基于OTN技術的電力通信傳輸網絡優化研究

趙陽， 金燊， 宋偉， 段程煜

(國網冀北電力有限公司信息通信分公司， 北京 100053)

0 引言

隨著智能電網建設的推進，信息化應用的需求不斷增加，電力通信系統的帶寬擴展建設進一步加快[1]。各種信息應用系統在電力市場已進入建設階段或實際應用階段，這類系統應用范圍廣泛，實時性、可靠性要求高，對帶寬的要求也越來越高[2]。目前僅依靠現有的基于同步數字系統技術的主干傳輸網絡，顯然已經不能滿足我國電力發展的需要[3]。

利用OTN(Optical Transport Network)光分插復用設備(FIROADM)實現多路網絡。以光交叉OTN網絡為基礎，利用G709規范的封裝規程映射，在光層實現波長級交叉調度和信號傳輸。能夠進行波長級端到端業務的交叉調度，調度能力比電交叉連接強；服務可以在光層中運行，無須在電層中處理；光交叉連接可以實現靈活的組網，支持網狀網絡；設定光通道、多路等多種光層保護方式。但是存在著波長一致性的限制，必須采取措施來避免資源沖突，長距離傳輸會導致信號衰減和色散，需要增加光放大器和色散補償，這會帶來截面距離較短、光交叉裝置的成本比電交叉裝置高的問題[4]。因此在電力通信網中應用OTN設備可以綜合考慮，引入多個設備，各個設備互相配合、彼此協作，從而達到擴大其傳輸網絡結構、增大其傳輸距離的目的[5]。

OTN最大的優勢在于具有大粒度交叉調度能力，能夠滿足大容量交叉調度和傳輸的要求，所以首先考慮將其用于核心骨干層[6]。但是，隨著OTN技術的發展，國際電信聯盟電信標準分局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OTN的應用已經擴展到了較低的網絡層次，將來可以直接由OTN+接入層構建整個傳輸網絡結構。通過提高資源利用率來降低網絡阻塞、增強通信網絡傳輸距離[8]。

OTN傳輸網絡的基本特點是大容量、遠距離。此外，OTN采用了新的調制編碼技術，并結合色散可調補償和電域均衡技術，使網絡的高速、高容量組態組網距離顯著增加，同時也大大提高了OTN網絡在高速大容量配置的情況下組網之間的距離[9]。在此基礎上，本文基于OTN技術研究一種新的電力通信傳輸網絡優化方法，并通過實驗驗證方法的可行性。

1 基于OTN技術的電力通信傳輸網絡傳輸距離優化

在應用OTN技術優化電力通信傳輸網絡時必須考慮影響信號傳輸距離的因素，目前得出的因素主要有衰耗、色散和非線性效應等，因此基于OTN技術建立的優化方案要從上述因素入手增加傳輸距離[10]。

(1) 衰耗

光信號在光纖中的衰減是光信號傳輸時的能量損失。在材料對光波的吸收和傳輸過程中，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表示被測光纖長度，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

隨著科技進步，現有光纖的衰減系數可以降低到0.16 dB/km，再加上0.02 db/融合點的光纜融合拼接。在形成和安裝普通光纜時，光纜的衰減系數一般為0.190.21 dB/km左右。在衰減受限系統中，中繼距離越長，則光纖通信系統的成本越低，獲得的經濟效益越高。

(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的折射率，而光纖的折射率又依賴于光信號的波長，所以光在光纖中的傳輸速度就會有所不同，這被稱為分散效應。光纖通信中，色散會使信號脈沖在傳輸過程中發生變寬，造成碼間的串擾，最終影響系統的整體性能。在光纖中存在2種基本的色散效應：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、傳輸速率和傳輸距離之間滿足如下關系：

(3)

式中，B表示傳輸速率，PMD表示偏振模傳輸系數，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。

對于任意一段光纖段來說，其值可以用平均值<Δτ>來表示：

(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度。

在光纖傳輸光信號時，色散是一個必須考慮的重要問題。這是由于光纖中不同頻率的信號光波傳播速度不同，造成長距離傳輸后的信號擴展，從而引起前后相位的變化。鄰近信號脈沖重疊造成對應的位置誤差。傳輸距離與碼速、光纖的色散系數以及光源的譜寬成反比，系統的傳輸速率越高，光纖的色散系數越大，光源譜寬越寬，為了保證一定的傳輸質量，系統信號所能傳輸的中繼距離也就越短。

(3) 非線性效應

非線性效應導致脈沖壓縮、頻譜展寬，嚴重影響高速光通信系統的傳輸質量。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2種。受激散射呈現出與光強有關的增益或損耗，而非線性折射則呈現出光強相關的相移。非線性折射率的影響主要表現為自相位調制/交叉相位調制以及四波混合頻率。

圖1 單模光纖的非線性效應示意圖

實際光纖的纖芯幾何形狀可能不再是標準的圓柱，纖芯折射率也可能因內部殘余應力、扭曲等因素的影響而非理想的軸對稱分布。

建立OTN組網方案，實現電力通信保護提高電力通信網絡的傳輸距離，進而完成電力通信傳輸網絡傳輸距離優化。

2 實驗研究

為驗證優化后的基于OTN技術的電力通信傳輸網絡優化效果，設定驗證實驗。為確保驗證結果的精準度，對測試實驗環境做出如下要求：環境溫度0～40 ℃；相對濕度為3%～97%；實驗環境內部灰塵不能超過14×105。基于OTN技術的電力通信優化傳輸網絡如圖2所示。

圖2 基于OTN技術的電力通信優化傳輸網絡

G652普通光纖在不同波段的衰減譜如圖3所示。

圖3 常規光纖Cz652在各個波段的衰耗譜

在形成和安裝普通光纜時，光纜的衰減系數一般為0.190.21 dB/km左右。

實驗時，針對電力通信網絡的每個業務都引入主、備2條路由，同時向路由分配波長，這樣每個業務都會擁有1條屬于自己的備用波導，設定通信網絡中的每根光纖可用波長為8，該跨段光纜全長 140.56 km，全程測試衰耗約為42.56 dB，承載波道為 193.5、193.6、193.7、193.8 四波。采用有線、無線異構網絡方案來提升網絡系統可靠性并為資產巡檢提供業務通道，得到的網絡內部各個節點的配置結果如表2所示。

表2 電力通信網絡路由配置節點

基于OTN技術的電力通信傳輸優化網絡采用的保護方式與未優化前采用的保護方式不同，一旦網絡中的某一個鏈路出現問題，網絡內部路由就會重新分配，如果備用路由中的某條鏈路出現問題，基于OTN技術的電力通信傳輸優化網絡也會在短時間內規劃出新的傳輸通道，確定最優配置方案，從多方面確保電力系統傳輸過程的穩定性。

3 總結

本文對電力通信光纜主干網絡的特點進行了研究，分析了超長單跨系統對OTN系統光傳輸部分和光復用部分的影響，確定了光傳輸和光復用的劃分，并通過實驗室測試和研究驗證，對推動OTNS技術的發展和電力通信網的進步具有重要意義。