ITU-T海底光纜系統標準研究新進展

1. 引言

　　海底光纜系統是國際和地區(qū)通信中主要的越洋傳輸手段，也是國內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積極推進海底光纜系統標準的開發(fā)，設立ITU-T SG15 Q8（國際電信聯盟電信標準組織第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 設計指南”，討論了開發(fā)新建議“海底光纜特性”及修訂現有建議的工作計劃。本文對2005年5月ITU-T SG15 Q8會議在海底光纜系統方面取得的主要成果進行介紹【1】。

2. 新建議“海底光纜系統設計指南”介紹

　　“海底光纜系統設計指南”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，該建議的主要內容包括海底光纜系統的網元參數、網絡結構、系統設計和系統可靠性【2】。

2.1. 海底光纜系統的網元參數

　　海底光纜系統的網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

　　海底光纜按照其在系統中的應用，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。

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

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

　　海纜機械性能參數主要包括：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主要包括：絕緣電阻和直流電壓。

　　海纜物理性能參數主要包括：外徑和重量。

　　海纜環(huán)境性能參數主要包括：工作溫度，存貯溫度和水密性能。

2.1.2. 接頭盒的參數

　　海纜接頭盒用來將兩個光纜段可靠連接起來，實現光、電、機械性能的延續(xù)。它必須能夠經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。其參數包括光參數、機械參數、電氣參數以及物理參數。

　　 接頭盒的光參數主要指接頭損耗。機械參數包括抗拉強度、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

　　發(fā)送機的主要參數有：系統工作波長、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

　　海底光纜系統的中繼器有三類型：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）要與系統設計相一致。

　　對于中繼器內使用的EDFA，下面的參數需要著重考慮：小信號增益，典型增益，噪聲指數，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. 海底光纜系統的拓撲結構

　　海底光纜系統的網絡拓撲類型有：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)路構成，一般配置成無中繼系統�；ㄟ呮溞徒Y構主要作為陸地系統的補充，為現有陸地系統提供路由保護。同時，這種配置已經越來越多的成為陸地系統的替代方案。

　　環(huán)型拓撲：環(huán)型配置本質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。在恰當的設計下，一個網絡可以在初期建設成分支星型和主干分支型等結構，最終升級為分支環(huán)型。

2.3. 海底光纜系統的設計考慮

　　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（自相位調制，交叉相位調制，四波混頻，受激喇曼散射等等）產生的傳輸損傷

　　◇　光偏振效應產生的傳輸損傷，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。這種現象會引入脈沖展寬，而且有可能成為系統的主要損傷。對于不同的系統，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，大多數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，大多數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. 海底光纜系統的可靠性

　　海底光纜系統要求可靠、抗毀，以避免高昂的海底維修費用。

　　在海底光纜系統壽命周期中，發(fā)生的故障可能是內部故障（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）。

　　內部故障分為初期故障、隨機故障和老化。初期故障產生的主要原因是非理想的生產過程（原料粗糙，不合理操作，環(huán)境污染，功率不穩(wěn)定，無效檢驗或者不當的裝船和處理）。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部損傷都會直接影響傳輸質量。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【3】，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、范圍和內容。該建議主要包括5個方面的內容，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. 現有海底光纜系統建議的修訂

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

　　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。

　　現有的G.971（海底光纜系統一般特性）由正文、附件A和資料性附錄I等3部分內容。正文主要描述海底光纜系統各個建議間的關系，規(guī)定了海底光纜系統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，能夠抵抗拖網和海錨的破壞，能夠滿足系統修復的要求；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制造、施工和維護技術實現方面的通用要求。制造要求包括兩方面，一是海底光纜系統的質量要求，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容。

　　現有的G.972(海底光纜系統術語的定義)主要包括海底光纜系統中的配置、系統、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研究期中新出現的術語定義增加到建議中。

　　現有的G.973（無中繼海底光纜系統的特性）由正文和附件A、附件B組成，正文規(guī)定了系統性能特性、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的技術實現方法，根據傳輸距離的需要，給出六種系統配置。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功率預算的內容進行更新。

　　現有的G.974(有中繼器的海底光纜系統特性)由正文和附件A組成。正文包括系統性能特性、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的實現，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，修訂的重點是結合新建議G.sbucab對G.974進行重構。

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

　　現有的G.975.1(高速DWDM海底光纜系統的前向糾錯)建議由正文和附件構成，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的描述。附件中提出了8種FEC方法，包括級聯的RS（255，239）和CSOC（n0/k0=7/6,J=8）、級聯的BCH（3860，3824）和BCH（2040，1930）、級聯的RS（1023，1007）和BCH（2047，1952）、級聯的RS（1023，1952）和擴展的Hanming碼（512，502）×（510，500）、LDPC碼、級聯的正交BCH碼、RS（2720，2550）、級聯的交織擴展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。

　　現有的G.976(海底光纜系統的測試方法)由正文、附件A和資料性附錄I等3部分組成。正文規(guī)定了海底光纜系統的測試種類、測試對象和測試方法。附件A是海底光纜系統Q系數的定義。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容。

　　現有的G.977（使用光放大器的海底光纜系統特性）由正文和附件A組成。正文包括系統性能特性、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切換保護、人員安全防護、光中繼器和分支器設計方面的內容。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進行描述的附表。

4　結束語

　　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是我國通信網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)也在不斷進行新產品的開發(fā)，并且向國際市場拓展。因此，對海底光纜系統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建設和光通信產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