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海底光缆通信

        我并不希望发现新大陆,只希望理解已经存在的物理学基础,或许能将其加深。—普朗克(M.K.E.LPlanck)

一、 海底光缆通信系统在世界通信网络中的地位和作用

海底光缆
       海底光缆通信容量大、可靠性高、传输质量好,在当今信息时代,起着极其重要的作用,因为世界上绝大部分互联网越洋数据和长途通信业务是通过海底光缆传输的,有的国外学者甚至认为,可能占到99%。中国海岸线长、岛屿多,为了满足人们对信息传输业务不断增长的需要,我国大力开发建设中国沿海地区海底光缆通信系统,改善中国通信设施,这对于推动整个国民经济信息化进程、巩固国防具有重大的战略意义。
        随着全球通信业务需求量的不断扩大,海底光缆通信发展应用前景将更加广阔。
        一个全球海底光缆网络可看作由4层构成,前3层是国内网、地区网和洲际网,第4层是专用网。连接一个国家的大陆和附近的岛屿,以及连接岛屿与岛屿之间的海底光缆组成国内网。国内网在一个国家范围内分配电信业务,并向其他国家发送电信业务。地区网连接地理上同属一个区域的国家,在该地区分配由其他地区传送来的电信业务,以及汇集并发送本地区发往其他地区的业务。洲际网连接世界上由海洋分割开的每一个地区,因此称这种网为全球网或跨洋网。第4层与前3层不同,它们是一些专用网,如连接大陆和岛屿之间的国防专用网、连接岸上和海洋石油钻井平台间的专用网,这些网由各国政府或工业界使用。

二、 海底光缆通信系统组成和分类

       海底光缆通信系统按有/无海底光放大中继器可分为有中继海底光缆系统和无中继海底光缆系统。有中继海底光缆系统通常由海底光缆终端设备、远供电源设备、线路监测设备、网络管理设备、海底光中继器、海底分支单元、在线功率均衡器、海底光缆、海底光缆接头盒、海洋接地装置以及陆地光电缆等设备组成,如图10.7.1所示。
海底光缆通信系统
图10.7.1海底光缆通信系统
        无中继海底光缆系统与有中继海底光缆通信相比,除没有光中继器、均衡器和远供电源设备外,其他部分几乎与有中继的相同。
        海底光缆通信系统按照终端设备类型可分为SDH系统和WDM系统。
        图10.7.1表示海底光缆通信系统构成和边界的基本概念,通常,海底光缆通信系统包括中继器和/或海底光缆分支单元。图10.7.1中,A代表终端站的系统接口,在这里系统可以接入陆上数字链路或到其他海底光缆系统;B代表海滩节点或登陆点。A-B代表陆上部分,B-B代表海底部分,O代表光源输出口,I代表光探测输入口,S代表发射端光接口,
R代表接收端光接口。
        陆上部分,处于终端站A中的系统接口和海滩连接点或登陆点之间,包括陆上光缆、陆上连接点和系统终端设备。该设备也提供监视和维护功能。
        海底光缆部分,包括海床上的光缆、海缆中继器、海缆分支单元和海缆接头盒。
        LTE,线路终端传输设备,它在光接口终结海底光缆传输线路,并连接到系统接口。
        运行管理维护(OA&M),是一台连接到监视和遥控维护设备的计算机,在网络管理系统中对网元进行管理。
        PFE,馈电设备,该设备通过海底光缆里的电导体,为海底光中继器和/或海底光缆分支单元提供稳定恒电流。
        CTE,海缆终结设备,该设备提供连接LTE光缆和海底光缆之间的接口,也提供PFE馈电线和光缆馈电导体间的接口。通常,CTE是PFE的一部分。
        海底光缆中继器,包含一个或者多个光放大器。
        BU,分支单元,连接两个以上(不含两个)海缆段的设备。
        系统接口,是数字线路段终结点,是指定设备数字传输系统SDH设备时分复用帧上的一点。
        光接口,是两个互联的光线路段间的共同边界。
        海缆连接盒,将两根海底光缆连接在一起的盒子。

