摘要：介绍了超长距无中继通信相关技术，并对实际产品在电力系统中的应用进行了研究，最后总结出了超长距无中继通信的设计基本原则。

关键词：超长距 无中继 FEC SBS

引言

超长距无中继通信系统具有端到端直达通路，无任何中继设备和建设，运营维护成本低等特点，对于像我国这样幅员辽阔的地区，可有效解决大城市间搭建长跨距直达路由，提高通信效率；同时，可有效解决通信路由经过沙漠，沼泽，森林等无人区的问题；特别是对于我国目前进行的跨大区，特高压输电线路的通信系统而言，无疑是一个非常好的解决方案。因为，电力通信线路与普通的通信线路不同，电力通信线路路由走向一般都较偏僻，尽量避开人口稠密的地区，有电源的中继站的选址，建设及运行都存在很大的困难，因此，减少中继站的数量，将节省大量的建设资金，维护费用，同时，可有效减少电路故障环节，提高电路运行的稳定性和安全性。

目前，适用于电力通信的超长距无中继通信技术已逐渐成为许多厂家及科研院所关注的焦点。本文主要将就目前最新的一些技术进展进行介绍，并结合现有的成熟产品及应用案例总结出经济，可靠的超长距通信设计基本原则。

主要技术

限制超长距无中继通信系统的因素有很多，总结起来，主要有功率因素，色散因素，以及光信噪比（OSNR）因素等，针对这些限制因素，必须要有相应的技术突破才能得以攻克，我们经过多年的研究开发，并同相关电网公司做了多次试验和工程应用，对上述问题均做出了有效的解决方案：

功率因素

光波在媒质中传播时，由于光波和媒质的相互作用，不可避免地导致光能减弱的现象，当光信号能量减弱到一定程度时，接收端将不能从噪声中检测出信号，从而使得光通信无法正常的进行，此问题在超长距传输通信中显得尤为突出。因此，必须采用某种手段来进行功率的补偿以弥补信号传输时衰减带来的损耗。其中最为主要，也是最为常规的技术手段就是采用EDFA放大器。在超长距无中继传输系统中，主要是采用了功率放大器（EDFA-BA）和前置放大器（EDFA-PA）两种产品，功率放大器主要是配置在传输系统的发射端后，用以最大限度地提升发射功率，如对于普通2.5Gb/s系统，配置功率放大器后，可将发射功率由SDH设备发出的0dBm左右光信号提升至17dBm左右的光信号；前置放大器一般是配置传输设备的接收端前，用以提升接收灵敏度，达到延伸传输线路长度的目的。其基本应用框图如下：

图1 EDFA应用基本示意图

随着长跨距的跨段越来越大，线路损耗也变得越来越大，普通的BA+PA的手段很难完全满足要求，这时，最为简便的方法就是尽力提高发射端的发射功率。但是，在向较长的光纤中发射激光时，如果超过了某个最大临界功率，则由于线宽和光纤类型的原因，可能会发生强烈的反射，并引发信号噪声（即所谓的SBS现象），经计算及相关实验表明，对于普通2.5G系统而言，发射端功率一般只能到17dBm，10G速率系统一般则是12dBm。显然，为了使光纤放大器的高输出功率能够有效地注入单模光纤，必须提高SBS门限功率。采用的方法主要是对信号光源作附加调制或对外调制器作附加调相，使入射光的谱宽增大。目前有的厂家的产品采用射频信号调制相位调制器改变信号功率谱密度的方法成功提升了SBS功率门限，采用SBS抑制技术后，2.5G系统的发射端功率可提升至22dBm，10G系统的发射功率可提升至17dBm，相比普通的17dBm（2.5G）和12dBm（10G）的发射入纤功率限制，SBS抑制技术大大延长了长跨距传输的跨段距离。该项技术目前已成功运用到了国家电网、南方电网超高压输电公司等电网公司的实际通信系统中。

色散因素

随着脉冲在光纤中传输，脉冲的宽度会被逐渐展宽，当展宽超过一定的容限后就会导致接收端误判“0”和“1”，从而产生误码影响系统整体性能。特别对长跨距传输而言，由于线路长度很长，所以光纤传输系统中的色散问题日益显著。

