ITU-T海底光缆系统标准研究新进展

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1. 引言

　　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。 在市场需求的牵引和光纤通信技术进步的推动下，海底光缆通信技术不断发展。为满足海底光缆通信的市场需求，推动新技术的应用，ITU-T积极推进海底光缆系统标准的开发，设立ITU-T SG15 Q8（国际电信联盟电信标准组织第15研究组第8课题组）负责海底光缆系统方面的技术标准开发。在2005年5月的ITU-T SG15 Q8会议上，完成了新开发的增补建议“海底光缆系统 设计指南”，讨论了开发新建议“海底光缆特性”及修订现有建议的工作计划。本文对2005年5月ITU-T SG15 Q8会议在海底光缆系统方面取得的主要成果进行介绍。

2. 新建议“海底光缆系统设计指南”介绍

　　“海底光缆系统设计指南”的起草工作从2001－2004研究期开始，到2005年5月的ITU-T SG15 Q8会议上完成，建议编号为G.Sup41，该建议的主要内容包括海底光缆系统的网元参数、网络结构、系统设计和系统可靠性。

2.1. 海底光缆系统的网元参数

　　海底光缆系统的网元主要包括海底光缆、接头盒、光发送机、光接收机以及光中继器。

2.1.1. 海底光缆的参数

　　海底光缆按照其在系统中的应用，可以分为中继海底光缆和无中继海底光缆。为适应海底的复杂环境，包括海水压力、鱼类啃咬、磨损、腐蚀、船只活动等，不论哪种海底光缆，都需要对其提供保护。海缆的保护类型分为单铠装、双铠装和岩石铠装三种。

　　海缆的参数主要指海缆中的光纤传输性能参数、海缆的机械性能参数、电气性能参数、物理性能参数和环境性能参数。

　　光纤的性能参数主要包括：衰减系数，色散系数，零色散波长，色散斜率，非线性折射率，有效面积，非线性系数，和偏振模色散。

　　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。

　　海缆的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。

2.1.2. 接头盒的参数

　　海缆接头盒用来将两个光缆段可靠连接起来，实现光、电、机械性能的延续。它必须能够经受布缆船的装载以及铺设、回收和深水维修等操作时恶劣的工作环境。另外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。

　　 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。

2.1.3. 光发送机与接收机的参数

　　发送机的主要参数有：系统工作波长、频谱特性、单纵模和多纵模激光器的最大频谱宽度、啁啾、边模抑制比、最大功率谱密度、信道的最大和最小平均输出功率、WDM信号中心频率、信道间隔、中心频率最大漂移、最小消光比、眼图特性、偏振性能、光源信噪比等。

　　接收机主要参数有灵敏度、负载、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、接收机输入端最小光信噪比等。

2.1.4. 中继器的参数

　　海底光缆系统的中继器有三类型：3R电再生中继器、EDFA中继器和喇曼中继器。

　　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和最小平均输出功率。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。

　　对于中继器内使用的EDFA，下面的参数需要着重考虑：小信号增益，典型增益，噪声指数，典型信号输出功率，典型信号输入功率，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。

　　喇曼中继器以喇曼光纤放大器为核心，具有增益高、串扰小、噪声指数低、频谱范围宽等诸多优点。但其实用化只是从近几年才开始的。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。

2.2. 海底光缆系统的拓扑结构

　　海底光缆系统的网络拓扑类型有：点到点型，星型，分支星型，主干分支型，花边链型，环型和分支环型。

　　点到点型拓扑：指位于两个不同终端站（Terminal Stations?TS）的终端传输设备（Terminal Transmission Equipments?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。

　　星型拓扑：包括一个主TS和若干从TS，它们之间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。

　　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（Branching Unit?BU）完成的，以减少遥远TTE间光缆的花费。

　　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提取本地信息的配置。

　　花边链型拓扑：由一系列主要海岸登陆点间的环路构成，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。

　　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。当环上发生单一错误，如光缆被切断时，通信将避开不可用部分并路由到余下光缆到达目的站。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。

