传输基础光中继段预算5.docx
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传输基础光中继段预算5
传输工程设计基础
光中继段预算
整理：
刘雁斌方慧霆
审核：
刘仲明
广州杰赛通信规划设计院
2004年7月05日
一.设计方法介绍
1.概述
光在光纤中传输由于衰减和色散使其传输距离受到限制，在工程设计中要能够对不同光设备的传输距离进行计算，称之为光中继段预算。
光中继段预算的设计方法很多，有最坏值设计法，统计设计法，系统的升级和扩容等等。
其中最坏值设计法是我们在工程设计中最常用的。
1.1.最坏值设计法
所谓最坏值设计法就是在设计中继段距离时，将所有参数值（包括光功率、光谱范围和光谱宽度、接收机灵敏度、光纤衰减系数、接头和活动连接器插入损耗等参数）都采用寿命中允许的最坏值，而不管其具体分布如何。
这是SDH线路系统传输设计的基本方法。
其好处是可以为网络规划设计者和制造厂商分别提供简单的设计指导和明确的元部件指标，而且不存在先期失效的问题。
缺点是各项最坏值条件同时出现的概率极小，因而系统正常工作时有相当大的富余度。
而且各项光参数的分布相当宽，只选用最坏值设计使结果太保守，中继段距离太短，系统总成本偏高。
1.2.联合设计法
在某些情况下，按照标准的光接口参数值进行设计不能满足实际工程的再生段距离，运营者需要仔细考虑设计中不满足光口规范的主要方面。
所谓联合设计法就是运营者同制造商就工程特殊要求与设备实际可实现水平进行协商，最终达成共识的设计过程。
此时一般光参数仍遵循国标的规定，但与再生段距离直接相关的参数需要稍加修改，例如光发送功率和接受灵敏度应能保证足够的光通道衰减范围，光谱特性有可能也需要修改以保证足够的通道最大色散值。
采用联合设计法的缺点是不能再满足横向兼容性。
具体设计取值由实际工程而定，但应尽量满足SDH光接口设计的一般参数定义、设计导则和系统设计方法。
1.3.统计设计法
按照目前的工艺水平，光纤参数和光电器件的参数都还不能精确控制，因此实际光参数值的离散性很大，分布范围很宽，若能充分利用其统计分布特性，则有可能更有效的设计中继段距离。
统计设计法的基本思路是允许一个预先确定的足够小的系统先期失效概率，从而换取延长中继段距离的好处。
与最坏值设计法相比，统计设计法可以延长中继段的传输距离，但横向兼容性（即不同厂家设备的兼容性）已不再满足。
统计设计法有映射法、蒙特卡洛法和高斯近似法等。
二.中继段预算中的参数
1.概述
本节着重讲述工程设计方法中常用的最坏值设计法的各种参数。
在用最坏值法设计SDH光缆数字线路系统时，设备富余度与未分配的富余度都不在单独进行规范，而是分散给发送机，接收机和光缆线路设施。
该方法的目的是为了便于实现基本光缆段上的横向兼容性。
中继段距离设计主要分两种情况来讨论。
第一种情况是衰减受限系统，即中继段距离由S（发送机）和R（接收机）点之间的光通道损耗决定。
第二种情况是色散受限系统，即中继段距离由S和R点之间的光通道总色散所限定。
1.1.衰减受限系统
1.1.1.衰减的计算
衰减受限系统的中继段距离可用下式估算：
L=（Ps-Pr-Ac-Pp-Mc）/（Af+As）
式中：
L为衰减受限中继段长度；
Ps为S点发送光功率（dBm），已扣除设备连接器C的衰减和LD耦合反射噪声代价；
Pr为R点接收灵敏度（dBm），已扣除设备连接器C的衰减；
Pp为光通道功率代价（dB），因反射、码间干扰、模分配噪声和激光器啁啾而产生的总退化。
光通道功率代价不超过1dB，对于L－16.2系统，则不超过2dB；
Mc为光缆富余度（dB），是指光缆线路运行中的变动（维护时附加接头和光缆长度的增加），外界环境因素引起的光缆性能劣化，S和R点间其它连接器（若配置时）性能劣化在设计中应保留必要的富余量。
在一个再生段内，光缆富余度不应超过5dB，设计中按3～5dB取值。
Ac为S和R点之间其它连接器衰减之和，如ODF、水线倒换开关等的连接器衰减，FC型连接器平均0.8dB/个，PC型平均0.5dB/个；
Af为光缆光纤平均衰减（dB/km），厂家一般提供标称波长的平均值和最大值，设计中按平均值增加0.05～0.08dB/km取值；
