海底光缆信息传输网络规划的研究*

孙 哲 王 平

(海军工程大学电子工程学院 武汉 430033)



海底光缆信息传输网络规划的研究*

孙 哲 王 平

(海军工程大学电子工程学院 武汉 430033)

针对海底光缆信息传输系统的特点,通过与陆上光纤网络的对比,从海洋环境的特殊性考虑影响海底光缆通信系统的因素。根据多种业务承载能力,研究海光缆信息传输系统的网络拓扑结构和主要的技术指标,从而对各种网络结构的性能进行具体的分析。论文分别对于三种常用的光纤网络组成方案,包括基于SDH的网络设计方案、基于WDM的网络设计方案、基于SDH+WDM的网络设计方案,从可靠性、可行性、复杂性进行分析和对比,为海光缆的实际网络规划设计提供参考。

网络拓扑结构; 信息传输网络; SDH网络; 基于WDM网络; SDH+WDM网络

Class Number TN929

1 引言

随着光纤信息传输系统的不断发展,国际间信息需求的日益增长,需要敷设的海底光缆数量也越来越大。海底光缆的高负荷运行和海上的复杂运行环境,不论是海底光缆的铺设还是日常运行都会遇到很多亟待解决问题。

海底光缆信息传输系统特点:

1) 水下环境比陆地环境更为复杂,不能直接、清晰地观察和勘测水下情况,因此在铺设光缆时要更加严格地论证,选好最佳路线。

2) 海底光缆系统对设备的要求更高,很多设备要在水底工作,防水性能、密闭性能要求更严。

3) 设备在海底维修不方便,由于海底的特殊性,设备一旦发生故障,寻找故障点并对故障进行维修困难,需要的时间很长,工作量大,耗资大,又影响系统的正常工作,因此设备的使用寿命要求越长越好。

4) 海底信息传输器件组成个数少,设备体积设计要小。由于系统的主干光缆很长,且接有一定的水下设备,而水下设备的电源则由陆上的电站提供,供电比较困难,若设备太多,则无法提供足够的电能以使设备正常工作,因此要尽量减少设备的数量,另外为了尽量降低维修的困难,设备不需要太复杂,体积不能太庞大。

海光缆信息传输系统集信息感知、网络管理、信息传输及控制于一体,网络整体在水下,维护使用及网络调度调整都有其特殊要求,通过研究水下信息网络的特点,分析论证海光缆的组网形式、网络特性、拓扑结构,提出适合水下信息网络的海光缆组网体制、组网形式及要求。本文正是提出一种基于WDM+SDH信息传输体制,利用上述成熟组网技术即可保障海底通信网络稳定运行。

2 海底光缆通信网络的结构设计

2.1 海底光缆信息传输网络的总体结构设计

海底光缆通信网络系统要满足水下探测信息通过光缆向陆地传输,满足语音、数据、视频信号、图文信息的传输,同时岸上指挥所向水下设备传输控制指令,接入一定的水下单元设备,双向信号中继放大等功能。在光纤通信系统中,由于海底光缆要接多个节点设备,每个节点设备要分出一个波长的信号,因此系统主干光纤的一根光纤上要同时传输多路信号,每一个信号要准确的传输到节点设备上,这就使得光分波器,即SDH设备和WDM设备,成为重点考虑因素。

海底光缆通信网络主要分为海岸基站端设备、水下信息传输设备和接收站点三个部分组成。海岸基站设备主要是海光缆数据和管理监控终端、以太网元设备、线路传输设备以及光电转换设备等。

水下信息传输系统包括光纤、光放大器和水下分支器。其中线路主要采用8芯光缆,光放大器主要采用掺铒光纤放大器,光分支器之间的距离为20km～50km,同时提供多个传感器节点接入,每个传感器节点作为一个工作波长为λ探测单元。海底光缆通信网络总体结构组成如图1所示。

图1 海底光缆信息传输网络基本结构图

2.2 海底光缆通信传送网结构设计

海底光缆通信网络结构设计中传送部分采用SDH的传输标准,SDH传送网包含电路层网络、通道层网络和传输媒介层网络。 1) 电路层网络主要提供海底光缆通信网各种接入设备的数据信息传递,为各节点提供通信链路。电路层网络设备主要包括提供交换业务的交换机设备和链路建立连接设备层。 2) 通道层涉及到通道层各种网络节点之间信息的传递,为各种不同类型的电路层网络提供传输服务。SDH主要设备包括SDH VC-1n、VC2、VC32,VC4等网络设备。传输媒介层网络为通道层节点提供合适的通道容量,实际应用时又将分为段层结构和物理媒资层网络。SDH网中段层网络进一步分为复用段层网络和再生段网络。SDH传送网络分层结构如图2所示。

