通信光缆网络在海底的系统化建设工作探究

王圣元，李一东，荆业楚，刘宏宇，刘立成

（中国移动通信集团设计院有限公司 黑龙江分公司，黑龙江 哈尔滨 150080）

0 引 言

目前，最常用的海底光缆铺设方式主要有同步数字体系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）、波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）以及SDH＋WDM，其中SDH＋WDM作为复合型光缆构架与前两者相比具有更高的优势，且前景更加广泛，因此下文具体论述了海底光缆信息系统的构架方式与特征，并主要就SDH＋WDM系统的应用及规范进行了详细论述。

1 海底光缆信息传输系统的主要特点

地球上70%左右的面积都是海洋，广阔的面积和庞大的纵深令海洋环境无比复杂，很多地方的海域难以直接观测，因此在海底进行光缆传输系统的铺设更加困难。不同的环境也使得海底铺设工作具有这样几个特点：第一，由于很多海域无法观测，冒然铺设光缆存在巨大风险，因此在选择路线时要谨慎探索、严格求证；第二，海底铺设工作使用的设备必须考虑到防水和抗压问题，因而这一工作对设备要求更高；第三，海底光缆铺设工作需要着重考虑设备使用寿命和耐腐蚀能力，海洋的特殊环境注定光缆维修工作困难重重，因此技术人员要在设备的功能性和使用寿命之间找到最佳平衡；第四，越是深海区域的海水带给设备的压力越大，无论为了降低压力还是避免被海洋生物注意并破坏，都应选择体积更小的通信传输设备[1]。

2 海底光缆通信系统结构

2.1 海底光缆通信系统的网络总体设计

海底光缆的铺设需要充分考虑海底环境对通信网络的影响，要保证设备在海水的影响下依然能够向陆地终端传输清晰的数据信号，而陆地对海洋中设备的指令也要通过水下设备传输，从而令信号的双向中继放大得以实现。海底光缆的铺设不易，每个海底光缆都需要连接多个节点，而不同节点的波长信号也不尽相同，各自占据一个波长，因此要保持多设备之间的协同合作，传输系统中必须具备对混杂在一起的不同信号进行拆分的设备，也就是所谓的光分波器，这也是SDH设备和WDM设备在海底光缆系统中得以广泛应用的真正原因[2]。

海岸基站端设备、水下信息传输设备以及接收站点这3个部分共同构成了完整的海底光缆通信系统，其中海岸基站主要由传输设备和管理监控终端组成，还包括光电转换设备以及以太网元设备，是海底光缆通信网络中最重要的组成[3]。

2.2 海底光缆通信系统的传送网结构设计

海底光缆系统中的不同部分往往采用不同的系统，SDH系统多用于信号传送，其中的电路层网络、通道层网络以及传输媒介层网络共同实现这一功能。三者中的电路层网络是完成各种接入设备信息传递的基础，通信系统中的交换机系统及设备连接系统都属于电路层的一部分[4]。不同于电路层，通信网络中的网络节点信息传递需要通过通道层实现，其中主要使用到的设备包括SDH VC-1～SDH VC-4系列。传输媒介层是为信息传输提供通道媒介的系统，根据其特性又可以分为物理媒资层和段层结构，其中段层结构主要起到保护系统数据的作用，保护层和复生层均为其中的组成部分。SDH传送网络分层结构如图1所示。

图1 SDH系统传送网络分层结构

SDH网络系统使用的传输标准等均符合光通信系统要求，在功能性方面和STM-1一致，二者具有相同的帧结构和传输速率，且能够匹配标准型号的SDH接口，从而与STM-4以及STM-16对接，实现不同系统间的信号传输。SDH网络通信结构如图2所示。

图2 SDH网络通信结构

2.3 基于WDM的海底光缆光传送网络结构设计

海底光缆光传送网络中结合了SDH网络结构和光网络结构，将二者的优势结合起来，其中的光纤信道能够实现高速数字信号的直接复用，可以在无电中继中直达目的节点。WDM系统中的网络传输依次经过电路层、SDH通道层、电复用段层、光通道层、电复用段层、光传输断层以及物理层（即光纤设备）。

2.3.1 WDM网络结构的基本原理

WDM技术的根本思路是通过波长选路原理实现光通信交换，从而令光纤的单位时间传输量即各节点吞吐效率得到增强。这一网络系统中多个波长光信号在同一光纤中的传播是以信源和多路由器系统的组合实现，不同波长的光信号耦合于同一传输信路，于出口处在路由器的解复接器作用下重新分开，经处理后分别进入目标终端[5]。

