可波長重用的高可靠性對環(huán)型電力通信光接入網(wǎng)

吳佳偉，馮晨，趙保珠，馬宏偉

(國網(wǎng)上海市電力公司 信息通信公司，上海 200072)

在新型電力系統(tǒng)中，作為堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)和泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的主要內(nèi)容之一，配網(wǎng)自動(dòng)化、“三站合一”等新型業(yè)務(wù)發(fā)展趨勢對電力通信接入網(wǎng)提出了新的要求[1-6]。而環(huán)型網(wǎng)絡(luò)以其自身物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，不僅可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的匯聚接入一體化從而提高網(wǎng)絡(luò)傳輸容量[7-9]，并且可以有效提供網(wǎng)絡(luò)中的光纖故障保護(hù)[10-11]。單纖型和雙纖型環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)皆具備著高可靠性[12-16]。對于單環(huán)結(jié)構(gòu)，在故障發(fā)生處將網(wǎng)絡(luò)分成2部分，2個(gè)部分分別采用類似總線形式的方式進(jìn)行光信號傳輸，雖然單環(huán)結(jié)構(gòu)無法像雙環(huán)結(jié)構(gòu)一樣抵御網(wǎng)絡(luò)同時(shí)發(fā)生多處故障的情況，但是因?yàn)闊o需增加任何額外的保護(hù)光纖也同樣受到廣泛關(guān)注。在雙纖環(huán)型網(wǎng)絡(luò)中，由于額外增加了一根備份光纖，網(wǎng)絡(luò)可以同時(shí)抵御多處故障，提供更高的可靠性，通過光網(wǎng)絡(luò)單元(optical network unit， ONU)處的光開關(guān)切換，能夠在多處故障的情況下保證網(wǎng)絡(luò)正常工作。除此以外，隨著網(wǎng)絡(luò)傳輸容量的快速增長，有限的波長資源也變得越來越珍貴。波分復(fù)用技術(shù)通過增加網(wǎng)絡(luò)中的波長信道數(shù)，可以大幅提高網(wǎng)絡(luò)的傳輸容量。但網(wǎng)絡(luò)中可利用波長的數(shù)量是有限的，所以僅憑波分復(fù)用技術(shù)無法滿足未來長遠(yuǎn)的需求。而波長重用可以提高波長的利用率，并且在波長數(shù)量一定的情況下有效提高網(wǎng)絡(luò)傳輸容量?；诜瓷湫桶雽?dǎo)體光放大器(reflective semiconductor optical amplifier，RSOA)的上行信號傳輸方案，不僅可以實(shí)現(xiàn)OUN的無色化，還能通過將下行信號重用為上行光源實(shí)現(xiàn)波長重用。但這會(huì)引入瑞利后向反射噪聲，同時(shí)限制了上下行信號的傳輸性能。除此以外，利用副載波復(fù)用與正交調(diào)制技術(shù)也可以實(shí)現(xiàn)波長重用，但同樣存在諸如器件成本高、傳輸性能受限等問題。為了有效解決這一問題，許多基于RSOA重調(diào)制技術(shù)的波長重用被提了出來[17-20]，通過將下行信號重調(diào)制為上行信號可以實(shí)現(xiàn)波長的雙倍重用。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，實(shí)用性是一個(gè)需要著重考慮的因素。新型電力通信網(wǎng)不僅要與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)兼容，更要注重未來的發(fā)展需要。此外，在電力通信網(wǎng)的建設(shè)中，應(yīng)當(dāng)權(quán)衡考慮網(wǎng)絡(luò)的可靠性與保護(hù)成本之間的關(guān)系。為此，本文提出一種雙纖對環(huán)型網(wǎng)絡(luò)，不僅支持對多處故障點(diǎn)的同時(shí)保護(hù)以及波長的4倍重用，還具備大容量、可模塊化、可擴(kuò)展等特性。

1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與運(yùn)行原理

1.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖1 雙纖對環(huán)型光接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) (N=3)

1.2 網(wǎng)絡(luò)工作原理

圖2 CO節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

圖3 RN節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

1.3 光纖環(huán)故障保護(hù)模式

1.3.1 保護(hù)模式1

當(dāng)任意2個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)間2根光纖環(huán)中的其中1根發(fā)生故障時(shí)，網(wǎng)絡(luò)需要切換至保護(hù)模式1。為了闡明保護(hù)模式1的運(yùn)行原理，假設(shè)RN1與RN2之間的內(nèi)環(huán)光纖發(fā)生故障，如圖4所示。

圖4 保護(hù)模式1下的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖5 保護(hù)模式1下的RN2節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

