ITU-T海底光纜系統(tǒng)標準研究新進展

1. 引言

　　海底光纜系統(tǒng)是國際和地區(qū)通信中主要的越洋傳輸手段，也是國內(nèi)通信中海島之間或海島與陸地之間的重要傳輸手段。 在市場需求的牽引和光纖通信技術進步的推動下，海底光纜通信技術不斷發(fā)展。為滿足海底光纜通信的市場需求，推動新技術的應用，ITU-T|0">ITU-T積極推進海底光纜系統(tǒng)標準的開發(fā)，設立ITU-T SG15 Q8（國際電信聯(lián)盟電信標準組織第15研究組第8課題組）負責海底光纜系統(tǒng)方面的技術標準開發(fā)。在2005年5月的ITU-T SG15 Q8會議上，完成了新開發(fā)的增補建議“海底光纜系統(tǒng) 設計指南”，討論了開發(fā)新建議“海底光纜特性”及修訂現(xiàn)有建議的工作計劃。本文對2005年5月ITU-T SG15 Q8會議在海底光纜系統(tǒng)方面取得的主要成果進行介紹。

2. 新建議“海底光纜系統(tǒng)設計指南”介紹

　　“海底光纜系統(tǒng)設計指南”的起草工作從2001－2004研究期開始，到2005年5月的ITU-T SG15 Q8會議上完成，建議編號為G.Sup41，該建議的主要內(nèi)容包括海底光纜系統(tǒng)的網(wǎng)元參數(shù)、網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)設計和系統(tǒng)可靠性。

2.1. 海底光纜系統(tǒng)的網(wǎng)元參數(shù)

　　海底光纜系統(tǒng)的網(wǎng)元主要包括海底光纜、接頭盒、光發(fā)送機、光接收機以及光中繼器。

2.1.1. 海底光纜的參數(shù)

　　海底光纜按照其在系統(tǒng)中的應用，可以分為中繼海底光纜和無中繼海底光纜。為適應海底的復雜環(huán)境，包括海水壓力、魚類啃咬、磨損、腐蝕、船只活動等，不論哪種海底光纜，都需要對其提供保護。海纜的保護類型分為單鎧裝、雙鎧裝和巖石鎧裝三種。

　　海纜的參數(shù)主要指海纜中的光纖傳輸性能參數(shù)、海纜的機械性能參數(shù)、電氣性能參數(shù)、物理性能參數(shù)和環(huán)境性能參數(shù)。

　　光纖的性能參數(shù)主要包括：衰減系數(shù)，色散系數(shù)，零色散波長，色散斜率，非線性折射率，有效面積，非線性系數(shù)，和偏振模色散。

　　海纜機械性能參數(shù)主要包括：斷裂拉伸負荷，短暫拉伸負荷，工作拉伸負荷和最小彎曲半徑。

　　海纜的電氣性能參數(shù)主要包括：絕緣電阻和直流電壓。

　　海纜物理性能參數(shù)主要包括：外徑和重量。

　　海纜環(huán)境性能參數(shù)主要包括：工作溫度，存貯溫度和水密性能。

2.1.2. 接頭盒的參數(shù)

　　海纜接頭盒用來將兩個光纜段可靠連接起來，實現(xiàn)光、電、機械性能的延續(xù)。它必須能夠經(jīng)受布纜船的裝載以及鋪設、回收和深水維修等操作時惡劣的工作環(huán)境。另外接頭盒要針對海纜的不同鎧裝進行專門的設計。其參數(shù)包括光參數(shù)、機械參數(shù)、電氣參數(shù)以及物理參數(shù)。

　　 接頭盒的光參數(shù)主要指接頭損耗。機械參數(shù)包括抗拉強度、防腐性能、耐壓性能、密封性能、彎曲特性等。電氣參數(shù)主要指高壓絕緣性，它能夠保證海水與饋電導線間的高壓絕緣。物理參數(shù)指長度、外部直徑、重量等。

2.1.3. 光發(fā)送機與接收機的參數(shù)

