基于波分復(fù)用技術(shù)的光纖倍增系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

秦 蒙,陳凌希,李 宏,何建森,甘性偉

(1.重慶電力高等專科學(xué)校,重慶 400053;2.國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司合川供電分公司,重慶 401520)

0 引言

隨著世界通信技術(shù)的迅速發(fā)展,光纖通信憑借著通信容量大、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸速度快等優(yōu)點(diǎn)逐漸發(fā)展成為目前最主要的通信方式之一,并廣泛應(yīng)用于電力、軍事、電信、工業(yè)控制等領(lǐng)域[1]。特別是近年來(lái),隨著5G技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等通信業(yè)務(wù)的快速增長(zhǎng),各類組網(wǎng)方式對(duì)光纖資源需求量與日俱增,導(dǎo)致現(xiàn)有光纖資源無(wú)法滿足其需求。特別是在電力系統(tǒng)中,伴隨“三型兩網(wǎng)”的推廣與應(yīng)用,通信業(yè)務(wù)快速增長(zhǎng),當(dāng)前組網(wǎng)方式已經(jīng)不能充分滿足業(yè)務(wù)對(duì)電力通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際需求。而現(xiàn)有的解決方法往往是為新增業(yè)務(wù)鋪設(shè)光纖,但是這種方法會(huì)導(dǎo)致整個(gè)項(xiàng)目周期變長(zhǎng),也會(huì)帶來(lái)投資和運(yùn)營(yíng)成本增高等問(wèn)題。因此,當(dāng)前迫切需要一套運(yùn)行穩(wěn)定、成本可控、靈活部署且便于維護(hù)的光纖智能倍增系統(tǒng)來(lái)完成對(duì)通信系統(tǒng)的擴(kuò)容與管理,進(jìn)一步提高光纖通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸能力[2]。

1 系統(tǒng)工作原理

本文設(shè)計(jì)的基于波分復(fù)用技術(shù)的光纖倍增系統(tǒng)可以將 155 M/s～11.3 Gbit/s 速率范圍內(nèi)任意協(xié)議的業(yè)務(wù)信號(hào)進(jìn)行光-電-光(Optical Electric Optical,OEO)放大,并轉(zhuǎn)換成符合密集光波復(fù)用(Dense Wavelength Division Multiplexing,DWDM)/稀疏波分復(fù)用(Coarse Wavelength Division Multiplexing,CWDM)標(biāo)準(zhǔn)的波長(zhǎng),從而為城域網(wǎng)/傳輸網(wǎng)以及接入網(wǎng)提供光纖資源迅速倍增提供可能,可有效解決運(yùn)營(yíng)商城域網(wǎng)、接入網(wǎng)新建業(yè)務(wù)時(shí)光纖資源不足等問(wèn)題。通過(guò)該系統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的快速部署實(shí)現(xiàn)纖芯的快速擴(kuò)容,從而大大提高光纖纖芯使用效率,最大限度地減少對(duì)纖芯資源占用[3-4]。

基于波分復(fù)用技術(shù)的光纖倍增系統(tǒng)通常包含兩套光纖倍增裝置,如圖1所示,發(fā)送端的光倍增設(shè)備通過(guò)OEO的轉(zhuǎn)換原理使光信號(hào)再生,不僅可以實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的再生放大,還可以把光通路信號(hào)的非標(biāo)稱波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換成符合國(guó)際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)分局(International Telecommunication Union Telecommunic-ation Standardization Sector,ITU-T)建議G.692 規(guī)定的標(biāo)稱光波長(zhǎng),然后通過(guò)合波將多路信號(hào)合為一路信號(hào)進(jìn)行傳輸;接收端的光倍增設(shè)備再結(jié)束到發(fā)送端發(fā)送的光信號(hào)之后,先由分波器將一路光信號(hào)還原為多路信號(hào),然后再通過(guò)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)化模塊將其還原G.957非標(biāo)稱光信號(hào)。除此之外,系統(tǒng)還包括光放大器(含BA、LA、PA)及光監(jiān)控信道等[5-6]。

系統(tǒng)中各模塊具體作用如下:

(1)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器:將G.957光信號(hào)通過(guò)光/電(O/E)轉(zhuǎn)換,然后對(duì)電信號(hào)進(jìn)行整形,定時(shí)提取和數(shù)據(jù)再生,最后再進(jìn)行電光(E/O)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換成波長(zhǎng)、色散、發(fā)光功率均滿足G.692規(guī)范要求的光信號(hào),同時(shí)做到兼容155 M～10 G速率的光接口業(yè)務(wù)。

(2)光合波器(光復(fù)用器):在發(fā)送端,把具有標(biāo)稱波長(zhǎng)的各復(fù)用通路光信號(hào)合成為一束光波,然后輸入到光纖中進(jìn)行傳輸,完成對(duì)G.692固定波長(zhǎng)光信號(hào)的合波,即對(duì)光波起復(fù)用作用。

(3)分波器(光解復(fù)用器):在接收端,把來(lái)自光纖的光波分解成的標(biāo)稱波長(zhǎng)的各復(fù)用光通路信號(hào),然后分別輸入到相應(yīng)的各光通路接收機(jī)中,完成對(duì)G.692固定波長(zhǎng)光信號(hào)的分波,即對(duì)光波起解復(fù)用作用。

(4)光放大器:系統(tǒng)中的光放大器主要包含光功率放大器(BA)、光線路放大器(LA)和光前置放大器(PA)。主要是對(duì)復(fù)用后的光信號(hào)進(jìn)行放大,使WDM系統(tǒng)能進(jìn)行超長(zhǎng)距離傳輸。

(5)光監(jiān)控信道:光監(jiān)控信道往往獨(dú)立于主光通道,是監(jiān)視、控制和管理光倍增設(shè)備的通道,其工作波長(zhǎng)一般為1 510 nm,信號(hào)速率為2.048 Mb/s。主要負(fù)責(zé)整個(gè)光纖倍增系統(tǒng)的管理和監(jiān)控,包括對(duì)EDFA的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控,使網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)能有效地對(duì)光纖倍增系統(tǒng)進(jìn)行管理,從而實(shí)現(xiàn)公務(wù)聯(lián)絡(luò)。

在骨干網(wǎng)、本地網(wǎng)及接入網(wǎng)等各類應(yīng)用場(chǎng)景中,基于波分復(fù)用技術(shù)的光纖倍增系統(tǒng)可快速實(shí)現(xiàn)纖芯資源的倍增,從而進(jìn)一步提高各類應(yīng)用場(chǎng)景下的光纖利用效率。

2 系統(tǒng)主要功能

基于波分復(fù)用技術(shù)的光纖倍增系統(tǒng)利用光-電-光的轉(zhuǎn)換原理實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的再生、放大和波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換,通過(guò)配合粗/密集波分復(fù)用(C/DWDM)合解波器可實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用傳輸。該系統(tǒng)在發(fā)送端將不同業(yè)務(wù)光信號(hào)進(jìn)行合波,然后合波信號(hào)通過(guò)一根光纖便可以進(jìn)行信號(hào)傳輸,接收端在接收到合波信號(hào)后進(jìn)行解波并傳輸至對(duì)應(yīng)業(yè)務(wù)設(shè)備,從而有效節(jié)省光纖資源,該系統(tǒng)可為光纖中繼和光纖資源緊缺的傳輸線路提供快捷、低成本的傳輸方案。其具體功能主要包含以下4個(gè)方面。

(1)基于波分復(fù)用技術(shù)的光纖倍增系統(tǒng)通過(guò)光/電(O/E)轉(zhuǎn)換、電信號(hào)整形、定時(shí)提取、數(shù)據(jù)再生及電光(E/O)轉(zhuǎn)換等一系列技術(shù)手段,將G.957非標(biāo)稱光信號(hào)轉(zhuǎn)換成波長(zhǎng)、色散、發(fā)光功率均滿足G.692規(guī)范要求的標(biāo)稱光信號(hào),同時(shí),做到兼容155 M～10 G速率的光接口業(yè)務(wù)。

