基于波分复用技术的光纤倍增系统设计与实现

秦 蒙,陈凌希,李 宏,何建森,甘性伟

(1.重庆电力高等专科学校,重庆 400053;2.国网重庆市电力公司合川供电分公司,重庆 401520)

0 引言

随着世界通信技术的迅速发展,光纤通信凭借着通信容量大、抗干扰能力强、传输速度快等优点逐渐发展成为目前最主要的通信方式之一,并广泛应用于电力、军事、电信、工业控制等领域[1]。特别是近年来,随着5G技术及物联网技术等通信业务的快速增长,各类组网方式对光纤资源需求量与日俱增,导致现有光纤资源无法满足其需求。特别是在电力系统中,伴随“三型两网”的推广与应用,通信业务快速增长,当前组网方式已经不能充分满足业务对电力通信网络的实际需求。而现有的解决方法往往是为新增业务铺设光纤,但是这种方法会导致整个项目周期变长,也会带来投资和运营成本增高等问题。因此,当前迫切需要一套运行稳定、成本可控、灵活部署且便于维护的光纤智能倍增系统来完成对通信系统的扩容与管理,进一步提高光纤通信系统的数据传输能力[2]。

1 系统工作原理

本文设计的基于波分复用技术的光纤倍增系统可以将 155 M/s～11.3 Gbit/s 速率范围内任意协议的业务信号进行光-电-光(Optical Electric Optical,OEO)放大,并转换成符合密集光波复用(Dense Wavelength Division Multiplexing,DWDM)/稀疏波分复用(Coarse Wavelength Division Multiplexing,CWDM)标准的波长,从而为城域网/传输网以及接入网提供光纤资源迅速倍增提供可能,可有效解决运营商城域网、接入网新建业务时光纤资源不足等问题。通过该系统点对点的快速部署实现纤芯的快速扩容,从而大大提高光纤纤芯使用效率,最大限度地减少对纤芯资源占用[3-4]。

基于波分复用技术的光纤倍增系统通常包含两套光纤倍增装置,如图1所示,发送端的光倍增设备通过OEO的转换原理使光信号再生,不仅可以实现光信号的再生放大,还可以把光通路信号的非标称波长转换成符合国际电信联盟电信标准分局(International Telecommunication Union Telecommunic-ation Standardization Sector,ITU-T)建议G.692 规定的标称光波长,然后通过合波将多路信号合为一路信号进行传输;接收端的光倍增设备再结束到发送端发送的光信号之后,先由分波器将一路光信号还原为多路信号,然后再通过波长转化模块将其还原G.957非标称光信号。除此之外,系统还包括光放大器(含BA、LA、PA)及光监控信道等[5-6]。

系统中各模块具体作用如下:

(1)波长转换器:将G.957光信号通过光/电(O/E)转换,然后对电信号进行整形,定时提取和数据再生,最后再进行电光(E/O)转换。转换成波长、色散、发光功率均满足G.692规范要求的光信号,同时做到兼容155 M～10 G速率的光接口业务。

(2)光合波器(光复用器):在发送端,把具有标称波长的各复用通路光信号合成为一束光波,然后输入到光纤中进行传输,完成对G.692固定波长光信号的合波,即对光波起复用作用。

(3)分波器(光解复用器):在接收端,把来自光纤的光波分解成的标称波长的各复用光通路信号,然后分别输入到相应的各光通路接收机中,完成对G.692固定波长光信号的分波,即对光波起解复用作用。

(4)光放大器:系统中的光放大器主要包含光功率放大器(BA)、光线路放大器(LA)和光前置放大器(PA)。主要是对复用后的光信号进行放大,使WDM系统能进行超长距离传输。

(5)光监控信道:光监控信道往往独立于主光通道,是监视、控制和管理光倍增设备的通道,其工作波长一般为1 510 nm,信号速率为2.048 Mb/s。主要负责整个光纤倍增系统的管理和监控,包括对EDFA的状态进行监控,使网络管理系统能有效地对光纤倍增系统进行管理,从而实现公务联络。

在骨干网、本地网及接入网等各类应用场景中,基于波分复用技术的光纤倍增系统可快速实现纤芯资源的倍增,从而进一步提高各类应用场景下的光纤利用效率。

2 系统主要功能

基于波分复用技术的光纤倍增系统利用光-电-光的转换原理实现光信号的再生、放大和波长转换,通过配合粗/密集波分复用(C/DWDM)合解波器可实现波分复用传输。该系统在发送端将不同业务光信号进行合波,然后合波信号通过一根光纤便可以进行信号传输,接收端在接收到合波信号后进行解波并传输至对应业务设备,从而有效节省光纤资源,该系统可为光纤中继和光纤资源紧缺的传输线路提供快捷、低成本的传输方案。其具体功能主要包含以下4个方面。

(1)基于波分复用技术的光纤倍增系统通过光/电(O/E)转换、电信号整形、定时提取、数据再生及电光(E/O)转换等一系列技术手段,将G.957非标称光信号转换成波长、色散、发光功率均满足G.692规范要求的标称光信号,同时,做到兼容155 M～10 G速率的光接口业务。