圖6 保護(hù)模式1下的CO節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

1.3.2 保護(hù)模式2

雖然相鄰節(jié)點(diǎn)間的2根光纖環(huán)同時(shí)發(fā)生故障的可能性非常低，但是也應(yīng)當(dāng)考慮發(fā)生災(zāi)難情況下網(wǎng)絡(luò)通信的高可靠性。當(dāng)相鄰節(jié)點(diǎn)間的2根光纖環(huán)同時(shí)發(fā)生故障時(shí)，網(wǎng)絡(luò)則需要切換至保護(hù)模式2。為了闡明保護(hù)模式2的工作原理，此處假設(shè)RN1與RN2之間的2根光纖環(huán)均發(fā)生了故障，如圖7所示。

圖7 保護(hù)模式2下的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

保護(hù)模式2的具體工作原理：當(dāng)CO中的光功率監(jiān)測儀同時(shí)檢測到2根光纖環(huán)上信號丟失，CO中的控制單元將切換SM1和SM2中的1×2 OS與4×2 OS的連接狀態(tài)，如圖8所示。

圖8 保護(hù)模式2下的CO節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

在CO端切換的同時(shí)，故障節(jié)點(diǎn)相鄰的RN1與RN2也需要進(jìn)行切換以此實(shí)現(xiàn)對故障的保護(hù)與恢復(fù)。此處，以RN2為例。當(dāng)與故障點(diǎn)相鄰的EB1與EB2中的光功率監(jiān)測儀分別檢測到2根光纖環(huán)上信號的丟失，控制單元將切換各自的3×5 OS的連接狀態(tài)，光濾波器(optical filter，OF)對波長信號進(jìn)行濾波，如圖9所示。

圖9 保護(hù)模式2下的RN2節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

2 網(wǎng)絡(luò)傳輸規(guī)模及性能

2.1 網(wǎng)絡(luò)傳輸規(guī)模

在該網(wǎng)絡(luò)中，信號的最大傳輸距離以及RN節(jié)點(diǎn)的數(shù)量都會(huì)受到光信號功率預(yù)算的制約。對于不同模式下，網(wǎng)絡(luò)中光信號的總功率損耗PT不同。

正常工作模式下：

PT=LCO-RN+(m-1)LRN-RN+LRN-ONU,

(1)

LCO-RN=LAWG+2LOC+3LOS+2LCWDM-GCO+αd,

(2)

LRN-RN=αd+4LOS+2LOC+LAWG+LCouple,

(3)

LRN-ONU=2α+LSplitter+2LOS+2LOC+LAWG.

(4)

保護(hù)模式1下：

(5)

(6)

(7)

(8)

保護(hù)模式2下：

(9)

2LCWDM-GCO+αd.

(10)

(11)

(12)

(13)

表1 光器件的插入損耗

根據(jù)表1，式(1)、(5)、(9)可分別簡化為：

PT=8.4 dBm+m(6.5 dBm+αd)-GCO,

(14)

(15)

(16)

根據(jù)式(14)—(16)，在保護(hù)模式2下光信號的功率損耗最為惡劣。因此，網(wǎng)絡(luò)的光功率裕度

(17)

式中：PTX為發(fā)射機(jī)的輸出功率，值為0 dBm；RSEN為接收機(jī)靈敏度，為-23.5 dBm。因此，式(17)可以進(jìn)一步簡化為

GCO≥0.4 dBm+(2m-1)(6.5 dBm+αd).

(18)

式(18)表明在保護(hù)模式2光功率損耗最惡劣的情況下，m、d與GCO之間的關(guān)系。并且，這3者之間的關(guān)系可以用圖10表示，很明顯網(wǎng)絡(luò)中光信號的最大傳輸距離和傳輸規(guī)模都十分依賴于CO中EDFA的增益大小。

圖10 m、d 與GCO間的關(guān)系

但是，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中每間隔3個(gè)RN放置EDFA時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的傳輸規(guī)模將得到極大的擴(kuò)展。此處假設(shè)RN中EDFA的增益值也為GCO，則式(1)、(5)、(9)分別簡化為：

(19)

(20)

(21)

需要注意的是根據(jù)式(20)、(21)，網(wǎng)絡(luò)在該種條件下光信號功率損耗最為惡劣的情況由保護(hù)模式1與保護(hù)模式2共同決定。因此式(17)進(jìn)一步簡化為：

(22)

根據(jù)式(20)、(21)，可以將m，d與GCO這3者之間的關(guān)系在保護(hù)模式1和保護(hù)模式2下分別用圖11、12表示。

圖11 保護(hù)模式1下m、d 與GCO間的關(guān)系

圖12 保護(hù)模式2下m、d 與GCO間的關(guān)系

根據(jù)式(22)以及圖11、12，可以得到當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中每間隔3個(gè)RN設(shè)置EDFA時(shí)m、d與GCO這3者之間的關(guān)系，如圖13所示。

