解文明，李永嫚，張 艷（中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇南京 210019）

0 引言

近年來(lái)，100G OTN［1］得到了大規(guī)模商用，電力行業(yè)也逐漸開始部署100G OTN 骨干網(wǎng)絡(luò)。但在雷雨季節(jié)，電力100G OTN［2-5］骨干網(wǎng)絡(luò)部分鏈路多次隨機(jī)閃報(bào)OTN_LOF 告警，每次告警產(chǎn)生后立即消除，持續(xù)時(shí)間為1～2 s，在為期幾個(gè)月的雷雨季節(jié)里告警次數(shù)累積可以達(dá)到幾十次。經(jīng)分析，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致此異常的原因是雷擊導(dǎo)致OPGW（Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire）中的光信號(hào)的偏振態(tài)（State Of Polarization，SOP）波動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致100G OTN 設(shè)備誤碼。本文重點(diǎn)研究雷擊OPGW對(duì)100G OTN系統(tǒng)的影響。

1 電力通信OPGW 光纜介紹及其面臨的挑戰(zhàn)

1.1 電力通信OPGW光纜介紹

OPGW［6］光纜也稱光纖復(fù)合架空地線，具有地線與通信雙重功能，已經(jīng)在電力骨干光通信網(wǎng)絡(luò)中廣泛應(yīng)用。OPGW 優(yōu)點(diǎn)是適合在新建線路上架設(shè)，強(qiáng)度高、運(yùn)行相對(duì)安全可靠，缺點(diǎn)是在雷雨天氣較多的地區(qū)，因雷擊造成OPGW 光纜斷股損壞的情況時(shí)有發(fā)生［7］。

1.2 OPGW光纜應(yīng)用面臨的主要挑戰(zhàn)

打雷時(shí)，云層放電擊中OPGW 附近區(qū)域，OPGW導(dǎo)體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生高強(qiáng)度的瞬時(shí)雷電流。雷電流分為沿著OPGW 的螺旋結(jié)構(gòu)流過的螺旋分量和從OPGW 表面直接流過的直通分量2部分。雷電流沿螺旋方向流過OPGW 時(shí)將在OPGW 光纜內(nèi)部產(chǎn)生平行于OPGW軸線的磁場(chǎng)，在法拉第磁光效應(yīng)的作用下光纖內(nèi)所傳輸?shù)墓庑盘?hào)的SOP［8］劇烈波動(dòng)，波動(dòng)速度超出系統(tǒng)容限后，接收端無(wú)法準(zhǔn)確恢復(fù)信號(hào)偏振態(tài)，導(dǎo)致信號(hào)誤碼率增加甚至信號(hào)丟失。

2 SOP及引起SOP偏轉(zhuǎn)因素分析

2.1 光信號(hào)SOP概念

在垂直于光傳輸方向上，可以將光分解為2 個(gè)相互獨(dú)立的振動(dòng)方向（偏振），偏振態(tài)（State of Polarization，SOP）則由2 個(gè)偏振之間的振幅比值、相位差決定。理論上，可以用3×1 矩陣（Stokes 矩陣）直觀地表示光域上的SOP 狀態(tài)。假設(shè)分別以S1、S2、S3為3 維坐標(biāo)系的3 個(gè)坐標(biāo)軸，則光場(chǎng)的每個(gè)SOP 狀態(tài)均可對(duì)應(yīng)在一個(gè)球面的某個(gè)點(diǎn)上。光信號(hào)SOP 的變化可以用光信號(hào)的Stokes矢量在邦加球上的運(yùn)動(dòng)表示。光信號(hào)Stokes矢量在邦加球上運(yùn)動(dòng)示意如圖1所示。

圖1 光信號(hào)Stokes矢量在邦加球上運(yùn)動(dòng)示意圖

光信號(hào)t1時(shí)刻的偏振態(tài)為a，在邦加球上表示為點(diǎn)a；光信號(hào)t2時(shí)刻的偏振態(tài)為b，在邦加球上表示為點(diǎn)b；偏振態(tài)a和b之間的角度表示為α，單位為rad；偏振態(tài)的變化速度為α/（t2-t1），單位為rad/s。

