可波长重用的高可靠性对环型电力通信光接入网

吴佳伟，冯晨，赵保珠，马宏伟

(国网上海市电力公司 信息通信公司，上海 200072)

在新型电力系统中，作为坚强智能电网和泛在电力物联网建设的主要内容之一，配网自动化、“三站合一”等新型业务发展趋势对电力通信接入网提出了新的要求[1-6]。而环型网络以其自身物理拓扑结构的优势，不仅可以实现网络的汇聚接入一体化从而提高网络传输容量[7-9]，并且可以有效提供网络中的光纤故障保护[10-11]。单纤型和双纤型环状网络皆具备着高可靠性[12-16]。对于单环结构，在故障发生处将网络分成2部分，2个部分分别采用类似总线形式的方式进行光信号传输，虽然单环结构无法像双环结构一样抵御网络同时发生多处故障的情况，但是因为无需增加任何额外的保护光纤也同样受到广泛关注。在双纤环型网络中，由于额外增加了一根备份光纤，网络可以同时抵御多处故障，提供更高的可靠性，通过光网络单元(optical network unit， ONU)处的光开关切换，能够在多处故障的情况下保证网络正常工作。除此以外，随着网络传输容量的快速增长，有限的波长资源也变得越来越珍贵。波分复用技术通过增加网络中的波长信道数，可以大幅提高网络的传输容量。但网络中可利用波长的数量是有限的，所以仅凭波分复用技术无法满足未来长远的需求。而波长重用可以提高波长的利用率，并且在波长数量一定的情况下有效提高网络传输容量。基于反射型半导体光放大器(reflective semiconductor optical amplifier，RSOA)的上行信号传输方案，不仅可以实现OUN的无色化，还能通过将下行信号重用为上行光源实现波长重用。但这会引入瑞利后向反射噪声，同时限制了上下行信号的传输性能。除此以外，利用副载波复用与正交调制技术也可以实现波长重用，但同样存在诸如器件成本高、传输性能受限等问题。为了有效解决这一问题，许多基于RSOA重调制技术的波长重用被提了出来[17-20]，通过将下行信号重调制为上行信号可以实现波长的双倍重用。

在实际工程应用中，实用性是一个需要着重考虑的因素。新型电力通信网不仅要与现有网络兼容，更要注重未来的发展需要。此外，在电力通信网的建设中，应当权衡考虑网络的可靠性与保护成本之间的关系。为此，本文提出一种双纤对环型网络，不仅支持对多处故障点的同时保护以及波长的4倍重用，还具备大容量、可模块化、可扩展等特性。

1 网络架构与运行原理

1.1 网络架构

图1 双纤对环型光接入网络架构 (N=3)

1.2 网络工作原理

图2 CO节点结构

图3 RN节点结构

1.3 光纤环故障保护模式

1.3.1 保护模式1

当任意2个相邻节点间2根光纤环中的其中1根发生故障时，网络需要切换至保护模式1。为了阐明保护模式1的运行原理，假设RN1与RN2之间的内环光纤发生故障，如图4所示。

图4 保护模式1下的网络架构

图5 保护模式1下的RN2节点结构

图6 保护模式1下的CO节点结构

1.3.2 保护模式2

虽然相邻节点间的2根光纤环同时发生故障的可能性非常低，但是也应当考虑发生灾难情况下网络通信的高可靠性。当相邻节点间的2根光纤环同时发生故障时，网络则需要切换至保护模式2。为了阐明保护模式2的工作原理，此处假设RN1与RN2之间的2根光纤环均发生了故障，如图7所示。

图7 保护模式2下的网络架构

保护模式2的具体工作原理：当CO中的光功率监测仪同时检测到2根光纤环上信号丢失，CO中的控制单元将切换SM1和SM2中的1×2 OS与4×2 OS的连接状态，如图8所示。

图8 保护模式2下的CO节点结构

在CO端切换的同时，故障节点相邻的RN1与RN2也需要进行切换以此实现对故障的保护与恢复。此处，以RN2为例。当与故障点相邻的EB1与EB2中的光功率监测仪分别检测到2根光纤环上信号的丢失，控制单元将切换各自的3×5 OS的连接状态，光滤波器(optical filter，OF)对波长信号进行滤波，如图9所示。

图9 保护模式2下的RN2节点结构

2 网络传输规模及性能

2.1 网络传输规模

在该网络中，信号的最大传输距离以及RN节点的数量都会受到光信号功率预算的制约。对于不同模式下，网络中光信号的总功率损耗PT不同。

正常工作模式下：

PT=LCO-RN+(m-1)LRN-RN+LRN-ONU,

(1)

LCO-RN=LAWG+2LOC+3LOS+2LCWDM-GCO+αd,

(2)

LRN-RN=αd+4LOS+2LOC+LAWG+LCouple,

(3)

LRN-ONU=2α+LSplitter+2LOS+2LOC+LAWG.

