光缆线路通信系统工程传输设计与光纤选择

责任编辑:匿名 (未验证) 2011/12/26 作者:顾广仁 林建敏 吴万红
一、前言
    ITU-T2009年11月公布了修订的单模光纤系列标准建议,此前,我国新修订国家标准GB/T 9771-2008《通信用单模光纤》2008/2009年发布/实施(见附录1)。工信部在2010年底发布了多项通信工程建设的行业标准,涉及光缆线路传输系统的“通信线路”,“SDH光传输系统”,“光波分复用传输系统”、“宽带光纤接入”等项多工程设计规范。
    这些新的标准发布,代表着光缆线路传输系统近几年来的技术发展,如IUT-T的G.657光纤增加了宏弯性能类别,GB/T增加了低水峰光纤系列等。
    YD 5102-2010《通信线路设计规范》中提出了传输网中使用光纤的选择原则:
    1、长途网光缆宜用G.652或G.655光纤
    2、本地网光缆宜用G.652光纤
    3、接入网光缆宜用G.652光纤,当需要抗微弯光纤光缆时,光缆宜用G.657光纤。
    作为通用的设计规范,难以一一作具体规定,需要在工程设计中根据传输系统性能需求来做出具体选择。
    本文仅是依据上述新标准系列,对光缆线路传输系统工程设计中关于光线路传输设计及光纤类型选择等方面新的需求和新的设计思路作一粗浅论述。

二、光缆线路传输工程设计需求
    光缆线路传输系统工程的传输设计,首先是依工程在通信网络中的地位和业务需求的规模容量,选定光缆传输系统的制式,并依系统设备光接口性能需求选定适用的光纤类型;然后进行光纤传输线路损耗(衰减)、色度色散和偏振模色散PMD的计算。

