Research and Application of Key Technologies for 100 G OTN Ultra Long Range Communication
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摘要: 近年来，随着能源互联网的快速发展，国家电网有限公司各业务系统对通信系统传输带宽的要求越来越高，单波10 G大容量骨干光传送网络(optical transport network，OTN)已无法满足数据类业务和大颗粒业务的带宽需求。目前单波100 G OTN系统技术日趋成熟，但大跨距的100 G OTN应用研究与分析较少，文章介绍了新疆A站—B站385 km大跨距100 G OTN传输设计中遇到的超长站距难以开通满足业务的OTN波数问题，并通过实验测试和数据分析，得出了相关结论和解决方案，对后续国家电网有限公司大容量骨干光传输系统大档距的应用具有重要的参考价值。Abstract: In recent years, with the rapid development of the energy Internet, the business systems of State Grid Corporation of China have more and more requirements for the transmission bandwidth of the communication system. The single wave 10 G large capacity optical transport network (OTN) has been unable to meet the bandwidth requirements of data services and large particle services. At present, the technology of single wave 100 G OTN system is becoming increasingly mature, but there is a lack of research and analysis on the application of large-span 100 G OTN. This paper introduces the problem of OTN wave numbers that are difficult to open and meet business needs in the 385 km large-span 100 G OTN transmission design of Xinjiang A and B stations. Through experimental testing and data analysis, relevant conclusions and solutions have been drawn, which have important reference value for the future application of large capacity backbone optical transmission systems of State Grid Corporation of China.
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0. 引言
“十四五”期间随着能源互联网的快速发展，国家电网有限公司各业务系统对通信系统传输带宽的要求越来越高[1]，2013年建成的国网新疆电力有限公司(以下简称新疆电力)光传输网是40×10 G的光传送网络(optical transport network，OTN)，A站—B站设计线路长度385 km，是“十四五”至“十五五”期间拟建的新疆省网B平面核心网架跨越南疆、北疆、东疆的核心关键断面链路，经测算，单波10 Gbit/s的OTN电路无法在385 km的超长距离传输，限制了新疆电力南北东疆数据的传输。同时新疆电力40×10 G的OTN传输系统部分传输通道断面波道数已接近饱和[2-4]，通过扩容波道仅能满足“十三五”期间业务增长需求，对于“十四五”期间的业务增长，业务带宽需求将难以为继。
为了对急剧增长的数据类业务和大颗粒业务的带宽进行量化，本文提出一种业务容量需求分析方法，预测业务带宽需求，新疆电力B平面需要新建100 G OTN核心环以满足数据类业务和大颗粒业务的带宽需求，目前单波100 G OTN系统技术日趋成熟，但大跨距的100 G OTN应用设计与分析较少[5]，本文通过对新疆A站—B站385 km超长站距下100 G OTN引起的光传输损耗等因素的研究和实际应用，为超长距场景下系统通道利用率的提升提供了行之有效的解决方案，并通过实际运行结果为后续研究提供了宝贵的实践经验。
1. 超大容量骨干光纤通信系统业务带宽需求分析
随着能源互联网的大力推进，国家电网有限公司数据通信业务应用将呈现出暴发式增长的态势，特别是一次设备智能化后，电网状态信息的实时交换、网络化的视频监控和多媒体交互信息管理等业务将更多的数据汇聚到集控中心、调度中心和数据容灾中心，未来数据类业务和大颗粒业务将成为电力通信网的主要业务需求[6-7]。
本文提出一种业务容量需求分析方法，主要依据电网中的调度数据网、数据通信网、专线业务对通信系统的带宽容量进行预测。