As为光缆固定接头平均衰减（dB/km），与光缆质量，熔接机性能，操作水平有关。
1.1.2.光功率过载
光传输设备中通常会给出接收机过载功率的参数，其定义为：
R点处为达到
BER=1×10－10所需要的平均接收光功率的最大可接受值。
在设计中应注意避免光功率剩余值［最大平均发射功率－衰减损耗为光纤衰减系数（Af）*传输长度（L）－光线固定接头损耗系数（As）*传输长度（L）－连接器衰耗之和（Ac）］，高于接收机过载功率，否则在实际工程中有可能会烧毁光接收机。
如果所选板件光口参数经过计算，光功率剩余值高于接收机过载功率，可以考虑换用传输距离较短的光板。
若无法达到，则考虑采用光衰减器减低其剩余功率。
1.2.色散受限系统
1.2.1.色度色散
1.2.1.1.概述
单模光纤中，不同频率成分在光纤中的传输速度不同，高频分量传播快，导致脉冲展宽。
传输距离越长，脉冲就变得越宽。
当脉冲展宽至与相邻脉冲重叠时，就会出现码间干扰。
单模光纤总的色散由材料色散、波导色散、折射剖面色散组成，都与波长有关，统称为色度色散。
在实际中折射剖面色散系数近似为零，可以忽略。
单模光纤的模内色散的国际标准为S0≤0.093[ps/（nm·km）]及1300nm≤λ0≤1324nm。
（1）材料色散
材料色散是石英的折射率随波长而变所引起的。
纯石英材料在1.29左右材料色散为零。
改变掺杂材料和掺杂浓度可以使零色散点移动。
（2）波导色散（结构色散）
它是由光纤的几何结构决定的色散，其中光纤的横截面积尺寸起主要作用。
光在光纤中通过芯与包层界面时，受全反射作用，被限制在纤芯中传播。
但是，如果横向尺寸沿光纤轴发生波动，除导致模式间的模式变换外，还有可能引起一少部分高频率的光线进入包层，在包层中传输，而包层的折射率低、传播速度大，这就会引起光脉冲展宽，从而导致色散。
采用复杂的折射率分布形状和改变剖面结构参数的方法获得适量负色散来抵消材料色散，以获得色散位移光纤、非零色散位移光纤、色散平坦光纤、色散补偿光纤。
1.2.1.2.色度色散的测量
色散的测量按光强度调制的波形来划分有两类方法：
相移法（正弦信号调制）和脉冲时延法（脉冲调制），也分别称为频域法和时域法。
实际上常采用相移法（通过比较光纤基带调制信号在不同波长下的相位来确定色散特性）。
1.2.1.3.色度色散的补偿
色度色散可通过色散补偿的管理技术予以解决，主要方法有：
（１）采用啁啾光纤光栅，这种方法器件紧凑、插入损耗小，其色散斜率可以控制为与传输光纤相同。
（２）色散管理，利用＋／－色散系数的光纤交错连接，保证总的净色散为零，这种方法不适合已敷设的光纤系统；在新建的海缆通信系统中普遍采用了这种色散管理技术。
（３）用色散补偿光纤ＤＣＦ，它在１５５０ｎｍ波段有很大的负色散，可以补偿常规光纤的色散；目前的商用系统多采用这种方案。
（４）在发射机引入色散预补偿，对单个信道的色散问题，必须考虑的因素有发射机、接收机的色散容许量、色散补偿技术和补偿元件的位置，还需精确测量已敷设光纤的色散。
（５）自相位调制技术，选择合适的输出光功率，可使光波形变窄，补偿光通道色散引起光波形展宽的效应。
主要采用色散补偿光纤ＤＣＦ来实现色散管理技术+在光发送单元中增加光源预啁啾技术。
DWDM中要注意色散斜率的补偿。
1.2.1.4.色度色散的计算
色散受限系统中继段距离可用下式估算：
Ld=DSR/Dm
式中：
Dsr为S和R点之间允许的最大色散值（ps/nm）；
D为光线色散系数。
实际设计时应根据衰减受限式及色散受限式分别计算后，取其中较小值即为最大中继段距离。
1.2.2.PMD（偏振模色散）
在单模光纤传输中，光传输可以描述为完全是沿着X轴和Y轴上的振动或一些光在两个轴上的振动，每个方向代表一个偏振模。
理想光纤的几何尺寸是均匀的,且没有应力,因而光波在这两个相互垂直偏振态以完全相同的速度传播,在光纤的另一端没有任何延迟。
然而,在实际的光纤中,两个相互垂直的偏振模以不同的速度传播，因而到达光纤另一端的时间也不同（图1）。
这两个相互垂直的偏振模在单位长度中的时间差,即是PMD。
引起PMD的因素可以是内在的（由制造过程所产生的纤芯或包层的不对称性、搀杂物浓度不对称和玻璃表面的应力）和外在的（外部应力、弯曲和扭曲）。
