海底光缆通信系统的演进与未来发展趋势

海底光缆通信系统的发展可以从光纤、设备技术和通信技术两个方面来描述。

1.3.3.1 光纤及设备发展

在光纤和设备技术方面，海底光缆通信系统的发展主要有以下特点：

1.光纤

在20世纪80年代末，早期的海底光缆系统采用常规的G.652光纤，工作波长为1310nm；到了90年代初，采用G.654光纤，工作波长为1550nm，不仅降低了光纤衰减，还提高了系统的中继距离和设备的接收灵敏度。到了90年代中期，引入了G.653色散位移光纤（DSF），在原来的基础上更加降低了光纤衰减，提高了中继距离。这一段时期可以看作是海底光缆系统发展的第一阶段，该时期主要是通过降低光纤衰减来解决中继问题。

到了海底光缆发展的第二个阶段，人们对通信系统的传输速率需求越来越高，于是开始逐步从光纤的衰减发展到色散、非线性等方面。例如引入G.655非零色散位移、大有效截面积光纤，更加提高了中继距离。

2.中继器

20世纪90年代初，大多数海底光缆通信系统使用电再生中继器；到了90年代中期，随着掺铒光纤放大器EDFA的出现，逐步采用再生段光中继。目前商用级的海底光缆系统光中继器的带宽多为C波段20～28nm，一般配置四个泵浦源分两级放大，接收端采用两个980nm泵浦以降低噪声，发送端采用两个1480nm泵浦以提高输出功率，泵浦源1+1备份，极大地提高了光中继器可靠性。

3.线路终端设备

20世纪90年代前期的海底光缆通信系统的线路终端多数采用PDH或者SDH终端设备，到了90年代后期，引入了波分复用技术，推进光、电分层，线路终端设备为光层设备。这段时期海底光缆通信系统的典型应用如下：

1997年，中美跨太平洋海底光缆开始施工，系统容量为8×2.5Gbit/s，配合以G.655光纤，最长再生距离11000km。线路终端设备采用RS（255，239）前向纠错技术（线路速率10.7Gbit/s，系统Q值改善5dB），采用自动预均衡、极化扰膜、色散管理、线路增益均衡等技术。

1998年，日美海底光缆开始建设，系统容量16×10Gbit/s，配合以混合光纤配置，最长再生距离8800km，除采用中美光缆中的其他技术外，前向纠错技术发展为RS（239，223）和RS（255，239）的级联纠错技术（FEC）技术（线路速率11.4Gbit/s，系统Q值改善7dB），线路采用RZ编码。

1999年，在亚美海底光缆工程建设中，使用了CONVOLUTION RS（255，239）FEC技术，线路速率12.4Gbit/s，改善系统Q值9dB。

早期的海底光缆通信系统都是点对点系统。随着传输容量的增大，系统发展到环形结构，SDH层面采用网络保护倒换设备，支持4纤复用段共享保护环，环路倒换支持G.841附录A中要求的越洋应用协议。当环路发生故障时，倒换发生在业务电路的源、宿点，而不是发生在故障点的两个相邻节点，从而避免倒换后，业务电路多次越洋，造成传输时延增大。

4.线路监控设备

海底光缆网络的线路监控系统主要有两种方式：一是以NEC为代表的全光监测方式，用专门的波道负责监测光缆和中继器的状态，利用Coherent-OTDR的原理，通过比对监测波长后向散射光当前轨迹和初始状态下的轨迹，判断线路状态；二是以ALCATEL为代表的遥控/遥信监测方式。遥控数字信号以移频键控方式调制到低频（150kbit/s）载波信号上，此载波信号通过浅度调顶的方式调制到主信号上，通过发射光纤到达中继器，中继器滤波得到控制信号，然后采用相同方式将中继器的收、发光功率、放大器偏置电流利用另一条光纤发回线路监控设备。

5.远供电源设备(www.xing528.com)

远供电源设备是影响传输距离和海底光缆通信容量的重要因素。早期的海底光缆通信系统由于抗高压特性不高和中继器功耗高的原因，远供电压要控制在5000V以下，光纤线对数不高于4对。随着技术的发展，20世纪90年代末投入商用的系统远供电压可高达万伏，支持光纤线对数达到8对。

