长距离光纤传输降低成本提高收益论文

摘要：长距离光纤传输充分利用最新的光纤传输技术，对多种数字业务具有透明的传输特性，减少了网络节点间的电中继和光中继，大大降低了长距离传输的成本。本文研究了光纤传输的受限原理，提出长距离传输的FRA、FEC和码型技术提高光纤的传输性能。在效益上，长距离光纤传输能有效降低成本、从而全面提高收益。

关键词：光纤通信、PMD、码型技术、喇曼放大器

多年以来，所有研究光纤通信技术的机构对光纤传输的要求不断提高。特别是最近几年，光通信系统传输距离有了飞跃式的增加。为了克服长距离传输中光纤对信号的衰减，在光纤通信系统中每隔一定的距离就必须设有中继站，以便对光信号进行再生或放大。不管是在建设阶段还是在维护阶段，中继站在光纤网络建设成本中都占有不小的比重，特别是在跨山区、无人区的电力通信网络和跨海光纤网络中，中继站的成本更是昂贵。因此，延长单段无中继光传输距离是一个具有实际意义的问题。传输线在每个传输端站之间是无源的，使得系统的可靠性和传输质量都得到了保证，性价比很高。

1.光纤传输的受限原理

光纤通信分为模拟通信和数字通信两种方式，下面我们主要来讨论数字通信系统中传输距离的受限机理。

(1)衰耗受限

光信号在光纤中传输时能量(光功率)会随着传输距离的增长而衰减，这称为光纤衰耗。每公里光纤对光功率信号的衰减值定义为光纤的衰耗系数，单位dB/km。如G.652光纤在1550nm波长区域的衰耗系数0.15～0.25dB/km。

在光通信系统中，光发射机的发光功率不能过大，因为发光功率过大会减少光源器件的寿命，而人纤光功率过大还会引起严重的非线性效应，所以一般不应大于+5dBm；同时，光接收机的接收灵敏度也是有限的，一般在一30dBm左右，这样，光发射机的发光功率和光接收机的接收灵敏度之间有限的功率落差以及光纤的衰耗系数就决定了系统中单跨段的最大传输距离。

(2)色度色散受限

所谓色度色散是指光脉冲在光纤中传输时随着传输距离的增长而出现脉冲展宽和畸变效应，而光脉冲的展宽和畸变会导致光传输质量劣化，产生码间干扰、误码等，从而限制了系统中单跨段的最大传输距离。衡量光纤色度色散的概念是色度色散系数，它定义为一公里长的光纤传输单位谱宽时所产生的脉冲展宽值，如G.652光纤在1550nm波长区域的色度色散系数17～20ps/nm.km。

光纤的色度色散系数越小越好，较小的色度色散系数意味着光脉冲在光纤中传输时能够传更远的距离而保持脉冲的有效性。

(3)偏振模色散(PMD)受限

所谓偏振模色散(PMD)指的是由于光纤的随机性双折射所引起的不同相位状态的光呈现不同的群速度，从而导致不同偏振态的光信号不能同时到达接收端，即出现延时现象。PMD不但受光纤制造工艺的影响，而且也受光缆施工的影响。因此，PMD的随机性非常大，其值随光纤所处环境变化而变化。由PMD产生的延时值其大小取决于光纤的PMD系数和系统的传输距离，所以当这两者确定之后，由PMD产生的延时值也就确定了。但延时值对不同传输速率的影响是不同的，传输速率越低(2.5Gb/s以下)，该延时值与其码元周期相比，所占的相对比例越小，其影响可以忽略不计；而传输速率越高(l0Gb/s以下)，该延时值与其码元周期相比，所占的相对比例越大，其影响就不能忽略。

2.光纤传输的关键技术

长距离光纤传输技术是一系列关键技术的集成。

(1)光纤喇曼放大器(FRA)对光纤损耗进行补偿

在光纤传输中，喇曼放大器技术是最关键的光传输技术。它可以将传输光纤本身变成一个放大器,也可以放大掺铒光纤放大器(EDFA)所不能放大的波段。它利用普通的传输光纤就能实现分布式放大，从而大大提高系统的光信噪比（OSNR）。

FRA利用光纤自身对信号进行放大，信号在传输过程中的固有损耗可以在光纤内部进行补偿。一种应用较广的被称之为分布式光纤喇曼放大器(DFRA)。对于长距离光纤传输来说，利用喇曼放大器提高系统的OSNR、增加系统中继长度、提高波分复用(WDM)系统的通道数和抑制光纤非线性效应是其主要目的。

