雷擊OPGW光纜對電力100G OTN系統(tǒng)影響分析

解文明，李永嫚，張 艷（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇南京 210019）

0 引言

近年來，100G OTN［1］得到了大規(guī)模商用，電力行業(yè)也逐漸開始部署100G OTN 骨干網(wǎng)絡。但在雷雨季節(jié)，電力100G OTN［2-5］骨干網(wǎng)絡部分鏈路多次隨機閃報OTN_LOF 告警，每次告警產(chǎn)生后立即消除，持續(xù)時間為1～2 s，在為期幾個月的雷雨季節(jié)里告警次數(shù)累積可以達到幾十次。經(jīng)分析，發(fā)現(xiàn)導致此異常的原因是雷擊導致OPGW（Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire）中的光信號的偏振態(tài)（State Of Polarization，SOP）波動，進而導致100G OTN 設備誤碼。本文重點研究雷擊OPGW對100G OTN系統(tǒng)的影響。

1 電力通信OPGW 光纜介紹及其面臨的挑戰(zhàn)

1.1 電力通信OPGW光纜介紹

OPGW［6］光纜也稱光纖復合架空地線，具有地線與通信雙重功能，已經(jīng)在電力骨干光通信網(wǎng)絡中廣泛應用。OPGW 優(yōu)點是適合在新建線路上架設，強度高、運行相對安全可靠，缺點是在雷雨天氣較多的地區(qū)，因雷擊造成OPGW 光纜斷股損壞的情況時有發(fā)生［7］。

1.2 OPGW光纜應用面臨的主要挑戰(zhàn)

打雷時，云層放電擊中OPGW 附近區(qū)域，OPGW導體內(nèi)會產(chǎn)生高強度的瞬時雷電流。雷電流分為沿著OPGW 的螺旋結(jié)構(gòu)流過的螺旋分量和從OPGW 表面直接流過的直通分量2部分。雷電流沿螺旋方向流過OPGW 時將在OPGW 光纜內(nèi)部產(chǎn)生平行于OPGW軸線的磁場，在法拉第磁光效應的作用下光纖內(nèi)所傳輸?shù)墓庑盘柕腟OP［8］劇烈波動，波動速度超出系統(tǒng)容限后，接收端無法準確恢復信號偏振態(tài)，導致信號誤碼率增加甚至信號丟失。

2 SOP及引起SOP偏轉(zhuǎn)因素分析

2.1 光信號SOP概念

在垂直于光傳輸方向上，可以將光分解為2 個相互獨立的振動方向（偏振），偏振態(tài)（State of Polarization，SOP）則由2 個偏振之間的振幅比值、相位差決定。理論上，可以用3×1 矩陣（Stokes 矩陣）直觀地表示光域上的SOP 狀態(tài)。假設分別以S1、S2、S3為3 維坐標系的3 個坐標軸，則光場的每個SOP 狀態(tài)均可對應在一個球面的某個點上。光信號SOP 的變化可以用光信號的Stokes矢量在邦加球上的運動表示。光信號Stokes矢量在邦加球上運動示意如圖1所示。

圖1 光信號Stokes矢量在邦加球上運動示意圖

光信號t1時刻的偏振態(tài)為a，在邦加球上表示為點a；光信號t2時刻的偏振態(tài)為b，在邦加球上表示為點b；偏振態(tài)a和b之間的角度表示為α，單位為rad；偏振態(tài)的變化速度為α/（t2-t1），單位為rad/s。

2.2 引起SOP偏轉(zhuǎn)因素分析

引起SOP 變化的因素較多，主要分為線性效應和非線性效應2類。線性效應包括溫度改變、振動、應力（擠壓、形變）等機械擾動和強放電（雷擊、閃電）等法拉第效應。非線性效應包括入纖光功率、光纖類型、波長數(shù)目、波長間距等造成的交叉偏振調(diào)制。

研究發(fā)現(xiàn)：直埋光纜環(huán)境穩(wěn)定，SOP變化速度一般在幾十krad/s 以下，因此使用直埋光纜一般不需要考慮SOP 變化的影響。受風、溫度和雷電等外界環(huán)境影響，架空、沿鐵路鋪設及電力OPGW 光纜的SOP 變化速度可從幾百krad/s 到幾Mrad/s，其中雷電對OPGW光纜的SOP 影響最大，需特別關注其SOP 變化帶來的影響。

