0 引言

互联网数据流量在过去几年中一直呈指数型增长,并由此带动了一系列需求更多带宽资源的新型网络应用孕育而生,如智能手机、网络游戏、视频会议及智能电网等。在电力系统中,作为智能电网建设的主要内容之一,配网自动化也对电力通信接入网提出了新的要求。这就要求下一代光接入网能够在提供更大的传输容量和更强的可靠性的同时,还能够扩展网络的接入距离,实现大规模接入。为了满足这些要求,需要在现有网络中加入基于光放大器或者光电转换中继器的扩展模块,以此增加网络的接入规模^[1-7]。于此同时,由上下行信号传输引起的瑞丽后向散射噪声会影响网络的传输性能^[8],因此,多种技术被提出用以对瑞丽后向散射噪声进行抑制,如采用新型的网络架构^[9-10]、波长转换技
术^[11-12]、改进的调制格式^[13]等,此外,一种共享光源的方案也被提出用以抑制瑞丽后向散射噪声^[14-15]。

本文提出了一种波分复用光接入网架构,这种架构不仅可以实现长距离传输与瑞丽后向散射噪声抑制,更能够实现广播业务的传输以及上行光源的共享,且可以根据网络长距离传输的特点采用共享保护的方案。

1 网络架构与运行原理

1.1 网络架构

长距离传输光接入网架构如图1所示。该网络包括有一个中心端局（Central Office,CO）、一个远端节点（Remote Node,RN）、M×N个光网络单元（Optical Network Unit,ONU）、M+1根馈线光纤（Feeder Fiber,FF）以及M×N根分布光纤（Distributed Fiber,DF）。每个ONU中包含有2个光信号接收机、一个反射型半导体光放大器（Reflective Semiconductor Optical Amplifier,RSOA）、一个粗波分复用器（Coarse Wavelength-Division Multiplexer,CWDM）和一个光分路器。网络中,CO通过M+1根馈线光纤与RN相连接,而在这M+1根馈线光纤中,有着M根信号光纤用以传输传统的点对点上下行业务信号,且每根信号光纤之间相互独立,因此可以采用相同的波段传输信号而不会产生冲突。剩余的一根馈线光纤为共享光纤,并且分配有一个特定的波长（λ_B）用以传输CO与RN之间的广播业务信号。在RN与ONU之间,则是通过一根分布光纤用以连接。

CO节点的内部结构如图2所示,包含有一个光信号发射机、一个两边各有M+1个端口的光开关、一个掺铒光纤放大器EDFA和M个光线路终端OLT。这一个单独的光信号发射机分配以一个特定波长（λ_B）用来传输广播业务。在每个OLT中包括有一个光环形器、一个光功率监测仪（Monitor,M）、2个阵列波导光栅（Arrayed Waveguide Grating,AWG）以及N对光信号收发机。这N对光信号收发机用以发射位于波段1的下行光信号,并接收位于波段2的上行光信号。

RN节点的内部结构如图3所示,包含有一个光信号接收机、N个分布式反馈（Distributed Feedback,DFB）激光器、M个光信号放大与组合模块（Optical Signal Amplifier and Combination Module,OSACM）、一个相位调制器（Phase Modulator,PM）、一个AWG、一个CWDM和2个1×M光分路器。每个OSACM模块由2个CWDM、2个EDFA、一个光环形器、一个1×2光开关、一个AWG以及一个光功率监测仪组成。这M个OSACM模块不仅可以实现对上下行光信号的放大,同时还能将广播信号与下行信号相组合送入目标ONU。

图1 长距离传输光接入网架构 Fig.1 Long haul optical access network architecture

波段1与波段2相差一个AWG的自由频谱间隔（Free Spectral Range,FSR）,而特定波长（λ_B）位于波段1和波段2之外。

1.2 网络工作原理

正常工作模式下,各个OLT内的下行信号首先被送入（M+1）×（M+1）光开关,随后通过一根信号光纤送至RN。在RN处,下行信号被传输至各自对应的OSACM模块。在OSACM模块中,EDFA₁用以补偿下行信号在信号光纤中传输的功率损耗。随后下行信号在AWG处进行波长解复用,并通过分布光纤传输至相应的ONU。在ONU端,下行信号通过CWDM后被光接收机（RX₁）所接收。