(2)基于波分复用技术的光纤倍增系统将波分复用技术(WDM)应用于光纤资源优化,将多个不同波长的光载波信号在发送端经合波器(MUX)复用在一起,并耦合到光线路的同一条光纤中进行传输。在接收端,经解波器(DEMUX)将各种波长的光载波解复用,然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号,可同时兼容目前主流SDH设备和数通设备的光接口。

(3)基于波分复用技术的光纤倍增系统通过利用光纤的低损耗波段来增加系统光纤的传输容量,使一对光纤传送信息的物理限度增加至数倍。此外,系统还允许在线路中间增加或删减信道。同时,在对原有系统进行细微改动的情况下,通过不同波段波长的提取使用,便可轻松实现多个单向信号或双向信号的快速传送。

(4)基于波分复用技术的光纤倍增系统采用先进的动态同步切换光开关技术,可为光纤线路提供断路保护功能,进一步提升光纤线路的安全性。当光传输线路上光纤损耗变大或意外折断而导致通信质量下降或通信中断时,系统会根据智能故障安全检测倒换机制,在极短时间内自动地将光传输线路由在用路由切换至备用路由,从而保证通信线路的正常工作,将光纤故障恢复时间从数小时压缩至毫秒级。

3 系统测试

3.1 系统合解波设备通道插入损耗测试

为了测试光纤倍增系统的合解波设备通道插入损耗是否符合要求,首先,将DWDM稳定光源直接接到光功率计(Optical Power Meter,OPM)上,同时测试DWDM稳定光源的光功率值并记录;然后,如图2所示连接好相应的设备,将待测设备的输出口依次接入光功率计并记录各个输出端口的光功率值;最后,用未接入待测设备时的测试结果与接入测试设备后的测得结果相减,查看二者的差值是否符合测试要求。

图2 光纤倍增系统合解波设备通道插入损耗测试

3.2 系统输出光功率测试

为了测试光纤倍增系统的输出光功率是否符合要求,首先,如图3所示将OPM(光功率计)接口与系统光模块Tx口相连;同时将光功率计设置到正确的波长范围和单位,并读取光功率计上显示的待测设备光模块的输出光功率;然后,将读取的数值与光模块标准参数进行比较,以此判断系统的输出功率是否满足要求;最后,重复以上步骤,直至所有光模块测试完成。

图3 光纤倍增系统输出光功率测试

3.3 系统稳定性测试

为了测试光纤倍增系统的稳定性是否符合要求,首先,如图4所示连接所有设备;其次,使用误码仪发送要求测试的业务类型;最后,调节误码仪无误码后持续运行,72 h后观察系统的误码情况。

图4 光纤倍增系统交叉转发模式

此外,系统还进行了DWDM模块Tx口发光波长精度测试、光模块Rx口接收灵敏度测试等。完成了与华为、中兴及华三等厂家各类光接口的业务对接测试、电源1+1保护测试及光口线路1∶1保护测试等。测试结果显示,光纤倍增系统所有模块的性能均能满足行业标准,系统保护倒换也无误码产生,且倒换时间不超过1.8 ms。

4 系统创新点

本文设计的基于波分复用技术的光纤倍增系统,具有稳定性好、功耗低、抗干扰能力强等优点,在光纤通信中有着广阔的市场前景。发送端先将不同业务光信号进行合波,然后通过一根光纤进行传输。接收端在接收到信号后先进行解波,然后将各业务波传输至对应的业务设备,从而有效提高光纤资源的利用率,特别适用于GE、STM-1～16、SDH、以太网等光通信系统。其创新点可归纳为以下几点。

(1)系统主要采用目前较为成熟的波长转换技术和波分复用技术完成设计,通过测试,整个系统运行顺畅且成熟可靠。

(2)系统按照运营商和其他专网行业使用标准进行设计,能很好地兼容华为、中兴及H3C等厂家的主流设备,能完全满足155 M、622 M、1.25 G、2.5 G及10 G的接口场景,具有较好的兼容性。

(3)系统主要采用无源波分设备进行搭建,制造成本低,与传统的光纤铺设相比,极大地节省了建设投资成本。

(4)系统采用标准机箱尺寸进行设计,整套设备小巧轻便,可广泛应用于各种复杂的环境,并且具有易安装、易维护等优点。

(5)系统采用先进的动态同步切换光开关技术,当光传输线路出现故障时,能在极短的时间内自动地切换至备用线路,从而保证了通信线路的正常工作,具有极强的线路保护能力。

(6)在各类应用场景中,直接增配该套光纤倍增系统可使传送距离为80 km以上,此外,还可以通过外置光路子系统进一步增加系统的传输距离。

5 结语

基于波分复用技术的光纤倍增系统是专为城域网/传输网以及接入网光纤资源迅速倍增设计,通过点对点的快速部署实现纤芯的快速扩容,进一步提升光缆纤芯的使用效率。系统通过光-电-光(OEO模式)的转换原理实现光信号的再生放大和波长转换,通过配合粗/密集波分复用合解波器实现信号复用传输,可将多路业务纤芯合波为一路纤芯进行传输,从而为骨干网、本地网及接入网各种应用场景中的纤芯资源倍增提供可能。此外,在实际应用场景中,还可以通过增加光路子系统来延伸倍增设备线路侧的传输距离,以适应超长距离传输通道应用场景,满足通信骨干网中长距离传输的需求,为光纤中继和光纤资源紧缺的传输线路提供快捷、低成本的传输方案。