三、长距离光缆中继段传输设计
    1、通信核心网中长途网和中继网线路常用WDM+SDH光纤传输系统,当前的典型传输系统制式可列作:(WDM)80/40波×(SDH)40/10Gb/s系统。系统分类中,代码“L(长距离)”,应用于G.652/G.655光纤在波长1530nm~1565nm,设备标准光接口参数的光通道衰减22dB,目标传输距离80Km。光通道色散及PMD限值则随SDH系统传输速率不同而分别规定。
    提出“L”系统传输目标距离80km,窃以为可以ITU-T提出的计算作依据。
    ITU-T建议G.652/G.655附录“链路特征和系统设计”中列出的链路衰减计算,摘录如下:
    A=αL+αs X+αc Y                                                  (公式1)
    式中: α-链路中光缆的典型衰减系数(dB/km)
              L-链路长度(km)
              X-链路中预计的接头个数
              Y-链路中预计的连接器数目(不包括设备连接器)
              as-平均接头损耗(dB/个)
              ac-平均连接器损耗(dB/个)
    系统设计中,给定链路长度时还应考虑光缆线路变更变化因素(如增加接头、路由变更的额外光缆长度、老化效应和温度变化等)而分配一个适当的余度。通常典型的链路衰减数值如表1所示。
表1  典型链路衰减值(ITU-T G.652)
项目 波长范围 典型值(注)
链路衰减系数 1460~1530nm 0.35dB/km
1530~1565nm 0.275dB/km
1565~1625nm 0.35dB/km
注:典型链路值相当于ITU-T建议中G.975和G.691所采取的衰减系数
    我们认为,依当前光纤衰减系数≤0.21~0.22dB/km的实际水平,表1中链路典型衰减系数(1530nm~1565nm)0.275dB/km可以代表包括光纤衰减、接头和连接器损耗和系统线路余度的总和。依据公式1
    A=22 dB,得出L=22/0.275=80km。
    2、长距离光缆线路损耗(衰减)可以在线路中间加设若干中继站,用光放大器来再生光信号传送功率,使系统可达到数百或数千公里的系统传输长度。
    对于因线路衰减受限的中继段传输长度计算常有三种设计方法,即最坏值设计法,联合设计法和统计设计法。目前《设计规范》优先推荐最坏值设计法,摘录如下:
                                                (公式2)
    式中: L —衰减受限再生段长度(km);
              Ps—S(MPI-S)点寿命终了时的光发送功率(dBm);
              Pr—R(MPI-R)点寿命终了时的光接收灵敏度(dBm),BER≤10-12
              Pp—最大光通道代价(dB);
              ∑Ac—S(MPI-S)、R(MPI-R)点间活动连接器损耗之和(dB);
              Af—光纤平均衰减系数(dB/km);
              As—光纤固定熔接接头平均损耗(dB/km);
              Mc—光缆富余度(dB/km)。
    公式2中系统设备光接口参数“Ps- Pr- Pp”即是光通道衰减限值。
    在某些因环境限制,如西北边远地区设置中继站有困难,可以采用联合设计法,即系统设备光器件提高光发送功率和提高光缆接收灵敏度,设备和线路联合来获得较长的中继段距离。在系统设备标准(10Gb/s及10Gb/s速率以下)中甚长系统代码“V(光通道衰减33 dB ,目标传输距离120km)”,“V(27dB,100km)”及超长系统代码“U(44dB,160km)”等(JE)传输系统设备系列,但工程设计传输系统不能横向兼容。
    至于统计设计法,其条件限制及计算方法复杂,且以降低系统可用度概率为前提,并不能达到横向兼容,优点是它大概可以延长中继距离约15%,有效节约工程投资。
    3、对于色散受限《设计规范》列出的链路传输长度计算方法如下:
                                (公式3)
    式中:L-色度色散受限再生段长度(km);
            ε-当光源为多纵模激光器时取0.115
                 当光源为单纵模激光器时取0.306
            B-线路信号比特率 (Mbit/s)
            D-系统寿命终了时光纤色散系数 (ps/nm/km)
            -系统寿命终了时光源的均方根谱宽 (nm)
    亦可采用下式估算:
                                               (公式4)
    式中:Dmax -S(MPI-S)、R(MPI-R)间设备允许的最大总色散值(ps/nm)
             D -光纤色度色散系数(ps/nm·km)。
    传输系统的色散限值与传输信号比特率的提高成反比,且其传输线全长的系统色散在早期的中继站中不能得到有效的补偿。但当今的光纤色散补偿技术和精确的色散管理,可以将线路色散余值降到系统正常色散容忍限度。色散补偿器间的光信号损耗可以由中继站光放大器补足。因而,中继段线路传输设计中的色散限制计算已从光缆线路设计主要因素中淡出。
    4、光缆线路的PMD是依光纤、光缆结构和光缆敷设状态变化而是一个随机的参数,且目前尚未找到有效的补偿措施。随着系统传输速率的提高,如10Gb/s及10Gb/s速率以上的传输系统,由于PMD造成的差分群时延DGD已成为限制线路长度不可忽略的因素。
    ITU-T建议G.652/G.655等文稿附录中列出了PMD与链路长度的关系,见表2。
表2  差分群时延表
最大PMD 链路长度 光纤最大差分群时延 通道速率
ps (km) (ps) Gbit/s
不规定 - - 2.5
0.5 400 25.0 10
40 19.0 10(Ethernet)
2 7.5 40
0.2 3000 19.0 10
80 7.0 40
0.1 4000 12.0 10
400 5.0 40