(2)前向纠错(FEC)编码减少误码率

在光传输系统中采用FEC技术,能够减少系统的误码率。其编码增益提供了一定的系统富余量，从而降低光链路中线性及非线性因素对系统性能的影响。对于有光放大器的系统，可以增加光放大器间隔、延长传输距离、提高信道速率、减小单通道光功率。FEC的实现方式有带外FEC系统和带内FEC系统两种。带内FEC的增益一般为3dB左右，而带外的增益远高于带内，因此，长距系统均采用带外FEC编码。使用带外FEC时，总体改善情况可达7~9dB，大大提高了系统的传输距离。

(3)码型技术提升系统的传输性能

由于不同线路调制码型的光信号在色散容限、自相位调制(SPM)、交叉相位调制(XPM)等非线性的容纳能力、频谱利用率等方面各有特点,对于超宽频带的长距离WDM传输系统，非归零(NRZ)、归零(RZ)等码型都有各自的特色。

NRZ码应用简单、成本低、频谱效率高，是目前SDH系统和WDM系统中应用最广泛的码型。由于码元过渡不归零，对传输损伤敏感，不适用于高速长距离光信号的传输。

RZ码的主要缺点是信号频谱宽度相对码较大，增加调制器使系统变得复杂、成本高。为了进一步提高码的传输性能，近年来还出现了载频抑制RZ(CS-RZ)和啁啾RZ(CRZ)等码型。在CS-RZ码中，相邻码元的电场振幅符号相反，从而达到降低光谱宽度的目的，在功率较高的情况下，不但增加了色散容限，而且有更强的抵抗SPM和四波混频(FWM)等光纤非线性效应的能力。

CRZ码采用了三级调制技术(RZ幅度调制、相位调制和数据调制)，其相位调制器在发射端对RZ脉冲的上升沿和下降沿上加入一定的啁啾量，抵抗非线性效应的能力非常优异。此外，CRZ码还具有良好的抵抗偏振相关损耗(PDL)和偏振模色散(PMD)的能力，具有更高的传输稳定性。

(4)色散补偿延伸光传输的距离

色散是限制光纤传输距离的主要因素。色散补偿包括色度色散补偿和偏振模色散补偿。色度色散补偿的方式包括色散补偿器件和色散补偿模块。目前使用最多的是色散补偿模块(DCM)，通常用在EDFA的两级之间，用以补偿的插损。目前，对于动态的色度色散补偿方式也进行了大量的研究，但是真正商用的产品尚不多。

从技术角度来看，利用长距离光纤传输中的与结合的放大技术，及采用色散和非线性容限较高的码型等长距离光纤传输技术，都可以延长光放段的传输距离，用于骨干网中部分长跨距中，这是目前比较普遍的长距离光纤传输技术应用。

3.光纤传输的性能和经效益分析

(1)简化网络结构，提供端到端传送业务

在长距离光传输网络中，每一对收发设备连接网络中的任意两点,提供端到端的业务传送。在到达目的地之前，业务信号一直处于光层，业务传输效率更高，网络结构进一步扁平化，便于实现向智能光网络的顺利演进。

(2)更强的稳定性和运维功能

由于减少了有源器件的使用，长距离光传输系统可进一步降低功耗和空间占用，也有助于增强系统设备的稳定性，减少故障隐患。同时，也可方便地集成多种光层自动调节功能和增值服务功能，如内置光谱分析单元、光纤光缆在线监测技术、监控信道时钟等，极大地方便了对传输设备的运营、维护和管理。

(3)灵活的升级扩容能力

长途骨干传输网的建设要求传输设备具有较大的初期容量和更大的终期容量，以同时满足目前业务状况和今后几年甚至更长时间的业务发展需求。长距离光传输技术能够以模块叠加的方式提供业务容量的平滑升级扩容，能够很好地解决长途干线对容量及在线扩容的问题，最大限度地保护前期投资。

总之，长距离光纤传输可以不用或减少电中继、光中继的数量，延伸光中继之间的距离，降低系统成本。直接在大型城市之间建设长距传输系统，可以解决对带宽的迫切需要，同时节省大量的光中继和电中继，降低系统的成本和维护费用，与光分插复用(OADM)技术结合，在骨干网上可以实现大城市之间的快速直达车，在中间的大城市站点可以采用OADM来上下业务。长距离光传输系统的上述特性，决定了其能以更高的经济性、可靠度和灵活性满足骨干网的建设需求，为网络投资和运营提供更高的回报率。

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