2.2 引起SOP偏轉(zhuǎn)因素分析

引起SOP 變化的因素較多，主要分為線性效應(yīng)和非線性效應(yīng)2類。線性效應(yīng)包括溫度改變、振動(dòng)、應(yīng)力（擠壓、形變）等機(jī)械擾動(dòng)和強(qiáng)放電（雷擊、閃電）等法拉第效應(yīng)。非線性效應(yīng)包括入纖光功率、光纖類型、波長(zhǎng)數(shù)目、波長(zhǎng)間距等造成的交叉偏振調(diào)制。

研究發(fā)現(xiàn)：直埋光纜環(huán)境穩(wěn)定，SOP變化速度一般在幾十krad/s 以下，因此使用直埋光纜一般不需要考慮SOP 變化的影響。受風(fēng)、溫度和雷電等外界環(huán)境影響，架空、沿鐵路鋪設(shè)及電力OPGW 光纜的SOP 變化速度可從幾百krad/s 到幾Mrad/s，其中雷電對(duì)OPGW光纜的SOP 影響最大，需特別關(guān)注其SOP 變化帶來(lái)的影響。

3 雷擊與SOP波動(dòng)關(guān)系分析

3.1 雷擊強(qiáng)度及概率分析

根據(jù)《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》（DL/T 620-1997）和《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 50064-2014），我國(guó)一般地區(qū)雷電流幅值及其概率的計(jì)算方法如下：

其中，P為雷電流幅值概率，I為雷電流幅值（kA）。

根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，得出雷電流幅值及超過對(duì)應(yīng)雷電流幅值的概率，如表1所示。

表1 雷電流幅值及超過對(duì)應(yīng)雷電流幅值的概率

由此可以得出雷電流發(fā)生的概率，如表2所示。

表2 雷電流發(fā)生概率表

如果考慮雷擊導(dǎo)致誤碼影響業(yè)務(wù)的概率，還要另外計(jì)算雷擊發(fā)生的概率以及雷擊直擊OPGW 的條件概率。

3.2 雷擊電流對(duì)SOP變化影響

通常自然界雷電流有2 種放電形式：脈沖沖擊電流和長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)電流，其特點(diǎn)如表3所示。

表3 脈沖沖擊電流和長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)電流對(duì)比表

根據(jù)《架空輸電線路防雷技術(shù)導(dǎo)則》（Q-CSG 11077002-2018），雷電流波形用2.6/50 μs的Heidler模型描述，即波頭持續(xù)時(shí)間為2.6 μs，波尾持續(xù)時(shí)間為50 μs。

雷擊導(dǎo)致OPGW［9-10］光信號(hào)SOP 偏轉(zhuǎn)的全過程包括以下2個(gè)階段。

a）波頭階段：持續(xù)時(shí)間為微秒級(jí)，在幾微秒到幾百微秒時(shí)間內(nèi)，SOP 偏轉(zhuǎn)角速度迅速上升到本次波動(dòng)的最大值。

b）波尾階段：持續(xù)時(shí)間為毫秒級(jí)，在幾毫秒到幾百毫秒時(shí)間內(nèi)，SOP 偏轉(zhuǎn)角速度振蕩衰減到無(wú)雷擊時(shí)的較低水平。

基于保守估計(jì)原則，將雷擊電流直接視為OPGW中電流，計(jì)算出SOP強(qiáng)度與雷擊電流關(guān)系如表4所示。

表4 SOP強(qiáng)度與雷擊電流關(guān)系表

4 SOP波動(dòng)對(duì)100G OTN系統(tǒng)及其業(yè)務(wù)影響

4.1 SOP波動(dòng)對(duì)100G OTN系統(tǒng)影響

100G 系統(tǒng)采用相干PM-QPSK 技術(shù)，發(fā)送端通過偏振分束器將光信號(hào)分成x、y2個(gè)垂直的偏振方向，分別對(duì)x、y偏振方向上的光信號(hào)進(jìn)行QPSK 調(diào)制，偏振合波器將x、y2 個(gè)偏振方向上已經(jīng)調(diào)制好的信號(hào)合路成一路信號(hào)。接收端將接收信號(hào)分離到x、y2 個(gè)偏振方向上，通過相干接收將x、y偏振方向上的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，然后采用高精度DAC 將電信號(hào)變成0101…數(shù)字碼流，最后通過DSP 高速數(shù)字處理去除色散、噪聲、非線性等干擾因素，還原從發(fā)端發(fā)出的100G信號(hào)。