(4)

保护模式1下：

(5)

(6)

(7)

(8)

保护模式2下：

(9)

2LCWDM-GCO+αd.

(10)

(11)

(12)

(13)

表1 光器件的插入损耗

根据表1，式(1)、(5)、(9)可分别简化为：

PT=8.4 dBm+m(6.5 dBm+αd)-GCO,

(14)

(15)

(16)

根据式(14)—(16)，在保护模式2下光信号的功率损耗最为恶劣。因此，网络的光功率裕度

(17)

式中：PTX为发射机的输出功率，值为0 dBm；RSEN为接收机灵敏度，为-23.5 dBm。因此，式(17)可以进一步简化为

GCO≥0.4 dBm+(2m-1)(6.5 dBm+αd).

(18)

式(18)表明在保护模式2光功率损耗最恶劣的情况下，m、d与GCO之间的关系。并且，这3者之间的关系可以用图10表示，很明显网络中光信号的最大传输距离和传输规模都十分依赖于CO中EDFA的增益大小。

图10 m、d 与GCO间的关系

但是，当网络中每间隔3个RN放置EDFA时，网络的传输规模将得到极大的扩展。此处假设RN中EDFA的增益值也为GCO，则式(1)、(5)、(9)分别简化为：

(19)

(20)

(21)

需要注意的是根据式(20)、(21)，网络在该种条件下光信号功率损耗最为恶劣的情况由保护模式1与保护模式2共同决定。因此式(17)进一步简化为：

(22)

根据式(20)、(21)，可以将m，d与GCO这3者之间的关系在保护模式1和保护模式2下分别用图11、12表示。

图11 保护模式1下m、d 与GCO间的关系

图12 保护模式2下m、d 与GCO间的关系

根据式(22)以及图11、12，可以得到当网络中每间隔3个RN设置EDFA时m、d与GCO这3者之间的关系，如图13所示。

从图13可知，与之前的情况类似，m和d都将会随着GCO的增大而增大。当网络中EDFA的增益达到一同定值时，m和d都将会随着GCO快速增加。

图13 每间隔3个RN放置EDFA时m、d 与GCO间的关系

2.2 网络可靠性分析

网络的可靠性主要取决于光纤，并且无论保护模式1还是保护模式2都仅针对光纤故障保护，因此仅考虑当网络中光纤发生故障时的网络不可靠性。网络中单位长度光纤的不可靠度

UF=1.37×10-5/km.

(23)

假设相邻节点间的光纤长度为20 km，则相邻节点间的光纤环的不可靠度

URF=20 km ×UF=2.74×10-4.

(24)

在正常模式下，且RN数量为m时，网络中光纤发生故障的概率

UT=2(m+1)URF=(m+1)×5.48×10-4.

(25)

网络中相邻节点仅有1根光纤环发生故障的概率

(26)

因此，通过切换至保护模式1可以对网络中一处或多处故障实现恢复的概率

(27)

网络中相邻节点2根光纤环同时发生故障的概率

(28)

因此，通过切换至保护模式2可以对网络中故障实现恢复的概率

(29)

由此可以得到，在保护模式1与保护模式2的帮助下，光信号依旧无法正常通信的网络不可靠度

(30)

在保护模式1与保护模式2这2种保护机制的帮助下，网络中依旧存在通信故障无法恢复的概率如图14所示。

图14 在2种保护机制下网络的不可靠性

同时在该网络中，通过保护模式进行故障恢复所需要的时间主要依赖于CO与RN中光开关所需要的切换时间。网络中主要影响故障保护切换时间的因素以及它们的时长见表2，由此可以得到网络对于故障恢复所需的总时间

表2 故障恢复进程时长

TR=TD+TL+TS+TEq+TSyn=17.05 ms<50 ms.

