)行組建，同時(shí)應(yīng)考慮采用ATM交換以及網(wǎng)絡(luò)IP通信等先進(jìn)技術(shù)來構(gòu)成通信主干網(wǎng)及光纖用戶接入網(wǎng)。使其高速、安全、傳輸質(zhì)量高的特點(diǎn)以及其具備的自愈功能，來大大的提高系統(tǒng)的可靠性。為此，進(jìn)行了本次設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)的構(gòu)成

2.1 通信傳輸網(wǎng)的構(gòu)成

這次設(shè)計(jì)干局網(wǎng)均采用光波分復(fù)用同步數(shù)字傳輸系統(tǒng)，λ1(1 544 nm)用于鐵路專用通信網(wǎng)，λ2(1546nm)用于民用等非專用通信網(wǎng)，同時(shí)考慮近期全路長(zhǎng)途自動(dòng)電話組網(wǎng)、分組交換數(shù)據(jù)網(wǎng)、可視電話會(huì)議、非話業(yè)務(wù)及其它非專用業(yè)務(wù)的需要，通信傳輸網(wǎng)按三層結(jié)構(gòu)組網(wǎng)，分為干線網(wǎng)、中繼網(wǎng)和接入網(wǎng)。

2.2 干線網(wǎng)

本設(shè)計(jì)在太原—石家莊間開通2×622 Mb/s(1+1)光同步數(shù)字傳輸系統(tǒng)，系統(tǒng)工作波長(zhǎng)為1 544 nm及1 546 nm，采用1+1方式保護(hù)，用于組織鐵道部與鐵路局、鐵路局與分局間的傳輸通道，而λ2系統(tǒng)則用于非專用業(yè)務(wù)的長(zhǎng)途傳輸。本系統(tǒng)在太原設(shè)STM－4ADM，用于組織通路的轉(zhuǎn)接及上、下，在石家莊設(shè)STM－4TM，在陽(yáng)泉設(shè)摻鉺光纖放大器EDFA，直接進(jìn)行光放大。

2.3 中繼網(wǎng)

本設(shè)計(jì)在太原—石家莊間開通2×155 Mb/s(1+1)光同步數(shù)字傳輸系統(tǒng)，系統(tǒng)工作波長(zhǎng)為1 544 nm及1 546 nm，采用1+1方式保護(hù)，在太原、榆次、壽陽(yáng)、陽(yáng)泉、娘子關(guān)、井陘、石家莊設(shè)STM－1ADM，λ1系統(tǒng)用于提供分樞紐與大站間的通信傳輸通道，滿足沿線長(zhǎng)途自動(dòng)組網(wǎng)、區(qū)段遙控話路和數(shù)據(jù)傳輸通道的需要，并在榆次、壽陽(yáng)、陽(yáng)泉、井陘與接入網(wǎng)設(shè)備構(gòu)成2M通路保護(hù)，同時(shí)該系統(tǒng)的部分話路可與1 544 nm波長(zhǎng)622 Mb/s干線傳輸系統(tǒng)的通道互為備用。1 546 nm波長(zhǎng)155 Mb/s系統(tǒng)用于區(qū)間大站間非專用業(yè)務(wù)的傳輸。

2.4 接入網(wǎng)

本設(shè)計(jì)在鳴李至陽(yáng)泉間開通2×155 Mb/s光接入系統(tǒng)，在榆次設(shè)DLT，在鳴李至陽(yáng)泉間其它站設(shè)ONU，光接入系統(tǒng)具有豐富的業(yè)務(wù)及用戶接口，可充分利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源，提供話音、數(shù)據(jù)、圖像等各種電信業(yè)務(wù)。本設(shè)計(jì)所涉及的光接入系統(tǒng)提供模擬用戶接口，滿足沿線各中間站用戶自動(dòng)電話的需求，還提供多個(gè)2B+D接口、64 kb/s數(shù)字接口，為鐵路各種信息管理系統(tǒng)(MIC)、調(diào)度監(jiān)督、紅外線軸溫測(cè)試等提供數(shù)據(jù)通道，以接入沿線中間站的終端用戶。同時(shí)該接入系統(tǒng)提供音頻二/四線接口，為鐵路各種調(diào)度、專用系統(tǒng)的接入預(yù)留了條件。在各中間站均可提供2 Mb/s數(shù)字通道，滿足高速數(shù)據(jù)通信的需要。

