孫 哲 王 平

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033)

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海底光纜信息傳輸網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的研究*

孫 哲 王 平

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033)

針對海底光纜信息傳輸系統(tǒng)的特點,通過與陸上光纖網(wǎng)絡(luò)的對比,從海洋環(huán)境的特殊性考慮影響海底光纜通信系統(tǒng)的因素。根據(jù)多種業(yè)務(wù)承載能力,研究海光纜信息傳輸系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和主要的技術(shù)指標,從而對各種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的性能進行具體的分析。論文分別對于三種常用的光纖網(wǎng)絡(luò)組成方案,包括基于SDH的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案、基于WDM的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案、基于SDH+WDM的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案,從可靠性、可行性、復(fù)雜性進行分析和對比,為海光纜的實際網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計提供參考。

網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu); 信息傳輸網(wǎng)絡(luò); SDH網(wǎng)絡(luò); 基于WDM網(wǎng)絡(luò); SDH+WDM網(wǎng)絡(luò)

Class Number TN929

1 引言

隨著光纖信息傳輸系統(tǒng)的不斷發(fā)展,國際間信息需求的日益增長,需要敷設(shè)的海底光纜數(shù)量也越來越大。海底光纜的高負荷運行和海上的復(fù)雜運行環(huán)境,不論是海底光纜的鋪設(shè)還是日常運行都會遇到很多亟待解決問題。

海底光纜信息傳輸系統(tǒng)特點:

1) 水下環(huán)境比陸地環(huán)境更為復(fù)雜,不能直接、清晰地觀察和勘測水下情況,因此在鋪設(shè)光纜時要更加嚴格地論證,選好最佳路線。

2) 海底光纜系統(tǒng)對設(shè)備的要求更高,很多設(shè)備要在水底工作,防水性能、密閉性能要求更嚴。

3) 設(shè)備在海底維修不方便,由于海底的特殊性,設(shè)備一旦發(fā)生故障,尋找故障點并對故障進行維修困難,需要的時間很長,工作量大,耗資大,又影響系統(tǒng)的正常工作,因此設(shè)備的使用壽命要求越長越好。

4) 海底信息傳輸器件組成個數(shù)少,設(shè)備體積設(shè)計要小。由于系統(tǒng)的主干光纜很長,且接有一定的水下設(shè)備,而水下設(shè)備的電源則由陸上的電站提供,供電比較困難,若設(shè)備太多,則無法提供足夠的電能以使設(shè)備正常工作,因此要盡量減少設(shè)備的數(shù)量,另外為了盡量降低維修的困難,設(shè)備不需要太復(fù)雜,體積不能太龐大。

海光纜信息傳輸系統(tǒng)集信息感知、網(wǎng)絡(luò)管理、信息傳輸及控制于一體,網(wǎng)絡(luò)整體在水下,維護使用及網(wǎng)絡(luò)調(diào)度調(diào)整都有其特殊要求,通過研究水下信息網(wǎng)絡(luò)的特點,分析論證海光纜的組網(wǎng)形式、網(wǎng)絡(luò)特性、拓撲結(jié)構(gòu),提出適合水下信息網(wǎng)絡(luò)的海光纜組網(wǎng)體制、組網(wǎng)形式及要求。本文正是提出一種基于WDM+SDH信息傳輸體制,利用上述成熟組網(wǎng)技術(shù)即可保障海底通信網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定運行。

2 海底光纜通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 海底光纜信息傳輸網(wǎng)絡(luò)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

海底光纜通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要滿足水下探測信息通過光纜向陸地傳輸,滿足語音、數(shù)據(jù)、視頻信號、圖文信息的傳輸,同時岸上指揮所向水下設(shè)備傳輸控制指令,接入一定的水下單元設(shè)備,雙向信號中繼放大等功能。在光纖通信系統(tǒng)中,由于海底光纜要接多個節(jié)點設(shè)備,每個節(jié)點設(shè)備要分出一個波長的信號,因此系統(tǒng)主干光纖的一根光纖上要同時傳輸多路信號,每一個信號要準確的傳輸?shù)焦?jié)點設(shè)備上,這就使得光分波器,即SDH設(shè)備和WDM設(shè)備,成為重點考慮因素。

