超長跨距關鍵技術研究

超長跨距關鍵技術研究

0無中性傳輸系統方案優(yōu)化在長距離內，無高差的長距離內，沒有長距離內的遠程災害設備，以及長距離內的寬帶寬帶特殊網絡具有不可替代的重要作用。現有的無中繼傳輸技術主要通過優(yōu)化光發(fā)射/接收器提高線路上放大器的功率增益,以及使用低噪聲指數的喇曼放大器(RA,RamanAmplifier)等方式來實現。隨著通信需求的增長,要求無中繼傳輸能夠覆蓋更遠距離,并提供更大傳輸容量,因此,需要在無中繼傳輸系統中融合最新技術以提高系統的傳輸性能。國外通信巨頭所提供的解決方案雖然技術先進但通常造價昂貴,且往往研發(fā)周期較長,難以實現快速配置。在國內工程應用中,必須整體考慮無中繼方案的系統成本及傳輸性能,對2方面進行綜合優(yōu)化后才能對工程方案進行配置升級。本文筆者提出并分析了用于超長距光傳輸的數項關鍵技術,驗證了慧方通信公司提供的新一代超長跨距無中繼光傳輸系統AnyhaulULS產品參數及工程應用性能,探討了幾種典型的應用案例。1低負荷條件下光纖傳輸系統的性能要求超長站距光傳輸系統有別于傳統的通信系統,其單跨距的光纜長度一般要求200~300km,線路中間不能有任何的中繼設備。在這個條件下,光纖中的色散效應、非線性效應和近60dB的光功率損耗對光傳輸系統提出非常高的要求。要實現超長站距傳輸,必須對系統的各個環(huán)節(jié)進行精巧的設計和優(yōu)化,采用非常規(guī)的高端技術,比較成熟的技術方案包括光源譜寬控制技術、糾錯編碼技術、喇曼放大技術、通信線路安全及信號監(jiān)控技術、高增益摻鉺光纖放大技術和鏈路信噪比控制管理技術等。1.1光纖以散色信號強制通信光源譜寬控制技術主要針對光纖中的色散和受激布里淵散射(SBS,StimulatedBrillouinScattering)效應。光纖中的色散效應與光信號的譜寬有關,在頻域表現為頻率啁啾,譜寬越寬越容易受色散影響;SBS會導致部分光功率因散射損失掉,散射的閾值隨信號譜寬增加而升高。光纖色散主要包括色度色散和偏振模色散,其對通信系統的性能影響主要表現在對傳輸中繼距離和傳輸速率的限制。色散對中繼距離的影響機理主要是色散使傳輸脈沖展寬,從而產生脈沖碼間干擾。當色散引起光信號脈沖的展寬大于0.3倍的輸入脈寬時,光接收靈敏度將急劇下降,引起均衡困難和誤碼率的增加。因此要想保證通信質量,必須增大信號編碼間距,由此降低了碼速率,減少了通信容量。目前的色散補償及管理技術有多種形式,主要有色散補償光纖、色散管理光纖、啁啾光纖光柵以及啁啾控制技術等。1.2最大編碼增益FEC是一種數據編碼技術,指信號在被傳輸之前預先對其按一定的格式處理,在接收端則按規(guī)定的算法進行解碼以達到找出錯碼并糾錯的目的。采用FEC技術,允許從低比特誤碼的編碼數據中重新編碼構成一列無誤碼數據流。由于不需反饋信道,因此特別適合只能提供單向信道的應用場合,而且由于能自動糾錯、不需重發(fā),因此時延小,實時性好。FEC能夠消除系統性能曲線中的誤碼率平臺現象,所帶來的編碼增益提供了一定的系統富余量,能夠降低線路中不良因素對系統性能的影響。在超長距傳輸時,可以增加光放大器間隔,延長傳輸距離,提高信道速率,降低單通道光功率。FEC有帶外和帶內2種實現方式。帶內FEC常采用縮短的二進制BCH格式編解碼,來源于BCH(8191,8152),編碼增益一般為3dB左右;帶外FEC由ITU-TG.975/709標準支持。它采用RS(n,k)碼,單個分組中最大糾錯突發(fā)誤碼r=(n-k)/2,編/解碼實現較為簡單,編碼結構和二進制兼容。帶外FEC的編碼增益遠高于帶內,因此超長距系統均采用帶外FEC編碼。采用RS糾錯格式時,由于RS-223編碼比RS-239編碼擁有更多的冗余字節(jié),因此其糾錯能力更強,RS-239編碼可以比無FEC編碼時的光信噪比(OSNR)情況改善5dB左右。