　　發(fā)送機的主要參數(shù)有：系統(tǒng)工作波長、頻譜特性、單縱模和多縱模激光器的最大頻譜寬度、啁啾、邊模抑制比、最大功率譜密度、信道的最大和最小平均輸出功率、WDM|0">WDM信號中心頻率、信道間隔、中心頻率最大漂移、最小消光比、眼圖特性、偏振性能、光源信噪比等。

　　接收機主要參數(shù)有靈敏度、負載、信道最大和最小平均輸入功率、光通道損傷、信道輸入功率最大差值、接收機輸入端最小光信噪比等。

2.1.4. 中繼器的參數(shù)

　　海底光纜系統(tǒng)的中繼器有三類型：3R電再生中繼器、EDFA中繼器和喇曼中繼器。

　　3R電再生中繼器光接口處的信號功率應該與光功率預算相一致。在系統(tǒng)配置時要重點考慮中繼器的最小平均輸入功率和最小平均輸出功率。同時光接口處的抖動特性也（抖動容限、最大輸出抖動、抖動傳遞特性）要與系統(tǒng)設計相一致。

　　對于中繼器內(nèi)使用的EDFA，下面的參數(shù)需要著重考慮：小信號增益，典型增益，噪聲指數(shù)，典型信號輸出功率，典型信號輸入功率，中繼器的最小平均輸入和輸出功率，抖動特性，相移特性。對WDM系統(tǒng)還要考慮增益平坦性。

　　喇曼中繼器以喇曼光纖放大器為核心，具有增益高、串擾小、噪聲指數(shù)低、頻譜范圍寬等諸多優(yōu)點。但其實用化只是從近幾年才開始的。目前ITU-T還沒有對喇曼中繼器的參數(shù)進行具體規(guī)定，還需要將來進一步研究。

2.2. 海底光纜系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)

　　海底光纜系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲類型有：點到點型，星型，分支星型，主干分支型，花邊鏈型，環(huán)型和分支環(huán)型。

　　點到點型拓撲：指位于兩個不同終端站（Terminal Stations?TS）的終端傳輸設備（Terminal Transmission Equipments?TTE）通過海底鏈路直接相連。這是最為簡單和常用的拓撲類型。

　　星型拓撲：包括一個主TS和若干從TS，它們之間通過獨立的光纜相連。這種配置相對比較昂貴，特別是TS在地理上分布較遠的時候。

　　分支星型拓撲：這種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單元（Branching Unit?BU）完成的，以減少遙遠TTE間光纜的花費。

　　主干分支型拓撲：這種配置指若干TS通過BU連接到主干光纜上，并通過BU提取本地信息的配置。

　　花邊鏈型拓撲：由一系列主要海岸登陸點間的環(huán)路構(gòu)成，一般配置成無中繼系統(tǒng)?；ㄟ呮溞徒Y(jié)構(gòu)主要作為陸地系統(tǒng)的補充，為現(xiàn)有陸地系統(tǒng)提供路由保護。同時，這種配置已經(jīng)越來越多的成為陸地系統(tǒng)的替代方案。

　　環(huán)型拓撲：環(huán)型配置本質(zhì)上是一系列點到點光纜的互連，其容量是傳輸所需容量的兩倍。當環(huán)上發(fā)生單一錯誤，如光纜被切斷時，通信將避開不可用部分并路由到余下光纜到達目的站。岸上的傳輸設備提供整個環(huán)的自動錯誤檢測和倒換控制功能。

　　分支環(huán)型拓撲：這種配置用附加的分支單元擴大了基本環(huán)的容量。分支環(huán)可以被認為是分支星型和環(huán)型的融合，保留了這兩種拓撲的大部分優(yōu)點。在恰當?shù)脑O計下，一個網(wǎng)絡可以在初期建設成分支星型和主干分支型等結(jié)構(gòu)，最終升級為分支環(huán)型。

