0 引言

基于同步数字体系（SDH）传输技术的光纤通信已取代载波通信、微波通信等成为电网的主要通信手段，电力专用光纤通信网络为电网安全稳定和经济运行提供了可靠保障。各厂站通过输电线路架doi:10.3969/j.issn.1008-6218.2017.04.006同波长单纤双向传输技术在电力专用光纤通信网络中的应用探讨设的电力特种光缆（主要包括OPGW光缆和ADSS光缆）与调度端进行大容量、长距离通信。常规通信系统中2个站点之间采用双纤单向传输通信方式，即一芯光纤用于A站接收B站发送的信号，另一芯光纤用于B站接收A站发送的信号。双纤单向传输系统中的上、下行信号在不同的光纤中传输，互不干扰，且系统构成简单，在电力光缆纤芯资源充足的情况下，双纤单向传输是通信系统的首选。

当电力光缆纤芯资源紧张或已无空余纤芯时，开通新的基于双纤单向传输方式的通信链路已无法实现。通过架设新光缆或更换已有光缆来解决光纤资源不足的问题，不仅投资大、耗时长，而且运行中的通信链路有可能被中断，影响相关厂站与调度端的通信需求，给电网运行带来风险。而单纤双向传输中的上行信号和下行信号在同一芯光纤中传输，一条通信链路仅需占用1根纤芯。相比双纤单向传输，单纤双向传输可节约纤芯资源50%，为提高光纤资源利用率、解决光纤资源不足提供了更加便捷、经济和有效的方法。

1 单纤双向传输系统介绍 1.1 系统组成及工作原理 1.1.1 不同波长单纤双向传输系统

图 1为不同波长单纤双向传输系统示意图，与图 2所示的双纤单向传输系统相比，在2个站端的光收发模块之前各增加了1个光无源器件—光波长复用器，实现对上、下行光信号的合并和分离。不同波长单纤双向传输系统中的光收发模块需要成对使用，如A站发射的光信号波长为λ₁，接收的光信号波长为λ₂，则B站发射的光信号波长为λ₂，接收的光信号波长为λ₁。单纤双向收发模块常用波长有1550 nm/1310 nm、1310 nm/1490 nm及1510 nm/ 1590 nm。此类光收发模块往往将光源、光探测器和光波长复用器集成于一体，单纤双向收发模块只有1个收发端口。

1.1.2 同波长单纤双向传输系统

同波长单纤双向传输系统的上、下行光信号工作在同一波长且在同一芯光纤中传输，其系统组成如图 3所示。与图 1相比，其将光波长复用器替换成光环形器。光环形器是一个三端口的光无源器件，该器件内信号传输方向为端口1→端口2→端口3，即光由端口1进入时，可以几乎毫无损失地由端口2输出，其他端口没有光输出；光由端口2进入时，可以几乎毫无损失地由端口3输出，其他端口没有光输出。A站发出的光信号进入光环形器端口1后由端口2输出，经光纤传输后到达B站光环形器端口2，后由端口3输出至B站的接收模块，由B站发送的光信号亦可同理到达A站的接收模块。同波长单纤双向传输系统通过使用光环形器实现了同波长上、下行光信号的合并和分离，而两端的光收发模块则与双纤单向传输系统中的光收发模块完全相同。

1.2 技术应用限制

不同波长单纤双向传输系统的组成基于成对使用的单纤双向收发模块，但目前只有少数SDH光传输设备厂家可提供此类模块。此外，如将已有的光纤通信链路由双纤单向传输改造为不同波长单纤双向传输，则需要为两端的SDH光传输设备更换不同波长单纤双向收发模块的光接口板。而同波长单纤双向传输系统采用与双纤单向传输系统相同的光收发模块，只需在通信链路的两端各增加1个光环形器即可，且对光传输设备厂家没有限定，在电力光纤通信网络中适用范围更加广泛。因此，无论是新建通信链路还是对已有通信链路进行改造，同波长单纤双向传输系统都是一个更为经济可行的选择。