100G 光傳輸系統(tǒng)采用了數(shù)字相干接收技術(shù)，通過相位分集、偏振態(tài)分集技術(shù)將光信號(hào)的光學(xué)屬性映射到電域，利用成熟的DSP 技術(shù)在電域?qū)崿F(xiàn)偏振解復(fù)用、信道損傷均衡補(bǔ)償、時(shí)序恢復(fù)、載波相位估計(jì)、符號(hào)估計(jì)和線性解碼。

對(duì)于普通直埋的光纜而言，100G 數(shù)字相干接收機(jī)在設(shè)計(jì)的時(shí)候充分考慮了光傳輸鏈路噪聲和干擾特性，系統(tǒng)具有足夠的CD 和PMD 容限，無(wú)需考慮線路傳輸上的CD 和PMD 的影響。對(duì)于采用了偏振態(tài)復(fù)用的100G及以上速率的OTN光傳輸系統(tǒng)，相干接收機(jī)需要實(shí)時(shí)跟蹤光信號(hào)的SOP 狀態(tài)，才能夠有效地進(jìn)行偏振態(tài)解復(fù)用、PMD 補(bǔ)償以及信號(hào)恢復(fù)和數(shù)據(jù)提取操作。當(dāng)光信號(hào)SOP 變化速度超出100G 相干接收機(jī)的容忍能力時(shí)，OTN 系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)閃斷或誤碼，影響信息數(shù)據(jù)的安全可靠傳輸。相干碼型對(duì)SOP 變化的處理流程如圖2所示。

圖2 相干碼型對(duì)SOP變化的處理流程圖

相干碼型通過MIMO 算法跟蹤SOP 的變化，如果SOP 的變化超過oDSP 的跟蹤能力，則會(huì)出現(xiàn)糾后誤碼。具體實(shí)現(xiàn)原理如圖3所示。

圖3 相干碼型跟蹤SOP變化原理圖

4.2 SOP波動(dòng)對(duì)承載業(yè)務(wù)的影響

根據(jù)業(yè)務(wù)功能、特點(diǎn)將電力通信業(yè)務(wù)劃分為電網(wǎng)運(yùn)行業(yè)務(wù)（運(yùn)行控制業(yè)務(wù)、運(yùn)行信息業(yè)務(wù)）和企業(yè)管理業(yè)務(wù)（視頻會(huì)議、辦公電話、辦公自動(dòng)化和遠(yuǎn)程培訓(xùn)等）。運(yùn)行控制類業(yè)務(wù)要求通信誤碼率≤10-8，運(yùn)行信息類業(yè)務(wù)要求通信誤碼率＜10-6，管理類業(yè)務(wù)要求通信誤碼率≤10-3。

目前，電力100G OTN 只承載視頻會(huì)議等企業(yè)管理類業(yè)務(wù)，暫未承載傳統(tǒng)電力通信控制類業(yè)務(wù)。在發(fā)生雷擊時(shí)對(duì)視頻會(huì)議業(yè)務(wù)進(jìn)行測(cè)試，視頻會(huì)議業(yè)務(wù)出現(xiàn)瞬間卡頓/丟幀現(xiàn)象，測(cè)試最大誤碼率折算為10-5數(shù)量級(jí)，暫時(shí)無(wú)法滿足電力運(yùn)行業(yè)務(wù)承載要求。

5 主流100G設(shè)備抗SOP性能及改進(jìn)思路

5.1 100G OTN設(shè)備SOP容限

給定100G OTN 設(shè)備及相應(yīng)板卡，其SOP 容限并非是一個(gè)固定值。為OTU光接口預(yù)留的OSNR富余度越大，SOP容限越高，反之亦然。