3 雷擊與SOP波動關系分析

3.1 雷擊強度及概率分析

根據(jù)《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》（DL/T 620-1997）和《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規(guī)范》（GB/T 50064-2014），我國一般地區(qū)雷電流幅值及其概率的計算方法如下：

其中，P為雷電流幅值概率，I為雷電流幅值（kA）。

根據(jù)此標準，得出雷電流幅值及超過對應雷電流幅值的概率，如表1所示。

表1 雷電流幅值及超過對應雷電流幅值的概率

由此可以得出雷電流發(fā)生的概率，如表2所示。

表2 雷電流發(fā)生概率表

如果考慮雷擊導致誤碼影響業(yè)務的概率，還要另外計算雷擊發(fā)生的概率以及雷擊直擊OPGW 的條件概率。

3.2 雷擊電流對SOP變化影響

通常自然界雷電流有2 種放電形式：脈沖沖擊電流和長時間連續(xù)電流，其特點如表3所示。

表3 脈沖沖擊電流和長時間連續(xù)電流對比表

根據(jù)《架空輸電線路防雷技術(shù)導則》（Q-CSG 11077002-2018），雷電流波形用2.6/50 μs的Heidler模型描述，即波頭持續(xù)時間為2.6 μs，波尾持續(xù)時間為50 μs。

雷擊導致OPGW［9-10］光信號SOP 偏轉(zhuǎn)的全過程包括以下2個階段。

a）波頭階段：持續(xù)時間為微秒級，在幾微秒到幾百微秒時間內(nèi)，SOP 偏轉(zhuǎn)角速度迅速上升到本次波動的最大值。

b）波尾階段：持續(xù)時間為毫秒級，在幾毫秒到幾百毫秒時間內(nèi)，SOP 偏轉(zhuǎn)角速度振蕩衰減到無雷擊時的較低水平。

基于保守估計原則，將雷擊電流直接視為OPGW中電流，計算出SOP強度與雷擊電流關系如表4所示。

表4 SOP強度與雷擊電流關系表

4 SOP波動對100G OTN系統(tǒng)及其業(yè)務影響

4.1 SOP波動對100G OTN系統(tǒng)影響

100G 系統(tǒng)采用相干PM-QPSK 技術(shù)，發(fā)送端通過偏振分束器將光信號分成x、y2個垂直的偏振方向，分別對x、y偏振方向上的光信號進行QPSK 調(diào)制，偏振合波器將x、y2 個偏振方向上已經(jīng)調(diào)制好的信號合路成一路信號。接收端將接收信號分離到x、y2 個偏振方向上，通過相干接收將x、y偏振方向上的光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺缓蟛捎酶呔菵AC 將電信號變成0101…數(shù)字碼流，最后通過DSP 高速數(shù)字處理去除色散、噪聲、非線性等干擾因素，還原從發(fā)端發(fā)出的100G信號。

100G 光傳輸系統(tǒng)采用了數(shù)字相干接收技術(shù)，通過相位分集、偏振態(tài)分集技術(shù)將光信號的光學屬性映射到電域，利用成熟的DSP 技術(shù)在電域?qū)崿F(xiàn)偏振解復用、信道損傷均衡補償、時序恢復、載波相位估計、符號估計和線性解碼。

對于普通直埋的光纜而言，100G 數(shù)字相干接收機在設計的時候充分考慮了光傳輸鏈路噪聲和干擾特性，系統(tǒng)具有足夠的CD 和PMD 容限，無需考慮線路傳輸上的CD 和PMD 的影響。對于采用了偏振態(tài)復用的100G及以上速率的OTN光傳輸系統(tǒng)，相干接收機需要實時跟蹤光信號的SOP 狀態(tài)，才能夠有效地進行偏振態(tài)解復用、PMD 補償以及信號恢復和數(shù)據(jù)提取操作。當光信號SOP 變化速度超出100G 相干接收機的容忍能力時，OTN 系統(tǒng)可能會出現(xiàn)瞬時閃斷或誤碼，影響信息數(shù)據(jù)的安全可靠傳輸。相干碼型對SOP 變化的處理流程如圖2所示。