同波长单纤双向传输系统有其使用局限性。由于在光纤传输中光信号会发生瑞利散射，后向瑞利散射光使相反方向信号光的光信噪比（Optical Signal-to-Noise Ratio, OSNR）恶化，从而限制了同波长单纤双向传输系统的传输距离。后向瑞利散射如图 4所示。在同波长单纤双向传输系统中，由A站发送至B站的上行信号光在传输过程中产生的后向瑞利散射光和由B站发送至A站的下行信号光一同到达A站的接收模块，此时上行信号光的后向瑞利散射光成为下行信号光的噪声，降低了下行信号光的光信噪比，干扰了A站接收模块对下行信号光的接收。同理，由B站发送至A站的下行信号光的后向瑞利散射光也降低了上行信号光的光信噪比，干扰了B站接收模块对上行信号光的接收。

后向瑞利散射是同波长单纤双向传输系统的主要限制因素，使得同波长单纤双向传输系统的传输距离不再是衰减受限或色散受限，而是光信噪比受限。通过对光纤中的瑞利散射现象进行理论计算和实际测量，发现后向瑞利散射光的光功率与入射光的波长、线宽、偏振态以及光纤种类相关。对于单模光纤，在入射端测量到的后向瑞利散射光光功率比入射光光功率低31~36 dB^[1-2]；当其他参数相同时，入射光的传输距离越远，在入射端测量到的后向瑞利散射光的光功率就越大；当传输距离超过20 km时，后向瑞利散射光的光功率增大缓慢并趋于稳定^[3-4]。

2 同波长单纤双向传输系统传输性能分析 2.1 理论计算

在SDH通信系统设计规范中，光同步数字传输系统中继段设计方法采用最坏值法，即所有系统参数均采用最坏值（考虑设备老化及使用环境温、湿度的变化）进行中继段长度计算，不同速率下各传输系统参数是以比特误码率不劣于10^-12为标准制定的。传输速率不同，比特误码率达到10^-12所对应的接收机OSNR容限不同。以STM-64速率下的传输系统为例，其接收机OSNR容限在寿命终了时为20 dB，光通道OSNR代价与光通道OSNR裕量之和为5 dB，所以STM-64系统接收端的OSNR应不小于25 dB^[5]。该值未考虑采用前向纠错（Forward Error Correction, FEC）技术，在采用FEC技术的情况下，STM-64系统接收端的OSNR可以降低3~9 dB。

单纤双向传输系统和双纤单向传输系统中接收机OSNR容限相同，但由于同波长单纤双向传输系统中后向瑞利散射噪声的存在，使其传输距离受限。本文以STM-64速率下的传输系统为例，计算其在采用同波长单纤双向传输系统时的极限传输距离。

STM-64速率下的传输系统接收端OSNR要求如下：

(1)

其中，P_r为接收端信号光功率，dBm；P_n为接收端噪声功率，dBm。在同波长单纤双向传输系统中，P_n的主要来源是后向瑞利散射，后向瑞利散射光的光功率比入射光光功率低31~36 dB。本文为方便计算，取中间值33 dB，将P_n的计算公式简化为：

(2)

式中P_s—发送端信号光功率，dBm。

OSNR受限传输距离L理论计算公式如下：

(3)

式中P_p—最大光通道代价，取2 dB；

∑A_c—发送端和接收端之间所有活动连接器损耗之和，每个连接器衰减取0.5 dB；如果单纤双向传输系统中光环形器尾纤直接连接收发模块端口，则系统中活动连接器个数为2个；

A_f—光纤平均衰减系数；

A_s—光纤固定熔接头平均损耗，A_f+ A_s取0.20 dB/km；

α—光缆富裕度系数，取0.04 dB/km。

将公式（1）、（2）代入公式（3），计算得到STM-64速率下采用同波长单纤双向传输系统的极限传输距离为21 km。在采用FEC技术的情况下，可以降低对接收端OSNR的要求，如FEC提供6 dB编码增益，则STM-64速率下同波长单纤双向传输系统的极限传输距离可增大至46 km。表 1列出了不同速率下同波长单纤双向传输系统的极限传输距离理论计算值。从表 1可以看出，在STM-16和STM-64速率下，系统的极限传输距离较大多数实际通信链路传输距离短，使得同波长单纤双向传输技术在2.5 Gbit/s和10 Gbit/s传输系统中的应用范围受限。而采用FEC技术可降低接收端OSNR的要求。当FEC提供6 dB系统贡献值时，系统传输距离可以增加约25 km，此时单纤双向传输系统在STM-1/4/16/64速率下对应的极限传输距离分别约为133 km、108 km、79 km和46 km。