(2)基于波分復(fù)用技術(shù)的光纖倍增系統(tǒng)將波分復(fù)用技術(shù)(WDM)應(yīng)用于光纖資源優(yōu)化,將多個(gè)不同波長(zhǎng)的光載波信號(hào)在發(fā)送端經(jīng)合波器(MUX)復(fù)用在一起,并耦合到光線路的同一條光纖中進(jìn)行傳輸。在接收端,經(jīng)解波器(DEMUX)將各種波長(zhǎng)的光載波解復(fù)用,然后由光接收機(jī)作進(jìn)一步處理以恢復(fù)原信號(hào),可同時(shí)兼容目前主流SDH設(shè)備和數(shù)通設(shè)備的光接口。

(3)基于波分復(fù)用技術(shù)的光纖倍增系統(tǒng)通過(guò)利用光纖的低損耗波段來(lái)增加系統(tǒng)光纖的傳輸容量,使一對(duì)光纖傳送信息的物理限度增加至數(shù)倍。此外,系統(tǒng)還允許在線路中間增加或刪減信道。同時(shí),在對(duì)原有系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)微改動(dòng)的情況下,通過(guò)不同波段波長(zhǎng)的提取使用,便可輕松實(shí)現(xiàn)多個(gè)單向信號(hào)或雙向信號(hào)的快速傳送。

(4)基于波分復(fù)用技術(shù)的光纖倍增系統(tǒng)采用先進(jìn)的動(dòng)態(tài)同步切換光開(kāi)關(guān)技術(shù),可為光纖線路提供斷路保護(hù)功能,進(jìn)一步提升光纖線路的安全性。當(dāng)光傳輸線路上光纖損耗變大或意外折斷而導(dǎo)致通信質(zhì)量下降或通信中斷時(shí),系統(tǒng)會(huì)根據(jù)智能故障安全檢測(cè)倒換機(jī)制,在極短時(shí)間內(nèi)自動(dòng)地將光傳輸線路由在用路由切換至備用路由,從而保證通信線路的正常工作,將光纖故障恢復(fù)時(shí)間從數(shù)小時(shí)壓縮至毫秒級(jí)。

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 系統(tǒng)合解波設(shè)備通道插入損耗測(cè)試

為了測(cè)試光纖倍增系統(tǒng)的合解波設(shè)備通道插入損耗是否符合要求,首先,將DWDM穩(wěn)定光源直接接到光功率計(jì)(Optical Power Meter,OPM)上,同時(shí)測(cè)試DWDM穩(wěn)定光源的光功率值并記錄;然后,如圖2所示連接好相應(yīng)的設(shè)備,將待測(cè)設(shè)備的輸出口依次接入光功率計(jì)并記錄各個(gè)輸出端口的光功率值;最后,用未接入待測(cè)設(shè)備時(shí)的測(cè)試結(jié)果與接入測(cè)試設(shè)備后的測(cè)得結(jié)果相減,查看二者的差值是否符合測(cè)試要求。

圖2 光纖倍增系統(tǒng)合解波設(shè)備通道插入損耗測(cè)試

3.2 系統(tǒng)輸出光功率測(cè)試

為了測(cè)試光纖倍增系統(tǒng)的輸出光功率是否符合要求,首先,如圖3所示將OPM(光功率計(jì))接口與系統(tǒng)光模塊Tx口相連;同時(shí)將光功率計(jì)設(shè)置到正確的波長(zhǎng)范圍和單位,并讀取光功率計(jì)上顯示的待測(cè)設(shè)備光模塊的輸出光功率;然后,將讀取的數(shù)值與光模塊標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行比較,以此判斷系統(tǒng)的輸出功率是否滿足要求;最后,重復(fù)以上步驟,直至所有光模塊測(cè)試完成。

圖3 光纖倍增系統(tǒng)輸出光功率測(cè)試

3.3 系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試

為了測(cè)試光纖倍增系統(tǒng)的穩(wěn)定性是否符合要求,首先,如圖4所示連接所有設(shè)備;其次,使用誤碼儀發(fā)送要求測(cè)試的業(yè)務(wù)類型;最后,調(diào)節(jié)誤碼儀無(wú)誤碼后持續(xù)運(yùn)行,72 h后觀察系統(tǒng)的誤碼情況。

