本地光放中继和光无线接入—光通信中继站的另类接入方案探讨
作者：江苏通光电子线缆股份有限公司时间：2016-08-10 我要发布
| 摘要 探讨了在本地采用光纤放大器延长中继距离和光无线接入作为光通信中继站引入的备份通道方案 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 关键词 掺铒光纤放大器（EDFA）自由空间光通信（FSO）光通信中继 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 0． 前言 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 光放大器可对光信号进行实时、宽带、低噪声的直接放大，成功地解决了衰减对光网络传输速率与距离的限制，它还开创了1550nm频段的波分复用，使超高速、超大容量、超长距离的波分复用（WDM）、密集波分复用（DWDM）、全光传输、光孤子传输等成为可能。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 自由空间光通信(FSO：Free Space Optical Communication)是光纤通信与无线通信相结合的产物FSO技术是一种基于光的传输方式、采用红外激光承载高速信号的无线传输技术，具有高带宽、部署迅速、费用合理等优势。它以激光为载体、以空气为介质，用点对点或点对多点的方式实现连接，因此又有“虚拟光纤”之称。另外, 使用频段不受限止. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 本文将探讨用这两种（或一种）技术取代光缆引入或作为光缆引入的备份通道，为电力通信安全运行提供“另类”保障。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 1． 本地光放中继 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| “本地”是指光放大和光中继设在终端机房和线路中，不另设中继机房的相对概念。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 目前，实用化的光放大器中主要有光纤放大器、半导体光放大器（SOA）和光纤拉曼放大器（FRA）等，其中掺铒光纤放大器（EDFA）以其优越的性能现已广泛应用于长距离、大容量、高速率的光纤通信系统、接入网、光纤CATV网、军用系统（雷达多路数据复接、数据传输、制导等）等领域。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 根据在光纤网络中的应用，EDFA主要有三种不同的用途。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| （1） 在发射机侧用作功率放大器（OBA）以提高发射机的功率； | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| （2） 在接收机之前作前置放大器（OPA）以提高光接收机的灵敏度； | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| （3） 在光纤传输线路中作中继放大器（OLA）以补偿光纤传输损耗，延长传输距离。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 1.1 掺铒光纤放大器（EDFA） | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 应用广泛的C波段EDFA通常工作在1530-1565nm光纤损耗最低的窗口，具有输出功率大、增益高、与偏振无关、噪声指数低、放大特性与系统比特率和数据格式无关，可同时放大多路波长信号等一系列的特性. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| （1）基本原理 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 光纤放大器一般由五个基本部分组成，它们是掺铒光纤（EDF）、泵浦激光器（PUMP－LD）、光无源器件、控制单元和监控接口（通信接口）。其中光无源器件包括:光波分复用器（WDM）、光隔离器（ISO）、光纤连接器（FC/PC）和光耦合器（Coupler）。图1给出了典型的掺铒光纤放大器结构原理图。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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图 1 典型的掺铒光纤放大器结构原理图。 |
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| 掺铒光纤放大器是利用掺铒光纤（EDF）这一活性介质，当泵浦光输入到EDF中时，将大部分处于基态的Er3+抽运到激发态上，处于激发态的Er3+又迅速无辐射地转移到亚稳态上。由于Er3+在亚稳态上的平均停留时间为10ms，因此很容易在亚稳态与基态之间形成粒子数反转，此时，信号光子通过EDF，在受激辐射效应作用下产生大量与自身完全相同的光子，使信号光子迅速增多，这样在输出端就可以得到被不断放大的光信号。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| （2）主要技术特性 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 表1列出(用于SDH)典型的EDFA主要技术特性，各厂商的产品性能基本大同小异。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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表 1 典型的掺铒光纤放大器（SDH）的主要特性 |
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| 1.2 本地光放中继方案 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 以下仅是针对传输速率为2.5Gbit/s的SDH系统方案，设计时应考虑更多细节。例如当色散受限时，可考虑采用色散补偿光纤（DCF）进行补偿。图2是 EDFA在高速光纤通信系统中的典型应用示意图。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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图2 EDFA在高速光纤通信系统中的典型应用 |
