雷击OPGW光缆对电力100G OTN系统影响分析

解文明，李永嫚，张 艳（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏南京 210019）

0 引言

近年来，100G OTN［1］得到了大规模商用，电力行业也逐渐开始部署100G OTN 骨干网络。但在雷雨季节，电力100G OTN［2-5］骨干网络部分链路多次随机闪报OTN_LOF 告警，每次告警产生后立即消除，持续时间为1～2 s，在为期几个月的雷雨季节里告警次数累积可以达到几十次。经分析，发现导致此异常的原因是雷击导致OPGW（Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire）中的光信号的偏振态（State Of Polarization，SOP）波动，进而导致100G OTN 设备误码。本文重点研究雷击OPGW对100G OTN系统的影响。

1 电力通信OPGW 光缆介绍及其面临的挑战

1.1 电力通信OPGW光缆介绍

OPGW［6］光缆也称光纤复合架空地线，具有地线与通信双重功能，已经在电力骨干光通信网络中广泛应用。OPGW 优点是适合在新建线路上架设，强度高、运行相对安全可靠，缺点是在雷雨天气较多的地区，因雷击造成OPGW 光缆断股损坏的情况时有发生［7］。

1.2 OPGW光缆应用面临的主要挑战

打雷时，云层放电击中OPGW 附近区域，OPGW导体内会产生高强度的瞬时雷电流。雷电流分为沿着OPGW 的螺旋结构流过的螺旋分量和从OPGW 表面直接流过的直通分量2部分。雷电流沿螺旋方向流过OPGW 时将在OPGW 光缆内部产生平行于OPGW轴线的磁场，在法拉第磁光效应的作用下光纤内所传输的光信号的SOP［8］剧烈波动，波动速度超出系统容限后，接收端无法准确恢复信号偏振态，导致信号误码率增加甚至信号丢失。

2 SOP及引起SOP偏转因素分析

2.1 光信号SOP概念

在垂直于光传输方向上，可以将光分解为2 个相互独立的振动方向（偏振），偏振态（State of Polarization，SOP）则由2 个偏振之间的振幅比值、相位差决定。理论上，可以用3×1 矩阵（Stokes 矩阵）直观地表示光域上的SOP 状态。假设分别以S1、S2、S3为3 维坐标系的3 个坐标轴，则光场的每个SOP 状态均可对应在一个球面的某个点上。光信号SOP 的变化可以用光信号的Stokes矢量在邦加球上的运动表示。光信号Stokes矢量在邦加球上运动示意如图1所示。

图1 光信号Stokes矢量在邦加球上运动示意图

光信号t1时刻的偏振态为a，在邦加球上表示为点a；光信号t2时刻的偏振态为b，在邦加球上表示为点b；偏振态a和b之间的角度表示为α，单位为rad；偏振态的变化速度为α/（t2-t1），单位为rad/s。

2.2 引起SOP偏转因素分析

引起SOP 变化的因素较多，主要分为线性效应和非线性效应2类。线性效应包括温度改变、振动、应力（挤压、形变）等机械扰动和强放电（雷击、闪电）等法拉第效应。非线性效应包括入纤光功率、光纤类型、波长数目、波长间距等造成的交叉偏振调制。

研究发现：直埋光缆环境稳定，SOP变化速度一般在几十krad/s 以下，因此使用直埋光缆一般不需要考虑SOP 变化的影响。受风、温度和雷电等外界环境影响，架空、沿铁路铺设及电力OPGW 光缆的SOP 变化速度可从几百krad/s 到几Mrad/s，其中雷电对OPGW光缆的SOP 影响最大，需特别关注其SOP 变化带来的影响。

3 雷击与SOP波动关系分析

3.1 雷击强度及概率分析

根据《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》（DL/T 620-1997）和《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》（GB/T 50064-2014），我国一般地区雷电流幅值及其概率的计算方法如下：

其中，P为雷电流幅值概率，I为雷电流幅值（kA）。

根据此标准，得出雷电流幅值及超过对应雷电流幅值的概率，如表1所示。

表1 雷电流幅值及超过对应雷电流幅值的概率

由此可以得出雷电流发生的概率，如表2所示。

表2 雷电流发生概率表

如果考虑雷击导致误码影响业务的概率，还要另外计算雷击发生的概率以及雷击直击OPGW 的条件概率。

3.2 雷击电流对SOP变化影响

通常自然界雷电流有2 种放电形式：脉冲冲击电流和长时间连续电流，其特点如表3所示。

表3 脉冲冲击电流和长时间连续电流对比表

根据《架空输电线路防雷技术导则》（Q-CSG 11077002-2018），雷电流波形用2.6/50 μs的Heidler模型描述，即波头持续时间为2.6 μs，波尾持续时间为50 μs。

