海底光缆系统设计指南

海底光缆系统设计指南王俊华2007年9月主要内容引言1系统网元参数2网络拓扑3系统设计考虑4可靠性考虑5扩容考虑6物理层兼容性结束语海底光缆系统设计指南随着科学技术的不断进步，通信技术也在不断发展。为促进通信新技术在通信网中的应用，国际电信联盟（ITU-T）每个研究期（4年）要对现有标准进行修订。在国际电信联盟的2005-2008研究期，海底光缆系统方面的新标准开发和现有标准修订工作由光与其它传送基础设施研究组（ITU-TSG15）承担。海底光缆系统设计指南引言海底光缆系统设计指南引言到目前，ITU-TSG15共开发了10个有关海底光缆系统的建议:G.971海底光缆系统的一般特征G.972海底光缆系统相关术语的定义G.973无中继器的海底光缆系统的特性G.974有再生器的海底光缆系统的特性G.975海底系统的前向纠错G.975.1高比特率DWDM海底光缆系统的前向纠错G.976海底光缆系统的测试G.977有光放大器的海底光缆系统的特性G.978海底光缆特性G.supp41海底光缆系统设计指南海底光缆系统设计指南引言“海底光缆系统设计指南”于ITU-T2005年5月由SG15完成第1版的开发，2007年6月，ITU-TSG15对该建议进行了修改。下面介绍修改后的“海底光缆系统设计指南”。主要介绍6个方面的内容：系统网元参数、网络拓扑、系统设计考虑、可靠性考虑、扩容考虑、物理层兼容性。海底光缆系统设计指南1系统网元参数海底光缆系统的主要参数包括：•发射机参数•接收机参数•中继器参数•海缆参数•接头盒参数海底光缆系统设计指南•光发射机的主要参数包括：系统工作波长、光谱特性、单纵模激光器和多纵模激光器的最大光谱宽度、噪声、边模抑制比、最大光谱密度、信道的最大和最小平均输出光功率、WDM中心频率、通道间隔、最大中心频率漂移、最小消光比、眼图模板、偏振性能、光源的信噪比等。1.1发射机参数海底光缆系统设计指南•接收机主要参数有：灵敏度、信道最大和最小平均输入功率、光通道损伤、信道输入功率最大差值、接收机输入端光信噪比等。1.2接收机参数海底光缆系统设计指南•海底光缆中继器目前有3种类型：3R电再生中继器EDFA中继器喇曼中继器1.3中继器参数海底光缆系统设计指南•3R电再生中继器光接口处的信号功率应该与光功率预算相一致。在系统配置时要重点考虑中继器的最小平均输入功率、输出功率。同时，光接口处的抖动特性也（抖动容限、最大输出抖动、抖动传递特性）要与系统设计相一致。1.3中继器参数海底光缆系统设计指南•对于光中继器内使用的EDFA，下面的参数需要着重考虑：增益，噪声指数，信号输出功率，信号输入功率，中继器的最小平均输入和输出功率，抖动特性，相移特性。•对WDM系统还要考虑增益平坦性。1.3中继器参数海底光缆系统设计指南•喇曼中继器采用喇曼光纤放大器，具有增益高、串扰小、噪声低、频谱范围宽等诸多优点。•目前ITU-T还没有对喇曼中继器的参数进行具体规定，还需要将来进一步研究。1.3中继器参数海底光缆系统设计指南•海缆的参数主要指海缆中的光纤传输性能参数、机械性能参数、电气性能参数、物理性能参数和环境性能参数。•光纤传输性能参数主要包括：衰减系数，色散系数，非线性和偏振模色散。1.4海底光缆海底光缆系统设计指南•海缆机械性能参数主要包括：断裂拉伸负荷，短暂拉伸负荷，工作拉伸负荷和最小弯曲半径。•海缆电气性能参数主要包括：绝缘电阻和直流电压。•海缆物理性能参数主要包括：外径和重量。•海缆环境性能参数主要包括：工作温度，存贮温度和水密性能。1.4海底光缆海底光缆系统设计指南•海缆接头盒用来将两个光缆段可靠连接起来。