目前比较传统的办法就是采用具有负色散系数性质的DCF（色散补偿光纤）进行色散补偿，但是DCF也存在比较致命的问题：非线性效应显著；损耗大（为补偿80km的光纤色散需增加8到10dB的附加损耗）；长度随不同的色散量要求而变化，造成的附加损耗不同，从而给系统带来额外损耗和对功率的额外要求；对于长跨距传输系统而言，由于线路长度一般都超过200km，因此，如果选用DCF的方案的话，其成本也是相当昂贵的。基于上述问题，同时考虑到电力通信系统一般都是单信道通信，已有厂家开发出了啁啾光纤光栅型（FBG）的色散补偿模块，此种产品利用光栅对于不同波长的反射特性对传输光信号进行色散补偿，极大地弥补了DCF的缺陷：其插入损耗与补偿距离无关；几乎不受非线性的影响，而且对于长跨距传输而言，相比于DCF的方案，其成本也相对低些，目前，此类产品已在国家电网、南方电网超高压输电公司等电网公司的实际通信系统中也得到了广泛的应用。

OSNR因素

对于长跨距传输系统而言，仅仅解决了常规意义上的功率和色散的因素还不足以保证系统的正常运行，还必须考虑OSNR（光信噪比）的影响，因为由于光放大器在对光信号进行放大的同时，不可避免地会产生自发辐射放大(ASE)噪声，在长跨距无中继传输中，由于线路长度很长，所以损耗很大，导致信号衰减非常严重，经过放大器放大时，ASE噪声可能会同信号能量相当，造成接收端无法正确辨别信号，从而导致系统无法正常运行，即是OSNR受限。因此，也就不难理解前置放大器中为何要设置一个滤波器了，即是想利用该滤波器滤除掉信号光周边的一些噪声信号，以确保输出端的信噪比达到系统可接受的范围。其结构如下图所示：

图2 前置放大器基本结构示意图

因此，在使用前置放大器时，需要注意工作波长是否与其内置的滤波器的工作波长相符，一般超长距无中继传输中推荐使用1550.12nm的ITU-T标准波长。

ITU-T G.692给出的计算公式如下：

OSNR=58+Pout-L-NF-LogN

其中，Pout是发射端入纤功率，L是跨段损耗，NF是放大器的噪声指数，N是总的跨段数，对于单跨段系统而言，N取1，所以LogN取零。由上述公式不难看出，要想提高OSNR，在线路损耗已定的情况下，主要是考虑提升Pout并且降低NF，前面描述的SBS抑制技术已将Pout提升到了一个极限高度，降低NF的办法主要就是采用分布式的喇曼放大器，喇曼放大器的最大特点就是其等效噪声指数很低，典型范围在-3～0dBm之间。其基本原理来自受激喇曼散射(SRS)效应，当泵浦光较强时，入射光子与介质分子相互作用发生散射，散射过程中，入射光子的频率会发生下偏移，因此当在传输光纤中注入比信号光频率低（主要是14xxnm）的大泵浦光时，由于SRS效应使得一部分泵浦光能量转移到信号光上。由此不难看出，相比于EDFA而言，喇曼放大器的增益介质就是传输光纤本身，信号在传输过程中实现了分布式的放大，根据前面的OSNR计算公式可以知道，信号越早放大（即公式中的L越小），则系统的输出信噪比越大，所以喇曼放大器的输出信噪比会比普通EDFA的输出信噪比大，即相当于其噪声指数是负值。

相对于通过硬件上的技术突破途经来降低OSNR门限，软件上的技术改善也是非常重要的，而且也显得更为灵活。目前比较成熟实用的技术即是采用前向纠错技术（FEC）。FEC是指发送端的FEC编码器将待传输的数据信息按一定规则产生监督码元，形成的有纠错能力的码字，接收端的FEC译码器将收到的码字序列按规定的规则译码，当检测到接收码组中有错误时，译码器就对其差错进行定位并纠错，从而达到了降低OSNR门限的目的。其主要核心内容就是其编码方式，根据其编码方式的不同，其纠错能力也不尽相同，所能降低OSNR门限的能力也随之不同。如常见的RS（255，238）编码，简称RS-8，即239信息比特加上16校验比特为一个分组，分组码长为255，可改正最大突发错误码为8，线路速率提高7.14％，如果FEC并行8行处理，RS（255，238）最大纠正突发错误为1024bits。其线路误码性能的改善是极其惊人的。一般而言，衡量FEC的主要指标即是编码增益。如上述的RS(255,238)编码，其编码增益典型是5dB左右（2.5G速率）。个别厂家在研究普通RS编码的基础上，在此基础上级联了其它的编码方式，实现了增强型的级联编码方式，分别实现了8dB（2.5G速率）和6dB（10G速率）的编码增益。由于FEC是在不改变现有系统结构的基础上为系统提供充裕的线路预算，所以该技术产品也广泛应用在电力领域的超长距无中继传输系统中。

