FEC技术对线路保护通道的影响分析

刘 娜，冷 淼

(1.中国能源建设集团辽宁电力勘测设计院有限公司，辽宁 沈阳 110179；2.沈阳城市建设学院，辽宁 沈阳 110167)

近年来随着国家电网有限公司对“新基建”工程的投入，出现了越来越多跨省际、超长距离的光纤通信电路。这些超长距离无中继的通信电路，由于传输距离远，传输信号衰减现象比较严重。而应用多种光放器件影响传输通道OSNR(Optical Signal Noise Ratio，光信噪比)值[1]，影响信号正常传输。FEC(Forward Error Correction,前向纠错)技术一方面为传输通道提供功率增益[2]；另一方面改善传输通道OSNR，延长信号的传输距离。

1 FEC技术概述

在超长距离传输系统中，为了提高信号的传输距离，可以采用2种措施：①提高信号的发送功率和接收灵敏度，增大信号的功率增益值；②采用差错控制减小信号在传输通道中发生的形变，提高传输通道OSNR。对于前一种措施常常采用BA(Booster Amplifie,功率放大器)、PA(Pre Amplifier，前置放大器 )、RFA(Raman Fiber Amplifier，拉曼光纤放大器)等技术解决[3]；而后一种措施主要通过FEC技术来实现。

1.1 FEC技术特点

FEC技术是通过发送端发送具有纠错能力的编码，接收端根据编码规律发现错误编码并自动纠正的过程[4]。应用FEC技术可以使传输通道BER(Bit Error Rate，误码率)大大降低，从而提高传输通道OSNR;通过编码纠错过程，提高系统增益值，增大信号的传输距离。FEC技术不需要反馈信道，译码延时固定，适用于实时性的传输系统。

FEC技术分为带内编码和带外编码2种。带内编码就是利用标准帧结构中专用或空闲的码元开销字节作为纠错编码字节进行编码，这种编码方式由于不增加其他额外带宽，使校验码位数有限，限制FEC技术的纠错能力；带外编码需要增加一部分系统的额外带宽，将前向纠错冗余字节装载到标准帧外，具有较强的灵活性，增强了FEC技术的纠错能力，在实际工程中广泛被应用。

1.2 FEC技术处理信号的过程

信号在光纤传输系统中传输过程如图1所示。信号首先经过发送端处理为适合线路传输的1550 nm光信号，通过光电转换为电脉冲信号，通过FEC编码器在电脉冲信号上增加校验位；然后经过电/光转换为光脉冲信号[5]，经过BA提高信号的发送功率，增加在光纤上传输的距离。在接收端，信号首先经过PA增加接收端灵敏度，从而提高系统增益；然后经过光/电转换为电脉冲，经过FEC解码器对信号进行检测和纠错；最后经过电/光转换为光信号还原客户信号。

图1 FEC技术处理信号传输的过程

1.3 FEC技术贡献指标

工程中采用普通型FEC技术对整个光纤传输系统产生贡献为8 dBm，采用增强型FEC技术对整个光纤传输系统产生贡献为10 dBm。

单通道光纤传输系统接收端OSNR在满足系统误码率BER≤10-12的情况下，不采用FEC技术时，OSNR>20 dB;采用FEC技术时，OSNR>12 dB。

2 线路保护通道要求

2.1 对传输时延的要求

光纤通道具有不受电磁干扰及电线故障影响等优点，已经成为线路保护通道的首选方式。对于220 kV及以上电压等级的线路保护，一般采用2套线路保护装置，每套线路保护采用2个不同路由的光纤通道。光纤通道的传输时间直接影响线路保护装置的动作时间，根据线路保护的工作方式不同，分为光纤差动保护和允许式保护2种。

采用光纤差动保护方式时，直达通道的传输时间要求不大于5 ms，迂回通道的传输时间要求不大于12 ms；采用允许式保护时，直达通道的传输时间要求不大于5 ms，迂回通道的传输时间要求不大于15 ms[6]。

2.2 影响时延的因素

线路保护通道按照传输的特点可以分为光纤专用通道和复用光纤通道2种。光纤专用通道不需要光电转换接口设备，线路保护装置直接与光纤相连。光纤专用通道设备连接如图2所示。

图2 光纤专用通道设备连接

由于专用光纤通道线路保护装置直接与光纤进行连接，通道时延主要是光信号在光纤中的传输时间。其通道时延为

(1)