1 546 nm波長(zhǎng)155 Mb/s光接入系統(tǒng)，主要為沿線鄉(xiāng)村、城鎮(zhèn)的人民群眾提供電話、電報(bào)、傳真、電視等業(yè)務(wù)。

3 太原—石家莊間SDH光纜線路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 SDH光纜線路系統(tǒng)各部分的選型

3.1.1光波復(fù)用技術(shù)的選擇

光波復(fù)用技術(shù)通常有三種，光波分復(fù)用(OWDM)，光頻分復(fù)用(OFDM)，光時(shí)分復(fù)用(OTDM)，目前因OWDM技術(shù)最成熟，實(shí)現(xiàn)較容易，得到廣泛應(yīng)用，本設(shè)計(jì)將采用OWDM技術(shù)，所復(fù)用的兩波長(zhǎng)分別為1 544 nm和1 546 nm，各波長(zhǎng)所開通的用途見系統(tǒng)的構(gòu)成。

OWDM主要技術(shù)特點(diǎn):

(1)充分利用光纖的低損耗波段，增強(qiáng)光纖的傳輸容量，降低成本。

(2)可同時(shí)傳輸多種不同類型的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)多媒體信號(hào)混合傳輸。

(3)可實(shí)現(xiàn)單根光纖雙向傳輸，節(jié)省大量線路投資。

(4)對(duì)已建成的光纖通信系統(tǒng)擴(kuò)容方便，只要原系統(tǒng)功率富余度較大，可進(jìn)一步增容，而不必對(duì)原系統(tǒng)做大的改動(dòng)。

(5)使用OWDM技術(shù)可降低對(duì)一些器件性能上的極高要求，同時(shí)又實(shí)現(xiàn)大容量傳輸。本次設(shè)計(jì)OWDM系統(tǒng)將采用光雙路復(fù)用單纖傳輸形式，如圖1:

圖1 光雙路復(fù)用單纖傳輸圖標(biāo)

3.1.2光中繼器的選擇

(1)傳統(tǒng)的光中繼器(原理)如圖2:

圖2 光中繼器原理圖

從圖2中可看出，傳統(tǒng)的光/電/光變換和處理方式既增加了中繼設(shè)備的復(fù)雜性，又降低了通信的可靠性，已滿足不了現(xiàn)代通信傳輸?shù)囊蟆?/p>

(2)本設(shè)計(jì)中，將采用摻鉺光纖放大器EDFA對(duì)光信號(hào)進(jìn)行中繼傳輸。

EDFA的工作原理:

EDFA主要由摻鉺光纖(EDF)、泵浦光源、耦合器、隔離器、濾波器等組成，如圖3:

圖3 EDFA的工作原理圖

光耦合器的作用是將信號(hào)光和泵浦光合在一起，一般采用波分復(fù)用器實(shí)現(xiàn)，光隔離器的作用是抑制光反射，以確保光放大器工作穩(wěn)定，對(duì)它的要求是插入損耗低，與偏振無關(guān)，隔離度優(yōu)于40 dB。

當(dāng)較弱的信號(hào)光與較強(qiáng)的泵浦光一起進(jìn)入EDFA時(shí)，泵浦光激活EDF中的鉺離子，在信號(hào)光子的感應(yīng)下，鉺離子產(chǎn)生受激輻射，將一模一樣的光子注入進(jìn)信號(hào)光中，完成放大作用。光濾波器是用來降低ASE噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響。

EDFA主要優(yōu)點(diǎn):高增益、低噪聲、能放大不同速率和調(diào)制方式的信號(hào)，且能在近幾十納米范圍內(nèi)同時(shí)放大多波長(zhǎng)信號(hào)，對(duì)偏振不敏感等。

(3)本設(shè)計(jì)中EDFA主要性能:

光增益40 dB 最大輸出功率+15 dBm

噪聲指數(shù)5.5 dB 工作帶寬40 nm

工作波長(zhǎng)1 530～1 570 nm 泵浦波長(zhǎng)1 480 nm

工作溫度0～50℃

(4)EDFA在本設(shè)計(jì)中的應(yīng)用形式

在三個(gè)地點(diǎn)使用了EDFA，太原通信站的EDFA主要作用是功率放大，即將EDFA放在發(fā)射光源之后對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大的應(yīng)用形式，因增強(qiáng)了注入光纖的光功率，從而延長(zhǎng)了傳輸距離。陽(yáng)泉通信站的EDFA用作“在線放大”，即指將EDFA直接插入到光纖傳輸鏈路中對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，以代替原光電光中繼器的應(yīng)用形式。石家莊通信站的EDFA用作“前置放大”，即指將EDFA放在光接收機(jī)的前面，可大大提高光接收機(jī)的接收靈敏度的應(yīng)用形式。

3.1.3光纖光纜的選擇

(1)因本系統(tǒng)采用了OWDM及EDFA技術(shù)，則G.655光纖成為必然選擇，這是因?yàn)?G.653光纖雖在單波長(zhǎng)長(zhǎng)距離通信中有很大的優(yōu)越性，但當(dāng)在DSF線路中采用EDFA以加長(zhǎng)傳輸距離時(shí)，因光纖中傳播的光功率密度大大增加了，從而引起非線性效應(yīng)，降低了系統(tǒng)的性能質(zhì)量，尤其在應(yīng)用于WDM系統(tǒng)時(shí)，因相互作用的各光波具有相同的傳播相位，“四波混頻”現(xiàn)象非常嚴(yán)重，所產(chǎn)生的新波長(zhǎng)往往與某一傳輸波長(zhǎng)相同，明顯降低了多波長(zhǎng)WDM系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量。而G.655光纖(NIDF)與G.653相比，除零色散點(diǎn)移動(dòng)外，其余特性相同，在1 550 nm波長(zhǎng)處具有最小損耗和色散，雖色散系數(shù)不為零，但與G.652光纖相比已大大降低，緩解了色散受限距離，更主要的是在低色散和低損耗波段區(qū)方便地開通多波長(zhǎng)WDM系統(tǒng)，而不受FWM的影響。

(2)G.655光纖的特點(diǎn):將DSF的零色散點(diǎn)進(jìn)行了移動(dòng)，使1 540～1 565 nm范圍內(nèi)色散值保持在 1.0～4.0 Ps/nm·km，避開了零色散區(qū)，但又保持了較小的色散值，而零色散點(diǎn)設(shè)在1 550 nm以下或以上較短波長(zhǎng)范圍內(nèi)(如1 500 nm或1 520 nm)。

(3)本設(shè)計(jì)GYTA53－24B4直埋光纜，其中1－4芯用于干線網(wǎng)，5－8芯用于中繼網(wǎng)，9－16芯用于接入網(wǎng)，17－24芯備用。

B4為G.655光纖，主要性能指標(biāo)如下:

模場(chǎng)直徑(1 550 nm)(μm)9.2 －10.0

1 530～1 565色散(Ps/nm·km)2.0≤D≤6.0

截止波長(zhǎng)(nm)λcc≤1 480

衰減系數(shù)(1 550 nm)(dB/km)≤0.22

3.2 太原—石家莊間SDH光纜線路系統(tǒng)中繼距離的確定

(1)622 Mb/s和155 Mb/s光同步數(shù)字傳輸系統(tǒng)的光再生中繼距離根據(jù)光纖的衰耗和色散來確定，根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外光傳輸設(shè)備和光纜的技術(shù)水平，光再生中繼距離的計(jì)算取表1中的參數(shù)。

表1 光再生中繼距離參數(shù)表

由此表可知，滿足色散要求的光中繼段長(zhǎng)度為:

2 400/6=400 km，但由于采用了EDFA等原因，系統(tǒng)總色散會(huì)增加，使中繼段長(zhǎng)度稍短于400 km，而本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)最大中繼距離才100多km，所以光中繼距離僅取決于中繼段的光纖衰耗。

(2)根據(jù)上表參數(shù)，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)所能達(dá)到的最大中繼距離STM－4為:

STM－1為:

經(jīng)核算，本次設(shè)計(jì)的中繼距離均符合要求。

3.3 光纜網(wǎng)及徑路設(shè)計(jì)

3.3.1光纜網(wǎng)

本設(shè)計(jì)由太原通信站經(jīng)榆次、壽陽(yáng)、陽(yáng)泉、井陘至石家莊通信站敷設(shè)一條24芯單模通信光纜，型號(hào)為GYTA53－24B4，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為 258.72 km。

3.3.2區(qū)間光纜徑路

原則上在鐵路坡腳外鐵路用地范圍內(nèi)敷設(shè)，特殊困難地段沿鐵路路肩敷設(shè)，光纜過隧道時(shí)由隧道內(nèi)通過，過河時(shí)，從橋上通過，不設(shè)水下光纜。

3.3.3光纜機(jī)械防護(hù)

(1)光纜穿越鐵路、公路、交通繁忙要道時(shí)，采用頂管施工方式，選用鋼管內(nèi)置塑料子管防護(hù)。

(2)穿越梯田、溝坎及溝渠陡坡時(shí)采取石砌護(hù)坎或三七土坡保護(hù)措施，防止水土流失。

(3)光纜通過橋、涵、路肩及特殊地段時(shí)，小橋涵以鋼管防護(hù)，特大、大、中橋敷設(shè)于預(yù)設(shè)的電纜槽內(nèi)，光纜在特殊地段，采用阻燃復(fù)合槽、水泥槽或鋼管內(nèi)套塑料子管防護(hù)。

(4)光纜過隧道時(shí)采用角鋼對(duì)扣或利用既有電纜槽防護(hù)。

(5)光纜接頭采用接頭蓋板防護(hù)。

3.3.4光纜電氣防護(hù)

因石太線為電氣化區(qū)段，所以光纜接頭處金屬護(hù)層、鎧裝鋼帶及加強(qiáng)芯均應(yīng)不連通，采用全懸浮方式，只在通信站及中間站通信機(jī)械室設(shè)地線。

3.3.5引入終端

電氣化區(qū)段光纜引入通信站引入室后，宜換接室內(nèi)光纜，并應(yīng)做絕緣接頭或氣閉絕緣接頭，室內(nèi)、室外金屬護(hù)層及金屬加強(qiáng)件應(yīng)斷開，彼此絕緣。當(dāng)采用本纜直接引入時(shí)，應(yīng)做室內(nèi)外絕緣，而光纖在絕緣接頭中通過。

3.3.6光纜余留

光纜過橋等余留均應(yīng)按《鐵路通信設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB0006－99)進(jìn)行。

由于此次設(shè)計(jì)主要為SDH系統(tǒng)模擬設(shè)計(jì)，因此線路圖沒有畫出，僅說明徑路設(shè)計(jì)的原則。

4 結(jié)束語(yǔ)

此次設(shè)計(jì)主要采用SDH傳輸設(shè)備進(jìn)行組建，同時(shí)應(yīng)考慮采用ATM交換以及網(wǎng)絡(luò)IP通信等先進(jìn)技術(shù)來構(gòu)成通信主干網(wǎng)及光纖用戶接入網(wǎng)。這是對(duì)通訊技術(shù)與鐵路建設(shè)的一次大融合、大協(xié)調(diào)，同時(shí)也把通訊技術(shù)向更深領(lǐng)域推廣，使其高速、安全、傳輸質(zhì)量高的特點(diǎn)以及其具備的自愈功能，來大大地提高系統(tǒng)的可靠性。為此，進(jìn)行了本次設(shè)計(jì)。由于本人水平有限，設(shè)計(jì)過程難免有錯(cuò)，懇請(qǐng)各位專家及讀者批評(píng)指正。

［1］葉英.鐵路接入網(wǎng)的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.通信世界，2000(8):65－66.

［2］趙占好.同步數(shù)字體系SDH技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2000.

［3］TB 10006－99，鐵路通信設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，1999.6.

［4］TB 10219－99，鐵路光纜通信同步數(shù)字系列(SDH)工程施工規(guī)范［S］.中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，1999.6.