2.3. 海底光纜系統(tǒng)的設計考慮

　　設計考慮主要是指光功率預算和色散管理兩方面。

2.3.1光功率預算

　　光功率預算至少要考慮下列因素產(chǎn)生的傳輸損傷：

　　◆　光噪聲積累

　　◆　傳輸損傷

　　◇　色散和非線性效應（自相位調(diào)制，交叉相位調(diào)制，四波混頻，受激喇曼散射等等）產(chǎn)生的傳輸損傷

　　◇　光偏振效應產(chǎn)生的傳輸損傷，如偏振模色散，偏振依賴性損耗，偏振依賴性增益

　　◇　整個線路中級聯(lián)增益曲線不平坦造成的損傷

　　◇　預加重不完善帶來的損傷

　　◇　海底數(shù)字線路段波長漂移的損傷

　　◇　監(jiān)控帶來的損傷

　　◇　制造過程和運行環(huán)境產(chǎn)生的損傷

　　◆　終端傳輸設備的不完善帶來的損傷

　　◆　對于壽命終止時的功率預算，還要考慮一些外加的富余度

　　◇　專門用于維修操作的外加富余度（修復接頭，因維修使用額外的光纜而產(chǎn)生的附加損耗和色散圖的變化等等）

　　◇　光纜和器件老化需要預留的富余度

　　◇　泵浦激光器等一些組件故障而需要預留的富余度

2.3.2. 色散管理

　　色散是波長對群時延的依賴性，它導致了光信號所有頻譜成分都以不同的速度傳播。這種現(xiàn)象會引入脈沖展寬，而且有可能成為系統(tǒng)的主要損傷。對于不同的系統(tǒng)，采用不同的管理方法來限制脈沖展寬和其他傳輸效應是極其關鍵的。

　　對于單波長系統(tǒng)，大多數(shù)鏈路段上一般使用的是具有接近于零但不為零的負色散值的光纖，在少數(shù)色散補償段上使用的是具有很高正色散值的光纖。

　　對于多波長系統(tǒng)，大多數(shù)鏈路段上使用的是低負色散值（約-2ps/nm.km）的光纖（有時使用兩種光纖：段首使用大有效面積光纖，段尾使用低色散斜率光纖），同時在色散補償段使用具有較高正色散值的光纖。

2.4. 海底光纜系統(tǒng)的可靠性

　　海底光纜系統(tǒng)要求可靠、抗毀，以避免高昂的海底維修費用。

　　在海底光纜系統(tǒng)壽命周期中，發(fā)生的故障可能是內(nèi)部故障（光纖損耗增加，中繼器故障），也可能是外部故障（錨、魚活動，陸地誤操作）。

　　內(nèi)部故障分為初期故障、隨機故障和老化。初期故障產(chǎn)生的主要原因是非理想的生產(chǎn)過程（原料粗糙，不合理操作，環(huán)境污染，功率不穩(wěn)定，無效檢驗或者不當?shù)难b船和處理）。隨機故障是隨機分布的，是不可預測的。老化是指系統(tǒng)和相關器件在使用時開始報廢的時期，原因是出自器件老化、材料疲勞、過分使用、環(huán)境腐蝕、意料之外的環(huán)境和氣候毀壞等。從可靠性的角度來說，海底光纜系統(tǒng)的水下設備比陸地設備更關鍵，因為水下設備的維修平均時間（MTTR）要大些。典型的水下設備MTTR值為2周，而陸地設備為2小時。海底光纜系統(tǒng)的關鍵設備是中繼器，因為中繼器中包含電子、光和光電子器件。無論什么原因引起的內(nèi)部損傷都會直接影響傳輸質(zhì)量。因此，必須采取合適的預防機制來防止或者減小故障的發(fā)生。為了達到可靠性要求，通常要進行冗余配置。例如為了達到放大器的可靠性指標，通常要配置冗余的泵浦激光器。

　　外部故障一般發(fā)生在光纜段。實際上發(fā)生故障的主要原因是一些破壞行為，如海底捕魚、捕魚拖撈船、海流、地質(zhì)事件（地震和火山）和超載發(fā)熱故障。幾乎90%的故障由捕魚活動和船錨破壞引起。為了保護海纜不受這些因素的破壞，對淺海段的水下設備可以進行填埋。一旦水下設備發(fā)生故障，就需要進行水下操作，而且還需要鋪纜船的配合，MTTR一般是1到3周，這取決于故障位置、水深、船只可用性、損壞原因和天氣狀況。

3　2005－2008研究期工作計劃

3.1. 新建議“海底光纜特性”的開發(fā)