应用情况简介

相关的技术突破转化为产品商用才能最大限度地发挥其积极的作用，光迅科技多年来一直积极地同国家电网公司，南方电网超高压输电公司等电网公司合作研究，开发出一系列的适用于超长距无中继通信的设备，并在多个实际的项目中投入正式的运行使用，获得了良好评价。

早在2007年，光迅科技同南方电网超高压输电公司合作在南方电网百色-罗平段进行了345km2.5G超长距无中继通信的试验工作，配置了FEC、EDFA-BA、EDFA-PA、RFA以及光栅型DCM，系统运行三个月，误码等性能测试均获得良好的结果。随后在南方电网“十一五”黔电送粤施秉-贤令山500kV交流输变电工程中得到了广泛地使用，其中，桂林变-贤令山变跨距长度达318km，配置了FEC、SBS、EDFA-BA、EDFA-PA、RFA以及光栅型DCM等系列产品，系统自2008年7月开通以来一直运行正常稳定，此系统是国内目前唯一无中继传输超过300km的实际工程。而原来设计需要在中间建设中继站，根据设计预算，相对于目前稳定运行的超长距通信系统而言，将多支出近200万元，由此不难看出超长距无中继通信技术对于电力通信的经济性，可靠性，易维护性等方面有着巨大的优势。同属该工程的罗洞变-贺州变线路跨段达263km，采用FEC、EDFA-BA、EDFA-PA、RFA以及光栅型DCM等设备，系统自2008年7月开通以来一直运行正常稳定。相关设备在该工程中的平果-龙滩段，贺州-柳东段，河池-羊凤段，白色-天生桥段等也都得到了广泛的应用。

另外，在黑龙江省电力500kV电力通信工程中，采用转发式EDFA、RFA和EDFA-PA以及DCM等设备实现了加格达奇变-塔河变248.7km的2.5G系统的无中继传输，系统自2007年11月开通以来一直正常稳定地运行着。在华北电力500kV电力通信工程中，采用EDFA、RFA和EDFA-PA以及DCM等设备实现了固远-瀚海285km的2.5G系统的无中继传输，系统自2008年4月开通以来，也一直稳定运行。

类似这样的实际工程应用还有很多，限于篇幅，在此就不再一一赘述了。

同时，该系列产品配置了统一的网管软件进行监控，该软件采用当下流行的C/S架构，提供友善的操作界面，通过该软件，维护管理人员可以及时有效地对设备的运行状态进行监控。如下图所示：

图3 网管运行截图

总结

结合上述各种技术的特点，并根据实际项目的设计经验积累，通过不断的摸索研究，在此，给出一个2.5G及10G速率的经济可靠的超长距无中继通信设计及超长距系列传输产品选择的基本原则，希望能为超长距离传输设计提供一些参考：

在普通SDH设备无法满足要求时，首先考虑配置功率放大器（EDFA-BA），原因是其增益高，性价比也很高；

增加前置放大器配置，可有效提高接收灵敏度，性价比也较高；

增加FEC配置，此产品可有效降低系统对光信噪比的要求，操作也比较方便；

增加SBS抑制，目前此产品可以集成至高功率型的FEC设备中；

增加喇曼放大器配置。

通过上述配置，最高可支持到72dB（2.5G）和59dB（10G）的跨段损耗需求。当然如果在此基础上再增加诸如前向喇曼技术和遥泵等技术的话，其传输距离还可以得以延伸，但系统的构造和维护就比较复杂了。

作者：

武汉光迅科技股份有限公司 周昊 黄丽艳 张学勇 刘家胜

南方电网超高压输电公司 韦龙再