四、长途网和中继网光纤类型选择
    1、《设计规范》提出长途网光缆宜用G.652或G.655光纤。
    G.652光纤和G.655光纤性能在衰减系数和PMD系数指标两者基本相同,但G.655光纤在1550波段具有较低的色散系数,使光纤线路的色散补偿较易实施,降低色散补偿费用;并且G.655光纤的大有效面积有利于降低系统非线性效应。G.655在上世纪九十年代中期开发问世后即受到极大推崇。但因其产品售价甚高(当时约为G.652光纤的2~3倍,迄今G.655光纤市场价仍高出G.652光纤约50%),在通信网中应用比例仅为10%~20%。
    G.655光纤分A~E共5个类别。从高传输速率系统要求,C、D、E类的PMD系统≤0.2ps,优于A、B类(≤0.5ps)。从色散特性看,C类光纤在波长1530nm~1565nm区域仅规定一个色散系数限值,色散符号可以正或负,不便于应用;D及E类的色散系数是随使用波长计算得的色散曲线限值,便于色散补偿,使用波长也扩展到1460nm~1625nm。但D类光纤在波长1460nm~1550nm范围内色散系数最小值可能出现负值,因此,应以使用G.655E类光纤为最佳。G.655光纤不具备1310波长区域的传输特性。
    2、G.652光纤因其生产工艺成熟,产品性能价格稳定低廉,以及光纤色散补偿技术成熟,弥补了它1550nm波长区域高色散系数的缺陷,至今它仍占有光纤市场80%以上的份额。
    G.652光纤分A~D共4个类别,其中A、B类主要应用与1310nm和1550两个波长区域,它在波长1383nm区域有一个衰减曲线上的高水吸收峰,而C及D类光纤则抹平了这一水吸收峰,称为低水峰光纤(或全波光纤),可以使用已开发的单模光纤传输1260nm~1625nm全波长区域。
    G.652 B及D类光纤的PMD系数≤0.2ps,优于A及C类(PMD≤0.5ps)。密集波分复用DWDM系统,因光纤放大器迄今只有用于波长1530nm~1565nm区域的一种,不必考虑1383nm波长区域的使用,高速率传输系统应采用G.652B或D类光纤。
    3、按照通信网模型,中继网(本地网)的线路长度为150km(实际有个别例外超长),因此对系统PMD和色散要求较为宽松,G.652光纤A~D各类的衰减系数相同,都可以用在中继网(本地网)传输系统。
    4、G.652 A~D各类光纤之间的衰减水吸收率和PMD系数性能有不同,但当前光纤生产供应商出于市场营销策略和便于批量生产。G.652各类光纤几乎同一报价并主要供应G.652 D。因此电信业务运营商在光缆工程采购中,除部分长途干线仍认同G.655光纤外,大量采用的都是G.652 D光纤一个品种。
    5、ITU-T建议中,近来又提出可以扩展传输频带为波长1460nm~1625nm的G.656型用于宽带光传送的非零色散光纤。需要注意,这类光纤在波长1460nm和1625nm时的衰减系数比1550nm波长衰减大10%以上;以及目前还没有这两个频段的光纤放大器。因此G.656光纤只能用于端到端的无中继、较短传输距离的光缆线路工程。
    6、长途光缆传输向高速率和超长距离发展,减小光纤的衰减和降低光纤的PMD系数已是当前新型光纤开发的方向。
    PMD系数与系统传输速率和传输距离容限的关系可用公式5和图1表示。
                                               (公式5)

图1   PMD-长度与速率关系图
    早在2003年,比瑞利公司就宣布,他们在生产工艺上精密控制光纤的几何尺寸,从而可以向用户提供“SM Light”新型G.652类光纤,衰减系数≤0.2dB/km(1550nm)及PMDQ≤0.07ps。阿尔卡特公司更宣称,他们研发的“Teralig”光纤PMD降至0.04ps,用于40Gb/s系统,其PMD受限传输距离可扩展至3800km。康宁公司则在2010年3月发布了号称业内衰减值及PMD最低的“SFM-28ULL”型、兼容G.652(B)性的新型光纤,波长1550nm的最大衰减0.17~0.18dB/km,PMDQ≤0.04ps
    光纤衰减系数从0.21~0.22dB/km降为0.17~0.18dB/km可以延长中继段传输距离15~20%;PMDQ≤0.04ps可以容许传输40Gb/s系统近4000km,对日后发展100Gb/s系统,也可以传输<600km。
    这些新型光纤的开发和商用,给光缆线路传输系统设计扩展了更大的思路空间。

五、接入网传输设计与适用光纤
    1、接入网是指从用户网络接口至相关业务节点接口之间的网络,可以由光纤金属线或者无线作为传输媒介。“三网融合”业务带宽要求越来越高,宽带光纤接入已成为接入网建设的目标。
    宽带光纤接入的含义包括全程应用光纤,或者以光纤作为主干,以金属线或无线接入用户末端。它在通信网络中的位置如图2所示。

