海底光缆网络的拓扑结构优化分析

海底光缆网络拓扑结构有点到点形、单元星形、分支星形、花边形、干线分支形、环形以及分支环形等。各种拓扑结构的优缺点和应用建议见表2-1。

表2-1 海底光缆通信系统拓扑结构

1.点到点形

点到点形海底光缆网络由两个相互通信的海缆登陆端站节点组成，这两个点到点的海缆登陆端站节点再连接到其他陆上节点，如图2-3所示。

图2-3 点到点形海底光缆网络拓扑结构

2.单元星形

当所有网络节点中只有一个特殊节点与其他所有节点有物理连接，而其他各节点之间都没有物理连接时就构成了所谓的星形结构。星形光纤网络可分为单元网和多元网。单元星形网是指由一台光发射机通过多路光纤分别与多个光节点连接构成的星形网，分支星形网是指由多个单元星形网并联组合而成的星形网。

单元星形网结构包含一个陆上汇接站，从这里用多根海缆把要设立登陆点的各个方向的每个国家连接起来，光信号通过一只光分路器一次分配到位，各路光纤互不共用，如图2-4所示。在基本的单元星形结构中，一个国家的电信业务从汇接站出来后，不需要经过其他国家传输，它只需一根海缆和相应的登陆点终端设备和汇接站相连。这是相当经济的。然而，星形结构与其他结构相比，每个国家都需要单独的海缆，因此从这个意义上讲，当一个国家距离汇接站较远时，它又是相当昂贵的，因为海缆费用与终端设备费用相比要贵得多。另外，如果中心站点出故障，也会造成整个网络的瘫痪。

3.分支星形

分支星形如图2-5所示。除电信业务的分流（分出）是在水下分支单元（Branching Unit，BU）完成外，其余功能与基本星形结构相同，但是它减少了较远登陆点使用单独海缆的费用。使用波分复用技术，还可使分支单元具有波长分配能力。

图2-4 单元星形海底光缆网络拓扑结构

图2-5 分支星形海底光缆网络拓扑结构

分支星形从一个中心站点出发，经过若干逐渐分叉的支路，同各个站点相连。它是星形拓扑与线形拓扑的结合，也可以看作是星形拓扑的拓展，可以使用分割的概念对树形拓扑进行分析，即把它分割成若干个星形与线形子网络的有机集合，再在子网络分析的基础上进行综合。这种拓扑结构的优点是一条线路可以连接若干节点，线路比较节省；缺点与星形网络一样，即如果中心站点出现故障，也会造成整个网络的瘫痪。

4.花边形

图2-6所示为花边形（Festoon）拓扑结构。它是连接沿海主要城市的一串半环，形似一条花边，所以称它为花边形。花边形几乎全是无中继系统。根据未来扩大传输容量的要求，为了节省今后新的安装费用，这些无中继系统通常使用多光纤光缆，而不是仅仅考虑目前最初的需求。今后扩容时，只需增加一些新的终端设备即可。这种结构常被用来作为现有陆上系统的补充和备用路由。此外，这种结构设备费用适中，结构简单，可采用模块化设备，系统升级性能好，电源供给方式、安装和维护都很简单。其缺点是敷设于浅海区的海缆较长，海缆损坏的可能性增大，同时一旦海缆损坏或终端站出现故障，整个网络就被分割成了两段。

花边形与干线分支形海缆结构相比，优点是站与站之间距离较短，几乎所有的路径均不需要中继器，也不需要电源供给设备，所以费用较低；缺点是因为需较长的海缆登陆，也就是说与干线分支形相比，有较长的海缆敷设于浅海区，因此发生海缆故障的机会增大，要求海缆的质量高，在海底200m以内要单层铠装，且要深埋（一般为0.6～1.5m），所以敷设费用增大。

研究分析表明，影响总费用的主要因素是海缆长度及其结构（单铠和双铠），敷设于浅水区海缆的长度、光中继器和分支单元的数量以及远供设备的数量等。对花边形和干线分支形两种结构所需费用的数值分析表明，对于给定的最佳条件，每一种结构均可以获得最低的费用，然而其差别是相当小的，到底选用哪种方案，必须综合考虑其他方面的因素。(www.xing528.com)

图2-6 花边形海底光缆网络拓扑结构

5.干线分支形

当所有的网络节点以一种非闭合的链路形式连接在一起时，就构成了干线分支形拓扑，如图2-7所示。图2-7a和b分别表示无源分支（Passive Branching）和有源分支（Active Branching）拓扑结构。这种拓扑的优点是结构简单、施工方便、所需线路较少、网络分支多、范围广、可选路由丰富、成本低；缺点是自愈功能差、故障情况下的迂回恢复困难，排除故障和再配置比较困难；生存性较差，节点或链路的失效将把整个系统割裂成若干个独立的部分，将无法实现有效的网络通信。

借助分支单元从干线海缆上可把信号分给几个国家。分支单元可以是有源分支或者无源分支，分支海缆可能相当短，从而实现简单的无中继分支传输。

图2-7 无源/有源分支形海底光缆网络拓扑结构

无源分支结构的优点是，当终端站发生故障和分支海缆损坏时，可以提供有限制的恢复功能。其缺点是，供电系统较复杂，安装和维修也较复杂，同时相邻登陆站之间的距离受到限制。

有源分支结构的优点是，当某终端站发生故障或分支海缆损坏时，主干线仍可以正常运行。其缺点是，系统费用较高，有源分支单元的可靠性设计要求高。

6.环形

早期的海底光缆系统都是点对点系统。随着传输容量的增大，海底光缆系统多采用环形结构。在环形拓扑中，任何两个网络节点之间都有长短不同的两条传输方向相反的路由，这就为网络的保护提供了有力的物理基础，如果通过沿相反的方向传送的两条线路把各个站点联系起来组成双环形网络，则具有很高的自愈能力，拓扑结构如图2-8所示。环形拓扑的优点是实现简单、生存性及自愈功能强，故障排除较为容易、安全隐患小。但这种网络的灵活性较差，安装和再配置较困难，登陆点少、投入成本大。

SDH支持4纤复用段共享保护环，环路切换支持G.841要求的越洋应用协议，当环路发生故障时，切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，从而避免切换后，业务电路多次越洋，造成传输延时增大。环形结构在海缆断开情况下可以实现网络的自动恢复。

7.分支环形

分支环形是具有分支单元的环，它保留了环网的自愈能力特性，同时提供了与陆上汇接站的独立连接。它具有分支星形和环形网的大部分优点，所以可把分支环形当作分支星形和环形的混合。如果所有节点两两之间都有直接的物理连接，则称为理想的网状拓扑结构。显然，与其他拓扑相比，该网状拓扑的可靠性最高，易排除故障和隔离故障点，但结构复杂，线路浪费，相关的控制和管理也相当复杂，其拓扑结构如图2-9所示。

图2-8 环形海底光缆网络拓扑结构

图2-9 分支环形海底光缆网络拓扑结构

对于给定的应用环境，选择最佳的海底光缆网络拓扑结构，不仅要考虑现在电信业务的需要和最初登陆点的设置，而且还要考虑未来发展的需要。使用不断升级的系统技术，可以在系统寿命期限内，对最初的网络结构不断地加以修改扩容，使之更加完善。

海底光缆系统不断向大容量、大投资和越来越高的可靠性发展。为了增强容错和抗风险能力，海底光缆系统一般设计为多处登陆的环形结构。当系统中有一两条线路出现故障时，其他线路可以自动分流保证通信畅通。