1.3dra算法原理在無中繼系統中,分布式喇曼放大技術(DRA,DistributedRamanAmplifier)是非常受矚目的光傳輸技術,其工作的基本原理是利用受激喇曼散射(SRS,StimulatedRamanScattering)效應,即將一小部分入射功率由一個波段轉移到另外一個頻率下移的波段,頻率下移量由非線性介質的振動模式決定,當波長較短(與信號波長相比)的泵浦光進入光纖時,發(fā)生此類效應。泵浦光光子釋放其自身的能量,釋放出波長與信號光波長相同的光子,將其能量疊加在信號光上,從而完成對信號光的放大。DRA不僅能覆蓋EDFA所不能放大的波段,并且在普通傳輸光纖上就能實現分布式放大。此外,DRA還具有低噪聲指數的優(yōu)點,能有效地改善傳輸跨段末端的OSNR,為單跨段長度的增加、系統Q值的升高提供OSNR容限,從而顯著增加傳輸距離。與僅EDFA作為光放大手段的中繼方案相比,在傳輸距離相同的情況下,采用DRA允許顯著增加跨距長度,有利于減少光中繼站的數目,提高系統的OSNR和WDM系統的信道數目,抑制光纖非線性效應,并能降低整個傳輸系統的成本。1.4其他高功率電源為了實現通信穩(wěn)定,采取適當技術手段對通信線路進行監(jiān)控必不可少。對于超長跨距通信而言,由于無中繼通信距離長,且所跨越的區(qū)域多是荒漠、海洋或其他偏遠地區(qū),線路外部環(huán)境較為惡劣,因此對通信線路進行實時監(jiān)控的需求就顯得更加迫切。此外,由于超長距離通信中通常需要配置高增益型光功率放大器(如EDFA)以及喇曼放大器等,這些放大器一方面可將傳輸信號功率放大至對人體造成危險的幅度,另外,喇曼放大器還產生高功率的泵浦光在線路上傳輸。這些高功率激光信號都有可能對操作人員的人身安全構成威脅,因此如何避免或消除這些潛在的危險也是系統設計時必須充分考慮的因素之一。在長距離無中繼系統設計中,通常在光放大器或信號發(fā)射/接收端中集成線路監(jiān)控技術,用于實時探測傳輸線路的完好性,此外,還必須對喇曼放大器的泵浦光輸出端作特別標識或警示,提醒操作人員對線路進行配置操作時注意高功率激光輻射的危險,或是設計使泵浦激光在線路出現中斷或其他故障時具有自動關斷功能,以確保操作人員即使在誤操作情況下也能避免危險事故的發(fā)生。1.5單通道線性效應在線路發(fā)射端采用高功率增益的EDFA對信號進行功率放大有助于提高發(fā)射功率,補償線路上的功率損耗,獲得更遠的無中繼傳輸距離。由于光纖非線性效應的影響,單通道最大傳輸功率閾值約為19dBm。對于多信道WDM傳輸系統,假定EDFA的增益曲線平坦的情況下,當傳輸通道數擴容1倍,單波長信號所獲得的增益系數則下降3dB;若考慮EDFA的增益不平坦性,則獲得增益最低的波長信號所得增益系數下降幅度將大于3dB,信號功率下降將縮減無中繼傳輸距離,因此要求EDFA功率放大器提供足夠高的增益系數以保證各信道的發(fā)射功率滿足長距離無中繼傳輸需求。1.6信號接收端噪聲在長距離無中繼傳輸中,信號在各放大器和傳輸線路所累積的色散及非線性噪聲將干擾接收器的信號接收靈敏度,造成誤碼并影響系統性能。因此在信號接收端應盡可能濾除噪聲的影響。在長距離無中繼系統設計中,必須合理配置線路上的信號光功率,降低非線性噪聲,通過色散管理技術減小色散噪聲,并采用窄帶光濾波器技術,濾除大部分傳輸所累積的噪聲,以提高接收端的接收靈敏度,并延長無中繼傳輸距離。2基于dml的信號發(fā)射技術慧方公司的無中繼超長站距光傳輸系統方案AnyhaulULS如圖1所示,信號由客戶端發(fā)出后,經光收發(fā)器(UTX)轉發(fā)至線路端信號,轉發(fā)過程中復合了光源譜寬控制技術和FEC技術,之后經EDFA進行功率放大后,進入長跨距無中繼光纖,在線路上DRA對信號進行低噪聲指數放大,之后到達DRA的接收端,經預放濾波后進入UTX的接收端,并轉換成客戶端信號傳輸至目的客戶。