圖2 相干碼型對SOP變化的處理流程圖

相干碼型通過MIMO 算法跟蹤SOP 的變化，如果SOP 的變化超過oDSP 的跟蹤能力，則會出現(xiàn)糾后誤碼。具體實現(xiàn)原理如圖3所示。

圖3 相干碼型跟蹤SOP變化原理圖

4.2 SOP波動對承載業(yè)務的影響

根據(jù)業(yè)務功能、特點將電力通信業(yè)務劃分為電網(wǎng)運行業(yè)務（運行控制業(yè)務、運行信息業(yè)務）和企業(yè)管理業(yè)務（視頻會議、辦公電話、辦公自動化和遠程培訓等）。運行控制類業(yè)務要求通信誤碼率≤10-8，運行信息類業(yè)務要求通信誤碼率＜10-6，管理類業(yè)務要求通信誤碼率≤10-3。

目前，電力100G OTN 只承載視頻會議等企業(yè)管理類業(yè)務，暫未承載傳統(tǒng)電力通信控制類業(yè)務。在發(fā)生雷擊時對視頻會議業(yè)務進行測試，視頻會議業(yè)務出現(xiàn)瞬間卡頓/丟幀現(xiàn)象，測試最大誤碼率折算為10-5數(shù)量級，暫時無法滿足電力運行業(yè)務承載要求。

5 主流100G設備抗SOP性能及改進思路

5.1 100G OTN設備SOP容限

給定100G OTN 設備及相應板卡，其SOP 容限并非是一個固定值。為OTU光接口預留的OSNR富余度越大，SOP容限越高，反之亦然。

在二維坐標系上，SOP 容限和OSNR 富余度的關系可用一條單調(diào)遞增曲線描述。從橫向比較，抵御SOP 偏轉(zhuǎn)能力越強的設備，這條曲線就越遠離y軸、越平緩（即消耗較少OSNR 富余度就能抵御很高速的SOP 偏轉(zhuǎn)）；抵御SOP 偏轉(zhuǎn)能力越弱的設備，這條曲線就越靠近y軸，越陡峭（即消耗較多OSNR 富余度也只能抵御較低速的SOP偏轉(zhuǎn)）。

5.2 主要設備廠商抗SOP性能指標分析

為了解主流設備廠家抗SOP 性能指標，需統(tǒng)一對抗SOP性能指標的理解，特定義以下指標。

抗SOP 接收機OSNR 容限（EOL）定義為在給定的SOP 強度下測試得到的背靠背OSNR 容限，本容限含SOP引入的OSNR代價值。其中：

OSNR 代價（SOP）=給定的SOP 強度下測得的背靠背OSNR 容限值-SOP 為0 Mrad/s 時測得的背靠背OSNR 容限值。

OSNR 代價（系統(tǒng)傳輸通道代價）=給定SOP 強度時測得的過系統(tǒng)OSNR 容限值-給定SOP 強度時測得的背靠背OSNR容限值。

根據(jù)調(diào)研，在給定8、9 Mrad/s SOP 強度時，各廠家OSNR 容限（EOL）值、OSNR 代價（SOP）及接收OSNR最小值如表5所示。

表5 給定SOP強度下不同廠家設備的OSNR性能指標

5.3 SOP容限改進思路及手段

SOP容限改進主要是通過軟硬件優(yōu)化的手段提高DSP處理能力。

改進手段1：調(diào)節(jié)oDSP 芯片的時域均衡（TDEQ）環(huán)路的跟蹤能力（更大步長，和/或更快速度），實現(xiàn)對SOP 的更快速跟蹤，其缺點是會損失小部分BtB OSNR容限。

改進手段2：在發(fā)端增加訓練序列，實現(xiàn)SOP 的瞬時值計算。

改進手段3：采用動態(tài)預扭曲和整形技術(shù)，實現(xiàn)快速SOP跟蹤。

由于DSP 模塊集成在100G 線路盤上，不涉及設備平臺，需要廠商推出容限更高的線路盤。

要提高設備忍耐SOP的能力，相應的代價如下。

a）輕微的OSNR容限損失（不超過0.5 dB）。

b）雷擊導致SOP 高速偏轉(zhuǎn)持續(xù)的ms 級時間段內(nèi)，會消耗OSNR 富余度。舉例來說，設計規(guī)范要求預留至少4.5～6 dB 的OSNR 富余度（實際執(zhí)行時預留更多），雷擊較弱時，預留的OSNR富余度足以消除誤碼；雷擊較強時，預留的OSNR富余度不足以消除誤碼。