图2   宽带光纤接入网在通信网络中的位置
    由OLT(光线路终端)、ODN(无源光分配网)、ONU/ONT(光网络单元/终端)组成的点到多点的信号传输系统简称PON(无源光网络)
    2、目前应用的PON系统及工作波长见表3。
表3  PON系统工作波长表
PON技术 EPON GPON 非对称10G EPON 对称10G EPON
标称波长(nm) 下行 1490 1490 1577 1577
上行 1310 1310 1310 1270
    CATV业务可通过PON第三波(标准波长1550nm)承载。
    3、工程设计PON系统的传输距离限值采用最坏值计算法,按公式6计算。
                              (公式6)
    式中:  P—OLT和ONU/ONT的R/S-S/R点之间允许最大通道插入损耗(单位:dB)。
              —OLT至单个ONU/ONT链路中所有光分路器的插入损耗(不含连接器损耗)之和(单位:dB),其中是单个光分路器的插入损耗。
              Mc—线路维护余量(单位:dB)。
              Ac—单个活动连接器的损耗(单位:dB)。
              N—OLT至单个ONU/ONT光链路中的活动连接器的数量(单位:个)。
              AF—光纤线路(含固定接头)衰减系数(单位:dB/km)。
              β—OLT至单个ONU/ONT之间光链路中存在模场直径不匹配的光纤连接时所引入的附加损耗(单位:dB)。
    PON系统上行和下行的传输距离应分别计算,取两者中较小值作为容限。
    PON系统最大通道接入损耗依其采用的技术和光模块类型而定。而从公式6可见,系统中光分路器和光连接器的数量及其引入的损耗,在极大程度上影响系统传输距离,在光分配网络设计中要着重考虑选择合适的组网结构。
    4、光接入网的传输线的距离不长,依其工作波长范围,应用G.652光纤,可不必对色散和PMD性能严格要求。考虑到将来“WDM-PON”应用可能包括稀疏波分复用(CWDM)系统的可能,以及G.652各类别光纤当前的价格因素,宜适用G.652 D类光纤。
    5、当进入楼内或分线箱(盒)内因安装位置的局限,需考虑换接弯曲损耗不敏感的G.657型光纤。
    ITU-T建议G.657光纤有A1、A2及B2、B3共4种类型,其中B3类型光纤可达到最小弯曲半径5mm(波长1550nm时最大宏弯损耗0.15dB/1圈),但该光纤无1383nm时的衰减低水峰的性能。
    选用G.657类型光纤时,应考虑与G.652型的模场直径匹配,减小接头损耗。
    目前G.657光纤市价偏高(约高于G.652型售价50%),接入网工程如全部采用G.657光纤,将增加建网投资;而两种光纤反复换接则是工程一大麻烦。有人提出,希望ITU-T增加一种既有G.652D的衰减性能,又有G.657的弯曲特性的新型光纤系列,可命名“G.652D +”。
    据了解,康宁公司曾于2010年7月发布一种“Clear Curve ZBL”光纤,其性能完全兼容G.652D光纤,弯曲半径5mm时,1550nm附加衰减≤0.1dB/1圈。期待其在形成批量生产后面市时,能保持G.652D光纤的售价水平,则可以大量用于接入网工程建设。
 
六、附录
    1、附录1 G.652,G.655及G.657光纤主要性能
    ITU-T 2009年G.652、G.655及G.657光纤以及国标GB/T 9771-2008的单模光纤性能汇编如表附1、附2及附3。
    2、附录2 单模光纤传输频带划分及CWDM标准
    ITU-T光纤频带的划分名称见附图1。
附图1  光纤频带划分命名
    图中:O-原始波段频带,E-扩展波段频带,S-短波段频带,
                C-常规波长频带,L-长波长频带,  U-超常波长频带
    ITU-T2002年6月发布了一项将稀疏波分复用(CWDM)技术应用到城域光网络的标准G.694.2 ,支持在使用无制冷条件下,于G.652等光纤上可传输50km,波长范围从1270nm到1610nm,波长间隔20nm的18个标准波长。
    美国制定的标准把CWDN系统波分栅格分为3格,其中“O”波段4个波长:1290、1310、1330、1350nm;“E”波段4个波长:1380、1400、1420、1440nm;“S+C+L”波段:1470、1490、1510、1530、1550、1570、1590、1610nm。可分别使用4波、8波或16波CWDM系统。
附表1  非零色散未位移单模光纤主要特性
    *:衰减系数最大值应不大于1310~1625nm范围内规定的衰减系数最大值
附表2  非零色散位移单模光纤主要特性
    注1:Dmin在λ=1460~1550nm范围内为
                  在λ=1550~1625nm范围内为
    注2:Dmax在λ=1460~1550nm范围内为
                  在λ=1550~1625nm范围内为
    注3:Dmin在λ=1460~1550nm范围内为
                  在λ=1550~1625nm范围内为
    注4:Dmax在λ=1460~1550nm范围内为
                  在λ=1550~1625nm范围内为
附表3  接入网用弯曲损耗不敏感单模光纤主要特性
    注1:依据GB/T 9771.×-20××(报批稿 2009.11)
    注2:当使用波长扩展至1260nm时,其衰减系数将比1310nm增加0.07dB/km,光缆截至波长应为1250nm

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