　　分支环型拓扑：这种配置用附加的分支单元扩大了基本环的容量。分支环可以被认为是分支星型和环型的融合，保留了这两种拓扑的大部分优点。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。

2.3. 海底光缆系统的设计考虑

　　设计考虑主要是指光功率预算和色散管理两方面。

2.3.1光功率预算

　　光功率预算至少要考虑下列因素产生的传输损伤：

　　◆　光噪声积累

　　◆　传输损伤

　　◇　色散和非线性效应（自相位调制，交叉相位调制，四波混频，受激喇曼散射等等）产生的传输损伤

　　◇　光偏振效应产生的传输损伤，如偏振模色散，偏振依赖性损耗，偏振依赖性增益

　　◇　整个线路中级联增益曲线不平坦造成的损伤

　　◇　预加重不完善带来的损伤

　　◇　海底数字线路段波长漂移的损伤

　　◇　监控带来的损伤

　　◇　制造过程和运行环境产生的损伤

　　◆　终端传输设备的不完善带来的损伤

　　◆　对于寿命终止时的功率预算，还要考虑一些外加的富余度

　　◇　专门用于维修操作的外加富余度（修复接头，因维修使用额外的光缆而产生的附加损耗和色散图的变化等等）

　　◇　光缆和器件老化需要预留的富余度

　　◇　泵浦激光器等一些组件故障而需要预留的富余度

2.3.2. 色散管理

　　色散是波长对群时延的依赖性，它导致了光信号所有频谱成分都以不同的速度传播。这种现象会引入脉冲展宽，而且有可能成为系统的主要损伤。对于不同的系统，采用不同的管理方法来限制脉冲展宽和其他传输效应是极其关键的。

　　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。

2.4. 海底光缆系统的可靠性

　　海底光缆系统要求可靠、抗毁，以避免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），也可能是外部故障（锚、鱼活动，陆地误操作）。

　　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，功率不稳定，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在使用时开始报废的时期，原因是出自器件老化、材料疲劳、过分使用、环境腐蚀、意料之外的环境和气候毁坏等。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。海底光缆系统的关键设备是中继器，因为中继器中包含电子、光和光电子器件。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。

　　外部故障一般发生在光缆段。实际上发生故障的主要原因是一些破坏行为，如海底捕鱼、捕鱼拖捞船、海流、地质事件（地震和火山）和超载发热故障。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填埋。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。

3　2005－2008研究期工作计划

3.1. 新建议“海底光缆特性”的开发

　　在2005年5月的ITU-T SG15 Q8会议上，日本NTT提交了一篇开发新建议（海底光缆的特性）的文稿，Q8会议对日本NTT的文稿进行了讨论，初步确定了新建议的名称、范围和内容。该建议主要包括5个方面的内容，即海底光缆的特性、维修缆的特性、电特性、海底光缆中光纤的特性和传输线路特性。初步计划于2006年11月的会议上完成该建议的编写并提交SG15会议通过。Q8会议还对该建议的开发工作进行了讨论，确定日本NTT担任该建议的编辑人并起草海底光缆中的光纤特性，我国承担海底光缆特性的起草，法国电信承担维修光缆的起草，日本CLPAJ承担海底传输线路特性的起草。

3.2. 现有海底光缆系统建议的修订

　　在2005年5月的ITU-T SG15 Q8会议之前，ITU-T已经完成开发的海底光缆系统方面的建议有8个，即编号为G G.97X的系列建议。包括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。

