优化系统网络结构：探索7.3.1系统网络

区域范围的观测站包含多个光缆段和几个节点，节点用于传感器和设备连接的汇接点。节点可以直接与光缆或经分支单元和分支光缆段连接。每个节点支持几个二级节点或接头盒设备。网络结构描述如何把观测站器件组织在一起，以及描述这些器件间的电力和数据流动情况。本小节将介绍以下内容：节点和光缆段拓扑，光缆段内的光纤路由，节点和岸上终端间物理连接和逻辑连接安排，系统电功率的产生、供应、转换和消耗，命令和控制通道，时钟信号分配，以及系统的其他功能。

区域海洋观测站网络结构已经从简单的点对点系统发展到更复杂的结构。现有系统使用干线和分支结构，主光缆服务几个节点，提供从每个节点到岸上的直接传送通道，而无须通过中间节点。即使节点在光缆内，如果它具有分插复用功能，也可实现逻辑分支。图7-1a表示线性系统，干线终结在最远的分支点；图7-1b表示环形结构，干线两端在岸上的同一个终端站登陆；或者干线的两端在岸上两个不同地点的终端站登陆，图7-1c所示，这是一种分集系统。

图7-1 干线和分支结构

干线和分支结构的优点是，可把干线光缆放置在安全区域，即使因科学研究需要必须把分支单元部署到更危险的区域也无妨。在图7-1b和图7-1c表示的环形和分集网络中，如果一个分支单元发生故障，可把故障分支单元隔离，而不会影响其他分支单元和节点的工作。

在OADM网络中，通过一个光纤对可以连接许多节点，每个节点或光通道可能包含几根光纤，如图7-2所示。这种无波长再使用的OADM很适合海底光缆连接的观测站，因为它简单而结实。在BU中，用光耦合器从干线光纤上取出整个波长（图中表示只取出入₁）到节点1，使用光滤波器选出所需要的波长信道。BU同样使用光耦合器，把节点要发送的信号耦合到干线光缆。波长没有再使用，通常限制线路长度小于2000km。

图7-2 无波长再使用OADM结构

干线和分支结构很适合恒压供电，但是要求在分支单元/节点进行电压/电流（DV/DA）电源变换，以便恒流供电。每个BU/节点接收5～10kV的线路电压，经电压/电流变换后，产生50～400V的输出，使用海水作为电源的返回通道，如图7-3所示。如果使用双导体光缆，则返回通道也用导体，这样就提供了全隔离通道。要求电压/电流变换器能够适应宽范围的输入电压输入，在所有可能情况下，系统要提供足够的电压给最远端的BU节点。如果恒流器件，如中继器在有供电导体的线路上的话，要保持最小电流通过供电负载或模拟负载。使用环形结构时，可以在光缆的两端都加电压源，以便增加供电能力。线路电流可达8A，如果供电电压为10kV，则系统提供80kW的功率给水下设备。考虑阻性负载吸收一定功率后，有75%～80%的功率提供给中继器和BU科学设备使用。

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图7-3 恒压供电，所有水下设备与恒压源并联

需要恒流供电时，必须使用有源分支单元，产生新的电流给分支设备，如图7-4所示。有源分支单元负载从干线上吸收供电电流，产生新的恒定电流给每个分支。这种供电方式与光中继海底光缆通信系统类似。

图7-4 恒流供电

在区域观测站中，每个节点支持多个传感器平台，如图7-5所示，每个平台都类似于近海观测站。节点提供低压电源并终结点对点传输线路。在每个传感器平台上，接头盒放置另外的电源变换器，测试设备和传感器通过以太网交换连接在一起。使用延伸光缆可以将传感器平台放置在距节点几千米以外的地方。

图7-5 典型的海底光缆连接的区域观测站

在一些情况下，二级设施可能是低成本的、实验性的或临时性的设备，可将它扩展到危险区域，甚至所有期望的区域，如海底火山口。

上面介绍的网络结构已在工作的观测站进行了演示，它可能是未来设计的基础。当然，也可以使用新的网络结构和供电系统技术。在海洋观测站中，连接的地方和器件类似于中小型城域网。用于城域网、校园网和局域网的设计技术和经验，可用于未来的海底光缆连接的观测站设计中。不管选择何种技术和何种拓扑结构，只要能满足设计目标的功能要求就可以。