6 電力100G OTN系統(tǒng)設計建議

6.1 SOP強度取值建議

根據(jù)各廠家抗SOP 指標分析，目前各廠家的抗SOP 能力在8～11 Mrad/s 的水平，在當前技術(shù)水平下，100G OTN 設備無法完全避免雷擊引起的超過該強度的SOP問題。

系統(tǒng)抗SOP 能力越強，需要犧牲的OSNR 代價越大，接收OSNR 最小值就越大，單跨段最大傳輸距離就越短。當SOP 變化速率超過一定程度后，系統(tǒng)無法通過預留足夠的OSNR 來抵御SOP 變化。給定OSNR 代價（SOP）值為10 dB時，可以抵抗的SOP 強度最大為8 Mrad/s。

根據(jù)參考文獻［11］，現(xiàn)網(wǎng)SOP 的最大值為5.1 Mrad/s。我國東南沿海是雷暴區(qū)，電力100G OTN 系統(tǒng)建設時SOP 強度建議按照8 Mrad/s 考慮，即當雷擊引起的SOP 強度低于系統(tǒng)設定的SOP 強度值8 Mrad/s時，系統(tǒng)不會產(chǎn)生誤碼或閃斷。

6.2 OSNR裕量取值建議

受雷擊影響，電力100G OTN系統(tǒng)需要抵抗的SOP大小沒有設定依據(jù)、100G OTN 系統(tǒng)OSNR 指標沒有規(guī)范依據(jù)、3%概率強雷擊對生產(chǎn)性業(yè)務或者高質(zhì)量要求業(yè)務的影響暫時無法驗證。

根據(jù)《N×100G 超長距離光波分復用（WDM）系統(tǒng)技術(shù)要求》（YD/T 3070-2016），OSNR裕量取4.5～6 dB。

在此基礎上，電力100G OTN 系統(tǒng)建設需考慮到雷擊情況的影響，現(xiàn)有廠商已經(jīng)驗證，當系統(tǒng)OSNR富余度在8.5 dB 左右時可抵御8 Mrad/s 左右的SOP 變化速率，對應每次雷擊最嚴重情況下誤碼的概率為3.16%。另考慮到改進SOP 后的板會存在輕微的OSNR 容限損失，100G OTN 系統(tǒng)的OSNR 裕量建議按照大于8.5 dB進行預留。

7 結(jié)束語

100G OTN光傳輸系統(tǒng)采用偏振態(tài)復用技術(shù)，只有相干接收機實時跟蹤光信號的SOP狀態(tài)才能夠有效地進行偏振態(tài)解復用、PMD 補償以及信號恢復和數(shù)據(jù)提取操作。雷擊OPGW 光纜導致單波100G OTN 光信號SOP 瞬時高速變化，當光信號SOP 變化速度超出100G相干接收機的容忍能力時，100G 系統(tǒng)可能會出現(xiàn)瞬時閃斷或誤碼，影響信息數(shù)據(jù)的安全可靠傳輸。

目前設備廠家已通過軟硬件優(yōu)化方式改進100G OTN 設備SOP 容限，可以有效地降低雷擊OPGW 對其影響。主要設備廠家抗SOP 能力在8～11 Mrad/s 的水平，當3%的雷擊超過系統(tǒng)設定的SOP 強度值時，系統(tǒng)會產(chǎn)生誤碼或閃斷，影響100G系統(tǒng)承載生產(chǎn)性業(yè)務或其他高質(zhì)量要求的業(yè)務。

電力100G OTN 系統(tǒng)建設前建議對現(xiàn)網(wǎng)OPGW 光纜進行SOP 強度監(jiān)測，統(tǒng)計獲取SOP 強度值，為100G系統(tǒng)建設提供數(shù)據(jù)支撐。