通信光纜網(wǎng)絡(luò)在海底的系統(tǒng)化建設(shè)工作探究

王圣元，李一東，荊業(yè)楚，劉宏宇，劉立成

（中國移動通信集團設(shè)計院有限公司 黑龍江分公司，黑龍江 哈爾濱 150080）

0 引 言

目前，最常用的海底光纜鋪設(shè)方式主要有同步數(shù)字體系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）、波分復(fù)用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）以及SDH＋WDM，其中SDH＋WDM作為復(fù)合型光纜構(gòu)架與前兩者相比具有更高的優(yōu)勢，且前景更加廣泛，因此下文具體論述了海底光纜信息系統(tǒng)的構(gòu)架方式與特征，并主要就SDH＋WDM系統(tǒng)的應(yīng)用及規(guī)范進行了詳細論述。

1 海底光纜信息傳輸系統(tǒng)的主要特點

地球上70%左右的面積都是海洋，廣闊的面積和龐大的縱深令海洋環(huán)境無比復(fù)雜，很多地方的海域難以直接觀測，因此在海底進行光纜傳輸系統(tǒng)的鋪設(shè)更加困難。不同的環(huán)境也使得海底鋪設(shè)工作具有這樣幾個特點：第一，由于很多海域無法觀測，冒然鋪設(shè)光纜存在巨大風險，因此在選擇路線時要謹慎探索、嚴格求證；第二，海底鋪設(shè)工作使用的設(shè)備必須考慮到防水和抗壓問題，因而這一工作對設(shè)備要求更高；第三，海底光纜鋪設(shè)工作需要著重考慮設(shè)備使用壽命和耐腐蝕能力，海洋的特殊環(huán)境注定光纜維修工作困難重重，因此技術(shù)人員要在設(shè)備的功能性和使用壽命之間找到最佳平衡；第四，越是深海區(qū)域的海水帶給設(shè)備的壓力越大，無論為了降低壓力還是避免被海洋生物注意并破壞，都應(yīng)選擇體積更小的通信傳輸設(shè)備[1]。

2 海底光纜通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 海底光纜通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)總體設(shè)計

海底光纜的鋪設(shè)需要充分考慮海底環(huán)境對通信網(wǎng)絡(luò)的影響，要保證設(shè)備在海水的影響下依然能夠向陸地終端傳輸清晰的數(shù)據(jù)信號，而陸地對海洋中設(shè)備的指令也要通過水下設(shè)備傳輸，從而令信號的雙向中繼放大得以實現(xiàn)。海底光纜的鋪設(shè)不易，每個海底光纜都需要連接多個節(jié)點，而不同節(jié)點的波長信號也不盡相同，各自占據(jù)一個波長，因此要保持多設(shè)備之間的協(xié)同合作，傳輸系統(tǒng)中必須具備對混雜在一起的不同信號進行拆分的設(shè)備，也就是所謂的光分波器，這也是SDH設(shè)備和WDM設(shè)備在海底光纜系統(tǒng)中得以廣泛應(yīng)用的真正原因[2]。

海岸基站端設(shè)備、水下信息傳輸設(shè)備以及接收站點這3個部分共同構(gòu)成了完整的海底光纜通信系統(tǒng)，其中海岸基站主要由傳輸設(shè)備和管理監(jiān)控終端組成，還包括光電轉(zhuǎn)換設(shè)備以及以太網(wǎng)元設(shè)備，是海底光纜通信網(wǎng)絡(luò)中最重要的組成[3]。

2.2 海底光纜通信系統(tǒng)的傳送網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

海底光纜系統(tǒng)中的不同部分往往采用不同的系統(tǒng)，SDH系統(tǒng)多用于信號傳送，其中的電路層網(wǎng)絡(luò)、通道層網(wǎng)絡(luò)以及傳輸媒介層網(wǎng)絡(luò)共同實現(xiàn)這一功能。三者中的電路層網(wǎng)絡(luò)是完成各種接入設(shè)備信息傳遞的基礎(chǔ)，通信系統(tǒng)中的交換機系統(tǒng)及設(shè)備連接系統(tǒng)都屬于電路層的一部分[4]。不同于電路層，通信網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點信息傳遞需要通過通道層實現(xiàn)，其中主要使用到的設(shè)備包括SDH VC-1～SDH VC-4系列。傳輸媒介層是為信息傳輸提供通道媒介的系統(tǒng)，根據(jù)其特性又可以分為物理媒資層和段層結(jié)構(gòu)，其中段層結(jié)構(gòu)主要起到保護系統(tǒng)數(shù)據(jù)的作用，保護層和復(fù)生層均為其中的組成部分。SDH傳送網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 SDH系統(tǒng)傳送網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)

