基于OTN技術(shù)的電力通信傳輸網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化研究

趙陽(yáng)， 金燊， 宋偉， 段程煜

(國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司信息通信分公司， 北京 100053)

0 引言

隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的推進(jìn)，信息化應(yīng)用的需求不斷增加，電力通信系統(tǒng)的帶寬擴(kuò)展建設(shè)進(jìn)一步加快[1]。各種信息應(yīng)用系統(tǒng)在電力市場(chǎng)已進(jìn)入建設(shè)階段或?qū)嶋H應(yīng)用階段，這類系統(tǒng)應(yīng)用范圍廣泛，實(shí)時(shí)性、可靠性要求高，對(duì)帶寬的要求也越來(lái)越高[2]。目前僅依靠現(xiàn)有的基于同步數(shù)字系統(tǒng)技術(shù)的主干傳輸網(wǎng)絡(luò)，顯然已經(jīng)不能滿足我國(guó)電力發(fā)展的需要[3]。

利用OTN(Optical Transport Network)光分插復(fù)用設(shè)備(FIROADM)實(shí)現(xiàn)多路網(wǎng)絡(luò)。以光交叉OTN網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，利用G709規(guī)范的封裝規(guī)程映射，在光層實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)級(jí)交叉調(diào)度和信號(hào)傳輸。能夠進(jìn)行波長(zhǎng)級(jí)端到端業(yè)務(wù)的交叉調(diào)度，調(diào)度能力比電交叉連接強(qiáng)；服務(wù)可以在光層中運(yùn)行，無(wú)須在電層中處理；光交叉連接可以實(shí)現(xiàn)靈活的組網(wǎng)，支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)；設(shè)定光通道、多路等多種光層保護(hù)方式。但是存在著波長(zhǎng)一致性的限制，必須采取措施來(lái)避免資源沖突，長(zhǎng)距離傳輸會(huì)導(dǎo)致信號(hào)衰減和色散，需要增加光放大器和色散補(bǔ)償，這會(huì)帶來(lái)截面距離較短、光交叉裝置的成本比電交叉裝置高的問(wèn)題[4]。因此在電力通信網(wǎng)中應(yīng)用OTN設(shè)備可以綜合考慮，引入多個(gè)設(shè)備，各個(gè)設(shè)備互相配合、彼此協(xié)作，從而達(dá)到擴(kuò)大其傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、增大其傳輸距離的目的[5]。

OTN最大的優(yōu)勢(shì)在于具有大粒度交叉調(diào)度能力，能夠滿足大容量交叉調(diào)度和傳輸?shù)囊螅允紫瓤紤]將其用于核心骨干層[6]。但是，隨著OTN技術(shù)的發(fā)展，國(guó)際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)分局ITU-T(ITU Telecommunication Standardization Sector)定義了ODUO (1 Gibit/s)交叉粒子[7]。由于OTN也能提供較少的交叉需求，所以O(shè)TN的應(yīng)用已經(jīng)擴(kuò)展到了較低的網(wǎng)絡(luò)層次，將來(lái)可以直接由OTN+接入層構(gòu)建整個(gè)傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。通過(guò)提高資源利用率來(lái)降低網(wǎng)絡(luò)阻塞、增強(qiáng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸距離[8]。

OTN傳輸網(wǎng)絡(luò)的基本特點(diǎn)是大容量、遠(yuǎn)距離。此外，OTN采用了新的調(diào)制編碼技術(shù)，并結(jié)合色散可調(diào)補(bǔ)償和電域均衡技術(shù)，使網(wǎng)絡(luò)的高速、高容量組態(tài)組網(wǎng)距離顯著增加，同時(shí)也大大提高了OTN網(wǎng)絡(luò)在高速大容量配置的情況下組網(wǎng)之間的距離[9]。在此基礎(chǔ)上，本文基于OTN技術(shù)研究一種新的電力通信傳輸網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法的可行性。

1 基于OTN技術(shù)的電力通信傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸距離優(yōu)化

在應(yīng)用OTN技術(shù)優(yōu)化電力通信傳輸網(wǎng)絡(luò)時(shí)必須考慮影響信號(hào)傳輸距離的因素，目前得出的因素主要有衰耗、色散和非線性效應(yīng)等，因此基于OTN技術(shù)建立的優(yōu)化方案要從上述因素入手增加傳輸距離[10]。

(1) 衰耗

光信號(hào)在光纖中的衰減是光信號(hào)傳輸時(shí)的能量損失。在材料對(duì)光波的吸收和傳輸過(guò)程中，由于光波本身的散射而造成能量損失。自然吸收損耗與散射損耗相互疊加，形成光纖的自然損耗譜。

(1)

(2)

式中，L表示被測(cè)光纖長(zhǎng)度，km，P1、P2分別表示輸入光功率和輸出光功率，kW。

表1 光纖典型衰減常數(shù)

隨著科技進(jìn)步，現(xiàn)有光纖的衰減系數(shù)可以降低到0.16 dB/km，再加上0.02 db/融合點(diǎn)的光纜融合拼接。在形成和安裝普通光纜時(shí)，光纜的衰減系數(shù)一般為0.190.21 dB/km左右。在衰減受限系統(tǒng)中，中繼距離越長(zhǎng)，則光纖通信系統(tǒng)的成本越低，獲得的經(jīng)濟(jì)效益越高。

