光纤通信技术在铁路通信系统中的应用探讨

2022-09-01胡明

通信电源技术 2022年9期

关键词：色散光纤传输

胡明

（吉林吉大通信设计院股份有限公司，吉林长春 130012）

1 光纤通信技术相关内容论述

1.1 常用光纤分类

1.1.1 有源光纤

有源光纤主要是指掺有稀土离子的光纤，常用的稀土离子包括Er3+、Nb3+、Pr3+、Yb3+、Tm3+等，这也是制造光纤光放大器的核心物质。此类光纤在应用时的相助作用在于能够对光信号进行放大，并延长信号传输距离。例如，掺铒光纤放大器（Erbium Doped Fiber Application Amplifier，EDFA）应用于1 550 nm附近，可以在短时间内完成长距离信息的传输，并且在光纤放大器的辅助下也可以在无中继器作用下完成百万公里级别的信息传输，同时在长距离传输中还可以维持性能稳定性，满足铁路通信系统的运营要求。

1.1.2 色散补偿光纤

基于目前的使用情况来看，现阶段常用的G.652光纤在1 550 nm波长附近所产生的色散值为17 ps/（nm·km）。在光纤传播速度大于2.5 Gb/s后，随着信号传输距离的延长，也会造成误码的问题，导致信号失真。而色散补偿光纤则是用于抵消传输过程中的正色散数值，起到降低色散影响的作用。基于以往经验，会利用质量因数（即色散值和衰减值之间的比值）来判断补偿情况，而此类光纤在具体应用中借助了基模波导色散来得到数值较大的负色散值，用作抵消信号传输时的色散值，质量因数保持在较大状态，以此来满足信号高效传输的同时，确保所传输信息的完整性和准确性。

1.1.3 光纤光栅

此类型光缆在使用中利用了光纤材料自身的光敏性，在外部紫外光的照射下，光纤芯部便会出现周期性折射率波动，以此来达到快速传输信号的作用。此类光纤主要利用掺锗光纤进行制作，在相位掩膜板的掩蔽下，利用紫外光进行照射，直到纤芯的折射率处于周期性变化后，对其进行退火处理，从而得到所需的光纤材料。光栅本身属于一类选频器件，利用其特性可以制作许多类型的无源器件或有源器件，如光纤传感器、光滤波器都是以此为载体制作的器件，同时也是目前常用的应用结构。

1.2 应用优势

1.2.1 信息容量较大

从现阶段技术的发展情况可以了解到，光纤通信技术在应用中所带来的信息容量较大，可以在单位时间内对外传输更多的信息量。相比于传统的微波技术，光纤通信技术的信息容量能够高出20～50倍，并且随着技术创新度的提升，其容量也得到不断增大。而且相比于传统电流传播方式，光纤通信技术在输送信息时的状态也更加稳定，能够在较短时间内完成大容量信息的传输，有助于信息同步目标的实现，提升所传输信息的可靠性。

1.2.2 损耗相对较低

光纤通信技术在制作中多采用石英作为生产原料，此材料具有来源广、绝缘性强、加工简便等优势，利用此材料来制作光纤，可以抵抗外部其他频段信号的侵扰，从而将初始应用成本控制在合理范围内。同时此类材料在应用中也具有良好的应用性能，使用时的损耗量较低，以此来加快信号的传输速度，提高信号传输结果的可靠性[1]。

2 光纤通信技术在铁路通信系统中的具体应用

2.1 WDM技术

波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）技术如图1所示，在应用中是将同一系列、不同波长的信号汇聚在一起形成一束光信号，并以光缆为载体将其传输到目标端口，接收端口接收到此信息后又会在工具帮助下将整束光信号拆分成同一系列、不同波长的光信号，以此来达到信息高效传输的目的。铁路通信系统可以细分为若干分支系统，该技术在应用中会将系统接收端作为终点，各传感器、站点作为分支起点，汇聚到控制模块中进行整合，不同信号的波长会占用光纤中的一段带宽，最大限度利用单根光纤，达到高效传输信息的作用。从目前的使用情况来看，根据不同线路的工作情况，WDM技术在应用中又可以分为以下2个分支：（1）稀疏波分复用（Coarse Wavelength Division Multiplexing，CWDM）的信道间隔为20 nm，用于信号密度较低的通信系统；（2）密集波分复用（Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM）的信道间隔为0.2～1.2 nm，用于信号密度较高的通信系统[2]。

图1 WDM技术

2.2 PHD技术

从目前铁路通信系统的发展情况来看，准同步数字体系（Plesiochronous Digital Hierarchy，PHD）技术也具备了良好的应用价值。在技术具体的应用中，可以依托于PHD二芯来建设局域网通信系统，这也是该技术经常使用到的应用模式。在该技术模式的应用背景下，能够对铁路同轴通信状态进行全面覆盖，以此来提升整个铁路通信系统工作状态的稳定性。此技术在应用中具有诸多应用优势，同时也存在一些不足，即技术方面的成熟度较低，无法应用于复杂的网络管理活动，这在很大程度上影响到技术的应用效果，也是后续技术开发活动中需要重点关注的内容[3]。