從圖13可知，與之前的情況類似，m和d都將會(huì)隨著GCO的增大而增大。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中EDFA的增益達(dá)到一同定值時(shí)，m和d都將會(huì)隨著GCO快速增加。

圖13 每間隔3個(gè)RN放置EDFA時(shí)m、d 與GCO間的關(guān)系

2.2 網(wǎng)絡(luò)可靠性分析

網(wǎng)絡(luò)的可靠性主要取決于光纖，并且無論保護(hù)模式1還是保護(hù)模式2都僅針對光纖故障保護(hù)，因此僅考慮當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中光纖發(fā)生故障時(shí)的網(wǎng)絡(luò)不可靠性。網(wǎng)絡(luò)中單位長度光纖的不可靠度

UF=1.37×10-5/km.

(23)

假設(shè)相鄰節(jié)點(diǎn)間的光纖長度為20 km，則相鄰節(jié)點(diǎn)間的光纖環(huán)的不可靠度

URF=20 km ×UF=2.74×10-4.

(24)

在正常模式下，且RN數(shù)量為m時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中光纖發(fā)生故障的概率

UT=2(m+1)URF=(m+1)×5.48×10-4.

(25)

網(wǎng)絡(luò)中相鄰節(jié)點(diǎn)僅有1根光纖環(huán)發(fā)生故障的概率

(26)

因此，通過切換至保護(hù)模式1可以對網(wǎng)絡(luò)中一處或多處故障實(shí)現(xiàn)恢復(fù)的概率

(27)

網(wǎng)絡(luò)中相鄰節(jié)點(diǎn)2根光纖環(huán)同時(shí)發(fā)生故障的概率

(28)

因此，通過切換至保護(hù)模式2可以對網(wǎng)絡(luò)中故障實(shí)現(xiàn)恢復(fù)的概率

(29)

由此可以得到，在保護(hù)模式1與保護(hù)模式2的幫助下，光信號依舊無法正常通信的網(wǎng)絡(luò)不可靠度

(30)

在保護(hù)模式1與保護(hù)模式2這2種保護(hù)機(jī)制的幫助下，網(wǎng)絡(luò)中依舊存在通信故障無法恢復(fù)的概率如圖14所示。

圖14 在2種保護(hù)機(jī)制下網(wǎng)絡(luò)的不可靠性

同時(shí)在該網(wǎng)絡(luò)中，通過保護(hù)模式進(jìn)行故障恢復(fù)所需要的時(shí)間主要依賴于CO與RN中光開關(guān)所需要的切換時(shí)間。網(wǎng)絡(luò)中主要影響故障保護(hù)切換時(shí)間的因素以及它們的時(shí)長見表2，由此可以得到網(wǎng)絡(luò)對于故障恢復(fù)所需的總時(shí)間

表2 故障恢復(fù)進(jìn)程時(shí)長

TR=TD+TL+TS+TEq+TSyn=17.05 ms<50 ms.

(31)

因此，網(wǎng)絡(luò)的故障恢復(fù)時(shí)間可以很容易地達(dá)到電信運(yùn)營商要求的標(biāo)準(zhǔn)(小于50 ms)[24]。

所提網(wǎng)絡(luò)與已提出的基于環(huán)形拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)可靠性、波長利用率、可支持的最大ONU數(shù)量以及傳輸性能損耗比較見表3。所提網(wǎng)絡(luò)有著最高的波長利用率以及最大的ONU可支持?jǐn)?shù)量。當(dāng)所提網(wǎng)絡(luò)中有著K個(gè)波長可用時(shí)，借助于波長的4倍重用，網(wǎng)絡(luò)可以支持最多2K個(gè)ONU的上下行業(yè)務(wù)。如果在RN節(jié)點(diǎn)采用具有M個(gè)頻譜相應(yīng)周期的具備周期循環(huán)性的AWG時(shí)，RN的數(shù)量最少可以達(dá)到K/2M個(gè)。

表3 不同基于環(huán)形拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的比較

2.3 信號傳輸性能仿真分析

網(wǎng)絡(luò)的仿真方案如圖15所示。3個(gè)中心波長(λ)分別為λ1(1 550 nm)、λ2(1 550.8 nm)以及λ3(1 551.6 nm)的DFB激光器用于驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能。這3個(gè)波長分別用于將下行信號傳輸至RN1中的EB1、RN2中的EB3和EB2。每個(gè)激光器的發(fā)射功率皆為0 dBm。此外，這3個(gè)波長都采用相位調(diào)制器PM進(jìn)行調(diào)制。CO與相鄰RN(RN1和RN2)間的傳輸距離為20 km，而相鄰RN間為10 km。連接RN與ONU的分布光纖DF長為2 km。對3種模式均進(jìn)行了仿真。在保護(hù)模式1下，光纖故障發(fā)生在饋線光纖(feeder fiber，F(xiàn)F)FF2；在保護(hù)模式2下，F(xiàn)F1和FF′1都發(fā)生故障。