这些因素和距离结合在一起引起双折射和模偶合，从而产生PMD。
在10Gb/s以上更高速率的系统中,PMD开始成为限制系统性能的因素,因为它会引起过大的脉冲展宽或造成过低的信噪比（SNR）。
为使PMD功率代价小于1db，各个标准组织正在提出光路的PMD不能超过1/10比特周期。
从理论上可由下面公式得出由于PMD限制的系统最大距离：
，比特率：
Gb/s
（当
=0.2
时，传输距离主要受信噪比限制）。
1.3.光通道代价
Sn与Rn之间的光通道代价，对于低色散系统为1dB，对于高色散系统为2dB。
三.SDH光功率预算
1.工程设计中的功率预算
如下表所示：
下表是我们进行光功率预算常用的表格。
（注：
下表是跟据国标进行的光中继预算，如果有具体厂家的设备，应根据厂家提供的参数进行计算）
表三.1.1-1各中继段光功率预算表
序号
光传输站A
光传输站B
传输长度（Km）
衰减损耗（dB）
光口类型
最大允许损耗（dB）
中继段富余度（dB）
1
滑翔
依牛堡
57.0
15.82
L-16.2（JE）
28.00
12.18
2
依牛堡
法库二中
74.0
20.24
L-16.2（JE）
28.00
7.76
3
法库二中
叶茂台
9
4.66
S-16.1
12.00
7.34
4
孟家乡
法库二中
2.9
2.14
S-4.1
12.00
9.86
5
三台子
孟家乡
20.0
9.00
S-1.1
12.00
3.00
6
法库二中
五台子
17.1
7.84
S-1.1
12.00
4.16
7
五台子
双台子
18.3
8.32
S-1.1
12.00
3.68
8
双台子
秀水河子
18.3
8.32
S-1.1
12.00
3.68
9
秀水河子
叶茂台
18.5
8.41
S-1.1
12.00
3.59
10
新农村
公主屯
11.8
5.70
S-1.1
12.00
6.30
我们在功率预算中首先要提供A站到B站的传输长度（实际勘测的线路长度），以及所需的光传输设备光口板的类型。
光口类型的选定要根据实际的网络结构，传输长度，以及衰减受限系统的计算方法，色散受限系统的计算方法来确定。
例如：
孟家乡该站点在网络结构中为STM-1设备，到三台子的距离为20.0km。
光中继段长度预算见下表：
表三.1.1-2SDH光传输系统中继段长度预算表
项目
技术参数
设备类型
S-1.1
L-1.1
平均发射功率（Ps）
-15dBm
-5dBm
最大色散
96Ps/nm
246Ps/nm
最小灵敏度（Pr）
-28dBm
-34dBm
过载功率
≥-8dBm
≥-10dBm
光通道代价（Pp）
1dB
1dB
连接器衰减和（Ac）
1dB
1dB
允许线路损耗
0-12dB
10-28dB
光纤衰减系数（Af）
0.34dB/km
0.34db/km
光缆富余度（MC）
0.1dB/km
3dB
光纤固定接头平均衰减（As）
0.047dB/km
0.047dB/km
允许传输距离
20.67km
62.02km
色散限制中继长度预算见下表：
表三.1.1-3色散限制的中继长度预算表
项目
技术参数
设备类型
S-1.1
L-1.1
最大色散（Ps/nm）
96
246
色散系数Dm（Ps/nmkm）
3.5
3.5
允许传输距离（km）
27.43
70.29
经计算，S-1.1的中继距离为20.67公里，S-4.1的中继距离为20.67km公里，L-1.1的中继距离为62.02公里，本工程根据不同中继距离选用不同类型的光传输设备。
因此根据实际需要孟家乡使用S－1.1光口板。
衰减损耗为传输过程中各种器件以及光纤本身的损耗：
为光纤衰减系数（Af）*传输长度（L）＋光线固定接头损耗系数（As）*传输长度（L）＋连接器衰耗之和（Ac）。
最大允许损耗为不考虑衰减损耗时，系统允许的最大损耗：
为最小平均发射功率（Ps）－最小接收灵敏度（Pr）－光通道代价（Pp）。
中继段富余度为最大允许损耗－衰减损耗。
2.设备光口参数
各种光设备的参数规范（注：
1.*表示待将来国际标准确定；2.NA表示不做要求。
）
STM-1光接口参数规范
项目
单位
数值
标称比特率
kbit/s
STM-1155520
应用分类代码
I-1