海底光纜通信網(wǎng)絡(luò)主要分為海岸基站端設(shè)備、水下信息傳輸設(shè)備和接收站點三個部分組成。海岸基站設(shè)備主要是海光纜數(shù)據(jù)和管理監(jiān)控終端、以太網(wǎng)元設(shè)備、線路傳輸設(shè)備以及光電轉(zhuǎn)換設(shè)備等。

水下信息傳輸系統(tǒng)包括光纖、光放大器和水下分支器。其中線路主要采用8芯光纜,光放大器主要采用摻鉺光纖放大器,光分支器之間的距離為20km～50km,同時提供多個傳感器節(jié)點接入,每個傳感器節(jié)點作為一個工作波長為λ探測單元。海底光纜通信網(wǎng)絡(luò)總體結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 海底光纜信息傳輸網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)圖

2.2 海底光纜通信傳送網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

海底光纜通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計中傳送部分采用SDH的傳輸標準,SDH傳送網(wǎng)包含電路層網(wǎng)絡(luò)、通道層網(wǎng)絡(luò)和傳輸媒介層網(wǎng)絡(luò)。 1) 電路層網(wǎng)絡(luò)主要提供海底光纜通信網(wǎng)各種接入設(shè)備的數(shù)據(jù)信息傳遞,為各節(jié)點提供通信鏈路。電路層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主要包括提供交換業(yè)務(wù)的交換機設(shè)備和鏈路建立連接設(shè)備層。 2) 通道層涉及到通道層各種網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間信息的傳遞,為各種不同類型的電路層網(wǎng)絡(luò)提供傳輸服務(wù)。SDH主要設(shè)備包括SDH VC-1n、VC2、VC32,VC4等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。傳輸媒介層網(wǎng)絡(luò)為通道層節(jié)點提供合適的通道容量,實際應(yīng)用時又將分為段層結(jié)構(gòu)和物理媒資層網(wǎng)絡(luò)。SDH網(wǎng)中段層網(wǎng)絡(luò)進一步分為復(fù)用段層網(wǎng)絡(luò)和再生段網(wǎng)絡(luò)。SDH傳送網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)如圖2所示。

SDH在光通信系統(tǒng)中采用的傳輸標準具有標準的速率、幀結(jié)構(gòu),以及與STM-1相同的功能,并能夠通過標準的SDH支路接口與STM-4與STM-16實現(xiàn)互通,而SDH支路既可以提供E1(2Mbit/s)信號,也能提供155Mbit/s信號。基于SDH通信網(wǎng)連接關(guān)系如圖3所示。

圖2 基于SDH通信海底光通信網(wǎng)中傳送網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

圖3 基于SDH通信網(wǎng)絡(luò)連接構(gòu)成圖

2.3 基于WDM海光纜光傳送網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

海光纜光傳送層設(shè)計思路:將光網(wǎng)絡(luò)和SDH傳送網(wǎng)結(jié)合起來,實現(xiàn)光纖信道可以直接將復(fù)用后的高速數(shù)字信號經(jīng)過多個中間節(jié)點,在無電的再生中繼條件下,直接傳送到目的節(jié)點。光傳送網(wǎng)絡(luò)的分層結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 光傳送網(wǎng)的分層結(jié)構(gòu)

WDM是一種波長選路的光通信交換技術(shù),目的提高光纖的傳輸容量及交換節(jié)點的吞吐量?；驹?為了實現(xiàn)多個波長光信號在一根光纖中同時傳輸。在發(fā)送端,信源產(chǎn)生不同波長的光信號,利用多路復(fù)用器組合起來,并耦合到光纜路上的同一根光纖中進行傳輸,在接收端利用解復(fù)接器又將組合波長的光信號分開,并進一步處理,恢復(fù)出原信號后進入不同的終端。

系統(tǒng)主要統(tǒng)包括:光發(fā)射器、波分復(fù)用器、光纖傳輸信道、光解復(fù)用器、光接收器四個部分組成,海光纜通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖5所示。

圖5 基于WDM海底光纜通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成圖

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

3.1 WDM在SDH海底光纜通信組網(wǎng)中可行性研究

隨著數(shù)據(jù)通信技術(shù)進步,復(fù)用技術(shù)種類越來越多,常用的復(fù)用技術(shù)包括:空分復(fù)用技術(shù)(SDM)、時分復(fù)用技術(shù)(TDM)及波分復(fù)用技術(shù)(WDM)等,在進行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中各種復(fù)用技術(shù)之間并不是互相排斥,關(guān)鍵在于是否能夠選擇一種技術(shù)可靠、性能優(yōu)良、價格合理,充分利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源,最大限度地提高光纖容量的綜合方案。

