光纖通信技術在鐵路通信系統中的應用及發展

羅文浩

摘 要 近些年來，我國鐵路建設有了很大的發展，而鐵路通信系統也亟待升級。在鐵路通信系統中應用光纖通信技術，不僅可以加快鐵路通信信號傳送速度，而且有利于推動鐵路通信系統的數字化和智能化建設。文章將闡述在鐵路通信系統中應用光纖通信技術。

關鍵詞 光纖通信技術；鐵路通信系統；應用；發展

中圖分類號 TN91 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）224-0091-02

自改革開放以來，我國鐵路建設不斷加速：1978年，我國只有電氣化鐵路營業里程僅為1千千米，全國鐵路營業里程不足5萬千米；1996年，我國電氣化鐵路營業里程突破1萬千米，全國鐵路營業里程達到5.67萬千米；2006年，我國電氣化鐵路營業里程增長到2.34萬千米，全國鐵路營業里程達到7.71萬千米[ 1 ]；2017年，我國電氣化鐵路營業里程增長到8.7萬千米，全國鐵路營業里程達到12.7萬千米。

盡管我國鐵路建設取得了很大的發展，但鐵路通信系統尚未實現智能化與數字化，一些鐵路通信傳輸網設備陳舊（在網運行時間接近或超過10年），設備型號早已停產（一些生產廠家甚至已經破產多年），在網設備故障率不斷上升；很多設備制式陳舊，接口單一，無法兼容。鐵路通信系統是整個鐵路系統的神經與大腦，老化的鐵路通信系統無法為高速度、高密度、重載荷的鐵路運輸業服務，甚至難以保證鐵路運輸的安全。我們認為，非常有必要在鐵路通信系統中應用光纖通信技術。

1 光纖通信技術

過去，人們依靠有線電話進行有線通信，但有線電話通信容量少，且容易串音；隨著技術進步，無線通信逐漸取代有線通信，智能手機逐步淘汰了有線電話，但無線通信安全保密性較差，傳輸信號易受電磁波的干擾，通信效果較差；隨著大數據時代到來，傳統的無線通信、電纜通信無法滿足人們大容量高速度傳送信息的要求，光纖通信技術隨之應運而生。

光纖通信技術耗能低、傳輸速度快、抗電磁干擾能力強，可以在短時間傳遞海量信息。目前，電力、廣播電視、互聯網等各領域，已經廣泛運用光纖通信技術。

光纖通信是以光纖（光導玻璃纖維）為傳輸媒介，以光波為信號載體的一種通信方式。目前光纖通信使用的光波頻率比微波頻率高出1？000倍～10？000倍，因而可以增加1？000倍～10？000倍通信容量，一根細如發絲的光纖可以同時傳輸24萬個話路，而一根同軸電纜只能同時傳輸幾千個話路，微波通信也只能同時傳輸1萬個話路[ 2 ]。

光纖選用石英作材料，玻璃介質的純凈度極高，在傳輸過程中信號的損耗衰減極低（當光波長λ=1.55μm，衰減可降至0.2dB/km）；石英絕緣性能好，抗電磁干擾能力強，這是無線通信所不能比擬的；且光纖不會銹蝕，耐高溫、耐高壓，化學穩定性好。在光纖通信過程中，光波信號不可能跑出光纖，因此光纖通信安全保密。

光纖通信系統由電端機、光發送端機、信道（光纖線路、中繼器）、光接收端機以及無源器件組成。光纖通信的原理是：在發送端利用電端機把需要傳送的信息數據（如話音、圖像）轉變成電信號，實現數字復接，然后調制到光發送端機發出的光束上，變電信號為光信號（光束強度隨電信號頻率變化而變化），再將光信號送入信道（光纖）經過光的全反射原理傳送；在接收端的光接收端機檢測器收到光信號后，再用電端機將光信號變換成電信號，經解調后恢復原信息。

2 光纖通信技術在鐵路通信系統中的應用

鐵路通信系統線路長、投資成本高、建設難度大。在計劃時代，鐵路通信系統以電纜為主，無線為輔；但我國缺乏銅礦，難以為電線通信網提供充足的材料；而鐵路無線通信又易受電氣化鐵路的電磁干擾，這些問題一直長期困擾著鐵路通信系統建設。

1970年代末，美、日、德等發達國家開始在鐵路通信中應用光纖通信技術，引起我國鐵路通信技術人員的注意。1980年代初期，原鐵道部啟動鐵路光纜、數字通信的研究試點。1980年在北京東郊環行線進行了首次光纖通信抗電氣化鐵路電磁干擾試驗，取得了良好效果。1988年原鐵道部修訂《鐵路主要技術政策》，將“鐵路通信系統電纜為主、無線為輔”修改為“大力發展光纜”；1994年，原鐵道部再次修訂《鐵路主要技術政策》，提出“干線鐵路通信以光纜傳輸為主”。