S-1.1
S-1.2
L-1.1
L-1.2
L-1.3
工作波长范围
nm
1260-1360
1261-1360
1430-1576
1430-1580
1280-1335
1480-1580
1534-1566
1523-1577
1480-1580
发送机在S点特性
光源类型
MLM
LED
MLM
MLM
SLM
MLM
SLM
SLM
MLM
MLM
SLM
最大（RMS）谱宽
nm
40
80
7.7
2.5
*
4
*
*
3
2.5
*
最大-20dB谱宽
nm
*
*
*
*
1
*
1
1
*
*
1
最小边模抑制比
dB
*
*
*
*
30
*
30
30
*
*
30
最大平均光功率
dBm
-8
-8
-8
-8
-8
0
0
0
0
0
0
最小平均光功率
dBm
-15
-15
-15
-15
-15
-5
-5
-5
-5
-5
-5
最小消光比
dB
8.2
8.2
8.2
8.2
8.2
10
10
10
10
10
10
SR点光通道特性
衰减范围
dB
0-7
0-7
0-12
0-12
0-12
10-28
10-28
10-28
10-28
10-28
10-28
最大色散
ps/nm
18
25
96
295
NA
185
NA
NA
246
296
NA
光缆在S点的
最小回波损耗
dB
NA
NA
NA
NA
NA
NA
NA
20
NA
NA
NA
SR点的最大离散反射系数
dB
NA
NA
NA
NA
NA
NA
NA
-25
NA
NA
NA
接收机在R点特性
最小灵敏度
（BER=10E-12）
dBm
-23
-23
-28
-28
-28
-34
-34
-34
-34
-34
-34
最小过载点
dBm
-8
-8
-8
-8
-8
-10
-10
-10
-10
-10
-10
最大光通道代价
dB
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
接收机在R点的
最大反射系数
dB
NA
NA
NA
NA
NA
NA
NA
-25
NA
NA
NA
说明：
1.表中数值均为系统设计寿命终了时的最坏值。
2.接收机在设计寿命期间的老化余度为3dB。
STM-4光接口参数规范（I,S和L型）
项目
单位
数值
标称比特率
kbit/s
STM-4622080
应用分类代码
I-4
S-4.1
S-4.2
L-4.1
L-4.2
工作波长范围
nm
1261-1360
1293-1334
1274-1356
1430-1580
1300-1325
1296-1330
1280-1335
1480-1580
发送机在S点特性
光源类型
MLM
LED
MLM
MLM
SLM
MLM
MLM
SLM
SLM
最大（RMS）谱宽
nm
14.5
35
4
2.5
*
2
1.7
*
*
最大-20dB谱宽
nm
*
*
*
*
1
*
*
1
<1注3
最小边模抑制比
dB
*
*
*
*
30
*
*
30
30
最大平均光功率
dBm
-8
-8
-8
-8
-8
2
2
2
2
最小平均光功率
dBm
-15
-15
-15
-15
-15
-3
-3
-3
-3
最小消光比
dB
8.2
8.2
8.2
8.2
8.2
10
10
10
10
SR点光通道特性
衰减范围
dB
0-7
0-7
0-12
0-12
0-12
10-24
10-24
10-24
10-24
最大色散
ps/nm
13
14
46
74
NA
92
109
NA
*
光缆在S点的
最小回波损耗
dB
NA
NA
NA
NA
24
20
20
20
24
SR点的最大离散
反射系数
dB
NA
NA
NA
NA
-27
-25
-25
-25
-27
接收机在R点特性
最小灵敏度
（BER=10E-12）
dBm
-23
-23
-28
-28
-28
-28
-28
-28
-28
最小过载点
dBm
-8
-8
-8
-8
-8
-8
-8
-8
-8
最大光通道代价
dB
1
1
1
1
1
1
1
1
1
接收机在R点的
最大反射系数
dB
NA
NA
NA
-27
-27
-14
-14
-14
-27