1）调度数据网业务包括：各地市供电公司至省调、备调的调度数据骨干网一平面、二平面省内业务；省调、备调至分调的调度数据骨干网一平面、二平面省际业务；调度数据骨干网一平面省调、备调互联省内业务调度数据骨干网二平面省调、备调互联省内业务。
2）数据通信网业务包括：各地市供电公司至省公司的数据通信省内业务；各地市供电公司至省公司第二业务汇聚的数据通信省内业务；各地区第二汇聚点至省公司第二业务汇聚的数据通信省内业务；省公司至省公司第二业务汇聚的数据通信互联省内业务；省直属单位本部至省公司的数据通信省内业务；省公司至分部的数据通信网省际电路业务。
3）专线业务包括：重要站点至省公司的调度电话业务、通信网管网业务、资源同步网业务、会议电视系统等[8]。
以下结合新疆电网网架的现状及规划，通过业务容量需求分析对新疆公司业务带宽需求进行预测。
根据“十四五”末建成的新疆电力一次电网网架结构[9]、国网新疆各地区电力公司、兵团各地区电力公司、省备调互联、省备调出疆电路的业务带宽需求进行综合预测，“十四五”期间全疆共计带宽需求约640.508 Gbit/s，其中调度数据网带宽需求约71.16 Gbit/s，数据通信网带宽需求约540 Gbit/s，专线业务带宽需求约29.35 Gbit/s，SDH平面承载约22.508 Gbit/s，OTN平面承载618 Gbit/s。而目前现网OTN平面最大承载容量为400 Gbit/s，无法满足“十四五”末及“十五五”期间新疆电力的业务带宽需求。
鉴于上述业务带宽需求分析，需要在新疆电网建设一个100 G OTN超大容量骨干光纤通信系统以满足新疆公司各业务的带宽需求。
2. 100 G OTN超大容量骨干光纤通信系统建设原则
建设100 G OTN超大容量省内骨干光纤通信系统时，原则上尽量选择省内重要的站点，同时综合考虑网络架构、各地市覆盖站点的业务带宽需求、光缆情况、设备配置、网络保护配置等因素对系统传输性能的影响[10]。
1）100 G OTN超大容量骨干光纤通信系统选址尽量覆盖省调、备调、地调、地市通信第二汇聚点、重要750 kV变电站等。
2）骨干环网应优先选择重要750 kV及以上电压等级的变电站。省调、备调本部尽量不参与骨干环网组网，采用至少3条OTN链路接入骨干环网[11]。
3）不具备两点接入的站点利用双光缆保护方式接入骨干网架。
4）站点选择及设备配置应充分考虑未来网络向重要110/220/750 kV变电站延伸的可能[12]。
5）站点均采用OTN电交叉设备，波道采用逐站电中继方式，一方面避免长距离无电中继配置拉曼等高功率器件；另一方面满足业务灵活调度需求。
6）OTN设备业务端口配置100 Gbit/s Ethernet、100 Gbit/s、10 Gbit/s Ethernet、10 Gbit/s、2.5 Gbit/s、1 Gbit/s Ethernet、155 Mbit/s等任意速率业务接口，且设备支持2 M业务接口，以满足电力系统各种颗粒的业务传输需求。
7）OTN设备光层配置光信道监测功能板卡，且具备光时域反射仪(optical time-domain reflectometer, OTDR)在线监测功能。
8）OTN设备支持自动交换光网络(automatically switched optical network，ASON)、波长交换光网络(wavelength switched optical network，WSON)和SDN使能的传送网络(transport software defined networking，T-SDN)。
9）结合电力系统一次网架结构，尽可能选用可靠性高的光缆进行建设，光缆按照直流光缆、750 kV线路超低损耗(ultra low loss，ULL)光缆、750 kV线路OPGW光缆、220 kV线路OPGW光缆、ADSS光缆、管道光缆的优先级顺序选用，并尽量不选用重复光缆路由[13]。
10）选择光缆路由，合理预留光缆富余度，避免一次线路π接对系统光缆富余度及系统运行造成的影响。
11）优先选用G.652光缆纤芯，合理选择路由，均匀选择站距，避免使用拉曼放大器等大功率光器件。
12）工程建设的OTN骨干环网及分支环网均不开通光层保护，采用电层ODUk SNCP 1+1保护方式以节省光纤资源，仅在末端支链电路上根据两个方向光缆情况灵活选择OCP光层保护[14]。
本文结合新疆省网B平面OTN核心环网络，选取新疆省调、新疆备调、750 kV枢纽站、750 kV变电站共16个站点作为B平面OTN核心站点，核心环按8×100 G配置。
新疆省网B平面OTN核心环承载业务包括：①数据网上联业务，包括省调、备调互联业务100 Gbit/s，省调出疆业务100 Gbit/s，备调出疆业务100 Gbit/s：②15个地调上联省调业务(每地调至省调40 Gbit/s)600 Gbit/s；③15个地调上联备调业务(每地调至备调20 Gbit/s)300Gbit/s。业务容量为100+200+600+300=1200 Gbit/s。新疆省网OTN新建核心环网拓扑图如图 1所示。
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图 1 省网OTN新建核心环网拓扑图Figure 1. Topology diagram of the new core ring network scheme for OTN in the provincial network目前新疆电力“十五五”B平面尚未形成，作为“十四五”至“十五五”期间新疆省网B平面南北东疆网络的重要组成部分[15-16]，前期由于光缆资源条件限制，A站—B站未开通OTN波道，因此整个省网OTN网络大环未形成。A站—B站100 G OTN通道在2023年率先开通4×100 G电路。
