海底光纜信息傳輸網絡規劃的研究*

孫 哲 王 平

(海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033)

?

海底光纜信息傳輸網絡規劃的研究*

孫 哲 王 平

(海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033)

針對海底光纜信息傳輸系統的特點,通過與陸上光纖網絡的對比,從海洋環境的特殊性考慮影響海底光纜通信系統的因素。根據多種業務承載能力,研究海光纜信息傳輸系統的網絡拓撲結構和主要的技術指標,從而對各種網絡結構的性能進行具體的分析。論文分別對于三種常用的光纖網絡組成方案,包括基于SDH的網絡設計方案、基于WDM的網絡設計方案、基于SDH+WDM的網絡設計方案,從可靠性、可行性、復雜性進行分析和對比,為海光纜的實際網絡規劃設計提供參考。

網絡拓撲結構; 信息傳輸網絡; SDH網絡; 基于WDM網絡; SDH+WDM網絡

Class Number TN929

1 引言

隨著光纖信息傳輸系統的不斷發展,國際間信息需求的日益增長,需要敷設的海底光纜數量也越來越大。海底光纜的高負荷運行和海上的復雜運行環境,不論是海底光纜的鋪設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特點:

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

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

3) 設備在海底維修不方便,由于海底的特殊性,設備一旦發生故障,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,又影響系統的正常工作,因此設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少,設備體積設計要小。由于系統的主干光纜很長,且接有一定的水下設備,而水下設備的電源則由陸上的電站提供,供電比較困難,若設備太多,則無法提供足夠的電能以使設備正常工作,因此要盡量減少設備的數量,另外為了盡量降低維修的困難,設備不需要太復雜,體積不能太龐大。

海光纜信息傳輸系統集信息感知、網絡管理、信息傳輸及控制于一體,網絡整體在水下,維護使用及網絡調度調整都有其特殊要求,通過研究水下信息網絡的特點,分析論證海光纜的組網形式、網絡特性、拓撲結構,提出適合水下信息網絡的海光纜組網體制、組網形式及要求。本文正是提出一種基于WDM+SDH信息傳輸體制,利用上述成熟組網技術即可保障海底通信網絡穩定運行。

2 海底光纜通信網絡的結構設計

2.1 海底光纜信息傳輸網絡的總體結構設計

海底光纜通信網絡系統要滿足水下探測信息通過光纜向陸地傳輸,滿足語音、數據、視頻信號、圖文信息的傳輸,同時岸上指揮所向水下設備傳輸控制指令,接入一定的水下單元設備,雙向信號中繼放大等功能。在光纖通信系統中,由于海底光纜要接多個節點設備,每個節點設備要分出一個波長的信號,因此系統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到節點設備上,這就使得光分波器,即SDH設備和WDM設備,成為重點考慮因素。

海底光纜通信網絡主要分為海岸基站端設備、水下信息傳輸設備和接收站點三個部分組成。海岸基站設備主要是海光纜數據和管理監控終端、以太網元設備、線路傳輸設備以及光電轉換設備等。

水下信息傳輸系統包括光纖、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點接入,每個傳感器節點作為一個工作波長為λ探測單元。海底光纜通信網絡總體結構組成如圖1所示。

圖1 海底光纜信息傳輸網絡基本結構圖

2.2 海底光纜通信傳送網結構設計

海底光纜通信網絡結構設計中傳送部分采用SDH的傳輸標準,SDH傳送網包含電路層網絡、通道層網絡和傳輸媒介層網絡。 1) 電路層網絡主要提供海底光纜通信網各種接入設備的數據信息傳遞,為各節點提供通信鏈路。電路層網絡設備主要包括提供交換業務的交換機設備和鏈路建立連接設備層。 2) 通道層涉及到通道層各種網絡節點之間信息的傳遞,為各種不同類型的電路層網絡提供傳輸服務。SDH主要設備包括SDH VC-1n、VC2、VC32,VC4等網絡設備。傳輸媒介層網絡為通道層節點提供合適的通道容量,實際應用時又將分為段層結構和物理媒資層網絡。SDH網中段層網絡進一步分為復用段層網絡和再生段網絡。SDH傳送網絡分層結構如圖2所示。

SDH在光通信系統中采用的傳輸標準具有標準的速率、幀結構,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通信網連接關系如圖3所示。

圖2 基于SDH通信海底光通信網中傳送網絡結構圖

圖3 基于SDH通信網絡連接構成圖

2.3 基于WDM海光纜光傳送網絡設計

海光纜光傳送層設計思路:將光網絡和SDH傳送網結合起來,實現光纖信道可以直接將復用后的高速數字信號經過多個中間節點,在無電的再生中繼條件下,直接傳送到目的節點。光傳送網絡的分層結構如圖4所示。

圖4 光傳送網的分層結構

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

系統主要統包括:光發射器、波分復用器、光纖傳輸信道、光解復用器、光接收器四個部分組成,海光纜通信系統結構組成如圖5所示。

圖5 基于WDM海底光纜通信網絡結構組成圖

3 基于SDH+WDM海底光纜通信網絡規劃研究

3.1 WDM在SDH海底光纜通信組網中可行性研究

隨著數據通信技術進步,復用技術種類越來越多,常用的復用技術包括:空分復用技術(SDM)、時分復用技術(TDM)及波分復用技術(WDM)等,在進行網絡規劃中各種復用技術之間并不是互相排斥,關鍵在于是否能夠選擇一種技術可靠、性能優良、價格合理,充分利用現有的網絡資源,最大限度地提高光纖容量的綜合方案。