(31)

因此，网络的故障恢复时间可以很容易地达到电信运营商要求的标准(小于50 ms)[24]。

所提网络与已提出的基于环形拓扑网络的网络可靠性、波长利用率、可支持的最大ONU数量以及传输性能损耗比较见表3。所提网络有着最高的波长利用率以及最大的ONU可支持数量。当所提网络中有着K个波长可用时，借助于波长的4倍重用，网络可以支持最多2K个ONU的上下行业务。如果在RN节点采用具有M个频谱相应周期的具备周期循环性的AWG时，RN的数量最少可以达到K/2M个。

表3 不同基于环形拓扑网络的比较

2.3 信号传输性能仿真分析

网络的仿真方案如图15所示。3个中心波长(λ)分别为λ1(1 550 nm)、λ2(1 550.8 nm)以及λ3(1 551.6 nm)的DFB激光器用于验证网络的传输性能。这3个波长分别用于将下行信号传输至RN1中的EB1、RN2中的EB3和EB2。每个激光器的发射功率皆为0 dBm。此外，这3个波长都采用相位调制器PM进行调制。CO与相邻RN(RN1和RN2)间的传输距离为20 km，而相邻RN间为10 km。连接RN与ONU的分布光纤DF长为2 km。对3种模式均进行了仿真。在保护模式1下，光纤故障发生在馈线光纤(feeder fiber，FF)FF2；在保护模式2下，FF1和FF′1都发生故障。

图15 网络仿真方案

10 Gbit/s速率下的下行信号误码率曲线如图16所示。在正常工作模式下，波长1 550 nm与1 550.8 nm的下行信号在误码率为10-9时，最小接收功率几乎相同，约为-23.4 dBm。而对于波长1 551.6 nm的下行信号，由于额外的10 km传输距离，与其他2个下行信号相比，最小接收功率提高约0.7 dBm。与正常工作模式相比，3个下行信号在保护模式1下的传输性能改变基本相同。在保护模式2下，对于波长1 550 nm和1 551.6 nm的下行信号，传输性能有较大的变化。当网络切换至保护模式2，2个下行信号的传输距离都额外增加了10 km，使得信号在误码率为10-9时的最小接收功率分别提高了1.5 dBm与1.3 dBm。然而对于波长1 550.8nm的下行信号，由于保护模式2的切换并未延长信号的传输距离，信号的最小接收功率与正常工作模式基本一致，为-23.4 dBm。

图16 下行信号误码率曲线

2.5 Gbit/s速率下的上行信号误码率曲线如图17所示。与下行信号情况相类似，在正常工作模式下，上行信号在误码率为10-9时，有着几乎相同的最小接收功率。相较于正常工作模式，3个上行信号在保护模式1下的传输性能改变基本相同。在保护模式2下，对于波长1 550.8nm的上行信号，传输性能变化较大。传输距离额外增加了10 km，使得信号的最小接收功率提高了1.3 dBm。然而对于波长1 550 nm和1 551.6 nm的上行信号，由于保护模式2的切换并未延长信号的传输距离，信号的最小接收功率与正常工作模式基本一致，在误码率为10-9时分别为-24.9 dBm和-25.5 dBm。

图17 上行信号误码率曲线

3 结束语

本文提出一种新型的对环结构光接入网络。与传统的基于双环拓扑结构网络不同，在所提出的对环网络中并没有工作光纤以及保护光纤的概念。内环与外环光纤无论网络处于何种工作模式下都被用于传输光信号。因此不仅提高了网络中的光纤利用率，同时也增加了网络的传输容量。

相较于传统的波长重用方案，通过重调制技术以及对环光纤中光信号的相向传输，网络中每个波长可以实现4倍重用。通过减少光源数量，可以有效降低网络的成本。同时，网络中各节点的构成具备可模块化的特性。配合集成技术，可以提高网络中各设备的性能，同时降低设备的成本。

值得一提的是所提网络中各个EB内的AWG并未考虑其频谱周期特性。当采用带有M个频谱响应周期的AWG时，每个RN可以支持最多4M个ONU，因此网络规模可以根据实际的不同需求进行灵活配置，网络具备良好的扩展性。

不同于传统的中心控制保护机制，网络中各工作模式间的切换操作仅涉及与故障点有关的部分节点。相较于中心控制保护机制，所提出的保护机制提高了网络的稳定性，减少了网络故障恢复所需要的时间。网络故障恢复时间主要取决于CO与RN中的光开关切换时间，能轻松满足电网通信的要求。

上述优点表明所提网络有着优异的弹性，可以作为未来电力通信光接入网的一个潜在的选择方案，探索新型电力业务场景，助力提升新型电力系统建设[25-27]。