　　2005年5月的ITU-T SG15 Q8会议讨论确定了Q8课题中的G.97X系列建议在2005-2008研究期的修订工作。

　　现有的G.971（海底光缆系统一般特性）由正文、附件A和资料性附录I等3部分内容。正文主要描述海底光缆系统各个建议间的关系，规定了海底光缆系统的一般特征比如寿命长，可靠性高；机械特性要达到一定的要求，能够在海床和深达8000米深海进行安装，能够抵抗海底的水压、温度、磨损、腐蚀和水下生物，能够抵抗拖网和海锚的破坏，能够满足系统修复的要求；材料特性要达到一定的要求，使光纤能达到预定的可靠性和设计寿命，能承受固有损耗和老化的影响，特别是弯曲、拉伸、氢、腐蚀和辐射的影响；传输特性至少要达到ITU-T建议G.821的要求。附件A是各种海底光缆系统制造、施工和维护技术实现方面的通用要求。制造要求包括两方面，一是海底光缆系统的质量要求，包括设计和技术资格、元件和组件的检验、制造检查和出厂测试；二是装配和装船程序。资料性附录I是各国海缆船和海底设备的有关资料。在2005-2008研究期，G.971的修订计划在2007年完成并提交SG15会议通过，修订的重点是更新附录中海缆船和布缆设备的内容。

　　现有的G.972(海底光缆系统术语的定义)主要包括海底光缆系统中的配置、系统、终端设备、海底光中继器和分支单元、海底光缆、制造施工及维护等方面术语的定义。在2005-2008研究期，G.972的修订计划在2007年完成并提交SG15会议通过，修订的重点是将2005-2008研究期中新出现的术语定义增加到建议中。

　　现有的G.973（无中继海底光缆系统的特性）由正文和附件A、附件B组成，正文规定了系统性能特性、传输终端设备性能特性和海底光缆性能特性。附件A是无中继海底光缆系统的技术实现方法，根据传输距离的需要，给出六种系统配置。附件B是关于远泵光放大器和使用远泵光放大器的无中继海底光缆系统功率预算。

　　在2005-2008研究期，G.973的修订计划在2006年完成并提交SG15会议通过，修订的重点是考虑喇曼放大器的应用，并对附录中关于系统功率预算的内容进行更新。

　　现有的G.974(有中继器的海底光缆系统特性)由正文和附件A组成。正文包括系统性能特性、传输终端设备性能特性、海底光缆性能特性和再生器的性能特性。附件A是有再生器海底光缆系统的实现，包括对远供电源设备和再生器的要求。在2005-2008研究期，G.974的修订工作计划在2007年完成并提交SG15会议通过，修订的重点是结合新建议G.sbucab对G.974进行重构。

　　在2005-2008研究期，对G.975（海底系统的前向纠错）不作修订。

　　现有的G.975.1(高速DWDM海底光缆系统的前向纠错)建议由正文和附件构成，正文是关于超强FEC纠错能力、误码性能、编码增益、冗余度和时延等参数的描述。附件中提出了8种FEC方法，包括级联的RS（255，239）和CSOC（n0/k0=7/6,J=8）、级联的BCH（3860，3824）和BCH（2040，1930）、级联的RS（1023，1007）和BCH（2047，1952）、级联的RS（1023，1952）和扩展的Hanming码（512，502）×（510，500）、LDPC码、级联的正交BCH码、RS（2720，2550）、级联的交织扩展BCH（1020，988）码。在2005-2008研究期，G.975的修订计划在2006年完成并提交SG15会议通过，修订的重点是修改建议中的一些错误，增加新的纠错方法。

　　现有的G.976(海底光缆系统的测试方法)由正文、附件A和资料性附录I等3部分组成。正文规定了海底光缆系统的测试种类、测试对象和测试方法。附件A是海底光缆系统Q系数的定义。资料性附录I是海底光缆拉力余量、长期拉力和操作拉力的定义。在2005-2008研究期，G.976的修订计划在2006年完成并提交SG15会议通过，修订的重点是增加有关光纤通信新技术的内容。

　　现有的G.977（使用光放大器的海底光缆系统特性）由正文和附件A组成。正文包括系统性能特性、传输终端设备性能特性、海底光缆性能特性、中继器和分支器的性能特性。附件A主要是关于远供电方面的系统切换保护、人员安全防护、光中继器和分支器设计方面的内容。在2005-2008研究期，G.977的修订计划在2006年完成并提交SG15会议通过，修订的重点是更新附录中的功率预算表，再增加一个对各种速率的有中继海底光缆系统进行描述的附表。

4　结束语

　　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。此外，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。因此，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。

　　参考文献

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