海底光纜傳輸網(wǎng)及其關鍵技術研究?

葉 璇 趙錦波 張術新 夏 艷

（1.中國船舶集團有限公司第七二二研究所 武漢 430205）（2.湖北科技學院 咸寧 437100）

1 引言

海底光纜傳輸網(wǎng)以海底節(jié)點為樞紐，以海底光電復合纜為傳輸通道，布置在海底及海水中的各類傳感器/探測設備接連在海底網(wǎng)絡節(jié)點，從而形成一個可實現(xiàn)信息傳輸和電能供給的海底網(wǎng)絡。它能長期、實時、準確、全面地獲取各種海洋環(huán)境、目標活動等信息，為海洋環(huán)境保護、海洋資源開發(fā)利用、國防安全等方面提供穩(wěn)定的信息支撐保障。

2 國內(nèi)外海底光纜傳輸網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

在軍用領域，美軍已將海底光纜傳輸網(wǎng)應用于水下探測、通信、導航、定位等領域。美海軍建設的“近海海底持續(xù)監(jiān)視網(wǎng)”（PLUSNet）是一種水下機動和半自主控制的海底固定通信網(wǎng)絡，其利用UUV 作為移動節(jié)點，浮標、潛標和水下傳感器探測陣列作為固定節(jié)點，通過協(xié)同工作實現(xiàn)對常規(guī)潛艇的探測、跟蹤和定位［1］。

1999年美海軍提出了部隊網(wǎng)（FORCEnet）的概念及發(fā)展目標，其目的是為形成網(wǎng)絡化作戰(zhàn)力量，在惡劣條件下為美海軍提供決策信息。該網(wǎng)絡采用海底光纜網(wǎng)絡作為整個體系中的海底主干傳輸網(wǎng)絡，并接入各類傳感器、探測設備等海底固定式傳感節(jié)點，從而實現(xiàn)指揮通信、水下警戒探測、定位導航等功能［2～3］。

在民用領域，海底光纜傳輸網(wǎng)主要作為海底科學觀測網(wǎng)，為掛載的海底科學觀測儀器提供信息傳輸和電能供給。

美國海洋觀測網(wǎng)系統(tǒng)（Ocean Observation Initiative，OOI）2009 年開始建設，2015 年建成，依托880km 海底光電纜，連接7 個海底基站，構成環(huán)形拓撲結(jié)構，最大水深3000m。該系統(tǒng)提供10Gbit/s通信帶寬，采用恒壓供電模式，最高電壓10kVDC，基站信息傳輸速率2.5Gbit/s，電能輸出8kW［4］。

加拿大海底觀測網(wǎng)（Ocean Networks Canada，ONC）在2013 年建成，依托800km 海底光纜，連接6個海底節(jié)點，形成環(huán)形拓撲。該系統(tǒng)干線帶寬10Gbit/s，采用10kV 恒壓供電，海底節(jié)點接入帶寬2.5Gbit/s，供電能力9kW［5］。

日本海底地震海嘯預警網(wǎng)（S-net）于2015年建成，依托5700km 海底光纜，構成6 個S 形鏈式網(wǎng)絡。每個S 形鏈式網(wǎng)絡包括25 個觀測站，共計150個觀測站。網(wǎng)絡采用恒流供電模式，最高供電電壓約為3kV［6］。

2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)用于陸地與海島、海島與海島之間的傳統(tǒng)海底光纜通信裝備相對完備，已有商用的岸基終端傳輸設備、有中繼海底光纜、海底光纜中繼器等，但岸基遠供電源設備依賴美國進口，海底節(jié)點等海底光纜傳輸網(wǎng)水下核心裝備基本空白。

目前，受裝備和技術的限制，我國沒有具備信息傳輸、電能傳送、海底接入等功能的大規(guī)模海底光纜傳輸網(wǎng)，現(xiàn)有觀測網(wǎng)、警戒網(wǎng)、導航網(wǎng)建設主要是利用海底光纜線路作為傳輸手段。

