超长距离全光传输在电力系统通信中的关键技术及应用

超长距离全光传输在电力系统通信中的关键技术及应用

摘要:随着电力光纤通信距离变得越来越长,中继站的建设、管理和运行维护会变得困难,基于光传输技术的不断发展,超长距离全光传输系统为电网安全、稳定、经济运行提供有力保障。文章主要介绍了超长距离全光传输的几种关键技术,并为电力系统中超长距离全光传输系统的设计和建设提供技术指导。

关键词:超长距离全光传输色散补偿拉曼放大器电力系统通信

超长距离光传输是指不采用电再生中继的全光传输。由于减少了光/电转换次数,并且可以利用光纤丰富的带宽资源,超长距离传输技术大大降低了长距离传输的成本,同时系统的可靠性和传输质量都得到了保证。在超长距离传输解决方案中,色散补偿、拉曼放大器、前向纠错(FEC)、调制方式等已经成为被众多电信运营商、设备供应商和科研人员广泛认同的关键技术,其中拉曼放大器、色散补偿等技术在电力系统超长距离光通信中也得到较好的应用。

1 超长距离全光传输的几种关键技术

1.1 色散补偿

色散是光纤的基本属性之一,光传播的速度取决于介质的折射率,由于光纤的折射率与波长相关,不同波长的光在光纤中传播的速度不

同,产生色散效应。光纤色散对通信系统的性能影响主要表现在对传输中继距离和传输速率的限制。由于色散效应,经过调制后的光脉冲在传播过程中会变形、展宽和失真,最终限制系统的总体性能。

在电力系统光通信中,对于10Gbit/s系统,色散的影响对光纤长度的限制是100km,对于40Gbit/s系统,没有色散补偿,光纤长度将不能超过10km,因此高速超长距离全光通信传输系统必须考虑色散补偿问题。克服色散的主要方法有两种:一是采用性能较好的激光源,二是采用色散补偿和管理技术。目前,最常用的色散补偿方法包括采用基模/高阶模色散补偿光纤、色散补偿光纤光栅、高阶模色散补偿器和VIPA(Visual ImagePhase Array)器件等等。综合考虑可靠性、温度稳定性、色散纹波性和成本等因素,在这些补偿方法中,利用基模/高阶模色散补偿光纤是最好的色散补偿方法,但是这种光纤具有较强的非线性效应,会使得不同信道之间的串扰加大。在40Gbit/s系统当中,环境因素的变化会造成色散量大小的随机波动,因而还要求色散补偿模块是可调谐的,需要使用动态色散补偿,应该选择光纤光栅器件、VIPA器件和平面波导器件等方案。

1.2 拉曼放大器

拉曼光纤放大器的原理是基于光纤中的非线性效应:受激拉曼散射(SRS)。拉曼放大器利用光纤作为放大介质,经SRS效应,把短波长泵浦光的能量转化为长波长信号光的能量,实现对信号光的放大。与掺饵光纤放大器(EDFA)不同,拉曼放大器放大的光谱范围由光泵浦源

决定,理论上讲只要泵浦源的波长适当,拉曼放大器具有极宽的增益频谱,可以放大任意波长的信号光。此外,拉曼放大器具有频谱范围宽、噪声指数低、增益高、温度稳定性好、光纤兼容性好等优点,是实现长距离光传输的理想光放大器。

但是,拉曼放大器也有自身不可避免的缺陷,它受瑞利后向散射和信号的双瑞利后向散射效应所限制,这些效应在系统中引起多点反射和多路径干涉,产生码间干扰,使BER性能恶化,导致系统性能的下降。与EDFA放大器相比,在信号功率较低时,拉曼放大器的泵浦效率是很低的。对于WDM信号来说,还涉及到拉曼放大带来的德尔菲线性损耗问题。

1.3 前向纠错(FEC)

纠错编码是超长距离传输中增加系统余量的一项有效的关键技术,它通过在信号中加入少量的冗余信息来发现并剔除传输过程中由噪声引起的误码,以较低的成本和较小的带宽损失换取高质量的传输。前向纠错技术是目前高速光通信系统中运用最多的纠错编码方式。所谓前向纠错(Forward error correction, FEC)是指信号在被传输之前预先对其进行按一定格式处理,在接收端则按规定的算法进行解码以达到找出错码并纠错的目的。

FEC是以牺牲有效带宽为代价来换取高的传输质量,其在光传输系统中的应用具有能延长光信号传输距离,降低光发射机发射功率等

优点。目前,业界提出的基于SDH/DWDM的实用化的FEC的实现方式有三种:带外FEC(Out-of-band FEC)、带内FEC(In-band FEC)和增强型FEC(Super-FEC)。带外FEC的增益远高于带内,因此超长距系统均采用带外FEC编码。而采用增强型FEC时,OSNR可以提高9dB,大大提高了系统的传输距离,如采用基于BCH的TPC ［BCH(128,113,6)×BCH(256,239,6),码率为0.82］可以取得10.1dB的编码增益。

1.4 编码调制

在光通信系统中,不同的线路码型抗光纤信道中噪声、色散、非线性影响的程度不同,选择合适的码型能够在不增加其他设施的条件下延长最大传输距离。码型技术成为继色散补偿、拉曼放大和FEC 等技术之后的有一种超长距离全光传输的关键技术。

目前有许多种可用的编码格式,主要分为两大类:归零(RZ,return-to-zero)编码和不归零(NRZ,non-return-to-zero)编码。其中RZ编码主要包括RZ(常规RZ码)、CRZ(啁啾RZ码)、CS-RZ(载波抑制RZ)等方式。CRZ码采用了三级调制技术(RZ幅度调制、相位调制和数据调制),其相位调制器在发射端对RZ脉冲的上升沿和下降沿上加入一定的啁啾量,抵抗非线性效应的能力非常优异。此外,CRZ还具有优良的抵抗偏振相关损耗(PDL)和偏振模色散(PMD)的能力,具有更高的传输稳定性。它的缺点是调制技术比较复杂,对三级调制之间的定时和时延要求很高。在CS-RZ码中,相邻码元的电场振幅的符号相

反,从而达到降低光谱宽度的目的,在功率较高的情况下,不但增加了色散容限,而且有更强的抵抗SPM和FWM等光纤非线性效应的能力。

相同速率下的RZ码、CRZ码和CS-RZ码具有比NRZ码有更宽的频谱范围,可以更好地抑制光纤非线性效应的影响,适合于在大功率长距离传输条件下工作,但它展宽了信号的频谱,限制了信道的间隔,而且色散容限也大大降低。虽然在超长距离传输中,CRZ码的性能更好,但是CRZ码的调制比较复杂,提高了系统的成本,所以更多的时候是采用RZ码。对于信道间隔小的系统,采用频谱宽度小的NRZ码或CS-RZ码能减小非线性串扰的影响,表现出比CRZ码和RZ码好的性能,而对于信道间隔大的系统,采用宽频谱的CRZ码和RZ码能较好地抑制非线性串扰的影响。

2 超长距离全光传输技术在电力系统通信的应用建议

超长距离全光传输结构简单,具有端到端的特点,在城际网、无人地区建网得到广泛的应用,这些优势使其在电力系统中发挥着重要的作用。按照国家电网公司未来电网发展规划,到2015年,基本建成以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展,具有信息化、自动化、互动化特征的坚强智能电网。电压等级的升高在提高电力线路输送能力的同时也大大拓展了相邻变电站间的距离,因而电力通信网对超长距离全光传输技术的需求非常迫切。