光纖通信技術在國內鐵路通信系統中的應用經歷了3個階段，在應用中逐步走向成熟。

2.1 PDH光纖通信技術

1980年代，大秦鐵路在國內首次應用PDH準同步數字系列光纖通信技術。大秦鐵路采用8芯單模光纜，沿鐵路線配置PDH設備，有6處通信站，14處中間通信站，構建了我國第一條長途干線光纖通信系統。其后，1988年，北京-保定段光數字通信工程建成；1989年，重慶鐵路樞紐綜合光纜工程建成，都采用了PDH技術。

PDH光纖通信系統在數字通信網的每個節點上都設備有高精度時鐘，但這些時鐘的信號還是有一些細微的差別，不能實現完全同步，故名“準同步”。PDH系統主要為話音業務設計，傳輸線路為點對點連接。

隨著時代的演進，鐵路通信網絡日趨復雜，而PDH點對點傳輸方式缺乏網絡拓撲的靈活性；且隨著通信業務的發展，鐵路通信系統需要傳送的信息日益多元化，不僅需要傳送話音，而且需要傳送文字、數字、圖像、視頻，而PDH技術卻無法傳送多元化信息[ 3 ]；因此，SDH光纖通信技術逐漸取代PDH。

2.2 SDH光纖通信技術

SDH光纖通信技術實現了數字信息化同步轉化，SDH采用統一的接口與統一的比特率，大大加強了網絡管理能力，且具有很好的橫向兼容性（與PDH完全兼容并容納其它各種業務信號）；SDH采用多種網絡拓撲結構，其組成的網絡非常靈活，并首次應用“自愈網”功能（無需人為干預，SDH網絡也能在極短時間內從失效故障中自動恢復通信業務）；誤碼少，聯網成本低。

1990年代，鐵道部在設計廣深、京九、鄭徐、蘭新、合九、京沈等線光纜數字通信系統時，決定引入SDH技術；2009年，贛韶鐵路在國內首次應用SDH光纖通信技術；沿鐵路線鋪設20芯光纜，并連接贛韶鐵路沿線的接收設備，構建了我國第一條SDH鐵路光纖通信系統。而京九鐵路通信干線全段采用20芯光纜，全長2？500千米，是我國最長的SDH光數字通信線路。

但SDH系統在傳輸信號過程中要加入大量用于OAM功能的開銷字節，占用的傳輸頻帶大于PDH信號的傳輸頻帶；指針調整機理復雜，濾除抖動較為困難；系統安全性較低，信號傳輸的穩定性也存在不足；因此，人們又開始研發新的光纖通信技術。

2.3 DWDM光纖通信技術

DWDM，即密集型光波復用，簡單地說，就是在一根光纖中，多路復用單個光纖載波的緊密光譜間距，把不同的光波波長同時進行組合和傳輸。PDH與SDH傳輸光信號的方式都是“一纖一波”，而DWDM傳輸光信號的方式是“一纖N波”，這樣就變一根光纖為多條虛擬光纖，最大限度地利用了光纖的傳輸性能；增加了傳輸容量（與單波長傳輸相比，DWDM技術可以將傳輸容量增加幾百倍），提高了傳輸速度，并節約了大量設備成本。

1990年代，DWDM投入商用。2000年以來，鐵路通信系統引入DWDM光纖通信技術，相繼建成京滬穗、東南、東北、西南、西北五大DWDM光傳輸網絡環，覆蓋我國“八縱八橫”鐵路網。2002年4月，西北環DWDM傳送網投入試運行，該網沿京廣線、包蘭線、京包線、承海線、石太線、寶中線覆蓋六個省、三個自治區及一個直轄市，長度超過1萬千米；其每對光纖復合40波光通道，每個光通道又可承載每秒10GB的通信容量，大幅增加了光纖傳輸容量[ 4 ]。

3 結論

今天，我國鐵路通信系統正在向智能化、數字化、寬帶化、多元化方向發展。而我們也需要研究如何在鐵路通信系統中推廣、應用光纖通信技術，以進一步提升鐵路通信能力，推動鐵路通信系統轉型升級。

參考文獻

[1]王里.光纖通信技術在鐵路通信系統中的應用淺析[J].數字通信世界，2018（4）：187.

[2]賀煥芝.芻議光纖通信技術在鐵路通信系統中的應用[J].中國新通信，2016，18（16）：122.

[3]何靜濤.試論光纖通信技術在鐵路通信系統中的應用[J].中國新通信，2016，18（1）：120-121.

[4]趙克河.光纖通信技術在鐵路通信系統中的應用[J].中小企業管理與科技（上旬刊），2014（1）：299-300.