SDH在光通信系统中采用的传输标准具有标准的速率、帧结构,以及与STM-1相同的功能,并能够通过标准的SDH支路接口与STM-4与STM-16实现互通,而SDH支路既可以提供E1(2Mbit/s)信号,也能提供155Mbit/s信号。基于SDH通信网连接关系如图3所示。

图2 基于SDH通信海底光通信网中传送网络结构图

图3 基于SDH通信网络连接构成图

2.3 基于WDM海光缆光传送网络设计

海光缆光传送层设计思路:将光网络和SDH传送网结合起来,实现光纤信道可以直接将复用后的高速数字信号经过多个中间节点,在无电的再生中继条件下,直接传送到目的节点。光传送网络的分层结构如图4所示。

图4 光传送网的分层结构

WDM是一种波长选路的光通信交换技术,目的提高光纤的传输容量及交换节点的吞吐量。基本原理:为了实现多个波长光信号在一根光纤中同时传输。在发送端,信源产生不同波长的光信号,利用多路复用器组合起来,并耦合到光缆路上的同一根光纤中进行传输,在接收端利用解复接器又将组合波长的光信号分开,并进一步处理,恢复出原信号后进入不同的终端。

系统主要统包括:光发射器、波分复用器、光纤传输信道、光解复用器、光接收器四个部分组成,海光缆通信系统结构组成如图5所示。

图5 基于WDM海底光缆通信网络结构组成图

3 基于SDH+WDM海底光缆通信网络规划研究

3.1 WDM在SDH海底光缆通信组网中可行性研究

随着数据通信技术进步,复用技术种类越来越多,常用的复用技术包括:空分复用技术(SDM)、时分复用技术(TDM)及波分复用技术(WDM)等,在进行网络规划中各种复用技术之间并不是互相排斥,关键在于是否能够选择一种技术可靠、性能优良、价格合理,充分利用现有的网络资源,最大限度地提高光纤容量的综合方案。

相对于TDM技术来说,SDH传输技术是现今网络通信比较成熟且先进的技术,但是对于承载大数据量业务,传输速率不是很高;ATM技术通常被视作完美的技术,但因其过于复杂、成本过高,一直未被大规模使用;具低成本、易获得、高宽带等优势的IP技术作为后起之秀,发展迅猛,但QoS问题仍需改进。十全十美的技术难以找到。

由于WDM系统是一个协议透明、格式透明的网络,可以不断将线路的电网络叠加到光网络上,目前许多运营公司采用WDM与TDM相结合的组网结构,按需扩容,在一个WDM系统网络上,将不同速率、不同厂家的电设备结合在一起,并随时可以加入新的高速TDM系统,构筑未来的高速光纤网络,满足迅速增长的容量要求。利用TDM和WDM两种技术的优点进行网络扩容,是光纤技术发展的方向。根据不同的光纤类型可以选择TDM的最高传输速率,在此基础上,再根据传输容量的大小选择WDM复用的光信道数(即波长数)。SDH over WDM正是这两种技术组合的一种特例,在组网和扩容技术上均有较大的优势,应该说,SDH over WDM是光纤通信网发展最佳选择。

图6 SDH与集成式WDM系统

WDM系统从对外的光接口看常用集成式WDM组网结构(如图6所示)。当接入合波器的SDH终端具有满足G.692的光接口时,即具有波分复用系统标准的光波长和满足长距离传输的光源时,WDM为集成式系统是把标准的光波长和满足长距离传输的光源集成在SDH系统中,整个系统构造比较简单,没有增加多余设备。

3.2 WDM+SDH海底光缆通信组网方案设计

在传输网中WDM和SDH间是客户层和服务层的关系。相对于WDM而言,SDH、IP、ATM信号只是WDM系统所承载的业务信号WDM系统更加接近于物理媒质层—光纤SDH在通道层下面构成光通道层网络。而当SDH+WDM时,由于SDH层自身具有强大的保护(自愈)功能,因此无需在光传送层引入保护光层负责向SDH层传输透明的光路,此时的光路与传统的SDH网中的光纤是一样的。

光同步数字体系(SDH)是一项高技术,它具有同步复用,标准接口和强大的网管能力,能与已有的PDH兼容,组成的网络将成为畅通无阻的“无缝网络”。因此,近几年来各国新建光纤通信网络均采用SDH方式。

SDH主要由同步终端复用器(SM)、插分复用器(ADM)、同步数字交叉连接器(SDXC)等网元构成,其光接口均为STM 2N标准接口。WDM技术的引入,必将涉及到如何与现有的SDH传输系统共同组网的问题。下面将从网络构成、关键元件和关键技术等方面做较为深入的探讨。