　　在2005年5月的ITU-T SG15 Q8會議上，日本NTT提交了一篇開發(fā)新建議（海底光纜的特性）的文稿，Q8會議對日本NTT的文稿進行了討論，初步確定了新建議的名稱、范圍和內(nèi)容。該建議主要包括5個方面的內(nèi)容，即海底光纜的特性、維修纜的特性、電特性、海底光纜中光纖的特性和傳輸線路特性。初步計劃于2006年11月的會議上完成該建議的編寫并提交SG15會議通過。Q8會議還對該建議的開發(fā)工作進行了討論，確定日本NTT擔任該建議的編輯人并起草海底光纜中的光纖特性，我國承擔海底光纜特性的起草，法國電信承擔維修光纜的起草，日本CLPAJ承擔海底傳輸線路特性的起草。

3.2. 現(xiàn)有海底光纜系統(tǒng)建議的修訂

　　在2005年5月的ITU-T SG15 Q8會議之前，ITU-T已經(jīng)完成開發(fā)的海底光纜系統(tǒng)方面的建議有8個，即編號為G G.97X的系列建議。包括G.971海底光纜系統(tǒng)的一般特征,G.972海底光纜系統(tǒng)相關術語的定義,G.973無中繼器的海底光纜系統(tǒng)的特性,G.974有再生器的海底光纜系統(tǒng)的特性,G.975海底系統(tǒng)的前向糾錯,G.975.1高比特率DWDM海底光纜系統(tǒng)的前向糾錯，G.976海底光纜系統(tǒng)的測試,G.977有光放大器的海底光纜系統(tǒng)的特性。

　　2005年5月的ITU-T SG15 Q8會議討論確定了Q8課題中的G.97X系列建議在2005-2008研究期的修訂工作。

　　現(xiàn)有的G.971（海底光纜系統(tǒng)一般特性）由正文、附件A和資料性附錄I等3部分內(nèi)容。正文主要描述海底光纜系統(tǒng)各個建議間的關系，規(guī)定了海底光纜系統(tǒng)的一般特征比如壽命長，可靠性高；機械特性要達到一定的要求，能夠在海床和深達8000米深海進行安裝，能夠抵抗海底的水壓、溫度、磨損、腐蝕和水下生物，能夠抵抗拖網(wǎng)和海錨的破壞，能夠滿足系統(tǒng)修復的要求；材料特性要達到一定的要求，使光纖能達到預定的可靠性和設計壽命，能承受固有損耗和老化的影響，特別是彎曲、拉伸、氫、腐蝕和輻射的影響；傳輸特性至少要達到ITU-T建議G.821的要求。附件A是各種海底光纜系統(tǒng)制造、施工和維護技術實現(xiàn)方面的通用要求。制造要求包括兩方面，一是海底光纜系統(tǒng)的質(zhì)量要求，包括設計和技術資格、元件和組件的檢驗、制造檢查和出廠測試；二是裝配和裝船程序。資料性附錄I是各國海纜船和海底設備的有關資料。在2005-2008研究期，G.971的修訂計劃在2007年完成并提交SG15會議通過，修訂的重點是更新附錄中海纜船和布纜設備的內(nèi)容。

　　現(xiàn)有的G.972(海底光纜系統(tǒng)術語的定義)主要包括海底光纜系統(tǒng)中的配置、系統(tǒng)、終端設備、海底光中繼器和分支單元、海底光纜、制造施工及維護等方面術語的定義。在2005-2008研究期，G.972的修訂計劃在2007年完成并提交SG15會議通過，修訂的重點是將2005-2008研究期中新出現(xiàn)的術語定義增加到建議中。

　　現(xiàn)有的G.973（無中繼海底光纜系統(tǒng)的特性）由正文和附件A、附件B組成，正文規(guī)定了系統(tǒng)性能特性、傳輸終端設備性能特性和海底光纜性能特性。附件A是無中繼海底光纜系統(tǒng)的技術實現(xiàn)方法，根據(jù)傳輸距離的需要，給出六種系統(tǒng)配置。附件B是關于遠泵光放大器和使用遠泵光放大器的無中繼海底光纜系統(tǒng)功率預算。