三、 海底光缆通信系统发展历程

       在陆地干线光缆通信系统应用不久,海底光缆敷设就开始了。从1980年英国在国内沿海建立第一条光纤长10km,传输速率140Mbit/s,只有1个电中继器的通信系统算起,海底光缆通信系统已有近40年的历史。自此以后,海底光缆通信技术得到了飞速发展,海底光缆通信系统已经历了4代。到目前为止,铺设海底光缆线路已达百万千米。与模拟同轴电缆系统、卫星通信系统相比,在传输容量、可靠性和质量方面,海底光缆通信系统已使全球通信发生了彻底的变革。
       1988年,第一条横跨大西洋,连接美国、法国和英国的海底光缆TAT-8系统,以及横跨太平洋,连接日本、美国的HAW-4/TCP-3海底光缆系统开通,此后,远洋洲际通信系统就不再铺设海底电缆了。这些海底光缆系统采用电再生中继器和PDH终端设备,工作在第2个光纤低损耗(1.3μm)窗口,传输速率为295Mbit/s,提供40000个电话电路,使用常规G.652光纤,中继间距约为70km,称为第1代海底光缆通信系统。
        由于1.55μm单频半导体激光器的出现,以及1.55μm窗口光纤损耗的降低,1991年出现了1.55μm系统。这种系统也采用电再生中继器和PDH终端设备,传输速率为560Mbit/s,使用G.654损耗最小光纤,中继间距几乎是第1代系统的两倍,这种工作在1.55μm光纤窗口的系统称为第2代海底光缆系统。
        20世纪90年代,掺铒光纤放大器(EDFA)产品的出现,使全光中继放大成为现实,这就为海底光缆系统全光中继器取代传统电再生中继器创造了条件。1994年高速大容量SDH光传输设备引入海底光缆系统,1997年随着波分复用(WDM)技术的成熟,光纤损耗的进一步降低(0.18dB/km)及色散位移光纤的商品化,无中继传输距离不断增加,622Mbit/s的系统的中继传输距离可达到501km,2.5Gbit/s的系统的中继距离可以达到529km。海底光缆通信系统每话路千米成本逐年降低。2000年~2003年,从开关键控(OOK)调制变化到差分相移键控(DPSK),使用C+L波段EDFA,信道速率为10Gbit/s的6000km系统单根光纤最大传输容量从1.8Tbit/s提升到3.7Tbit/s。在2004年,40Gbit/s系统使用DPSK调制也达到6Tbit/s。此后的5年里,传输容量再没有扩大,直到2009年,使用偏振复用/相干检测和先进的光调制技术(如PM-QPSK),100Gbit/s信道速率信号传输6000km单根光纤容量突破6Tbit/s,几乎达到10Tbit/s。所以,从20世纪90年代开始到2009年,使用偏振复用相干检测之前是第3代海底光缆通信系统。
       从2010年开始,就进入了基于WDM+EDFA/Raman+偏振复用(PM)/相干检测技术的第4代海底光缆系统。
       由于海底光缆通信质量优于微波和卫星,施工难度又小于陆上光缆,所以敷设了大量的海底光缆系统。有文献显示,到目前为止,已铺设光缆百万千米以上。随着光纤技术的进步,通话费用迅速降低,海底光缆传输的话务量急剧增长。