雷击导致OPGW［9-10］光信号SOP 偏转的全过程包括以下2个阶段。

a）波头阶段：持续时间为微秒级，在几微秒到几百微秒时间内，SOP 偏转角速度迅速上升到本次波动的最大值。

b）波尾阶段：持续时间为毫秒级，在几毫秒到几百毫秒时间内，SOP 偏转角速度振荡衰减到无雷击时的较低水平。

基于保守估计原则，将雷击电流直接视为OPGW中电流，计算出SOP强度与雷击电流关系如表4所示。

表4 SOP强度与雷击电流关系表

4 SOP波动对100G OTN系统及其业务影响

4.1 SOP波动对100G OTN系统影响

100G 系统采用相干PM-QPSK 技术，发送端通过偏振分束器将光信号分成x、y2个垂直的偏振方向，分别对x、y偏振方向上的光信号进行QPSK 调制，偏振合波器将x、y2 个偏振方向上已经调制好的信号合路成一路信号。接收端将接收信号分离到x、y2 个偏振方向上，通过相干接收将x、y偏振方向上的光信号转变为电信号，然后采用高精度DAC 将电信号变成0101…数字码流，最后通过DSP 高速数字处理去除色散、噪声、非线性等干扰因素，还原从发端发出的100G信号。

100G 光传输系统采用了数字相干接收技术，通过相位分集、偏振态分集技术将光信号的光学属性映射到电域，利用成熟的DSP 技术在电域实现偏振解复用、信道损伤均衡补偿、时序恢复、载波相位估计、符号估计和线性解码。

对于普通直埋的光缆而言，100G 数字相干接收机在设计的时候充分考虑了光传输链路噪声和干扰特性，系统具有足够的CD 和PMD 容限，无需考虑线路传输上的CD 和PMD 的影响。对于采用了偏振态复用的100G及以上速率的OTN光传输系统，相干接收机需要实时跟踪光信号的SOP 状态，才能够有效地进行偏振态解复用、PMD 补偿以及信号恢复和数据提取操作。当光信号SOP 变化速度超出100G 相干接收机的容忍能力时，OTN 系统可能会出现瞬时闪断或误码，影响信息数据的安全可靠传输。相干码型对SOP 变化的处理流程如图2所示。

图2 相干码型对SOP变化的处理流程图

相干码型通过MIMO 算法跟踪SOP 的变化，如果SOP 的变化超过oDSP 的跟踪能力，则会出现纠后误码。具体实现原理如图3所示。

图3 相干码型跟踪SOP变化原理图

4.2 SOP波动对承载业务的影响

根据业务功能、特点将电力通信业务划分为电网运行业务（运行控制业务、运行信息业务）和企业管理业务（视频会议、办公电话、办公自动化和远程培训等）。运行控制类业务要求通信误码率≤10-8，运行信息类业务要求通信误码率＜10-6，管理类业务要求通信误码率≤10-3。

目前，电力100G OTN 只承载视频会议等企业管理类业务，暂未承载传统电力通信控制类业务。在发生雷击时对视频会议业务进行测试，视频会议业务出现瞬间卡顿/丢帧现象，测试最大误码率折算为10-5数量级，暂时无法满足电力运行业务承载要求。

5 主流100G设备抗SOP性能及改进思路

5.1 100G OTN设备SOP容限

给定100G OTN 设备及相应板卡，其SOP 容限并非是一个固定值。为OTU光接口预留的OSNR富余度越大，SOP容限越高，反之亦然。

在二维坐标系上，SOP 容限和OSNR 富余度的关系可用一条单调递增曲线描述。从横向比较，抵御SOP 偏转能力越强的设备，这条曲线就越远离y轴、越平缓（即消耗较少OSNR 富余度就能抵御很高速的SOP 偏转）；抵御SOP 偏转能力越弱的设备，这条曲线就越靠近y轴，越陡峭（即消耗较多OSNR 富余度也只能抵御较低速的SOP偏转）。