1.3.3.2 海底光缆通信技术发展

自从20世纪80年代中期第一条海底光缆通信系统开通以来，得益于光通信技术的突飞猛进发展，海底光缆通信系统也在快速演进。早期的海底光缆通信系统采用的技术体制从PDH很快过渡到SDH，采用常规的G.652光纤，工作波长在1310nm窗口。随后，为了追求更低的线路损耗，人们将G.652光纤的工作波长迁移到1550nm窗口，使光纤的衰减大为降低，海底光缆通信系统的中继距离也得以提升。到了20世纪90年代中后期至21世纪初，随着掺饵光纤放大器（EDFA）以及密集波分技术（DWDM）的相继出现，10Gbit/sDWDM传输技术逐渐成为主流，低损耗已经不是唯一追求的目标，衰耗、色散和非线性等三项指标成为系统设计考虑的综合因素。目前，随着100Gbit/s传输技术的成熟，N×100Gbit/sDWDM技术将成为新一代海底光缆通信系统的首选，系统设计将更加注重考虑光信噪比（OSNR）、光纤色散（CD）、偏振模色散（PMD）和非线性等指标的综合影响。

随着光纤传输技术的不断进步，海底光缆的通信技术得到飞速发展。回顾其发展历程，按技术发展阶段划可划分为四代：

1.第一代海底光缆通信系统（1985～1993年）

第一代海底光缆通信系统始于在20世纪80年代中期，采用准同步数字系列（PDH）传输技术体制，光纤为G.652光纤，工作波长为1310nm，系统传输速率为280Mbit/s，以光-电-光方式为主进行再生中继，中继距离50～70km。到20世纪90年代初（1991年），海底光缆通信系统的光纤改用G.654低衰耗光纤，工作波长为1550nm，系统传输速率上升至560Mbit/s，仍然以光-电-光方式进行再生中继，中继距离提升到70～100km。典型系统包括：1988年建成的第一条跨洋（大西洋）海底光缆通信系统（TAT-8），1989年建成的横跨太平洋的第一条海底光缆通信系统（TPC-3）。

2.第二代海底光缆通信系统（1994～1997年）

第二代海底光缆系统开始于20世纪90年代中期，采用同步数字系列（SDH）传输技术体制，光纤为G.652光纤，开始引入G.653色散位移光纤（DSF），G.654光纤的使用逐渐减少，工作波长为1550nm，传输速率达到2.5Gbit/s，并上升到5Gbit/s，中继器开始采用掺铒光纤放大器（EDFA）以全光中继的方式进行再生中继，取代光-电-光中继器。SDH自愈环技术等一系列新技术的应用，使海底光缆技术进入到一个崭新的阶段。

3.第三代海底光缆通信系统（1997～2008年）

第三代海底光缆通信系统始于20世纪末的1997年，采用同步数字系列+密集波分复用（SDH+DWDM）传输技术体制，光纤为G.655非零色散位移光纤，工作波长为1550nm，利用DWDM传输技术使得在一根光纤内很容易就能够实现N×2.5Gbit/s的扩容（N=8，16，40，80），进一步采用色散补偿和前向纠错（FEC）等技术，使第三代海底光缆通信系统在传输容量、距离和质量等方面有了一次新的飞跃，系统容量进一步提升为N×10Gbit/s，由此海底光缆通信系统的建设得以全面铺开，促进了全球通信网的发展。

4.第四代海底光缆通信系统（2008年至今）

第四代海底光缆通信系统始于2008年，在第三代海底光缆通信系统的基础上扩大了中继距离，减少光纤损耗，使得系统容量提升到N×100Gbit/s。

各发展阶段的海底光缆通信系统的特点见表1-3。

表1-3 各发展阶段海底光缆通信系统的特点

海底光缆通信系统作为跨国、跨州、跨洋的传输干线，容量越大、速率越高，系统的健壮性、自愈性和安全性越重要。第一代海底光缆通信系统的网络拓扑结构比较简单，主要采用点对点链型结构，通过系统设备的冗余设计来提高系统可靠性，一旦海缆出现故障，系统的通信也随之中断。为了提高系统的可靠性，第二代、第三代海底光缆通信系统的网络拓扑开始采用环形结构，一旦海缆出现故障，可通过SDH自愈环相应的保护机制对运行的业务进行自动保护，大大提高了系统的安全性。