在光源譜寬控制方面,采用了一種色散管理型光發(fā)射器(DML)技術,對光發(fā)射端的激光器和調制器進行特殊的設計,使信號帶有零啁啾和比較寬的光譜。零啁啾使光信號有很強的色散容忍度,而且通過特有的相位相關技術,可以使傳輸信號中相鄰的“1”脈沖間具有π相位差別,進一步抑制色散的影響。較寬的光譜可以有效地抑制受激布里淵散射。實驗表明受激布里淵散射閾值高于20dBm。糾錯編碼用的是增強型前向糾錯編碼方案,試驗測得的OSNR增益近9dB。此外,系統采取混合式喇曼+EDFA放大技術,整體上噪聲因子(NF)由喇曼放大器決定,典型的NF為-1~1dB,而單純的EDFA的NF有4~6dB,NF參數有5dB幅度的改善;EDFA設計中,采用了新型的高功率增益EDFA技術,使最大功率增益超過23dB,滿足多信道系統放大各信道的功率需求;鏈路信噪比控制方面,通過采用合理配置線路功率及窄帶濾波等技術手段,有效提升了鏈路信噪比參數,接收端的信號靈敏度能獲得5dB以上幅度的改善。在AnyhaulULS系統產品中,對通信線路安全及信號監(jiān)控做了特殊的設計。在喇曼放大器中集成了基于激光監(jiān)控通道波段(OSC)的光纖鏈路監(jiān)控器技術,功率預算達80dB,響應時間小于0.2s,確保對通信線路進行實時監(jiān)控,此外,喇曼放大器還具有自動激光切斷功能,一旦探測到線路中斷時,高功率泵浦光的輸出將自動關閉,從而保證線路操作人員的人身安全不受威脅。3傳輸性能測試筆者在江西省電力公司對AnyhaulULS系統進行外場工程試驗,對各種不同的傳輸鏈路進行不同的配置,鏈路中的光纖均為G.652型普通單模光纖,采用2.5Gbit/s速率的SDH傳輸模式,測試了系統各項參數性能,旨在確認ULS的傳輸性能,并獲得不同配置情形下所對應的最佳傳輸距離。下面對300km及320km的2個應用方案進行分析。(1)信號入射功率范圍及最小osnr參數在300km傳輸測試中,采用了EFEC編碼方式,經測試其編碼增益為9dB左右,并開啟了DRA設備,設置喇曼泵浦光功率為27dBm。通過對鏈路非線性噪聲及色散的分析,發(fā)現單波信號功率必須控制在20dBm范圍之內,否則噪聲將顯著影響系統傳輸性能,300km線路總損耗為62dB。采用信號入射功率范圍及最小OSNR參數來衡量系統的性能及富余度,這里入射功率范圍是指在EDFA功放之后系統傳輸零誤碼狀態(tài)時所對應的最高及最低信號光功率,通常最高信號光功率是由光纖的非線性效應決定,而最低信號光功率則由系統色散及傳輸線路的損耗決定。入射功率范圍可以通過在EDFA后面增設1個可調諧光衰減器進行測試;最小OSNR值對應為最低入射信號功率時的光信噪比參數。試驗發(fā)現,300km傳輸的入射功率范圍系統高達9.1dB,入射功率范圍越大,意味著系統能承受線路上更大的功率擾動,即系統性能更加穩(wěn)定。最小OSNR值為9.5dB。根據IEEE對穩(wěn)定通信的規(guī)定,最低OSNR參數必須大于18dB。由此可以看到,由于喇曼放大器及色散、非線性噪聲管理技術的運用,ULS系統的最小OSNR比普通傳輸系統降低了約10dB,從而大幅度提升了系統的傳輸容量及富余度。(2)信號入射功率測試結果在320km傳輸測試中,線路總損耗為66dB。在設備配置方面,采用了與300km方案基本相同的設備配置,喇曼泵浦光功率設置為28dBm。信號入射功率范圍經測試為3.1dB,系統穩(wěn)定運行所需的最小OSNR值為11dB。由測試結果可知,由于線路損耗增加(線路總損耗比常規(guī)320km光纖鏈路損耗偏大)及色散系數增大,系統入射功率范圍相對于300km結果下降較大,但系統仍能穩(wěn)定運行且有一定的富余量。此外,還測試了在不同環(huán)境溫度下系統的性能變化情況,通過對傳輸在-5~60℃范圍內進行測試,發(fā)現系統的各項性能指標基本不變。