•接头盒要针对海缆的不同铠装进行专门的设计。其参数包括光参数、机械参数、电气参数以及物理参数。1.5海底光缆接头盒海底光缆系统设计指南•接头盒的光参数主要指接头损耗。•机械参数包括抗拉强度、防腐性能、耐压性能、密封性能、弯曲特性等。•电气参数主要指高压绝缘性，它能够保证海水与馈电导线间的高压绝缘。•物理参数指长度、外部直径、重量等。1.5海底光缆接头盒海底光缆系统设计指南2海底光缆系统的拓扑结构海底光缆系统的拓扑结构有：–点到点型–星型–分支星型–主干分支型–花边链型–环型–分支环型2.1点到点型拓扑•两个不同终端站（TerminalStations—TS）的终端传输设备（TerminalTransmissionEquipments—TTE）通过海底链路直接相连。•这是最为简单和常用的拓扑类型。TSTSTTETTE海底光缆系统设计指南2.2星型拓扑•一个主TS和若干从TS通过独立的光缆相连。•这种配置相对比较昂贵，特别是TS在地理上分布较远的时候。TSTTETSTTETSTTEmainTSTTETTETTE海底光缆系统设计指南2.3分支星型拓扑•这种配置提供的容量和普通星型相同，只是通信的分流是在水下由分支单元（BranchingUnit—BU）完成的，以减少遥远TTE间光缆的花费。海底光缆系统设计指南TSTTETSTTETSTTEmainTSTTETTETTEBU海底光缆系统设计指南2.4主干分支型拓扑•这种配置指若干TS通过BU连接到主干光缆上，并通过BU建立光链路。BUTSBUTSTSTS海底光缆系统设计指南2.5花边型拓扑•一系列海岸登陆点由水下海底光缆连接，一般配置成无中继系统。•花边链型结构主要作为陆地系统的补充，为现有陆地系统提供路由保护。同时，这种配置已经越来越多的成为陆地系统的替代方案。TSTSTSTS海底光缆系统设计指南2.6环型拓扑•环型配置本质上是一系列点到点光缆的互连，其容量是传输所需容量的两倍。•当环上发生单一故障，如光缆被切断时，信号将避开故障点通过其它光缆到达目的站。岸上的传输设备提供整个环的自动错误检测和倒换控制功能。TSTSTSTS海底光缆系统设计指南2.7分支环型拓扑•分支环可以认为是分支星型和环型的接合，保留了这两种拓扑的优点。•在恰当的设计下，一个网络可以在初期建设成分支星型和主干分支型等结构，最终升级为分支环型。TSTSTSTSBUBU海底光缆系统设计指南3海底光缆系统的设计考虑•光功率预算•色散考虑海底光缆系统设计指南3.1光功率预算•对每一个海缆数字线路段，建议确定两个不同的功率预算，一个是寿命初始（BOL）值，另一个是寿命终止（EOL）值：•BOL功率预算是在试运行时保证数字线路段性能下最差值设计法的功率预算。•EOL功率预算是在系统寿命终止时保证数字线路段性能的最差值设计法的功率预算，包括老化余量、内部故障和修理余量。海底光缆系统设计指南3.1光功率预算•一个海缆系统设计寿命为25年。要达到这个设计寿命要求满足一定的余量。包括：维修操作引起的损伤设备老化引起的损伤一些元件故障引起的损伤未分配余量海底光缆系统设计指南3.2色散考虑色散是反映群速度与对波长依赖性的参数，色散会导致光信号的频谱成分以不同的速度传播，从而引入脉冲展宽，而且有可能成为系统的主要损伤。对于不同的系统，需要采用不同的色散管理方法。海底光缆系统设计指南3.2色散考虑对于单波长系统，大多数链路段上一般使用的是具有接近于零但不为零的负色散值的光纤，在少数色散补偿段上使用的是具有很高正色散值的光纤。对于多波长系统，大多数链路段上使用的是低负色散值（约-2ps/nm.km）的光纤（有时使用两种光纤：段首使用大有效面积光纤，段尾使用低色散斜率光纤），同时在色散补偿段使用具有较高正色散值的光纤。