四、 连接中国的海底光缆通信系统

       1993年12月,中国与日本、美国共同投资建设的第一条通向世界的大容量海底光缆——中日海底光缆系统正式开通。这个系统从上海南汇到日本宫崎,全长1252km,传输速率为560Mbit/s。系统有两对光纤,可提供7560条话路,相当于原中日海底电缆的15倍,显著提高了中国的国际通信能力。
       接入中国的主要国际海底光缆通信系统如表10.7.1所示,另外还有几条在香港登陆的国际海底光缆,如1990年7月开通的中国(香港)-日本-韩国海缆系统(H-J-K),1993年7月开通的亚太海缆系统(APC),1995年开通的泰国-越南-中国(香港)海缆系统(T-V-H),1997年1月开通的亚太海缆网络(APCN)等。这些系统通达世界30多个国家和地区,形成覆盖全球的高速数字光通信网络。海底光缆通信技术的最新发展使构成一个全球通信网络的梦想变为可能。
表10.7.1 连接中国的主要海底光缆系统
连接中国的主要海底光缆系统
       亚太光缆网络二号(APCN-2)在2001年NEC开通时是10Gbit/sDWDM系统,2011年设备升级到40Gbit/s,2014年又升级到100Gbit/s,其光纤容量可扩大至原设计能力2.56Tbit/s的10倍多。
       跨太平洋高速海底光缆(FASTER)已于2016年6月30日正式投入使用,项目由中国移动、中国电信、中国联通、日本KDDI、谷歌等公司组成的联合体共同出资建设,工程由日本NEC公司负责,采用偏振复用/相干检测技术的密集波分复用(DWDM),每个波长携带数据速率为100Gbit/s的信号,共100个波长,线路总长13000km,设计容量54.8Tbit/s。
       2016年底报道,NEC宣布亚太直达海底光缆通信系统(APG,AsiaPacific Gateway)的全部工程建设已经完成,并已交付使用。该系统连接中国(上海、香港和台湾)、日本、韩国、越南、泰国、马来西亚、新加坡,全长约10900km,采用信道速率为100Gbit/s的偏振复用/相干检测技术DWDM系统,可以实现每秒超过54.8Tbit/s的传输容量。该系统在新加坡与其他海底光缆系统连接,可达北美、中东、北非、南欧。APG海缆由中国电信、中国联通与13家合作伙伴共同投资建设。
        新跨太平洋海缆系统(NCP)由中国电信、中国联通、中国移动联合其他国家和地区企业共同出资建设,信道速率为100Gbit/s,设计总容量为80Tbit/s,采用鱼骨状分支拓扑结构,系统全长13618km,在中国(上海、台湾)、韩国、日本、美国等地登陆,项目预计2018年正式投产。
        西方工业国家把海缆(早期是电缆,后来是光缆)作为一种可靠的战略资源已有一个多世纪了。当前海底光缆通信领域由欧洲、美国、日本的企业主导,承担了全球80%以上的海底光缆通信系统市场建设。连接我国的主要海底光缆系统设备、工程施工维护业务几乎都由这些公司垄断。为了保证国家安全、国防安全,大陆到我国东海、南海诸岛的海底光缆,必须自己铺设,所用设备原则上也必须自己制造。国内急需培养这方面的技术开发、关键器件设计生产(包括100Gbit/s、400Gbit/s系统的收发模块、DSP芯片、光电器件等)设备制造人才。欣慰的是,近年来国内已对此引起了重视,华为技术有限公司在国内成立了华为海洋网络有限公司,在海外成立了加拿大华为技术研究中心,烽火科技集团公司也成立了烽火海洋网络设备有限公司,致力于掌握海底光缆通信系统的关键技术和工程施工维护技术,开发生产海底光缆、岸上设备和海底设备。