相對于TDM技術(shù)來說,SDH傳輸技術(shù)是現(xiàn)今網(wǎng)絡(luò)通信比較成熟且先進的技術(shù),但是對于承載大數(shù)據(jù)量業(yè)務(wù),傳輸速率不是很高;ATM技術(shù)通常被視作完美的技術(shù),但因其過于復(fù)雜、成本過高,一直未被大規(guī)模使用;具低成本、易獲得、高寬帶等優(yōu)勢的IP技術(shù)作為后起之秀,發(fā)展迅猛,但QoS問題仍需改進。十全十美的技術(shù)難以找到。

由于WDM系統(tǒng)是一個協(xié)議透明、格式透明的網(wǎng)絡(luò),可以不斷將線路的電網(wǎng)絡(luò)疊加到光網(wǎng)絡(luò)上,目前許多運營公司采用WDM與TDM相結(jié)合的組網(wǎng)結(jié)構(gòu),按需擴容,在一個WDM系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)上,將不同速率、不同廠家的電設(shè)備結(jié)合在一起,并隨時可以加入新的高速TDM系統(tǒng),構(gòu)筑未來的高速光纖網(wǎng)絡(luò),滿足迅速增長的容量要求。利用TDM和WDM兩種技術(shù)的優(yōu)點進行網(wǎng)絡(luò)擴容,是光纖技術(shù)發(fā)展的方向。根據(jù)不同的光纖類型可以選擇TDM的最高傳輸速率,在此基礎(chǔ)上,再根據(jù)傳輸容量的大小選擇WDM復(fù)用的光信道數(shù)(即波長數(shù))。SDH over WDM正是這兩種技術(shù)組合的一種特例,在組網(wǎng)和擴容技術(shù)上均有較大的優(yōu)勢,應(yīng)該說,SDH over WDM是光纖通信網(wǎng)發(fā)展最佳選擇。

圖6 SDH與集成式WDM系統(tǒng)

WDM系統(tǒng)從對外的光接口看常用集成式WDM組網(wǎng)結(jié)構(gòu)(如圖6所示)。當接入合波器的SDH終端具有滿足G.692的光接口時,即具有波分復(fù)用系統(tǒng)標準的光波長和滿足長距離傳輸?shù)墓庠磿r,WDM為集成式系統(tǒng)是把標準的光波長和滿足長距離傳輸?shù)墓庠醇稍赟DH系統(tǒng)中,整個系統(tǒng)構(gòu)造比較簡單,沒有增加多余設(shè)備。

3.2 WDM+SDH海底光纜通信組網(wǎng)方案設(shè)計

在傳輸網(wǎng)中WDM和SDH間是客戶層和服務(wù)層的關(guān)系。相對于WDM而言,SDH、IP、ATM信號只是WDM系統(tǒng)所承載的業(yè)務(wù)信號WDM系統(tǒng)更加接近于物理媒質(zhì)層—光纖SDH在通道層下面構(gòu)成光通道層網(wǎng)絡(luò)。而當SDH+WDM時,由于SDH層自身具有強大的保護(自愈)功能,因此無需在光傳送層引入保護光層負責(zé)向SDH層傳輸透明的光路,此時的光路與傳統(tǒng)的SDH網(wǎng)中的光纖是一樣的。

光同步數(shù)字體系(SDH)是一項高技術(shù),它具有同步復(fù)用,標準接口和強大的網(wǎng)管能力,能與已有的PDH兼容,組成的網(wǎng)絡(luò)將成為暢通無阻的“無縫網(wǎng)絡(luò)”。因此,近幾年來各國新建光纖通信網(wǎng)絡(luò)均采用SDH方式。

SDH主要由同步終端復(fù)用器(SM)、插分復(fù)用器(ADM)、同步數(shù)字交叉連接器(SDXC)等網(wǎng)元構(gòu)成,其光接口均為STM 2N標準接口。WDM技術(shù)的引入,必將涉及到如何與現(xiàn)有的SDH傳輸系統(tǒng)共同組網(wǎng)的問題。下面將從網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成、關(guān)鍵元件和關(guān)鍵技術(shù)等方面做較為深入的探討。