　　在2005-2008研究期，G.973的修訂計劃在2006年完成并提交SG15會議通過，修訂的重點是考慮喇曼放大器的應用，并對附錄中關于系統(tǒng)功率預算的內(nèi)容進行更新。

　　現(xiàn)有的G.974(有中繼器的海底光纜系統(tǒng)特性)由正文和附件A組成。正文包括系統(tǒng)性能特性、傳輸終端設備性能特性、海底光纜性能特性和再生器的性能特性。附件A是有再生器海底光纜系統(tǒng)的實現(xiàn)，包括對遠供電源設備和再生器的要求。在2005-2008研究期，G.974的修訂工作計劃在2007年完成并提交SG15會議通過，修訂的重點是結(jié)合新建議G.sbucab對G.974進行重構(gòu)。

　　在2005-2008研究期，對G.975（海底系統(tǒng)的前向糾錯）不作修訂。

　　現(xiàn)有的G.975.1(高速DWDM海底光纜系統(tǒng)的前向糾錯)建議由正文和附件構(gòu)成，正文是關于超強FEC糾錯能力、誤碼性能、編碼增益、冗余度和時延等參數(shù)的描述。附件中提出了8種FEC方法，包括級聯(lián)的RS（255，239）和CSOC（n0/k0=7/6,J=8）、級聯(lián)的BCH（3860，3824）和BCH（2040，1930）、級聯(lián)的RS（1023，1007）和BCH（2047，1952）、級聯(lián)的RS（1023，1952）和擴展的Hanming碼（512，502）×（510，500）、LDPC碼、級聯(lián)的正交BCH碼、RS（2720，2550）、級聯(lián)的交織擴展BCH（1020，988）碼。在2005-2008研究期，G.975的修訂計劃在2006年完成并提交SG15會議通過，修訂的重點是修改建議中的一些錯誤，增加新的糾錯方法。

　　現(xiàn)有的G.976(海底光纜系統(tǒng)的測試方法)由正文、附件A和資料性附錄I等3部分組成。正文規(guī)定了海底光纜系統(tǒng)的測試種類、測試對象和測試方法。附件A是海底光纜系統(tǒng)Q系數(shù)的定義。資料性附錄I是海底光纜拉力余量、長期拉力和操作拉力的定義。在2005-2008研究期，G.976的修訂計劃在2006年完成并提交SG15會議通過，修訂的重點是增加有關光纖通信新技術的內(nèi)容。

　　現(xiàn)有的G.977（使用光放大器的海底光纜系統(tǒng)特性）由正文和附件A組成。正文包括系統(tǒng)性能特性、傳輸終端設備性能特性、海底光纜性能特性、中繼器和分支器的性能特性。附件A主要是關于遠供電方面的系統(tǒng)切換保護、人員安全防護、光中繼器和分支器設計方面的內(nèi)容。在2005-2008研究期，G.977的修訂計劃在2006年完成并提交SG15會議通過，修訂的重點是更新附錄中的功率預算表，再增加一個對各種速率的有中繼海底光纜系統(tǒng)進行描述的附表。

4　結(jié)束語

　　我國是一個多島嶼的國家，海底光纜通信是解決海島通信的一個主要手段，建設海底光纜通信系統(tǒng)是我國通信網(wǎng)建設的一個重要任務。此外，我國的海底光纜和海底光纜通信設備制造企業(yè)也在不斷進行新產(chǎn)品的開發(fā)，并且向國際市場拓展。因此，對海底光纜系統(tǒng)的標準進展進行跟蹤并積極參與標準制定對我國的通信網(wǎng)建設和光通信產(chǎn)品制造都具有重要的意義。

　　參考文獻

1. ITU-T STUDY GROUP 15 TD85(WP2/15), Geneva, 16-27 May 2005, Meeting Report for Q8/15

2. ITU-T STUDY GROUP 15 TD138R1(PLEN/15), Geneva, 16-27 May 2005, Draft Supplement G.Sup41

3. ITU-T STUDY GROUP 15 TD66(WP2/15), Geneva, 16-27 May 2005, Proposal of new Recommendation