在二維坐標(biāo)系上，SOP 容限和OSNR 富余度的關(guān)系可用一條單調(diào)遞增曲線描述。從橫向比較，抵御SOP 偏轉(zhuǎn)能力越強(qiáng)的設(shè)備，這條曲線就越遠(yuǎn)離y軸、越平緩（即消耗較少OSNR 富余度就能抵御很高速的SOP 偏轉(zhuǎn)）；抵御SOP 偏轉(zhuǎn)能力越弱的設(shè)備，這條曲線就越靠近y軸，越陡峭（即消耗較多OSNR 富余度也只能抵御較低速的SOP偏轉(zhuǎn)）。

5.2 主要設(shè)備廠商抗SOP性能指標(biāo)分析

為了解主流設(shè)備廠家抗SOP 性能指標(biāo)，需統(tǒng)一對(duì)抗SOP性能指標(biāo)的理解，特定義以下指標(biāo)。

抗SOP 接收機(jī)OSNR 容限（EOL）定義為在給定的SOP 強(qiáng)度下測(cè)試得到的背靠背OSNR 容限，本容限含SOP引入的OSNR代價(jià)值。其中：

OSNR 代價(jià)（SOP）=給定的SOP 強(qiáng)度下測(cè)得的背靠背OSNR 容限值-SOP 為0 Mrad/s 時(shí)測(cè)得的背靠背OSNR 容限值。

OSNR 代價(jià)（系統(tǒng)傳輸通道代價(jià)）=給定SOP 強(qiáng)度時(shí)測(cè)得的過系統(tǒng)OSNR 容限值-給定SOP 強(qiáng)度時(shí)測(cè)得的背靠背OSNR容限值。

根據(jù)調(diào)研，在給定8、9 Mrad/s SOP 強(qiáng)度時(shí)，各廠家OSNR 容限（EOL）值、OSNR 代價(jià)（SOP）及接收OSNR最小值如表5所示。

表5 給定SOP強(qiáng)度下不同廠家設(shè)備的OSNR性能指標(biāo)

5.3 SOP容限改進(jìn)思路及手段

SOP容限改進(jìn)主要是通過軟硬件優(yōu)化的手段提高DSP處理能力。

改進(jìn)手段1：調(diào)節(jié)oDSP 芯片的時(shí)域均衡（TDEQ）環(huán)路的跟蹤能力（更大步長(zhǎng)，和/或更快速度），實(shí)現(xiàn)對(duì)SOP 的更快速跟蹤，其缺點(diǎn)是會(huì)損失小部分BtB OSNR容限。

改進(jìn)手段2：在發(fā)端增加訓(xùn)練序列，實(shí)現(xiàn)SOP 的瞬時(shí)值計(jì)算。

改進(jìn)手段3：采用動(dòng)態(tài)預(yù)扭曲和整形技術(shù)，實(shí)現(xiàn)快速SOP跟蹤。

由于DSP 模塊集成在100G 線路盤上，不涉及設(shè)備平臺(tái)，需要廠商推出容限更高的線路盤。

要提高設(shè)備忍耐SOP的能力，相應(yīng)的代價(jià)如下。

a）輕微的OSNR容限損失（不超過0.5 dB）。

b）雷擊導(dǎo)致SOP 高速偏轉(zhuǎn)持續(xù)的ms 級(jí)時(shí)間段內(nèi)，會(huì)消耗OSNR 富余度。舉例來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)規(guī)范要求預(yù)留至少4.5～6 dB 的OSNR 富余度（實(shí)際執(zhí)行時(shí)預(yù)留更多），雷擊較弱時(shí)，預(yù)留的OSNR富余度足以消除誤碼；雷擊較強(qiáng)時(shí)，預(yù)留的OSNR富余度不足以消除誤碼。

6 電力100G OTN系統(tǒng)設(shè)計(jì)建議

6.1 SOP強(qiáng)度取值建議

根據(jù)各廠家抗SOP 指標(biāo)分析，目前各廠家的抗SOP 能力在8～11 Mrad/s 的水平，在當(dāng)前技術(shù)水平下，100G OTN 設(shè)備無(wú)法完全避免雷擊引起的超過該強(qiáng)度的SOP問題。