在我國海底觀測網(wǎng)建設中，海底觀測儀器接駁在海底光纜上，將觀測儀器的觀測信息通過海底光纜回傳給岸基信號處理設備。2009 年，同濟大學在東海小衢山島附近建成了我國第一套海底觀測試驗系統(tǒng)，光電纜全長35km，水深約50m，開展了短期試用［7］。2013 年5 月，中科院南海所在三亞建成海底觀測示范系統(tǒng)，光電纜長2km，工作水深20m。2016 年9 月，中科院聲學所在海南陵水附近海域建成南海海底觀測網(wǎng)試驗系統(tǒng)，光電纜長150km，最大工作深度1750m，恒壓供電10kV，傳輸帶寬千兆級，獲取了相關海域的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對南海環(huán)境的觀測。2017 年3 月，同濟大學、中科院聲學所聯(lián)合承擔的國家“十二五”重大科技基礎設施建設項目“國家海底科學觀測網(wǎng)”可行性研究報告被正式批復，建設周期5 年，將在我國東海和南海海域建設基于光電復合纜總長約3000km的海底科學觀測網(wǎng)［8］。

3 海底光纜傳輸網(wǎng)關鍵技術研究

現(xiàn)有海底光纜網(wǎng)絡拓撲結(jié)構多是鏈式或環(huán)形，抗毀保護能力有限，只能抗擊單點故障。為提高海底光纜傳輸網(wǎng)的抗毀生存能力，網(wǎng)格狀海底光纜網(wǎng)絡拓撲結(jié)構被提出。隨著海洋業(yè)務需求增大，海底光纜傳輸網(wǎng)的結(jié)構復雜度和規(guī)模提升，傳統(tǒng)海底光纜網(wǎng)絡采用的總體架構、信息傳輸和遠程供電技術均不能滿足新型海底光纜傳輸網(wǎng)的發(fā)展需求，亟待開展相關關鍵技術研究。

3.1 海底光纜傳輸網(wǎng)總體架構

海底光纜傳輸網(wǎng)由信息接入與傳輸、遠程供電、海底節(jié)點、綜合網(wǎng)絡監(jiān)測四個部分組成，如圖1所示。信息接入與傳輸主要是通過傳感器、水下探測設備將各種水下信息接入到海底節(jié)點中，通過海底光電復合纜將信息傳輸?shù)桨痘畔⒅行?，岸基信息中心可以實時在線監(jiān)測海底節(jié)點、海底光電復合纜、供電設備、傳感探測設備的工作運行狀態(tài)，及時上報線路和設備的告警和性能，遠程供電保障海底光纜傳輸網(wǎng)能源供給，將岸基電能通過海底光纜網(wǎng)絡傳輸至深遠海的海底節(jié)點，為接駁的海底業(yè)務設備提供穩(wěn)定持續(xù)電能。同時對于大規(guī)模多節(jié)點的網(wǎng)格式海底網(wǎng)絡，遠程供電管理系統(tǒng)對海光纜網(wǎng)絡的電能傳輸進行調(diào)度分配，在海光纜有限故障情況下，大部分水下節(jié)點仍然能得到電能供給。

圖1 海底光纜傳輸網(wǎng)組成圖

3.2 海底信息接入與傳輸技術

海底光纜傳輸網(wǎng)是以光纜通信網(wǎng)絡作為信息傳輸平臺。考慮到海底節(jié)點要接入多個傳感/探測設備，而海洋探測的信息種類、格式繁多，海底節(jié)點接入端為多種傳感/探測設備的工作狀態(tài)信息提供不同的通信接入接口，并在同一海底節(jié)點實現(xiàn)多路信息同時在本地上下和傳輸，數(shù)據(jù)信息經(jīng)海底節(jié)點匯聚后通過光纜傳輸至岸基信息中心，實現(xiàn)海洋信息的接入、匯聚和綜合處理。在目前陸地上成熟的光傳輸技術中MS-OTN，即能符合海底光纜傳輸網(wǎng)絡的傳輸需求，又能滿足后期系統(tǒng)兼容和擴展的能力需求，將其作為信息接入與傳輸技術的方案基礎。

MS-OTN是在OTN技術的基礎上，增強對分組（PKT）業(yè)務的處理能力，增加了分組調(diào)度和處理、VC 交叉調(diào)度、層間適配和同步處理等功能，將OTN、TDM 和分組技術進行整合，實現(xiàn)對各類業(yè)務的統(tǒng)一、靈活傳送。MS-OTN 設備集中交叉型功能模型如圖2 所示，可根據(jù)業(yè)務需要配置電交叉、光電混合交叉等不同的方式。