STM-16光接口参数规范（I,S和L型）
项目
单位
数值
标称比特率
kbit/s
STM-162488.320
应用分类代码
I-16
S-16.1
S-16.2
L-16.1
L-16.2
工作波长范围
nm
1266-1360
1260-1360
1430-1580
1280-1335
1500-1580
发送机在S点特性
光源类型
MLM
SLM
SLM
SLM
SLM
最大（RMS）谱宽
nm
4
*
*
*
*
最大-20dB谱宽
nm
*
1
<1注3
1
<1注3
最小边模抑制比
dB
*
30
30
30
30
最大平均光功率
dBm
-3
0
0
3
3
最小平均光功率
dBm
-10
-5
-5
-2
-2
最小消光比
dB
8.2
8.2
8.2
8.2
8.2
SR点光通道特性
衰减范围
dB
0-7
0-12
0-12
10-24
10-24
最大色散
Ps/nm
12
NA
*
NA
1200-1600
光缆在S点的
最小回波损耗
dB
24
24
24
24
24
SR点的最大离散
反射系数
dB
-27
-27
-27
-27
-27
接收机在R点特性
最小灵敏度
（BER=10E-12）
dBm
-18
-18
-18
-27
-28
最小过载点
dBm
-3
0
0
-9
-9
最大光通道代价
dB
1
1
1
1
2
接收机在R点的
最大反射系数
dB
-27
-27
-27
-27
-27
3.实例：
以下是某地某环路的路由图：
路由图上标识的距离应该是实际测量的路由长度。
站点位置应根据地图上的实际位置表识。
以下是该路由图对应的网络结构图：
上图表示三个节点均采用STM-1设备。
形成一个环路结构。
序号
光传输站A
光传输站B
传输长度（Km）
衰减损耗（dB）
光口类型
最大允许损耗（dB）
中继段富余度（dB）
1
五台子
双台子
18.3
S-1.1
2
双台子
秀水河子
18.3
S-1.1
3
秀水河子
五台子
18.5
S-1.1
上述表格是我们在文件中经常采用的格式。
根据表2.2.1-2提供的参数，衰减损耗为光纤衰减系数（Af）*传输长度（L）＋光线固定接头损耗系数（As）*传输长度（L）＋连接器衰耗之和（Ac）。
例如：
五台子到双台子段衰减损耗为：
0.34*18.3+0.047*18.3+1=8.32dB。
最大允许损耗为不考虑衰减损耗时，系统允许的最大损耗：
为最小平均发射功率（Ps）－最小接收灵敏度（Pr）－光通道代价（Pp）。
例如：
五台子到双台子段衰减损耗为：
-15-（-28）-1=12dB。
中继段富余度为最大允许损耗－衰减损耗。
例如：
五台子到双台子段衰减损耗为：
12-8.32=3.68dB。
同理：
双合子到绣水合子，及绣水合子到五台子的也可计算出来，上述表格完成后为
序号
光传输站A
光传输站B
传输长度（Km）
衰减损耗（dB）
光口类型
最大允许损耗（dB）
中继段富余度（dB）
1
五台子
双台子
18.3
8.32
S-1.1
12.00
3.68
2
双台子
秀水河子
18.3
8.32
S-1.1
12.00
3.68
3
秀水河子
五台子
18.5
8.41
S-1.1
12.00
3.59
四.WDM的功率预算
1.WDM功率预算的参数
波分复用终端设备包括合波器，分波器，光放大器（功率放大器，前置放大器），波长转换器（可选）和光监控通道（OSC）。
我们在考虑WDM功率预算时主要参考光通道的衰减，色散，光信噪比等参数。
1.1.衰减
对于无光放大器的波分复用系统的衰减范围见下表：
表四.1.1-1无光放大器的波分复用系统的衰减范围
应用代码
L
V
U
衰减范围
——最大
——最小
22dB
待定
33dB
待定
44dB
待定
对于有光放大器的波分复用系统任意2个光放大器间的衰减范围见下表：
表四.1.1-2有光放大器的波分复用系统的衰减范围
应用代码
Y
V’
Z
衰减范围
——最大
——最小
33dB
待定
30dB
待定
22dB
待定
注：
Y为3×33dB的WDM系统代码；V’为5×30dB的WDM系统代码；Z为8×2
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