图2 CO节点的内部结构 Fig.2 The internal structure of CO node

图3 RN节点的内部结构 Fig.3 The internal structure of RN node

与此同时,调制在特定波长（λ_B）上的广播信号通过（M+1）×（M+1）光开关后传输至EDFA中,随后被放大的广播信号通过共享光纤送至RN。在RN中,广播信号首先会被一光信号接收机所接收。随后,所接收的广播电信号通过PM调制在由N个DFB激光器提供的位于波段2的N个光载波上。由此,广播信号在RN中经历了一个光电光的转换过程,且在这个转换过程中,广播信号由单一的特定波长信道（λ_B）转移到了位于波段2的N根波长信道上。广播信号随后通过1×M光分路器送至M个OSACM模块中。在各个OSACM模块中,广播信号通过CWDM₂与下行信号波长复用,然后在AWG处进行解复用。在经过分布光纤传输之后,广播信号在ONU中通过CWDM与下行信号相分离,随后通过一个光分路器分为2部分。一部分通过一个光信号接收机（RX₂）所接收,而另一部分被送至RSOA并为上行信号提供光源。对于上行信号而言,在通过了RSOA重调制之后,沿着与下行信号相类似的路径传输至CO中相应的OLT内。值得注意的是,RN处的EDFA₃为一个可选光放大器。当M的值很大时,则有必要配置该放大器补偿由于1×M光分路器所产生的光功率损耗。关于M与可选光放大器增益之间的关系将在之后章节详细分析。

1.3 信号光纤故障保护模式

当网络中任意一根信号光纤中发生故障,例如信号光纤2,则网络需要切换至保护模式。故障发生后,CO中的光功率监测仪首先检测到相应链路中光信号的丢失,随后控制单元将切换光开关的连接状态。通过光开关的切换,受影响的下行信号被送入共享光纤,并且与广播信号一起从CO传输至RN。当传输至RN后,下行信号首先通过CWDM₃与广播信号相分离,随后通过一个1×M光分路器分为M份分别送入M个OSACM模块。与此同时,通过光功率监测仪的检测,故障信号光纤所对应OSACM模块中的光开关切换至另一状态以保障下行信号得以通过并被送入CWDM₁（见图4）。值得注意的是,其余M-1个OSACM模块中的光开关无需任何切换,所以该下行信号对这些OSACM模块中原本的下行信号不会产生任何影响。当网络中任意一根信号光纤发生故障时,皆可以采用上述方式实现故障保护。

图4 故障保护模式下的RN节点 Fig.4 RN node in fault protection mode

2 网络传输规模及性能

2.1 网络传输规模

网络的传输距离不仅受到光纤色散的制约,同时光信号的功率预算也会对网络传输距离造成影响。为了有效评估网络的功率预算,以最恶劣的情况,即网络处于保护模式下的下行信号进行分析。CO、RN和ONU处的功率损耗的计算公式分别表示如下：

（1）

（2）

（3）

上述各公式中,L_CO、L_RN以及L_ONU分别为光信号在CO、RN和ONU处的功率损耗,L_AWG、L_Cir、L_OS与L_CWDM分别为光器件AWG、光环形器、光开环和CWDM的插入损耗,G为放大器的增益,L_Splitter为1×M光分路器所产生的功率损耗,并且与端口数M（即网络中信号光纤的数量）的关系为：

（4）

因此,网络中总功率损耗P_T可以表示为：

（5）

式中,α和α_DCF分别为信号光纤链路衰耗与色散补偿光纤（Dispersion Compensation Fiber,DCF）的等效链路衰耗,L以及L_DF为信号光纤和分布光纤的长度。在网络中,总功率损耗P_T需要满足：

（6）

表1 光器件的插入损耗参数 Tab.1 Insertion loss parameter of optical devices

式中,P_M为网络功率富裕度,为5 dB;P_TX为发射机的输出功率,为0 dBm;R_SEN为光信号接收机灵敏度。网络中各光器件的插入损耗参数如表1所示。

将表1的插入损耗参数代入公式（1）、（2）、（3）、（5）以及（6）,且分布光纤长度L_DF为2 km,可以得到：

（7）

当网络使用上下行对称2.5 Gbps传输方案时,网络无需色散补偿技术,且接收机灵敏度R_SEN为
-28 dBm,则可以得到：

（8）

图5 2.5 Gbps速率下网络规模与放大器增益的关系 Fig.5 Relationships among L, M, and G of the network under the case of 2.5Gbps data rate

根据公式（8）,可以得到放大器增益、最大传输距离与信号光纤数量三者之间的关系（见图5）。当L一定时,M随G增大而增大。类似的,当M一定时,L随G线性增大。显然,网络的规模与最大传输距离对于放大器增益有着很强的依赖性。当M为20.12时,G为8.469 dB、21.23 dB和32.68 dB时,网络的最大传输距离分别为68.01 km、170.10 km和261.70 km。

而当网络使用上行2.5 Gbps和下行10 Gbps非对称传输方案时,网络必须使用色散补偿技术才能实现长距离传输。将网络中的色散值补偿为零,并且将色散补偿光纤的每公里长衰耗值等效至常规光纤中,同时10 Gbps接收机灵敏度R_SEN需要
-20 dBm,则可以得到：