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| （1）用于功率放大（OBA） | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 在光发射机端上插入OBA，在光纤不发生非线性的条件下约可提高发送功率10至16dB，按光缆含接头0.25dB/km（1550nm）计，相当于40-64km光纤长度。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 机房内工作条件较好，无论采用机架或模块均能满足。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| （2）用于前置放大（OPA） | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 在光接收机端前插入OPA，可将接收灵敏度提高10-20dB左右，相当于40-80km光纤长度。机房内工作条件较好，无论采用机架或模块均能满足。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| （3）用于线路放大（OLA） | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 如果有必要，通常每隔80km左右设一个线路放大EDFA。从技术上，可以把EDFA组件安装在铝或不锈钢外壳的中继箱内，固定在杆塔的适当位置；也可以把中继箱置于地下。直接用于线路上作为无人中继时，主要矛盾是电源和散热及防盗等问题。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| a. 电源 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 最好能获得市电并配合蓄电池组供电，其次是自然能（太阳能、风能）配合蓄电池组供电。还可考虑燃料电池与自然能发电的混合供电系统。这些方法的缺点是需要宠大的外设，另外维护和检修不易，受人为破坏的机率较高。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 在OPGW和/或在对侧地线中类似加入光纤的方法加入合适的耐高温电源线向EDFA供电是最吸引人也是有可能实现的方案。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| b. 散热 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 可采用自然、强制或混合散热。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| （4） 中继距离和色散补偿 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 采用EDFA后，传输距离将受色散限制。G.652和G.655光纤在1550nm窗口的衰减为0.25dB/Km,色散系数分别为15-20和5-10 ps/(nm.Km)。STM-64(2.5Gbit/s )信号的色散容限为0-1500ps/nm。色散补偿对G.652光纤线路转入1550nm窗口和非零色散光纤线路都是必要的。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 色散补偿光纤（DCF＝Dispersion Compensation Fiber）是一种在C波段（第3窗口）具有较大的(与常规光纤色散符号相反的)负色散系数的特殊光纤，应用DCF可以在第3窗口补偿常规单模光纤（G.652光纤）在线路上所积累的色散。表2列出了几种DCF的特性，还有报导色散低于－80 ps/nm/km，典型损耗低于0.5 dB/km的DCF。一般来说，一个可以在80公里距离上补偿标准G.652 光纤色散（约为1360 ps/nm）的模块的损耗约为8 dB。DCF不但可以用来补偿线路光纤的色散，还可以补偿线路光纤色散的斜率。DCF可以制成圈插入在线路中，但会额外消耗光功率，如经事先设计，把DCF直接做成光缆的方案是较佳的。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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表2 几种DCF的特性。 |
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| DCF不但可以用来补偿线路光纤的色散,还可以补偿线路光纤色散的斜率，DCF的损耗较大，其模场直径、相对折射率差、折射率分布与普通光纤是失配的，因而接头损耗也较大，因而须辅以EDFA技术。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 图3示出一种基本光纤光栅技术的色散补偿模块（Dispersion Compensating Modules： | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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图3 一种基本光纤光栅技术的色散补偿器外形图 |
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表 3 一种基本光纤光栅技术的色散补偿器主要的性能 |
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| 采用了EDFA和相关的色散补偿技术后，在无须线路中继的情况下，无中继距离大为增加，图4示出某公司传输设备的应用示意图。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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图4 某公司传输设备的无中继应用示意图 |
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| 2. 光无线接入 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| FSO技术使用光学发射器和光学接收器，具有与光纤相同的带宽传输能力传输数据、语音和图像等，甚至还可以在自由空间实现波分复用（WDM）技术，具有无须申请频段、设备易升级、接口开放等优势。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| FSO产品安装快速简易，目前主要应用于一些不宜布线或是布线成本高、施工难度大、经市政部门审批困难的地方，如市区高层建筑物之间、马路（铁路）两侧的建筑物之间、不易架桥的河流两岸之间、古建筑、高山、岛屿以及沙漠地带等。另外，FSO设备也可用于移动基站的环路建设、场所比较分散的企业局域网子网之间的连接和应急通信。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| FSO网络有点到点、点到多点和格形三种组网方式。目前，当采取点到点的组网方式时，有源的FSO能支持155Mbit／s－10Gbit／s的传输速率，传输距离在2公里～4公里之间；当采取点到多点的组网方式时，FSO同样能支持155Mbit／s－10Gbit／s的传输速率，但传输距离为1公里～2公里；当采取格形的组网方式时，FSO支持622Mbit／s的传输速率，传输距离为200米～400米。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2.1 FSO无源接入方案 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| （1）基本原理 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 采用一对高效率的光学天线代替光纤，发射光纤端的信号通过光学天线发送，由对侧光学天线接收，注入到接收光纤端完成传输过程。如不考虑除霜则不需电源，只要将收发尾纤插入活动连接器即可，因而暂且称为“无源接入”。图5是典型的光学天线。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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图5 典型的FSO光学天线 |