圖4 光纖倍增系統(tǒng)交叉轉(zhuǎn)發(fā)模式

此外,系統(tǒng)還進(jìn)行了DWDM模塊Tx口發(fā)光波長(zhǎng)精度測(cè)試、光模塊Rx口接收靈敏度測(cè)試等。完成了與華為、中興及華三等廠家各類光接口的業(yè)務(wù)對(duì)接測(cè)試、電源1+1保護(hù)測(cè)試及光口線路1∶1保護(hù)測(cè)試等。測(cè)試結(jié)果顯示,光纖倍增系統(tǒng)所有模塊的性能均能滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),系統(tǒng)保護(hù)倒換也無(wú)誤碼產(chǎn)生,且倒換時(shí)間不超過(guò)1.8 ms。

4 系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)

本文設(shè)計(jì)的基于波分復(fù)用技術(shù)的光纖倍增系統(tǒng),具有穩(wěn)定性好、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),在光纖通信中有著廣闊的市場(chǎng)前景。發(fā)送端先將不同業(yè)務(wù)光信號(hào)進(jìn)行合波,然后通過(guò)一根光纖進(jìn)行傳輸。接收端在接收到信號(hào)后先進(jìn)行解波,然后將各業(yè)務(wù)波傳輸至對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)設(shè)備,從而有效提高光纖資源的利用率,特別適用于GE、STM-1～16、SDH、以太網(wǎng)等光通信系統(tǒng)。其創(chuàng)新點(diǎn)可歸納為以下幾點(diǎn)。

(1)系統(tǒng)主要采用目前較為成熟的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換技術(shù)和波分復(fù)用技術(shù)完成設(shè)計(jì),通過(guò)測(cè)試,整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行順暢且成熟可靠。

(2)系統(tǒng)按照運(yùn)營(yíng)商和其他專網(wǎng)行業(yè)使用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì),能很好地兼容華為、中興及H3C等廠家的主流設(shè)備,能完全滿足155 M、622 M、1.25 G、2.5 G及10 G的接口場(chǎng)景,具有較好的兼容性。

(3)系統(tǒng)主要采用無(wú)源波分設(shè)備進(jìn)行搭建,制造成本低,與傳統(tǒng)的光纖鋪設(shè)相比,極大地節(jié)省了建設(shè)投資成本。

(4)系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì),整套設(shè)備小巧輕便,可廣泛應(yīng)用于各種復(fù)雜的環(huán)境,并且具有易安裝、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

(5)系統(tǒng)采用先進(jìn)的動(dòng)態(tài)同步切換光開(kāi)關(guān)技術(shù),當(dāng)光傳輸線路出現(xiàn)故障時(shí),能在極短的時(shí)間內(nèi)自動(dòng)地切換至備用線路,從而保證了通信線路的正常工作,具有極強(qiáng)的線路保護(hù)能力。

(6)在各類應(yīng)用場(chǎng)景中,直接增配該套光纖倍增系統(tǒng)可使傳送距離為80 km以上,此外,還可以通過(guò)外置光路子系統(tǒng)進(jìn)一步增加系統(tǒng)的傳輸距離。

5 結(jié)語(yǔ)

基于波分復(fù)用技術(shù)的光纖倍增系統(tǒng)是專為城域網(wǎng)/傳輸網(wǎng)以及接入網(wǎng)光纖資源迅速倍增設(shè)計(jì),通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的快速部署實(shí)現(xiàn)纖芯的快速擴(kuò)容,進(jìn)一步提升光纜纖芯的使用效率。系統(tǒng)通過(guò)光-電-光(OEO模式)的轉(zhuǎn)換原理實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的再生放大和波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換,通過(guò)配合粗/密集波分復(fù)用合解波器實(shí)現(xiàn)信號(hào)復(fù)用傳輸,可將多路業(yè)務(wù)纖芯合波為一路纖芯進(jìn)行傳輸,從而為骨干網(wǎng)、本地網(wǎng)及接入網(wǎng)各種應(yīng)用場(chǎng)景中的纖芯資源倍增提供可能。此外,在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中,還可以通過(guò)增加光路子系統(tǒng)來(lái)延伸倍增設(shè)備線路側(cè)的傳輸距離,以適應(yīng)超長(zhǎng)距離傳輸通道應(yīng)用場(chǎng)景,滿足通信骨干網(wǎng)中長(zhǎng)距離傳輸?shù)男枨?為光纖中繼和光纖資源緊缺的傳輸線路提供快捷、低成本的傳輸方案。