式中：Td为光纤直达通道时延；n为光纤的折射率(1.48)；L为光纤线路的长度，km；C为光信号传播速度(3×105km/s)。

由式(1)可以看出，每km光纤线路延时为4.93 μs，在工程应用中一般按5 μs估算[7]。由于线路保护装置的光模块受到传输距离限制，目前各个厂家的光模块支持的最大传输距离不超过100 km[8]。专用光纤通道的最大传输时延为Td=0.5 ms。复用光纤通道的传输速率为2 Mbit/s或64 kbit/s，随着线路保护装置不断改进，目前复用光纤通道的速率主要考虑2 Mbit/s的方式。根据此种接入形式，信号在传输过程中需要完成光-电-光的转换过程，即线路保护装置发出光信号经过通信接口柜转换为2M电信号，2M电信号经过光纤传输装置转换为光信号传输。接收端信号经过光传输装置进行光电转换为2M电信号，2M电信号经过光电转换为光信号送至线路保护装置。复用光纤通道设备连接如图3所示。

图3 复用光纤通道设备连接

该种传输方式下通道时延由3部分构成：信号在光纤中的传输时间；信号通过光传输装置之间的时间；信号在光传输装置中进行上下业务的时间。通道时延为T=Td+TSDH+Te=5L+50N+60×2。 其中：Td为信号在光纤线路中的传输时延；TSDH为信号在SDH群路中的传输时延；Te为信号在2M电路中的传输时延；N为电路经过SDH网元的数量；L为光纤线路的长度，km。

信号在每套SDH群路中的时延为50 μs，在2M电路中每台装置传输时延为60 μs[9]。由于光传输装置各个厂家参数不一致，根据《电力系统同步数字系列(SDH)光缆通信工程设计技术规定》相关内容，上述参数为保守值。

2.3 FEC技术对线路保护通道的时延

由于FEC技术在传输过程中采用光-电-光转换技术，增加了对信号的编码和解码的时间，使信号在传输过程中产生时延。所以信号经过FEC装置的时延为T=Td+TSDH+Te=5L+50N+60×2+200M。其中：M为光传输电路FEC装置的数量。根据FEC装置厂家提供的资料，信号经过FEC装置的时延一般不超过0.2 ms[10]，取保守值。时延大于经过SDH设备和上下业务的时延。

3 时延计算

某地区有500 kV电站A、B、C、D、E、F、G，计算变电站A、B之间的线路保护通道时延。

变电站A、B、C、D、E、F、G之间均架设OPGW光缆，纤芯类型为G.652单模光纤；7座变电站组成SDH 2.5G光环网。光纤电路建设方案如图4所示。

图4 光纤电路建设方案

变电站A至变电站B的线路保护通道采用双通道配置，由于直达路由超过100 km，2条通道均采用复用光纤通道，速率为2 Mbit/s。通道的组织：通道一为变电站A-B直达光路；通道二为变电站A-G-F-E-D-C-B-A迂回光路。

a.在不考虑FEC技术的情况下，通道时延计算：直达通道时延为T=1.41 ms；迂回通道时延为T=6.35 ms。

b.在考虑FEC技术的情况下，通道时延计算：直达通道延时为T=1.91 ms；迂回通道时延为T=7.25 ms。

该工程实际投产后，经过实际测量通道时延与理论计算值基本吻合。A站至B站的直达通道时延为1.87 ms，A站至B站的迂回通道时延为7.69 ms。

由上述实例可以得出,对于复用光纤通道，直达通道中继距离在400 km之内时，考虑FEC技术和不考虑FEC技术时通道时延相差约0.5 ms；迂回通道中继距离在1500 km之内时(大多数中继段都在300 km以内，通道节点数量不超过5个)，考虑FEC技术和不考虑FEC技术时通道时延相差约1 ms。根据线路保护通道对光纤时延要求，通道时延都在ms级别，因此采用FEC技术对线路保护通道时延有一定影响。对于光纤保护的迂回通道，当采用FEC技术数量M超过10个及以上时(通道5个及以上节点均采用FEC技术)，保护通道时延可能不满足12 ms时延要求。

4 结束语

220 kV及以上电压等级的线路保护通道主要以光纤差动保护方式为主。当光纤保护通道为复用2M通道经过多点迂回时，除了考虑光纤线路的时延、群路与群路之间的时延以及群路与支路之间的时延以外，如果光纤线路采用FEC技术，在计算2M迂回通道时延的过程中，还应该根据FEC装置配置的数量综合考虑对光纤线路保护通道的时延。