五、海底光缆系统供电

       对于海底光缆中继系统,岸上终端必须给海底中继器泵浦激光器供电。馈电设备(PFE)通过海底光缆中的金属导体,提供恒定的直流电流功率给中继器/光分支单元(BU),用海水作为返回通道。通常,该电流可以调整,因PFE是阻性负载,该电流稍微有所降低。因环境温度改变,PFE电流在规定的范围内随时间变化。即使备份切换后,这种供电电流、供电电压的变化也保持在一定的范围内。规定的PFE电流稳定性应满足海底光缆系统对稳定性的总体要求。
       通过海底光缆中包围光纤的铜导体,安装在传输终端站的供电设备向沉入海底的设备(如海底中继器、有源均衡器、分支单元等)供电。供电设备不仅要向海里设备提供电源,而且也要终结陆缆和海底光缆,提供地连接以及电源分配网络状态的电子监控。给海底设备供电,既可以单独由终端站A供电,此时B供电设备备份,反之亦然。也可以由两个终端站同时供电,提供高压直流电源,如图10.7.2和图10.7.3所示。终端站C的供电由它自己提供,但要在分支单元处供电线路另一端接海床,以便形成供电回路。当终端站A-B间海底光缆发生故障维修时,在分支单元内应能重构供电线路,由终端站C向AC干线或BC干线中的设备供电。
具有供电设备的中继海底光缆通信系统
图10.7.2具有供电设备的中继海底光缆通信系统
双端供电系统
图10.7.3 双端供电系统
       供电系统可分为两类,一类是双端供电(图10.7.3),另一类是单端供电。双端供电的好处是,一个终端站发生故障和/或光缆断裂,另一个终点站可以提供单端供电。

六、无中继海底光缆传输系统

       在有限的地域内,无中继海底光缆通信系统在两个或多个终端站间建立通信传输线路。该系统在长距离中继段内无任何在线有源器件,减小了线路复杂性,降低了系统成本。在无中继传输系统中,所有泵浦源均在岸上。典型的无中继传输距离是几百千米。
       成熟的光放大技术为开发中的长距离、大容量全光传输系统铺平了道路。无中继海底光缆通信系统与光中继海底光缆系统相比具有许多优点,特别是可靠性高、升级容易、成本低、维修简单以及与现有系统兼容。因此,这些系统已得到很大发展,正在与其他传输系统,如本地陆上网络、地区无线网、卫星线路以及海底中继线路相竞争。
       ITU-TG.973是关于无中继海底光缆系统特性和接口要求的标准,它包括单波长系统和波分复用系统,也包括掺铒光纤放大器技术、分布式光纤拉曼放大技术在功率增强放大器、前置放大器、远端光泵浦放大器中的应用。
无中继海底光缆系统无馈电设备(PFE),因为线路中无光纤放大器,即使有分支单元,内部也没有电子器件,所以也不需要监视和供电。
        通常,无中继海底光缆通信系统连接两个海岸人口密集的中心城市,现有在线业务接入已非常困难。无中继传输的一个目的是不用任何有源在线器件(光中继放大器),尽可能增加传输距离,减少系统复杂性和运营成本。无中继系统的巨大挑战是,如何克服距离增加产生的光纤损耗,使接收机具有足够大的OSNR。此外,要求OSNR或频谱效率随每信道比特速率增加而增加,从而使大跨距设计更加困难。问题的解决不能简单地在光纤输入端增加发射功率,因为光纤的非线性将引起系统代价。扩大无中继海底光缆系统距离的各种技术途径很多,如混合使用不同有效面积光纤,增加远泵EDFA和分布式拉曼光放大,采用低损耗大芯径面积光纤,以及先进的调制技术,如差分相移键控和偏振复用正交相移键控等,从而在提高OSNR的同时无须付出非线性代价。
        为了降低费用,必须使终端设备、海缆敷设及维护费用降低。为此,要设法降低海缆的运输成本,最好使用本地船只和本地生产的海缆,简化终端设备和海缆安装与连接。
        图10.7.4a表示无保护设备的无中继海底光缆系统传输终端构成图,发送电路包括复用器、前向纠错编码、光发送机和光功率增强EDFA放大器。接收电路包括前置EDFA光放大器、光接收机、前向纠错解码以及解复用器。另外,如果在光发射机之前的海底光缆中接有掺铒光纤,用来对发射光信号进行功率放大,或者在光接收机前的海底光缆中也接有掺铒光纤,对接收光信号提前进行预放大,就需要在光发射端或接收端放置远端泵浦激光源,对海底光缆中的铒光纤进行泵浦,如图10.7.4b所示。
无中继海底光缆系统传输终端
图10.7.4 无中继海底光缆系统传输终端
a)终端框图b)光放大器在无中继海底光缆系统中的应用