SDH網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)使用的傳輸標準等均符合光通信系統(tǒng)要求，在功能性方面和STM-1一致，二者具有相同的幀結(jié)構(gòu)和傳輸速率，且能夠匹配標準型號的SDH接口，從而與STM-4以及STM-16對接，實現(xiàn)不同系統(tǒng)間的信號傳輸。SDH網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 SDH網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)

2.3 基于WDM的海底光纜光傳送網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計

海底光纜光傳送網(wǎng)絡(luò)中結(jié)合了SDH網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將二者的優(yōu)勢結(jié)合起來，其中的光纖信道能夠?qū)崿F(xiàn)高速數(shù)字信號的直接復(fù)用，可以在無電中繼中直達目的節(jié)點。WDM系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)傳輸依次經(jīng)過電路層、SDH通道層、電復(fù)用段層、光通道層、電復(fù)用段層、光傳輸斷層以及物理層（即光纖設(shè)備）。

2.3.1 WDM網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基本原理

WDM技術(shù)的根本思路是通過波長選路原理實現(xiàn)光通信交換，從而令光纖的單位時間傳輸量即各節(jié)點吞吐效率得到增強。這一網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中多個波長光信號在同一光纖中的傳播是以信源和多路由器系統(tǒng)的組合實現(xiàn)，不同波長的光信號耦合于同一傳輸信路，于出口處在路由器的解復(fù)接器作用下重新分開，經(jīng)處理后分別進入目標終端[5]。

2.3.2 WDM網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的主要構(gòu)成

通常來講，WDM網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中包含光發(fā)射器、波分復(fù)用器、光纖傳輸信道、光解復(fù)用器以及光接收器這5個主要組成部分，通過相互結(jié)合結(jié)合實現(xiàn)對光纖的擴容和節(jié)點吞吐加速。

3 基于SDH＋WDM海底光纜通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃研究

3.1 WDM+SDH組合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)運用在海底光纜通信網(wǎng)絡(luò)中的可行性

復(fù)合型技術(shù)是實現(xiàn)科技進步的重要方式，將不同的技術(shù)融合在一起，相互取長補短能夠有效提升行業(yè)水平，其中通信技術(shù)正是如此，空分復(fù)用（Space Division Multiplexing，SDM）、時分復(fù)用（Time Division Multiplexing，TMD）以及WDM都是常用的復(fù)合型通信技術(shù)。雖然每個復(fù)合技術(shù)都有不同特征，但這不意味著這些技術(shù)相互排斥，恰恰相反，如果能夠從中選擇合適的技術(shù)結(jié)合起來，則必然能令通信行業(yè)取得更好的發(fā)展[6]。

SDM技術(shù)經(jīng)常被用于和TMD技術(shù)進行對比，因為二者確實存在很多相似之處，但從技術(shù)性角度來看，TMD技術(shù)無論是數(shù)據(jù)傳輸速度還是數(shù)據(jù)承載能力都超過SDH技術(shù)，然而其高昂的造價和運行維護成本都令其無法普及，因此雖然有著“完美系統(tǒng)”的贊譽，但TMD在短時間內(nèi)很難大規(guī)模應(yīng)用，反而是IP技術(shù)等以造價等優(yōu)勢占領(lǐng)大片市場，成為光纜系統(tǒng)建設(shè)中的“熟悉面孔”[7]。

WDM系統(tǒng)是一種透明度很高的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，對電網(wǎng)絡(luò)和光網(wǎng)絡(luò)進行無限制的疊加是其優(yōu)勢所在，不少使用TMD系統(tǒng)的企業(yè)都喜歡將WDM作為輔助系統(tǒng)，令速率和廠家均不同的設(shè)備接入同一網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，滿足擴容需求[8]。二者的結(jié)合以TMD系統(tǒng)為主，WDM系統(tǒng)的波長需要根據(jù)光纖類型和TMD系統(tǒng)傳輸速率共同選擇。

