基于OTN技术的电力通信传输网络优化研究

2022-05-11赵阳金燊宋伟段程煜

微型电脑应用 2022年4期

赵阳，金燊，宋伟，段程煜

(国网冀北电力有限公司信息通信分公司，北京 100053)

0 引言

随着智能电网建设的推进，信息化应用的需求不断增加，电力通信系统的带宽扩展建设进一步加快[1]。各种信息应用系统在电力市场已进入建设阶段或实际应用阶段，这类系统应用范围广泛，实时性、可靠性要求高，对带宽的要求也越来越高[2]。目前仅依靠现有的基于同步数字系统技术的主干传输网络，显然已经不能满足我国电力发展的需要[3]。

利用OTN(Optical Transport Network)光分插复用设备(FIROADM)实现多路网络。以光交叉OTN网络为基础，利用G709规范的封装规程映射，在光层实现波长级交叉调度和信号传输。能够进行波长级端到端业务的交叉调度，调度能力比电交叉连接强；服务可以在光层中运行，无须在电层中处理；光交叉连接可以实现灵活的组网，支持网状网络；设定光通道、多路等多种光层保护方式。但是存在着波长一致性的限制，必须采取措施来避免资源冲突，长距离传输会导致信号衰减和色散，需要增加光放大器和色散补偿，这会带来截面距离较短、光交叉装置的成本比电交叉装置高的问题[4]。因此在电力通信网中应用OTN设备可以综合考虑，引入多个设备，各个设备互相配合、彼此协作，从而达到扩大其传输网络结构、增大其传输距离的目的[5]。

OTN最大的优势在于具有大粒度交叉调度能力，能够满足大容量交叉调度和传输的要求，所以首先考虑将其用于核心骨干层[6]。但是，随着OTN技术的发展，国际电信联盟电信标准分局ITU-T(ITU Telecommunication Standardization Sector)定义了ODUO (1 Gibit/s)交叉粒子[7]。由于OTN也能提供较少的交叉需求，所以OTN的应用已经扩展到了较低的网络层次，将来可以直接由OTN+接入层构建整个传输网络结构。通过提高资源利用率来降低网络阻塞、增强通信网络传输距离[8]。

OTN传输网络的基本特点是大容量、远距离。此外，OTN采用了新的调制编码技术，并结合色散可调补偿和电域均衡技术，使网络的高速、高容量组态组网距离显著增加，同时也大大提高了OTN网络在高速大容量配置的情况下组网之间的距离[9]。在此基础上，本文基于OTN技术研究一种新的电力通信传输网络优化方法，并通过实验验证方法的可行性。

1 基于OTN技术的电力通信传输网络传输距离优化

在应用OTN技术优化电力通信传输网络时必须考虑影响信号传输距离的因素，目前得出的因素主要有衰耗、色散和非线性效应等，因此基于OTN技术建立的优化方案要从上述因素入手增加传输距离[10]。

(1) 衰耗

光信号在光纤中的衰减是光信号传输时的能量损失。在材料对光波的吸收和传输过程中，由于光波本身的散射而造成能量损失。自然吸收损耗与散射损耗相互叠加，形成光纤的自然损耗谱。

(1)

(2)

式中，L表示被测光纤长度，km，P1、P2分别表示输入光功率和输出光功率，kW。

表1 光纤典型衰减常数

随着科技进步，现有光纤的衰减系数可以降低到0.16 dB/km，再加上0.02 db/融合点的光缆融合拼接。在形成和安装普通光缆时，光缆的衰减系数一般为0.190.21 dB/km左右。在衰减受限系统中，中继距离越长，则光纤通信系统的成本越低，获得的经济效益越高。

(2) 色散

光纤的基本特性之一是色散。由于光的传播速度依赖于介质的折射率，而光纤的折射率又依赖于光信号的波长，所以光在光纤中的传输速度就会有所不同，这被称为分散效应。光纤通信中，色散会使信号脉冲在传输过程中发生变宽，造成码间的串扰，最终影响系统的整体性能。在光纤中存在2种基本的色散效应：色度色散和偏振模色散。一段光纤的色散分为色度色散和偏振模色散PMD(polarization-mode dispersion )传输系数、传输速率和传输距离之间满足如下关系：

(3)

式中，B表示传输速率，PMD表示偏振模传输系数，在值一定的情况下随着传输速率的增加，传输距离将急剧缩短。

对于任意一段光纤段来说，其值可以用平均值<Δτ>来表示：

(4)

式中，<·>表示取平均值，Δβ表示光纤的双折射，LB表示偏振模式耦合长度。

在光纤传输光信号时，色散是一个必须考虑的重要问题。这是由于光纤中不同频率的信号光波传播速度不同，造成长距离传输后的信号扩展，从而引起前后相位的变化。邻近信号脉冲重叠造成对应的位置误差。传输距离与码速、光纤的色散系数以及光源的谱宽成反比，系统的传输速率越高，光纤的色散系数越大，光源谱宽越宽，为了保证一定的传输质量，系统信号所能传输的中继距离也就越短。

(3) 非线性效应

非线性效应导致脉冲压缩、频谱展宽，严重影响高速光通信系统的传输质量。单模光纤的非线性特性可以分为受激散射特性和非线性折射率效应2种。受激散射呈现出与光强有关的增益或损耗，而非线性折射则呈现出光强相关的相移。非线性折射率的影响主要表现为自相位调制/交叉相位调制以及四波混合频率。

图1 单模光纤的非线性效应示意图

实际光纤的纤芯几何形状可能不再是标准的圆柱，纤芯折射率也可能因内部残余应力、扭曲等因素的影响而非理想的轴对称分布。

建立OTN组网方案，实现电力通信保护提高电力通信网络的传输距离，进而完成电力通信传输网络传输距离优化。

2 实验研究

为验证优化后的基于OTN技术的电力通信传输网络优化效果，设定验证实验。为确保验证结果的精准度，对测试实验环境做出如下要求：环境温度0～40 ℃；相对湿度为3%～97%；实验环境内部灰尘不能超过14×105。基于OTN技术的电力通信优化传输网络如图2所示。

图2 基于OTN技术的电力通信优化传输网络

G652普通光纤在不同波段的衰减谱如图3所示。

图3 常规光纤Cz652在各个波段的衰耗谱

在形成和安装普通光缆时，光缆的衰减系数一般为0.190.21 dB/km左右。

实验时，针对电力通信网络的每个业务都引入主、备2条路由，同时向路由分配波长，这样每个业务都会拥有1条属于自己的备用波导，设定通信网络中的每根光纤可用波长为8，该跨段光缆全长 140.56 km，全程测试衰耗约为42.56 dB，承载波道为 193.5、193.6、193.7、193.8 四波。采用有线、无线异构网络方案来提升网络系统可靠性并为资产巡检提供业务通道，得到的网络内部各个节点的配置结果如表2所示。