5.2 主要设备厂商抗SOP性能指标分析

为了解主流设备厂家抗SOP 性能指标，需统一对抗SOP性能指标的理解，特定义以下指标。

抗SOP 接收机OSNR 容限（EOL）定义为在给定的SOP 强度下测试得到的背靠背OSNR 容限，本容限含SOP引入的OSNR代价值。其中：

OSNR 代价（SOP）=给定的SOP 强度下测得的背靠背OSNR 容限值-SOP 为0 Mrad/s 时测得的背靠背OSNR 容限值。

OSNR 代价（系统传输通道代价）=给定SOP 强度时测得的过系统OSNR 容限值-给定SOP 强度时测得的背靠背OSNR容限值。

根据调研，在给定8、9 Mrad/s SOP 强度时，各厂家OSNR 容限（EOL）值、OSNR 代价（SOP）及接收OSNR最小值如表5所示。

表5 给定SOP强度下不同厂家设备的OSNR性能指标

5.3 SOP容限改进思路及手段

SOP容限改进主要是通过软硬件优化的手段提高DSP处理能力。

改进手段1：调节oDSP 芯片的时域均衡（TDEQ）环路的跟踪能力（更大步长，和/或更快速度），实现对SOP 的更快速跟踪，其缺点是会损失小部分BtB OSNR容限。

改进手段2：在发端增加训练序列，实现SOP 的瞬时值计算。

改进手段3：采用动态预扭曲和整形技术，实现快速SOP跟踪。

由于DSP 模块集成在100G 线路盘上，不涉及设备平台，需要厂商推出容限更高的线路盘。

要提高设备忍耐SOP的能力，相应的代价如下。

a）轻微的OSNR容限损失（不超过0.5 dB）。

b）雷击导致SOP 高速偏转持续的ms 级时间段内，会消耗OSNR 富余度。举例来说，设计规范要求预留至少4.5～6 dB 的OSNR 富余度（实际执行时预留更多），雷击较弱时，预留的OSNR富余度足以消除误码；雷击较强时，预留的OSNR富余度不足以消除误码。

6 电力100G OTN系统设计建议

6.1 SOP强度取值建议

根据各厂家抗SOP 指标分析，目前各厂家的抗SOP 能力在8～11 Mrad/s 的水平，在当前技术水平下，100G OTN 设备无法完全避免雷击引起的超过该强度的SOP问题。

系统抗SOP 能力越强，需要牺牲的OSNR 代价越大，接收OSNR 最小值就越大，单跨段最大传输距离就越短。当SOP 变化速率超过一定程度后，系统无法通过预留足够的OSNR 来抵御SOP 变化。给定OSNR 代价（SOP）值为10 dB时，可以抵抗的SOP 强度最大为8 Mrad/s。

根据参考文献［11］，现网SOP 的最大值为5.1 Mrad/s。我国东南沿海是雷暴区，电力100G OTN 系统建设时SOP 强度建议按照8 Mrad/s 考虑，即当雷击引起的SOP 强度低于系统设定的SOP 强度值8 Mrad/s时，系统不会产生误码或闪断。

6.2 OSNR裕量取值建议

受雷击影响，电力100G OTN系统需要抵抗的SOP大小没有设定依据、100G OTN 系统OSNR 指标没有规范依据、3%概率强雷击对生产性业务或者高质量要求业务的影响暂时无法验证。

根据《N×100G 超长距离光波分复用（WDM）系统技术要求》（YD/T 3070-2016），OSNR裕量取4.5～6 dB。

在此基础上，电力100G OTN 系统建设需考虑到雷击情况的影响，现有厂商已经验证，当系统OSNR富余度在8.5 dB 左右时可抵御8 Mrad/s 左右的SOP 变化速率，对应每次雷击最严重情况下误码的概率为3.16%。另考虑到改进SOP 后的板会存在轻微的OSNR 容限损失，100G OTN 系统的OSNR 裕量建议按照大于8.5 dB进行预留。

7 结束语

100G OTN光传输系统采用偏振态复用技术，只有相干接收机实时跟踪光信号的SOP状态才能够有效地进行偏振态解复用、PMD 补偿以及信号恢复和数据提取操作。雷击OPGW 光缆导致单波100G OTN 光信号SOP 瞬时高速变化，当光信号SOP 变化速度超出100G相干接收机的容忍能力时，100G 系统可能会出现瞬时闪断或误码，影响信息数据的安全可靠传输。

目前设备厂家已通过软硬件优化方式改进100G OTN 设备SOP 容限，可以有效地降低雷击OPGW 对其影响。主要设备厂家抗SOP 能力在8～11 Mrad/s 的水平，当3%的雷击超过系统设定的SOP 强度值时，系统会产生误码或闪断，影响100G系统承载生产性业务或其他高质量要求的业务。

电力100G OTN 系统建设前建议对现网OPGW 光缆进行SOP 强度监测，统计获取SOP 强度值，为100G系统建设提供数据支撑。