3. 100 G OTN超长距传输网络组网方案
A站—B站设计线路长度385 km，是“十四五”至“十五五”期间拟建的新疆省网B平面核心网架跨越南疆、北疆、东疆的核心关键断面链路，750 kV A站—B站输电线路工程首次使用ULL光缆，在线路中间设置遥泵中继。
B站—A站长距电力光缆线路示意如图 2所示。
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图 2 B站—A站长距光缆线路示意Figure 2. Schematic diagram of the long-distance line from B station to A stationb塔为B站→A站方向的遥泵放大器RGU安装位置为：距离A站变113.509 km。
a塔为A站→B站方向的遥泵放大器RGU安装位置为：距离B站变111.616 km。
1）B站—A站方向线路。
B站—A站光缆线路总长385.23 km，B站变至遥泵放大器塔站271.721 km，遥泵放大器塔站点至A站变站点113.509 km。B站—A站方向线路拓扑如图 3所示。
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图 3 B站—A站方向线路拓扑Figure 3. Topology diagram of the line from B station to A station direction2）A站—B站方向线路。
A站—B站长距线路总长385.23 km，A站变至遥泵放大器塔站点273.614 km，遥泵放大器塔站点至B站变站点111.616 km。A站—B站方向线路拓扑如图 4所示。
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图 4 A站—B站方向线路拓扑Figure 4. Topology diagram of the line from A station to B station direction基于A站至B站光缆情况，总长度385 km，
衰耗值约在73 dB左右，通过新建A站—B站光方向，组建跨天山南北东疆核心环，考虑到未来骨干OTN-100 G演进的趋势，本文采用8×100 G设计方案，先实际开通4波100 G波道，运行容量为4×100 G。
本次A站—B站超长跨100 G OTN光层仿真效果如图 5所示。
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图 5 A站—B站100 G OTN光层仿真效果Figure 5. Simulation effect of 100 G OTN optical layer from A station to B station4. 100 G OTN超长距传输光放配置策略
在100 G OTN超长距传输系统中，光功率是限制传输距离的最主要因素[11]，线路传输衰耗随着光纤距离线性降低，单板的接收灵敏度一般在–16 dBm，因此无光放传输距离一般在40 km以内。
1）当线路传输衰耗大于10 dB时，通常要在收发端配置掺铒光纤放大器(erbium-doped optical fiber amplifier，EDFA)提升信号光功率。
2）当线路传输衰耗大于40 dB时，需要考虑对信号进行光功率补偿，但发端光功率不宜过高，因此在收端使用拉曼放大器，泵浦光从收端反向补偿信号，称之为后向拉曼放大器。
3）当线路传输衰耗大于50 dB时，仅从收端补偿信号已经无法满足，此时考虑从发端开始提升信号光功率，泵浦光在发端对信号进行补偿，称之为前向拉曼放大器。
4）当线路传输衰耗到达60 dB以上时，前后向拉曼均已无法满足信号补偿要求，因此提出远程光泵浦放大器(remote optical pumping amplifer，ROPA)，对超长距单跨进行光功率补偿。
本文提出一种基于ULL光纤+遥泵放大器+增强型前后向拉曼放大器技术的100 G OTN超长距设计的方案以解决超长站距OTN波数开通受限，A站—B站超长跨100 G OTN信号功率演化趋势图如图 6所示。
对A站—B站385 km超长距4×100 G OTN的电路光放配置如下。
光放配置方案说明：
1）排序为BA+RPC//后向RGU+ERPC+ROP+ SRAU+PA；其中BA(optical booster amplifier，光功率放大器)；RPC(Raman optical power amplifier working in the C-band，工作在C波段的拉曼光功率放大器)；RGU(remote gain unit，远程增益单元)；ERPC(enhanced Raman optical power amplifier working in the C-band，工作在C波段的增强型拉曼光功率放大器)；ROP(remote optical pumping，远端泵浦光单元)；SRAU(super C-band backward Raman and erbium doped fiber hybrid optical amplifier unit，C波段后向拉曼和掺铒光纤混合光放大单元)；PA(pre optical power amplifier，前置光功率放大器)。
2）RPC，SRAU，ERPC，ROP，RGU对接收光功率均无要求；
3）以发端光放(BA)输出16 dBm，收端光放(PA)接收光功率–16 dBm为例，光功率衰减为32 dB，