图7 WDM与SDH光传输设备的连接图

1) 网络结构

图6为基于WDM技术的SDH光传送网结构。在发送端,n个SDH网元(如ADM或SM)输出的波长为λ0(不同NE的λ0可以互不相同)的n路光群路信号(STM 2N)经过波长适配(或称为波长转换后,作为OM的输入光支路信号,由光复用器复合为速率更高的光载波信号,再经放大与监视光信号λsup耦合后送入带有光放大器(OA)的光纤传输线路。在接收端,已与监视光信号λsup分离的复用光载波信号首先被预放大,再由OD按照波长顺序分离出不同波长的SDH光群路信号(STM-N)送到相应的SDH网元进行处理。

2) 波长适配

为了在中继段上实现横向兼容,使具有标准光接口的网元(NE)可以经光路直接连接,即允许不同厂家的产品在中继段上互通,SDH的光接口均是标准化的(符合G.957建议)。因此,SDH的网元ADM等通常都工作在1550nm或1310nm波长区内的某个特定波长,相同厂家同一型号的NE是相同的,不同的NE其工作波长往往也非常相近甚至完全一样,这就无法满足WDM对输入波长的波段和波长间隔的要求。

根据G.692建议,WDM系统中要求相邻波长间的间距为0.8nm或0.8nm的倍数。波长适配器的作用就是将符合G.957建议的SDH的STM 2N光群路信号波长变换为适合WDM传输的波长。另外,来自n个SDH网元的STM 2N光群路信号可能是经过不同路径传输,其光功率、信号质量波动较大,所以波长适配器同时应该能完成对输入的STM 2N光群路信号重新定时、整形,并进行输出功率调整。目前,最实用的波长变换一般仍采用OE与EO变换。

3) OADM光复用器

本方案采用的基于介质膜滤波器加上光纤环形器结构的OADM光复用器设计,有效保证了从光波网络中分下或插入本节点的波长信号的同时,对于其他波长的光信号没有影响,实现了多个波长的信号高速的传输,OADM光复用器结构如图8所示。

图8 基于介质膜滤波器加上光纤环形器结构的OADM光复用器结构图

使用了多层介质膜(Multi layer Dielectric Film)滤波器,2×2光开关和光纤环行器等。多层介质膜滤波器由于其良好的温度稳定性目前已经在波分复用系统广泛使用。多波长光信号从输入端经环行器到达滤波器,由于介质膜滤波器属于带通滤波器,因此只有位于通带内的波长才可以通过滤波器,其它波长则被反射回环行器。通过滤波器的波长由光开关选择从分下(drop)口输出。插入的波长经过右边的同波长滤波器再通过右边环行器而输出。从左面滤波器反射回左面环行器的光从端口2到端口3再进入下面环形器的端口1,重复以上过程,每经过一个环形器和滤波器组合后,其余波长则继续往下走。如果不在本结点作分插复用的波长就再连接到右侧的光纤环行器,然后依次经过环行器和多层介质膜带通滤波器,一直传输到多波长输出端口。

3.3 基于WDM+SDH海底光缆通信组网性能分析

陆上发送端采用SDH技术,采用统一的速率端口,便于各系统的互联。水下支路采用WDM设备,可满足信号的低速要求,组网方便、可靠,并降低了成本。一种基于SDH+WDM的海光缆信息传输网络体系:发送端采用SDH设备,采用统一的接入端口,有利于岸上不同系统之间的连接,降低了系统的复杂性。接入主干光缆时,采用WDM设备,将多路不同波长信号复用在同一光纤上传输,增加了传输带宽。主干光缆与支路之间安装WDM设备,选择8个波长的信号进入支路。探测设备与支路之间安装一个WDM设备,将8路信号解复用并将信号送到相应的设备上去。

4 结语

本文主要论述了基于海底光缆的信息传输系统,分析了海底光缆信息传输系统的特点,通过与陆上信息传输体制相的对比,以及海洋的特殊性考虑影响海底光缆多点接入系统的因素。从海洋环境的复杂性和特殊性出发,研究海底光缆的传输特性、节点分布、组网方式,重点对SDH设备、WDM设备的原理和应用进行分析,对基于SDH的接入系统、基于WDM的接入系统、基于SDH+WDM的接入系统这三种系统的性能进行对比,从系统的复杂性、可行性、可靠性出发,为选出一种最合适的水下信息传输系统提供参考。

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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

孙哲,男,研究生,研究方向:通信技术。王平,男,博士,副教授,硕士生导师,研究方向:电子对抗。

TN929

10.3969/j.issn1672-9730.2015.05.015