相對于TDM技術來說,SDH傳輸技術是現今網絡通信比較成熟且先進的技術,但是對于承載大數據量業務,傳輸速率不是很高;ATM技術通常被視作完美的技術,但因其過于復雜、成本過高,一直未被大規模使用;具低成本、易獲得、高寬帶等優勢的IP技術作為后起之秀,發展迅猛,但QoS問題仍需改進。十全十美的技術難以找到。

由于WDM系統是一個協議透明、格式透明的網絡,可以不斷將線路的電網絡疊加到光網絡上,目前許多運營公司采用WDM與TDM相結合的組網結構,按需擴容,在一個WDM系統網絡上,將不同速率、不同廠家的電設備結合在一起,并隨時可以加入新的高速TDM系統,構筑未來的高速光纖網絡,滿足迅速增長的容量要求。利用TDM和WDM兩種技術的優點進行網絡擴容,是光纖技術發展的方向。根據不同的光纖類型可以選擇TDM的最高傳輸速率,在此基礎上,再根據傳輸容量的大小選擇WDM復用的光信道數(即波長數)。SDH over WDM正是這兩種技術組合的一種特例,在組網和擴容技術上均有較大的優勢,應該說,SDH over WDM是光纖通信網發展最佳選擇。

圖6 SDH與集成式WDM系統

WDM系統從對外的光接口看常用集成式WDM組網結構(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,即具有波分復用系統標準的光波長和滿足長距離傳輸的光源時,WDM為集成式系統是把標準的光波長和滿足長距離傳輸的光源集成在SDH系統中,整個系統構造比較簡單,沒有增加多余設備。

3.2 WDM+SDH海底光纜通信組網方案設計

在傳輸網中WDM和SDH間是客戶層和服務層的關系。相對于WDM而言,SDH、IP、ATM信號只是WDM系統所承載的業務信號WDM系統更加接近于物理媒質層—光纖SDH在通道層下面構成光通道層網絡。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向SDH層傳輸透明的光路,此時的光路與傳統的SDH網中的光纖是一樣的。

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

SDH主要由同步終端復用器(SM)、插分復用器(ADM)、同步數字交叉連接器(SDXC)等網元構成,其光接口均為STM 2N標準接口。WDM技術的引入,必將涉及到如何與現有的SDH傳輸系統共同組網的問題。下面將從網絡構成、關鍵元件和關鍵技術等方面做較為深入的探討。

圖7 WDM與SDH光傳輸設備的連接圖

1) 網絡結構

圖6為基于WDM技術的SDH光傳送網結構。在發送端,n個SDH網元(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)經過波長適配(或稱為波長轉換后,作為OM的輸入光支路信號,由光復用器復合為速率更高的光載波信號,再經放大與監視光信號λsup耦合后送入帶有光放大器(OA)的光纖傳輸線路。在接收端,已與監視光信號λsup分離的復用光載波信號首先被預放大,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)送到相應的SDH網元進行處理。

2) 波長適配

為了在中繼段上實現橫向兼容,使具有標準光接口的網元(NE)可以經光路直接連接,即允許不同廠家的產品在中繼段上互通,SDH的光接口均是標準化的(符合G.957建議)。因此,SDH的網元ADM等通常都工作在1550nm或1310nm波長區內的某個特定波長,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G.692建議,WDM系統中要求相鄰波長間的間距為0.8nm或0.8nm的倍數。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傳輸的波長。另外,來自n個SDH網元的STM 2N光群路信號可能是經過不同路徑傳輸,其光功率、信號質量波動較大,所以波長適配器同時應該能完成對輸入的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光復用器

本方案采用的基于介質膜濾波器加上光纖環形器結構的OADM光復用器設計,有效保證了從光波網絡中分下或插入本節點的波長信號的同時,對于其他波長的光信號沒有影響,實現了多個波長的信號高速的傳輸,OADM光復用器結構如圖8所示。

圖8 基于介質膜濾波器加上光纖環形器結構的OADM光復用器結構圖

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

3.3 基于WDM+SDH海底光纜通信組網性能分析

陸上發送端采用SDH技術,采用統一的速率端口,便于各系統的互聯。水下支路采用WDM設備,可滿足信號的低速要求,組網方便、可靠,并降低了成本。一種基于SDH+WDM的海光纜信息傳輸網絡體系:發送端采用SDH設備,采用統一的接入端口,有利于岸上不同系統之間的連接,降低了系統的復雜性。接入主干光纜時,采用WDM設備,將多路不同波長信號復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設備,選擇8個波長的信號進入支路。探測設備與支路之間安裝一個WDM設備,將8路信號解復用并將信號送到相應的設備上去。

4 結語

本文主要論述了基于海底光纜的信息傳輸系統,分析了海底光纜信息傳輸系統的特點,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的因素。從海洋環境的復雜性和特殊性出發,研究海底光纜的傳輸特性、節點分布、組網方式,重點對SDH設備、WDM設備的原理和應用進行分析,對基于SDH的接入系統、基于WDM的接入系統、基于SDH+WDM的接入系統這三種系統的性能進行對比,從系統的復雜性、可行性、可靠性出發,為選出一種最合適的水下信息傳輸系統提供參考。

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

[2] 石懷偉,李明生,王少華.網絡仿真技術與OPNET應用實踐[J].計算機系統應用,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仿真平臺的網絡優化模型性能分析[J].廣東通信技術,2006,26(7):57-61.

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

[9] 方堃,史蓓蕾,王晶.數據融合技術在海纜敷設作業顯示GIS中的應用[J].計算機與數字工程,2013,41(10):1609-1610.

[10] 姜黎,高志軍,曹新星.基于光纖通信技術的數據單向傳輸設備研究[J].計算機與數字工程,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。王平,男,博士,副教授,碩士生導師,研究方向:電子對抗。

TN929

10.3969/j.issn1672-9730.2015.05.015