圖15 網(wǎng)絡(luò)仿真方案

10 Gbit/s速率下的下行信號誤碼率曲線如圖16所示。在正常工作模式下，波長1 550 nm與1 550.8 nm的下行信號在誤碼率為10-9時(shí)，最小接收功率幾乎相同，約為-23.4 dBm。而對于波長1 551.6 nm的下行信號，由于額外的10 km傳輸距離，與其他2個(gè)下行信號相比，最小接收功率提高約0.7 dBm。與正常工作模式相比，3個(gè)下行信號在保護(hù)模式1下的傳輸性能改變基本相同。在保護(hù)模式2下，對于波長1 550 nm和1 551.6 nm的下行信號，傳輸性能有較大的變化。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)切換至保護(hù)模式2，2個(gè)下行信號的傳輸距離都額外增加了10 km，使得信號在誤碼率為10-9時(shí)的最小接收功率分別提高了1.5 dBm與1.3 dBm。然而對于波長1 550.8nm的下行信號，由于保護(hù)模式2的切換并未延長信號的傳輸距離，信號的最小接收功率與正常工作模式基本一致，為-23.4 dBm。

圖16 下行信號誤碼率曲線

2.5 Gbit/s速率下的上行信號誤碼率曲線如圖17所示。與下行信號情況相類似，在正常工作模式下，上行信號在誤碼率為10-9時(shí)，有著幾乎相同的最小接收功率。相較于正常工作模式，3個(gè)上行信號在保護(hù)模式1下的傳輸性能改變基本相同。在保護(hù)模式2下，對于波長1 550.8nm的上行信號，傳輸性能變化較大。傳輸距離額外增加了10 km，使得信號的最小接收功率提高了1.3 dBm。然而對于波長1 550 nm和1 551.6 nm的上行信號，由于保護(hù)模式2的切換并未延長信號的傳輸距離，信號的最小接收功率與正常工作模式基本一致，在誤碼率為10-9時(shí)分別為-24.9 dBm和-25.5 dBm。

圖17 上行信號誤碼率曲線

3 結(jié)束語

本文提出一種新型的對環(huán)結(jié)構(gòu)光接入網(wǎng)絡(luò)。與傳統(tǒng)的基于雙環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)不同，在所提出的對環(huán)網(wǎng)絡(luò)中并沒有工作光纖以及保護(hù)光纖的概念。內(nèi)環(huán)與外環(huán)光纖無論網(wǎng)絡(luò)處于何種工作模式下都被用于傳輸光信號。因此不僅提高了網(wǎng)絡(luò)中的光纖利用率，同時(shí)也增加了網(wǎng)絡(luò)的傳輸容量。

相較于傳統(tǒng)的波長重用方案，通過重調(diào)制技術(shù)以及對環(huán)光纖中光信號的相向傳輸，網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)波長可以實(shí)現(xiàn)4倍重用。通過減少光源數(shù)量，可以有效降低網(wǎng)絡(luò)的成本。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的構(gòu)成具備可模塊化的特性。配合集成技術(shù)，可以提高網(wǎng)絡(luò)中各設(shè)備的性能，同時(shí)降低設(shè)備的成本。

值得一提的是所提網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)EB內(nèi)的AWG并未考慮其頻譜周期特性。當(dāng)采用帶有M個(gè)頻譜響應(yīng)周期的AWG時(shí)，每個(gè)RN可以支持最多4M個(gè)ONU，因此網(wǎng)絡(luò)規(guī)模可以根據(jù)實(shí)際的不同需求進(jìn)行靈活配置，網(wǎng)絡(luò)具備良好的擴(kuò)展性。

不同于傳統(tǒng)的中心控制保護(hù)機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)中各工作模式間的切換操作僅涉及與故障點(diǎn)有關(guān)的部分節(jié)點(diǎn)。相較于中心控制保護(hù)機(jī)制，所提出的保護(hù)機(jī)制提高了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，減少了網(wǎng)絡(luò)故障恢復(fù)所需要的時(shí)間。網(wǎng)絡(luò)故障恢復(fù)時(shí)間主要取決于CO與RN中的光開關(guān)切換時(shí)間，能輕松滿足電網(wǎng)通信的要求。

上述優(yōu)點(diǎn)表明所提網(wǎng)絡(luò)有著優(yōu)異的彈性，可以作為未來電力通信光接入網(wǎng)的一個(gè)潛在的選擇方案，探索新型電力業(yè)務(wù)場景，助力提升新型電力系統(tǒng)建設(shè)[25-27]。