•海底光缆系统在建设时的设计就要求具有高的可靠性，以避免在运行时高昂的海底维修费用。•在海底光缆系统寿命周期中，发生的故障可能是内部故障（光纤损耗增加、中继器故障、设备电路板故障），也可能是外部故障（抛锚、捕鱼）。海底光缆系统设计指南4可靠性考虑•内部故障分为初期故障、随机故障和老化。•初期故障产生的主要原因是非理想的生产过程（原料粗糙，不合理操作，环境污染，无效检验或者不当的装船和处理）。•随机故障是随机分布的，是不可预测的。•老化是指系统和相关器件因长期使用而出现的性能劣化，原因是器件老化、材料疲劳、过分使用、环境腐蚀、不可预见的环境和气候毁坏等。海底光缆系统设计指南4可靠性考虑•从可靠性的角度来说，海底光缆系统的水下设备比陆地设备更关键，因为水下设备的维修平均时间（MTTR）要大些。典型的水下设备MTTR值为2周，而陆地设备为2小时。•无论什么原因引起的内部损伤都会直接影响传输质量。因此，必须采取合适的预防机制来防止或者减小故障的发生。为了达到可靠性要求，通常要进行冗余配置。例如为了达到放大器的可靠性指标，通常要配置冗余的泵浦激光器。海底光缆系统设计指南4可靠性考虑•外部故障一般发生在光缆段。几乎90%的故障由捕鱼活动和船锚破坏引起。•为了保护海缆不受这些因素的破坏，对浅海段的水下设备可以进行埋设。一旦水下设备发生故障，就需要进行水下操作，而且还需要铺缆船的配合，MTTR一般是1到3周，这取决于故障位置、水深、船只可用性、损坏原因和天气状况。海底光缆系统设计指南4可靠性考虑大部分海底系统的初始安装容量都低于设计的最大容量，运营商可以根据使用要求进行扩容。扩容方式分为普通扩容和复杂扩容。普通扩容：从初始安装容量到最大设计容量的扩容。这种扩容在建设合同上已经有商业上和技术上的考虑。复杂扩容：在一些工程中，应用增强技术，超过设计容量的扩容。海底光缆系统设计指南5扩容考虑海底光缆系统设计指南6物理层兼容性•纵向兼容性•横向兼容性•纵向兼容指的是光缆线路特性的标准化，设备必须来自同一厂家。•Tx•Rx•厂家A•厂家A海底光缆系统设计指南6.1单跨段纵向兼容性•单跨段横向兼容性系统在跨段两端可以使用不同厂家的设备。•单跨段横向兼容性系统需要对接口点MPI-S和MPI-R的全套光参数进行规范。海底光缆系统设计指南6.2单跨段横向兼容性•Tx•Rx•MPI-S•MPI-R•厂家A•厂家B•在多跨段横向兼容系统中，放大器和终端由不同厂家提供，因此整个系统设备可由多个厂家提供。•为实现多跨段横向兼容性，需要对每跨段的损耗和功率等参数进行规范，还需要规定整个链路的色散、噪声累积、PMD和非线性。海底光缆系统设计指南6.3多跨段横向兼容性•MPI-S•Tx•Rx•MPI-R•厂家B•厂家B•厂家A•厂家C•多跨段部分横向兼容性系统两端的设备由同一厂家提供。•多跨段部分横向兼容性系统除了不需要精确的波长通路规划外，其他参数要求与多跨段物理层横向兼容性一样。海底光缆系统设计指南6.4多跨段部分横向兼容性•MPI-S•Tx•Rx•MPI-R•厂家B•厂家B•厂家A•厂家A海底光缆系统是国际和地区通信中主要的越洋传输手段，也是国内通信中海岛之间或海岛与陆地之间的重要传输手段。我国是一个多岛屿的国家，海底光缆通信是解决海岛通信的一个主要手段，建设海底光缆通信系统是我国通信网建设的一个重要任务。我国的海底光缆和海底光缆通信设备制造企业也在不断进行新产品的开发，并且向国际市场拓展。对海底光缆系统的标准进展进行跟踪并积极参与标准制定对我国的通信网建设和光通信产品制造都具有重要的意义。海底光缆系统设计指南结束语谢谢！