系統(tǒng)抗SOP 能力越強(qiáng)，需要犧牲的OSNR 代價(jià)越大，接收OSNR 最小值就越大，單跨段最大傳輸距離就越短。當(dāng)SOP 變化速率超過一定程度后，系統(tǒng)無(wú)法通過預(yù)留足夠的OSNR 來(lái)抵御SOP 變化。給定OSNR 代價(jià)（SOP）值為10 dB時(shí)，可以抵抗的SOP 強(qiáng)度最大為8 Mrad/s。

根據(jù)參考文獻(xiàn)［11］，現(xiàn)網(wǎng)SOP 的最大值為5.1 Mrad/s。我國(guó)東南沿海是雷暴區(qū)，電力100G OTN 系統(tǒng)建設(shè)時(shí)SOP 強(qiáng)度建議按照8 Mrad/s 考慮，即當(dāng)雷擊引起的SOP 強(qiáng)度低于系統(tǒng)設(shè)定的SOP 強(qiáng)度值8 Mrad/s時(shí)，系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生誤碼或閃斷。

6.2 OSNR裕量取值建議

受雷擊影響，電力100G OTN系統(tǒng)需要抵抗的SOP大小沒有設(shè)定依據(jù)、100G OTN 系統(tǒng)OSNR 指標(biāo)沒有規(guī)范依據(jù)、3%概率強(qiáng)雷擊對(duì)生產(chǎn)性業(yè)務(wù)或者高質(zhì)量要求業(yè)務(wù)的影響暫時(shí)無(wú)法驗(yàn)證。

根據(jù)《N×100G 超長(zhǎng)距離光波分復(fù)用（WDM）系統(tǒng)技術(shù)要求》（YD/T 3070-2016），OSNR裕量取4.5～6 dB。

在此基礎(chǔ)上，電力100G OTN 系統(tǒng)建設(shè)需考慮到雷擊情況的影響，現(xiàn)有廠商已經(jīng)驗(yàn)證，當(dāng)系統(tǒng)OSNR富余度在8.5 dB 左右時(shí)可抵御8 Mrad/s 左右的SOP 變化速率，對(duì)應(yīng)每次雷擊最嚴(yán)重情況下誤碼的概率為3.16%。另考慮到改進(jìn)SOP 后的板會(huì)存在輕微的OSNR 容限損失，100G OTN 系統(tǒng)的OSNR 裕量建議按照大于8.5 dB進(jìn)行預(yù)留。

7 結(jié)束語(yǔ)

100G OTN光傳輸系統(tǒng)采用偏振態(tài)復(fù)用技術(shù)，只有相干接收機(jī)實(shí)時(shí)跟蹤光信號(hào)的SOP狀態(tài)才能夠有效地進(jìn)行偏振態(tài)解復(fù)用、PMD 補(bǔ)償以及信號(hào)恢復(fù)和數(shù)據(jù)提取操作。雷擊OPGW 光纜導(dǎo)致單波100G OTN 光信號(hào)SOP 瞬時(shí)高速變化，當(dāng)光信號(hào)SOP 變化速度超出100G相干接收機(jī)的容忍能力時(shí)，100G 系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)閃斷或誤碼，影響信息數(shù)據(jù)的安全可靠傳輸。

目前設(shè)備廠家已通過軟硬件優(yōu)化方式改進(jìn)100G OTN 設(shè)備SOP 容限，可以有效地降低雷擊OPGW 對(duì)其影響。主要設(shè)備廠家抗SOP 能力在8～11 Mrad/s 的水平，當(dāng)3%的雷擊超過系統(tǒng)設(shè)定的SOP 強(qiáng)度值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生誤碼或閃斷，影響100G系統(tǒng)承載生產(chǎn)性業(yè)務(wù)或其他高質(zhì)量要求的業(yè)務(wù)。

電力100G OTN 系統(tǒng)建設(shè)前建議對(duì)現(xiàn)網(wǎng)OPGW 光纜進(jìn)行SOP 強(qiáng)度監(jiān)測(cè)，統(tǒng)計(jì)獲取SOP 強(qiáng)度值，為100G系統(tǒng)建設(shè)提供數(shù)據(jù)支撐。