再加上RPC提供的增益约10 dB，SRAU提供的增益约18 dB，ROP提供的增益约10 dB，ERPC增强的增益约3 dB，合计损耗约73 dB；
4）本次光放配置100 G系统最多支持10波(由于受激拉曼散射(stimulated Raman scattering，SRS)效应，不同波长之间存在能量转移，当系统波数增多时，初始波长的能量将会向新波长转移，同时放大器增益被分摊，系统波数大于10波时，抗衰损能力低于71 dB)。
A站—B站100 G OTN通道开通后运行参数见表 1所列。
表 1 A站—B站100 G OTN通道运行参数Table 1. Operating parameters of 100 G OTN channel from A station to B station项目 指标 B站—A站 A站—B站 B站—A站方向OSNR值 A站—B站方向OSNR值 192.1频率波道 发光–2.9 dB，收光–8.2 dB 发光–2.5 dB，收光–8.0 dB 18 dB 18 dB 192.2频率波道 发光–2.6 dB，收光–8.0 dB 发光–2.4 dB，收光–7.9 dB 18 dB 18 dB 192.3频率波道 发光–2.8 dB，收光–8.2 dB 发光–2.5 dB，收光–8.0 dB 18 dB 18 dB 192.4频率波道 发光–2.5 dB，收光–8.9 dB 发光–2.4 dB，收光–8.4 dB 18 dB 18 dB 5. 结语
随着能源互联网的大力推进，电力公司数据类业务和大颗粒业务将成为电力通信网的主要业务需求。本文提出一种业务容量需求分析方法，可以对电网业务带宽进行需求预测，支撑电网建设100 G OTN超大容量骨干光纤通信系统。针对100 G OTN超大容量骨干光纤通信系统在大跨距光功率补偿的需求，本文提出一种基于ULL光纤+遥泵放大器+增强型前后向拉曼放大器技术的100 G OTN超长站距设计方案，对新疆A站—B站385 km 750 kV线路上的超长距单跨的100 G OTN超大容量骨干光纤通信系统进行光功率补偿及其实现实例[17-18]。
其中业务容量需求分析方法适用于数量为15个地市公司，容量为每个地市公司上联省调业务40 Gbit/s，上联省备调业务20 Gbit/s，省调、省备调互联业务100 Gbit/s，省调、省备调至国调或分调业务各100 Gbit/s的情况。
100 G OTN超长站距设计方案适用于距离为385 km超长站距，光缆采用ULL光缆，线路传输衰耗达65 dB以上的系统，需求容量为8×100 G的超大容量光纤通信系统。该方案可用于支撑超长站距地市—省网—省际100 G OTN超大容量骨干光纤通信系统的建设。
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图 1 省网OTN新建核心环网拓扑图
Figure 1. Topology diagram of the new core ring network scheme for OTN in the provincial network
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图 2 B站—A站长距光缆线路示意
Figure 2. Schematic diagram of the long-distance line from B station to A station
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图 3 B站—A站方向线路拓扑
Figure 3. Topology diagram of the line from B station to A station direction
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图 4 A站—B站方向线路拓扑
Figure 4. Topology diagram of the line from A station to B station direction
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图 5 A站—B站100 G OTN光层仿真效果
Figure 5. Simulation effect of 100 G OTN optical layer from A station to B station
表 1 A站—B站100 G OTN通道运行参数
Table 1 Operating parameters of 100 G OTN channel from A station to B station
项目 指标 B站—A站 A站—B站 B站—A站方向OSNR值 A站—B站方向OSNR值 192.1频率波道 发光–2.9 dB，收光–8.2 dB 发光–2.5 dB，收光–8.0 dB 18 dB 18 dB 192.2频率波道 发光–2.6 dB，收光–8.0 dB 发光–2.4 dB，收光–7.9 dB 18 dB 18 dB 192.3频率波道 发光–2.8 dB，收光–8.2 dB 发光–2.5 dB，收光–8.0 dB 18 dB 18 dB 192.4频率波道 发光–2.5 dB，收光–8.9 dB 发光–2.4 dB，收光–8.4 dB 18 dB 18 dB 
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