2.3 SDH技术

同步数字体系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）技术在铁路通信系统中也具备了良好的应用价值。如图2所示，该技术在应用中使用了若干同步传输模块（即STM-N模块），基础单位为STM-1模块，每个模块都会承载相应信息，并且借助组合的方式组成复用结构，如16个STM-1模块便可以构成STM-16模块。在铁路通信系统中，可分为以下管理区域：（1）段开销区，主要的工作内容是进行网络运行管理、系统运营维护、系统综合化管理，以营造安全的生产环境；（2）STM-N净负荷区，主要工作是对信息业务进行综合管理，并对整个通道进行管理，以达到预期的管理效果[4]；（3）管理单元指针区，主要的工作内容是对各类信息进行准确定位，以提高信息传输结果的准确性。在技术应用背景下，信号每帧传输时间在125 μs左右，可满足单位时间内高容量信号的传输要求。

图2 SDH技术运行结构

2.4 DWDM技术

从目前的使用情况来看，DWDM技术也具备了良好的应用价值。该技术在应用中会将多个波长作为载波，以此来满足单位时间内多载波同时传输的目的。不同于以往的单信道系统，DWDM技术在使用中充分发挥出光纤带宽优势，提升了网络系统通信容量，确保多项业务的同时传输。在系统的具体运行中，会将光波作为信号传输时的载波，随后根据不同信道广播传输频率，将光纤窗口细分为若干个信道，以此来提高信号的复用传输效率[5]。

2.5 光纤接入技术

该技术在应用中能够确保信息的顺利交互，这也是交互与传递工程非常重要的环节。为了确保网络信息的高速传输，会将互联网和光纤对接在一起，从而让信号以非常快的速度传输到目标区域。在铁路通信系统的信号传输中，涉及不同种类的信号，因此在技术应用中也会使用光纤到户（Fiber To The Home，FTTH）和光纤到交换箱（Fiber To The Cabinet，FTTCab）2种协议来优化系统，并且在技术应用中也会对环境具有较高抵抗性，这样也便于相关信息的快速传输，同时也可以更好地解决信息传输问题，满足差异化信息传输要求[6,7]。

2.6 交换技术

除上述提到的相关技术外，交换技术在铁路通信系统中也具备了良好的应用价值。该技术在应用中可以细分为以下类型：（1）光电路交换（Optical Circuit Switching，OCS），在应用中会利用光交叉连接（Optical Cross-Connect，OXC）、光分插复用器（Optical Add/Drop Multiplexer，OADM）等光器件来布置光通路，其中设置的中间节点不需要对光进行缓存，以满足信号传输的相关要求；（2）光分组交换（Optical Packet Switching，OPS），在应用中会通过时间、空间等层面来完成信号交互，不同类型的用户信号可以借助互成正交的不同码序列进行填充处理，而且依托于该载体也可以满足相应的技术传输要求，以此来提高信息传输过程的可靠性与有效性[8]。

3 光纤通信技术在铁路通信系统中的发展趋势

3.1 长距离传输模式

在光纤通信技术未来发展过程中，将沿着长距离传输模式方向发展。随着铁路工程里程的不断增大，信号所需传输的距离也在不断延长，这也需要相匹配的技术能够沿着传输距离更长的方向快速推进。目前，在技术应用中，可以利用CWDM技术和DWDM技术来完成信息传输，并且在应用中也可以满足多信道传输要求，提高信息传输结果的高效性与安全性[9]。同时在未来发展过程中也需要提高光纤传输容量，从而为后续相关活动的推进奠定良好基础。

3.2 光孤子通信模式

在光纤通信技术未来的发展过程中，也会不断完善光孤子通信模式，以达到预期的综合管理要求。光孤子作为一类ps数量级的超短光脉冲，其光纤位于反常色散区，并且在运行中的群速度色散和非线性效应也会处于比较平衡的状态，这样在信息完成长距离传输后，信号的传输速度、传输波形都会保持良好的状态，从而达到信号长距离无畸变状态，确保信号可以在零误码的情况下将预期信息传输到指定位置，满足不同情况下的运营要求[10]。

3.3 全光网络模式

在未来的发展过程中，所建立的高速通信网络将是全光网络模式，这也是确保信息传输高效性、稳定性以及准确性的基础条件。全光网网络模式在应用中作为技术发展的最高阶段，也是信息传输过程的理想阶段。传统的光网络实现了节点间的全光化，但在网络结点处仍采用电器件，限制了通信网干线总容量的进一步提高。对此，在未来的发展过程中，实现真正意义上的全光网也是需要重点关注的内容，并且在全光网络的发展中也会将光节点代替电节点，节点之间也会利用全光化处理，这样也使信息可以通过光的形式来完成传播和交换，提高信息传输效率，达到预期的工作目的[11]。