圖7 WDM與SDH光傳輸設(shè)備的連接圖

1) 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖6為基于WDM技術(shù)的SDH光傳送網(wǎng)結(jié)構(gòu)。在發(fā)送端,n個SDH網(wǎng)元(如ADM或SM)輸出的波長為λ0(不同NE的λ0可以互不相同)的n路光群路信號(STM 2N)經(jīng)過波長適配(或稱為波長轉(zhuǎn)換后,作為OM的輸入光支路信號,由光復(fù)用器復(fù)合為速率更高的光載波信號,再經(jīng)放大與監(jiān)視光信號λsup耦合后送入帶有光放大器(OA)的光纖傳輸線路。在接收端,已與監(jiān)視光信號λsup分離的復(fù)用光載波信號首先被預(yù)放大,再由OD按照波長順序分離出不同波長的SDH光群路信號(STM-N)送到相應(yīng)的SDH網(wǎng)元進行處理。

2) 波長適配

為了在中繼段上實現(xiàn)橫向兼容,使具有標準光接口的網(wǎng)元(NE)可以經(jīng)光路直接連接,即允許不同廠家的產(chǎn)品在中繼段上互通,SDH的光接口均是標準化的(符合G.957建議)。因此,SDH的網(wǎng)元ADM等通常都工作在1550nm或1310nm波長區(qū)內(nèi)的某個特定波長,相同廠家同一型號的NE是相同的,不同的NE其工作波長往往也非常相近甚至完全一樣,這就無法滿足WDM對輸入波長的波段和波長間隔的要求。

根據(jù)G.692建議,WDM系統(tǒng)中要求相鄰波長間的間距為0.8nm或0.8nm的倍數(shù)。波長適配器的作用就是將符合G.957建議的SDH的STM 2N光群路信號波長變換為適合WDM傳輸?shù)牟ㄩL。另外,來自n個SDH網(wǎng)元的STM 2N光群路信號可能是經(jīng)過不同路徑傳輸,其光功率、信號質(zhì)量波動較大,所以波長適配器同時應(yīng)該能完成對輸入的STM 2N光群路信號重新定時、整形,并進行輸出功率調(diào)整。目前,最實用的波長變換一般仍采用OE與EO變換。

3) OADM光復(fù)用器

本方案采用的基于介質(zhì)膜濾波器加上光纖環(huán)形器結(jié)構(gòu)的OADM光復(fù)用器設(shè)計,有效保證了從光波網(wǎng)絡(luò)中分下或插入本節(jié)點的波長信號的同時,對于其他波長的光信號沒有影響,實現(xiàn)了多個波長的信號高速的傳輸,OADM光復(fù)用器結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 基于介質(zhì)膜濾波器加上光纖環(huán)形器結(jié)構(gòu)的OADM光復(fù)用器結(jié)構(gòu)圖

使用了多層介質(zhì)膜(Multi layer Dielectric Film)濾波器,2×2光開關(guān)和光纖環(huán)行器等。多層介質(zhì)膜濾波器由于其良好的溫度穩(wěn)定性目前已經(jīng)在波分復(fù)用系統(tǒng)廣泛使用。多波長光信號從輸入端經(jīng)環(huán)行器到達濾波器,由于介質(zhì)膜濾波器屬于帶通濾波器,因此只有位于通帶內(nèi)的波長才可以通過濾波器,其它波長則被反射回環(huán)行器。通過濾波器的波長由光開關(guān)選擇從分下(drop)口輸出。插入的波長經(jīng)過右邊的同波長濾波器再通過右邊環(huán)行器而輸出。從左面濾波器反射回左面環(huán)行器的光從端口2到端口3再進入下面環(huán)形器的端口1,重復(fù)以上過程,每經(jīng)過一個環(huán)形器和濾波器組合后,其余波長則繼續(xù)往下走。如果不在本結(jié)點作分插復(fù)用的波長就再連接到右側(cè)的光纖環(huán)行器,然后依次經(jīng)過環(huán)行器和多層介質(zhì)膜帶通濾波器,一直傳輸?shù)蕉嗖ㄩL輸出端口。