2.2 试验结果

搭建如图 5所示的试验系统，对基于SDH传输制式的单纤双向传输系统在不同传输速率下的极限传输距离进行测试。该试验系统采用SDH误码仪测量比特误码率，SDH误码仪集成了光收发模块，可以任意调节传输速率，试验对STM-1/4/16/64速率下的系统分别进行了传输性能测试。信号光采用非归零码直接强度调制，波长为1550 nm，信号消光比约为10 dB，发送光功率为1 dBm。在不同传输速率下，通过逐渐增大传输距离使得接收端信号比特误码率接近10^-12，从而得到不同传输速率对应的极限传输距离。

试验结果见表 2，同波长单纤双向传输系统在STM-1/4/16/64速率下对应的极限传输距离分别约为110 km、80 km、50 km和20 km（均未采用FEC）。由于试验中光纤长度只能以10 km递增，所以表 2所列极限传输距离均为近似值。与表 1所列极限传输距离相比，试验结果与理论计算基本相符。试验中将B站发射的信号光关掉，使用光功率计测量A站光环形器端口3的输出光功率，即为A站发送信号光的后向瑞利散射光功率。在不同传输距离下，后向瑞利散射光功率比发送光功率均小约33 dB。

2.3 模拟仿真

采用光通信系统设计软件OptiSystem分别对同波长单纤双向传输系统和双纤单向传输系统在STM-16和STM-64两种传输速率下的误码性能进行仿真，相应的误码率性能曲线如图 6所示。在STM-16传输速率下，双纤单向传输系统在误码率等于10^-12时的接收灵敏度为-32.2 dBm，同波长单纤双向传输系统在误码率等于10^-12时的接收灵敏度为-24.7 dBm，由后向瑞利散射引起的功率代价为7.5 dB。在STM-64传输速率下，双纤单向传输系统在误码率等于10^-12时的接收灵敏度为-27.2 dBm，同波长单纤双向传输系统在误码率等于10^-12时的接收灵敏度为-17.7 dBm，由后向瑞利散射引起的功率代价为9.5 dB。图 7为不同传输系统在误码率等于10^-12时的眼图。

2.4 结论

本文通过理论计算结合试验的方法对基于SDH传输制式的同波长单纤双向传输系统在不同传输速率下的极限传输距离进行了分析，试验结果与理论计算结果基本一致。由于同波长单纤双向传输系统在STM-64速率下的极限传输距离较小，导致在该速率的通信链路中适用范围受限，通过采用FEC技术，可以增大其极限传输距离，从而扩大其适用范围。

3 应用前景展望

目前，内蒙古电力光纤通信网络已基本覆盖所辖区域内所有110 kV及以上电压等级的变电站和直调电厂，新建和改造项目一般采用24芯及以上电力通信光缆，500 kV骨干网及各地区220 kV主干网的电力通信光缆资源较为丰富。但仍有部分地区存在一些老旧光缆，由于架设时光缆芯数较少，加之存在断纤和损耗异常的纤芯，使得可用的闲置光纤数量十分有限。各级调度端的出口光缆由于业务种类多、传输容量大致使光缆纤芯资源不足。此外，农网电力光纤通信网络较为薄弱，多为芯数较少的ADSS光缆，开通新的光纤通信链路较为困难，不能满足地县调控一体化对通信通道的要求。上述问题均可以通过采用同波长单纤双向传输技术来解决，达到提高光纤资源利用率的目的。本文结论可对单纤双向传输系统在电力专用光纤通信网络中的应用提供有价值的参考，对电力通信系统光纤资源紧缺的问题提供经济有效的解决方案。