SDH+WDM的網(wǎng)絡(luò)組合方式屬于二者的特異性結(jié)合，能夠擴大該組網(wǎng)在擴容方面的優(yōu)勢。由于當前光纖網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的本質(zhì)需求之一正是擴容，因此從這個角度來看，SDH+WDM也是海底光纜網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的最佳方式之一[9]。

3.2 WDM＋SDH在海底光纜傳輸網(wǎng)中的應(yīng)用設(shè)計

WDM和SDH可以同時應(yīng)用于光纜傳輸網(wǎng)中，二者分別被用于客戶層和服務(wù)層的架構(gòu)。其中，SDH以及ATM信號等都需要WDM系統(tǒng)作為承載，而WDM系統(tǒng)與光纖系統(tǒng)的牽連相對更加緊密，也可以簡單理解為WDM系統(tǒng)與物理媒介關(guān)聯(lián)性更強[10]。而將SDH和WDM結(jié)合在一起主要是為了利用SDH系統(tǒng)的自我保護能力，SDH＋WDM網(wǎng)絡(luò)可以在沒有保護光層的情況下直接傳輸。

之所以能夠?qū)DH和WDM結(jié)合在一起，是因為SDH系統(tǒng)的技術(shù)中有著同步復(fù)用的特點，其網(wǎng)管能力強大，可以通過標準接口與絕大部分準同步數(shù)字體系（Plesiochronous Digital Hierarchy，PDH）兼容，令其參與的光纖網(wǎng)絡(luò)無縫銜接，因而在近些年來的應(yīng)用尤為廣泛。SDH系統(tǒng)中的組成包括STM2N標準接口、同步數(shù)字交叉連接器、插分復(fù)用器以及同步終端復(fù)用器等，正是這些設(shè)備的共同作用實現(xiàn)了該系統(tǒng)的兼容能力，令其能夠與WDM系統(tǒng)同步工作。

3.3 WDM＋SDH在海底光纜通信網(wǎng)絡(luò)中的可用性

在陸地光纜系統(tǒng)中使用SDH系統(tǒng)時速率端口一致，對各系統(tǒng)的互聯(lián)更有幫助。而為了適應(yīng)海底環(huán)境，在海底光纜的支路中使用WDM系統(tǒng)又滿足了低速信號的要求，相對其他方案能夠有效降低成本。因此，離線的海底光纜信息傳輸系統(tǒng)應(yīng)該以SDH作為陸地發(fā)送端，使用統(tǒng)一接入端口以發(fā)揮SDH技術(shù)的優(yōu)勢，令系統(tǒng)傳輸更加簡單。而海洋中的接入端口則應(yīng)該選擇WDM系統(tǒng)，從而保證能夠?qū)⒏鞣N波長的信號復(fù)用于同一光纜中，減少損耗、降低不必要的光纜鋪設(shè)成本。

4 結(jié) 論

通信光纜是通信技術(shù)中最重要的硬件之一，而通信技術(shù)是當代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要基礎(chǔ)，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)又和人們的生活緊密結(jié)合在一起，因此可以說通信光纜的應(yīng)用與人們的日常生活息息相關(guān)。由于互聯(lián)網(wǎng)的使用者數(shù)量龐大且不斷增加，因此通信光纜幾乎無處不在，有時為了實現(xiàn)越洋通信等目的，不得不將光纜埋設(shè)在海中，而大海與陸地全然不同的環(huán)境及地貌為光纜鋪設(shè)工作帶來了截然不同的要求。本文全面論述了在海洋中鋪設(shè)通信光纜的相關(guān)內(nèi)容，將海洋中的各種因素納入考慮范疇，通過分析海洋中光纜的傳輸特性、節(jié)點分布、組網(wǎng)方式以及SDH設(shè)備、WDM設(shè)備的原理和應(yīng)用，對比了不同系統(tǒng)對海洋環(huán)境的適應(yīng)性，探討了海中通信電纜不同鋪設(shè)方式的優(yōu)劣，選擇最可靠的海下通信光纜及系統(tǒng)組合。