2.3.2 WDM网络系统的主要构成

通常来讲，WDM网络结构中包含光发射器、波分复用器、光纤传输信道、光解复用器以及光接收器这5个主要组成部分，通过相互结合结合实现对光纤的扩容和节点吞吐加速。

3 基于SDH＋WDM海底光缆通信网络规划研究

3.1 WDM+SDH组合网络结构运用在海底光缆通信网络中的可行性

复合型技术是实现科技进步的重要方式，将不同的技术融合在一起，相互取长补短能够有效提升行业水平，其中通信技术正是如此，空分复用（Space Division Multiplexing，SDM）、时分复用（Time Division Multiplexing，TMD）以及WDM都是常用的复合型通信技术。虽然每个复合技术都有不同特征，但这不意味着这些技术相互排斥，恰恰相反，如果能够从中选择合适的技术结合起来，则必然能令通信行业取得更好的发展[6]。

SDM技术经常被用于和TMD技术进行对比，因为二者确实存在很多相似之处，但从技术性角度来看，TMD技术无论是数据传输速度还是数据承载能力都超过SDH技术，然而其高昂的造价和运行维护成本都令其无法普及，因此虽然有着“完美系统”的赞誉，但TMD在短时间内很难大规模应用，反而是IP技术等以造价等优势占领大片市场，成为光缆系统建设中的“熟悉面孔”[7]。

WDM系统是一种透明度很高的网络系统，对电网络和光网络进行无限制的叠加是其优势所在，不少使用TMD系统的企业都喜欢将WDM作为辅助系统，令速率和厂家均不同的设备接入同一网络系统中，满足扩容需求[8]。二者的结合以TMD系统为主，WDM系统的波长需要根据光纤类型和TMD系统传输速率共同选择。

SDH+WDM的网络组合方式属于二者的特异性结合，能够扩大该组网在扩容方面的优势。由于当前光纤网络发展的本质需求之一正是扩容，因此从这个角度来看，SDH+WDM也是海底光缆网络构架的最佳方式之一[9]。

3.2 WDM＋SDH在海底光缆传输网中的应用设计

WDM和SDH可以同时应用于光缆传输网中，二者分别被用于客户层和服务层的架构。其中，SDH以及ATM信号等都需要WDM系统作为承载，而WDM系统与光纤系统的牵连相对更加紧密，也可以简单理解为WDM系统与物理媒介关联性更强[10]。而将SDH和WDM结合在一起主要是为了利用SDH系统的自我保护能力，SDH＋WDM网络可以在没有保护光层的情况下直接传输。

之所以能够将SDH和WDM结合在一起，是因为SDH系统的技术中有着同步复用的特点，其网管能力强大，可以通过标准接口与绝大部分准同步数字体系（Plesiochronous Digital Hierarchy，PDH）兼容，令其参与的光纤网络无缝衔接，因而在近些年来的应用尤为广泛。SDH系统中的组成包括STM2N标准接口、同步数字交叉连接器、插分复用器以及同步终端复用器等，正是这些设备的共同作用实现了该系统的兼容能力，令其能够与WDM系统同步工作。

3.3 WDM＋SDH在海底光缆通信网络中的可用性

在陆地光缆系统中使用SDH系统时速率端口一致，对各系统的互联更有帮助。而为了适应海底环境，在海底光缆的支路中使用WDM系统又满足了低速信号的要求，相对其他方案能够有效降低成本。因此，离线的海底光缆信息传输系统应该以SDH作为陆地发送端，使用统一接入端口以发挥SDH技术的优势，令系统传输更加简单。而海洋中的接入端口则应该选择WDM系统，从而保证能够将各种波长的信号复用于同一光缆中，减少损耗、降低不必要的光缆铺设成本。

4 结 论

通信光缆是通信技术中最重要的硬件之一，而通信技术是当代互联网技术的重要基础，互联网技术又和人们的生活紧密结合在一起，因此可以说通信光缆的应用与人们的日常生活息息相关。由于互联网的使用者数量庞大且不断增加，因此通信光缆几乎无处不在，有时为了实现越洋通信等目的，不得不将光缆埋设在海中，而大海与陆地全然不同的环境及地貌为光缆铺设工作带来了截然不同的要求。本文全面论述了在海洋中铺设通信光缆的相关内容，将海洋中的各种因素纳入考虑范畴，通过分析海洋中光缆的传输特性、节点分布、组网方式以及SDH设备、WDM设备的原理和应用，对比了不同系统对海洋环境的适应性，探讨了海中通信电缆不同铺设方式的优劣，选择最可靠的海下通信光缆及系统组合。