3.3 基于WDM+SDH海底光纜通信組網(wǎng)性能分析

陸上發(fā)送端采用SDH技術(shù),采用統(tǒng)一的速率端口,便于各系統(tǒng)的互聯(lián)。水下支路采用WDM設(shè)備,可滿足信號的低速要求,組網(wǎng)方便、可靠,并降低了成本。一種基于SDH+WDM的海光纜信息傳輸網(wǎng)絡(luò)體系:發(fā)送端采用SDH設(shè)備,采用統(tǒng)一的接入端口,有利于岸上不同系統(tǒng)之間的連接,降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性。接入主干光纜時,采用WDM設(shè)備,將多路不同波長信號復(fù)用在同一光纖上傳輸,增加了傳輸帶寬。主干光纜與支路之間安裝WDM設(shè)備,選擇8個波長的信號進入支路。探測設(shè)備與支路之間安裝一個WDM設(shè)備,將8路信號解復(fù)用并將信號送到相應(yīng)的設(shè)備上去。

4 結(jié)語

本文主要論述了基于海底光纜的信息傳輸系統(tǒng),分析了海底光纜信息傳輸系統(tǒng)的特點,通過與陸上信息傳輸體制相的對比,以及海洋的特殊性考慮影響海底光纜多點接入系統(tǒng)的因素。從海洋環(huán)境的復(fù)雜性和特殊性出發(fā),研究海底光纜的傳輸特性、節(jié)點分布、組網(wǎng)方式,重點對SDH設(shè)備、WDM設(shè)備的原理和應(yīng)用進行分析,對基于SDH的接入系統(tǒng)、基于WDM的接入系統(tǒng)、基于SDH+WDM的接入系統(tǒng)這三種系統(tǒng)的性能進行對比,從系統(tǒng)的復(fù)雜性、可行性、可靠性出發(fā),為選出一種最合適的水下信息傳輸系統(tǒng)提供參考。

[1] 畢衛(wèi)紅,張力方,祝亞男.基于Optisystem的波分復(fù)用性能的仿真研究[J].光通信技術(shù),2009(1):10-11.

[2] 石懷偉,李明生,王少華.網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)與OPNET應(yīng)用實踐[J].計算機系統(tǒng)應(yīng)用,2006,16(3):49-55.

[3] Yuichi Shirasaki, Minoru Yoshida, Takao Nishida. ARENA: A Versatile and Multidisciplinary Scientific Submarine Cable Network of Next Generation[J]. IEEE,2003:226-228.

[4] COMFORT J C. The simulation of a master-slave event set processor[J]. Simulation,1984,42(3):117-124.

[5] Alexei N. Pilipetskii. High-Capacity Undersea Long-Haul Systems[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics,2006,12(4):484-496.

[6] M. I. Hayee, A. E. Willner. NRZ Versus RZ in 10-40-Gb/sDispersion managed WDM transmission systems. IEEE Photon[J]. Technol. Lett.,1999,11:991-993.

[7] 唐朝暉,劉瑞.基于OPNET仿真平臺的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型性能分析[J].廣東通信技術(shù),2006,26(7):57-61.

[8] 肖中杰.光纖傳輸設(shè)計中的距離計算[J].計算機與數(shù)字工程,2010,38(1)61-63.

[9] 方堃,史蓓蕾,王晶.數(shù)據(jù)融合技術(shù)在海纜敷設(shè)作業(yè)顯示GIS中的應(yīng)用[J].計算機與數(shù)字工程,2013,41(10):1609-1610.

[10] 姜黎,高志軍,曹新星.基于光纖通信技術(shù)的數(shù)據(jù)單向傳輸設(shè)備研究[J].計算機與數(shù)字工程,2012,40(3):83-84.

Research on Submarine Cable Information Transmission Network Planning

SUN Zhe WANG Ping

(Electronics Engineering College, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

According to the characteristics of the submarine cable information transmission system, compared with onshore fiber optical network, the factors that affect submarine cable communication system from the particularity of the marine environment are researched. Based on the multiple operation carrying capacity, the network topology and the major technical indicators of sea fiber optical information transmission system, and analyzing the various properties of the network topology specifically. We respectively from the aspects of reliability, feasibility and complexity analyze and compare the three common network design scheme based on SDH network, WDM network, and SDH+WDM network. The paper provides an important reference for the actual network planning and design of sea fiber optical cable.

network topology structure, information transmission network, SDH network, WDM network, SDH+WDM network

2014年11月5日,

2014年12月24日

孫哲,男,研究生,研究方向:通信技術(shù)。王平,男,博士,副教授,碩士生導(dǎo)師,研究方向:電子對抗。

TN929

10.3969/j.issn1672-9730.2015.05.015