（9）

根据公式（9）,同样可以得到放大器增益、最大传输距离与信号光纤数量三者之间的关系（见图6）。与2.5 Gbps传输方案类似,网络的规模与最大传输距离对于放大器增益同样有着很强的依赖性。当M为20.12时,G为10.01 dB、21.75 dB和35.65 dB时,网络的最大传输距离分别为35.57 km、104.60 km和186.40 km。

图6 10 Gbps速率下网络规模与放大器增益的关系 Fig.6 Relationships among L, M, and G of the network at 10Gbps data rate

2.2 信号传输性能分析

为了论证网络的传输性能,建立了如图7的网络仿真方案进行测试。仿真方案采用了2种不同的传输速率,分别为：上下行信号和广播信号皆为
2.5 Gbps;上行信号为2.5 Gbps,下行和广播信号为10 Gbps。其中仅在10 Gbps传输速率的仿真方案中,需要使用色散补偿光纤进行色散补偿。

图7 网络仿真方案 Fig.7 Network simulation scheme

在CO端,2个DFB激光器的中心波长分别为1 552 nm和1 550 nm,这2个波长分别用以加载下行和广播信号。每个激光器的输出光功率为0 dBm,且这2个波长通过电吸收调制器（Electro Absorption Modulator,EAM）进行调整。而EAM采用2.5 Gbps或10 Gbps的不归零码（Non-Return to Zero,NRZ）。对于下行信号,通过2×2光开关和信号光纤传输至RN,随后,经过EDFA₁放大后,通过分布光纤传输至ONU。对于广播信号,通过2×2光开关后,经过EDFA₄进行放大,随后通过共享光纤传输至RN。在RN处,中心波长位于1 550 nm的广播信号先被接收机所接收,随后通过PM在
1 554 nm波长载波上进行相位调制。此处2个光衰减器（Optical Attenuator,OA）用以模拟光分路器（M=8）的功率损耗。在ONU端,RSOA采用
2.5 Gbps的2⁹-1伪随机序列调制上行信号。EDFA的增益设置为30 dB。通过AWG、EDFA₂和信号光纤后,上行信号在CO端被接收。

2种不同速率下的下行信号误码率（Bit-Error Rate,BER）曲线如图8所示。在2.5 Gbps传输速率下,下行信号在正常与保护模式下有着非常近似的传输性能。当误码率在10^-9水平上时,信号的接收功率需要大约-28.5 dBm。而由保护模式所产生的额外性能损耗要小于0.3 dBm。而在10 Gbps的传输速率下,正常与保护模式之间的传输性能差异扩大到了1.2 dBm。而在误码率为10^-9情况下,2种模式下行信号所需要的最小接收功率分别为
-21.4 dBm和-20.2 dBm。

上行信号的误码率曲线如图9所示。上行信号在2种方案中的传输速率皆为2.5 Gbps。在经过120 km长距离传输之后,在色散补偿光纤的帮助下,上行信号的最小接收功率仅需-27 dBm。而在不使用色散补偿光纤的方案中,所需的最小接收功率为
-25.5 dBm。这其中的1.5 dBm传输性能损耗,主要由光纤中的色散所引起。而在这2种传输方案中,由于共享保护机制所引起的额外性能损耗皆为0.5 dBm。

图8 下行信号误码率曲线 Fig.8 BER curves of downstream signals

图9 上行信号误码率曲线 Fig.9 BER curves of upstream signals

图10 广播信号的传输性能 Fig.10 BER curves of broadcasting signals

广播信号的传输性能如图10所示。对于
2.5 Gbps传输方案而言,在10^-9的误码率水平上,信号所需要的最小接收功率在正常模式下为-28.7 dBm,而在保护模式下,则为-28.3 dBm。在2种模式间,有着0.4 dBm的额外性能损耗。而对于10 Gbps传输速率方案,在10^-9的误码率水平上时,2种模式下的最小接收功率基本相同,皆为-22.5 dBm,也就是说,对于10 Gbps速率方案而言,共享保护模式对于广播信号基本没有影响。

3 结语

本文提出了一个长距离传输波分复用光接入网,RN节点通过全新设计可以为网络中所有上行信号提供光源并且对广播信号进行光电光的转换。同时,通过配置RN处的EDFA增益,网络的传输规模可以扩展至120 km以上。不同于传统的接入网,该网络的超长传输距离特性适应广大农村地区用户分布散、相隔距离远的特点,可以作为通信与电力接入网在广大农村地区的升级选择方案。网络具有瑞丽后向噪声抑制与共享上行光源的特点,不仅可以实现广播业务的传输,还能够对信号光纤进行共享保护。通过仿真验证,网络在2.5 Gbps和10 Gbps速率下皆可提供良好的传输性能。上述特点表明该网络可以满足配网自动化提出的覆盖面广、传输带宽大、传输时延低、网络可靠性高的要求,且不受电路线路周边强电磁干扰的影响,为建设坚强智能电网打好基础。

(编辑:张钦芝)

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