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| （2）主要控制参数 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 发射光纤端输出功率与接收光纤端的灵敏度对天气非常敏感是FSO的主要问题。晴天对FSO传输质量的影响最小，而雨天、下雪和雾天对传输质量的影响则较大。据测试，FSO受天气影响的衰减经验值分别为：晴天，5-15db/km、雨，20-50db/km、雪，50-150db/km、雾，50-300db/km。另外可能还有飞乌、树叶遮档等影响。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 传输距离对FSO通信的影响主要表现在可靠性上。衡量可靠性的指标之一称为LINK MARGIN，单位为dB，其意义为FSO设备正常工作所允许的最大传输功率损耗。典型的LINK MARGIN值为20dB。考虑到上述影响，无源FSO的传输距离为500米左右。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 只要光端机S-R端动态范围允许有额外的20dB，原则上无源FSO传输就可进行。但处于原中继站位置的光功率可能己较弱，介决方法是在发送端和接收器单独或同时加EDFA。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 如果在原T接光纤上采用光分路器，一路经引入光缆进中继机房，另一路接入光学天线，即对引入路径形成了备份光路。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2.2 有源无线接入方案 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| （1）基本原理 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 为了克服无源FSO传输距离短的问题, 在光学天线的两端分别加入了辅以电子电路的发射光源激光器和接收器, 这些器件只有放大功能而并不是再生, 因而对所有的协议都是透明的，图6是有源FSO的原理方框图。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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图6 有源FSO的原理方框图 |
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| （2）主要控制参数 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 有源FSO网络有点到点、点到多点和格形三种组网方式。目前，当采取点到点的组网方式时，有源的FSO能支持155Mbit／s－10Gbit／s的传输速率，传输距离在2公里～4公里之间；当采取点到多点的组网方式时，FSO同样能支持155Mbit／s－10Gbit／s的传输速率，但传输距离为1公里～2公里；当采取格形的组网方式时，FSO支持622Mbit／s的传输速率，传输距离为200米～400米。表4是典型设备的主要技术参数。有源FSO网络有点到点、点到多点和格形三种组网方式。目前，当采取点到点的组网方式时，有源的FSO能支持155Mbit／s－10Gbit／s的传输速率，传输距离在2公里～4公里之间；当采取点到多点的组网方式时，FSO同样能支持155Mbit／s－10Gbit／s的传输速率，但传输距离为1公里～2公里；当采取格形的组网方式时，FSO支持622Mbit／s的传输速率，传输距离为200米～400米。表4是典型设备的主要技术参数。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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表4 典型FSO设备的主要技术参数 |
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| 3. 讨论 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| （1）在500KV的OPGW干线中，有人中继站和引入光缆的设置比较困难，易遭受自然和人为破坏。本文提出用所谓“本地中继”不设或少设有人中继站的探讨方案。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| （2）用光功率放大器(OBA)可以提高发送光功率，用光前置放大器（OPA）可提高接收灵敏，用光线路放大器（OLA）可作为线路中继，但系统成为受色散限止。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| （3） 色散补偿技术和光放大技术相结合，可增大无中继传输距离。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| （4）通过精心设计，在系统中有目的地插入用色散补偿纤芯的OPGW可减小色散补偿所需的额外光功率。增大无中继距离。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| （5）如果用线路中的OLA代替有人中继站，可探索在OPGW中或在对侧地线中加入OL绝缘供电单导体，以地为回路向OLA供电。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| （6） 现有的光通信中继站，只有一条引入光缆信道。探索用无源FSO或有源FSO（这时会有供电问题）建立“另类”备份信道。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 参考文献 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 1. 徐乃英，现代单模光纤的改进及其制造技术.光纤与电缆（上海），2003，(3): 1-8 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2. 黄俊华，电力架空光缆内光纤的选型.电力系统通信（北京），2003（10）：23-29 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 作者简介 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 黄俊华 通光集团有限公司副总经理 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