(2) 色散

光纖的基本特性之一是色散。由于光的傳播速度依賴于介質(zhì)的折射率，而光纖的折射率又依賴于光信號(hào)的波長(zhǎng)，所以光在光纖中的傳輸速度就會(huì)有所不同，這被稱為分散效應(yīng)。光纖通信中，色散會(huì)使信號(hào)脈沖在傳輸過(guò)程中發(fā)生變寬，造成碼間的串?dāng)_，最終影響系統(tǒng)的整體性能。在光纖中存在2種基本的色散效應(yīng)：色度色散和偏振模色散。一段光纖的色散分為色度色散和偏振模色散PMD(polarization-mode dispersion )傳輸系數(shù)、傳輸速率和傳輸距離之間滿足如下關(guān)系：

(3)

式中，B表示傳輸速率，PMD表示偏振模傳輸系數(shù)，在值一定的情況下隨著傳輸速率的增加，傳輸距離將急劇縮短。

對(duì)于任意一段光纖段來(lái)說(shuō)，其值可以用平均值<Δτ>來(lái)表示：

(4)

式中，<·>表示取平均值，Δβ表示光纖的雙折射，LB表示偏振模式耦合長(zhǎng)度。

在光纖傳輸光信號(hào)時(shí)，色散是一個(gè)必須考慮的重要問(wèn)題。這是由于光纖中不同頻率的信號(hào)光波傳播速度不同，造成長(zhǎng)距離傳輸后的信號(hào)擴(kuò)展，從而引起前后相位的變化。鄰近信號(hào)脈沖重疊造成對(duì)應(yīng)的位置誤差。傳輸距離與碼速、光纖的色散系數(shù)以及光源的譜寬成反比，系統(tǒng)的傳輸速率越高，光纖的色散系數(shù)越大，光源譜寬越寬，為了保證一定的傳輸質(zhì)量，系統(tǒng)信號(hào)所能傳輸?shù)闹欣^距離也就越短。

(3) 非線性效應(yīng)

非線性效應(yīng)導(dǎo)致脈沖壓縮、頻譜展寬，嚴(yán)重影響高速光通信系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量。單模光纖的非線性特性可以分為受激散射特性和非線性折射率效應(yīng)2種。受激散射呈現(xiàn)出與光強(qiáng)有關(guān)的增益或損耗，而非線性折射則呈現(xiàn)出光強(qiáng)相關(guān)的相移。非線性折射率的影響主要表現(xiàn)為自相位調(diào)制/交叉相位調(diào)制以及四波混合頻率。

圖1 單模光纖的非線性效應(yīng)示意圖

實(shí)際光纖的纖芯幾何形狀可能不再是標(biāo)準(zhǔn)的圓柱，纖芯折射率也可能因內(nèi)部殘余應(yīng)力、扭曲等因素的影響而非理想的軸對(duì)稱分布。

建立OTN組網(wǎng)方案，實(shí)現(xiàn)電力通信保護(hù)提高電力通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離，進(jìn)而完成電力通信傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸距離優(yōu)化。

2 實(shí)驗(yàn)研究

為驗(yàn)證優(yōu)化后的基于OTN技術(shù)的電力通信傳輸網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化效果，設(shè)定驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。為確保驗(yàn)證結(jié)果的精準(zhǔn)度，對(duì)測(cè)試實(shí)驗(yàn)環(huán)境做出如下要求：環(huán)境溫度0～40 ℃；相對(duì)濕度為3%～97%；實(shí)驗(yàn)環(huán)境內(nèi)部灰塵不能超過(guò)14×105?；贠TN技術(shù)的電力通信優(yōu)化傳輸網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

圖2 基于OTN技術(shù)的電力通信優(yōu)化傳輸網(wǎng)絡(luò)

G652普通光纖在不同波段的衰減譜如圖3所示。

圖3 常規(guī)光纖Cz652在各個(gè)波段的衰耗譜

在形成和安裝普通光纜時(shí)，光纜的衰減系數(shù)一般為0.190.21 dB/km左右。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，針對(duì)電力通信網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)業(yè)務(wù)都引入主、備2條路由，同時(shí)向路由分配波長(zhǎng)，這樣每個(gè)業(yè)務(wù)都會(huì)擁有1條屬于自己的備用波導(dǎo)，設(shè)定通信網(wǎng)絡(luò)中的每根光纖可用波長(zhǎng)為8，該跨段光纜全長(zhǎng) 140.56 km，全程測(cè)試衰耗約為42.56 dB，承載波道為 193.5、193.6、193.7、193.8 四波。采用有線、無(wú)線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)方案來(lái)提升網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性并為資產(chǎn)巡檢提供業(yè)務(wù)通道，得到的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部各個(gè)節(jié)點(diǎn)的配置結(jié)果如表2所示。

表2 電力通信網(wǎng)絡(luò)路由配置節(jié)點(diǎn)

基于OTN技術(shù)的電力通信傳輸優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)采用的保護(hù)方式與未優(yōu)化前采用的保護(hù)方式不同，一旦網(wǎng)絡(luò)中的某一個(gè)鏈路出現(xiàn)問(wèn)題，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部路由就會(huì)重新分配，如果備用路由中的某條鏈路出現(xiàn)問(wèn)題，基于OTN技術(shù)的電力通信傳輸優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)也會(huì)在短時(shí)間內(nèi)規(guī)劃出新的傳輸通道，確定最優(yōu)配置方案，從多方面確保電力系統(tǒng)傳輸過(guò)程的穩(wěn)定性。

3 總結(jié)

本文對(duì)電力通信光纜主干網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)進(jìn)行了研究，分析了超長(zhǎng)單跨系統(tǒng)對(duì)OTN系統(tǒng)光傳輸部分和光復(fù)用部分的影響，確定了光傳輸和光復(fù)用的劃分，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和研究驗(yàn)證，對(duì)推動(dòng)OTNS技術(shù)的發(fā)展和電力通信網(wǎng)的進(jìn)步具有重要意義。