4應用案例4.1基于先進的土壤信號傳輸點到點(P2P)的光傳輸系統是目前廣泛應用于許多網絡提供者的光纖通信系統上的傳輸網絡結構,它是對通信鏈路進行直接擴容的一種方式,也是最先被采用的擴容方式。對于包含多個用戶的2個獨立站點A和B的P2P通信而言,使用ULS傳輸系統可以使站點間的通信容量擴展到10Gbit/s,站點間距可延伸至200~500km。如圖2所示,站點A的發(fā)射端輸出信號至長距離信號ULS系統發(fā)射/接收器客戶接收端,經EDFA功率放大器及喇曼放大器放大后,在線路上傳輸。信號經過200~500km長距離傳輸后經ULS系統線路接收端接收后轉發(fā)至站點B的客戶接收端,完成由站點A至站點B的通信功能。從站點B至站點A的信號傳輸與上述情形類似。使用ULS的P2P通信方式適于在跨越海洋及荒漠等不適合建立中繼站的站點間的通信,具有以下幾方面的特點及優(yōu)勢。(1)帶高帶寬可實現100Mbit/s甚至10Gbit/s的雙向高帶寬接入。(2)長度可支持200~500km范圍內的傳輸距離。(3)節(jié)省光纖資源站點之間采用光環(huán)行器實現單纖雙向傳輸,可有效地節(jié)約光纖資源。(4)布置靈活適合用戶分布相對零散的場合,可以靈活布放。此外,還有網絡結構簡單、安全性高、端口利用率高等優(yōu)勢。4.2企業(yè)存儲網絡的延伸應用隨著互聯網技術的突飛猛進和全球一體化經濟的高速發(fā)展,企業(yè)對信息系統及其數據的依賴程度比以往任何時候都更迫切,信息系統及其數據已經成為決定企業(yè)存亡的關鍵因素之一。在復雜而富有挑戰(zhàn)性的全球商業(yè)環(huán)境中,企業(yè)要經受住任何形式的考驗。因此,實現不間斷數據可用性的業(yè)務連續(xù)性方案,及經過考驗的災難恢復方案至關重要。越來越多的企業(yè)和機構不惜重金實施和構建了各種各樣的保護措施和系統,以避免一些十分致命的災難對企業(yè)信息系統及其數據的破壞性影響。為了在更大的范圍內提供保護功能,很多企業(yè)都要求設備商使用新的技術以支持更長距離的應用,有些情況下企業(yè)對于距離的要求往往達到200km。使用ULS系統的網絡可以滿足這些企業(yè)的需求,并且可以幫助他們降低系統的資本支出和運營支出。由于ULS系統可將無中繼傳輸距離延伸至200~500km,因此跨度的增加使網絡擁有者可以最大限度地減少或完全取消線路中的放大器和安置放大器的設備及站點的建設維護費用。企業(yè)存儲網絡對于長距離無中繼傳輸而言是一個新的應用領域。ULS系統所包括的設備如EDFA、喇曼放大器等和企業(yè)或業(yè)務提供商已有的基于單模光纖的網絡完全兼容,并且支持更好的傳輸特性以及高于傳統系統的傳輸距離。對存儲業(yè)務來說,具備延長站點之間距離的能力至關重要。為了實現保護功能(企業(yè)自己的需求或者政府越來越頻繁的要求),企業(yè)必須把它的一級、二級數據中心建設在相距更遠的地方。ULS傳輸系統可以經濟地實現該功能。如圖3所示,企業(yè)數據中心的服務器群通過光纖交換機將企業(yè)數據同步記錄于本地鏡像存儲服務器及磁帶庫中。此外,光纖交換機還將需備份的數據傳送至ULS的信號發(fā)射/接收器客戶接收端,并經ULS系統傳輸至遠程數據備份中心,通過光纖交換機轉發(fā),記錄在遠程鏡像存儲服務器中,實現多級數據中心的同步數據存儲備份。4.3多節(jié)點間通信的可行性分析在大容量寬帶專用網絡的組網應用中,對于一些遠程站點的連接,往往由于地理位置偏僻等不利于建立中繼站的原因,或者為了升級通信容量,但在已有的網絡交換鏈路上難以擴容,此外某些專用網絡為了信息保密及網絡可靠性等因素不便采用公網通信線路。在這些情形下采用ULS無中繼傳輸系統顯得格外重要。如圖4所示,在包含多個通信節(jié)點及多個交換機(OXC)