圖2 MS-OTN設備集中交叉型功能模型圖

可根據(jù)不同業(yè)務調(diào)度需求選擇不同的業(yè)務處理流程［9］，包括：

1）ODUk 交叉調(diào)度方式：業(yè)務經(jīng)過ODUk 封裝后，直接進行OTN 線路接口處理，或者通過ODUk交叉調(diào)度模塊調(diào)度后再進行OTN線路接口處理。

2）VC 交叉或分組交換調(diào)度方式：業(yè)務通過VC適配或分組處理模塊封裝映射后，經(jīng)過VC 交叉或分組交換后，再經(jīng)過ODUk 封裝后，再進行OTN 線路接口處理［10］。

電交叉能靈活處理VC、ODU 和PKT 平面任意顆粒的多業(yè)務自由調(diào)度，根據(jù)業(yè)務的屬性提供不同顆粒度的處理方式，最終匹配到最合適的ODUK 管道中傳送，如圖3所示。

光交叉使用CDC ROADM（Colorless Directionless Contentionless ROADM）技術實現(xiàn)波長無色、無方向、無阻塞的動態(tài)調(diào)度［11］，即調(diào)度將來自不同方向的任意波長到本地任意端口下波，也可以調(diào)度本地任意端口上波的任意波長到不同方向，其中ROADM 基于多端口WSS（Wavelength Selective Switching）實現(xiàn)節(jié)點多維度和波長上下，典型的四維CDC ROADM如圖4所示。

圖4 四維CDC ROADM示意圖

目前，MS-OTN 技術在陸地光纜傳輸網(wǎng)中得到廣泛商用，但是陸地光傳輸設備功耗大，在數(shù)千瓦級。水下的光傳輸設備依靠岸基電源進行遠程供電，從可靠性、散熱和水下特殊環(huán)境考慮，低功耗要求嚴格（百瓦級），因此，水下光傳輸設備需要重點對MS-OTN 中業(yè)務單元、光放大單元、交換單元等主要大功耗部件進行降功耗設計，使設備功耗從數(shù)千瓦級降到百瓦級，滿足水下綜合業(yè)務信息大容量傳輸要求。

3.3 海底遠程供電技術

海底遠程供電技術采用直流高壓輸電方式，將岸基電能通過海底光電復合纜傳輸至遠距離海底節(jié)點，經(jīng)過海底節(jié)點電能變換，轉(zhuǎn)換為各接入業(yè)務設備所匹配的電能。根據(jù)傳輸線路承載電能類型，可分為恒壓供電與恒流供電兩大類［12～13］，如圖5所示。

圖5 兩種供電體制的水下遠供系統(tǒng)示意圖

對于恒壓供電網(wǎng)絡，類似于陸地傳輸電網(wǎng)，岸基電源供給傳輸網(wǎng)絡恒壓電能，保持傳輸線路電壓穩(wěn)定，水下節(jié)點并聯(lián)方式掛接在傳輸網(wǎng)絡上。系統(tǒng)線路電壓維持恒定始終保持不變。水下節(jié)點電源則實現(xiàn)從高壓到中低壓的電能變換，給水下業(yè)務設備配給中低壓電能。該種供電體制優(yōu)點是傳輸功率容量大、容易分支可擴展性強，主要用于海底科學觀測網(wǎng)這種開放型網(wǎng)絡，方便業(yè)務擴展。但是存在以下難題：1）線路上均為高電壓，為匹配海底業(yè)務設備用電需求，節(jié)點需實現(xiàn)高變比電壓變換；2）一旦系統(tǒng)線路故障，故障點電壓拉低，導致系統(tǒng)崩潰。

對于恒流供電網(wǎng)絡，岸基電源供給傳輸網(wǎng)絡恒流電能，保持傳輸線路電流穩(wěn)定，水下各節(jié)點輸入端串聯(lián)在主干海纜中。水下節(jié)點電源則實現(xiàn)從恒流電能到恒壓電能的變換，給水下業(yè)務設備配給匹配電能。該種供電體制已經(jīng)應用于跨洋海底光纜中繼通信工程中，可實現(xiàn)kW 級別傳輸容量，線路故障定位方便，對海水短路故障抵抗能力強。當海水短路故障發(fā)生時，線路電流通過海水回流，岸基遠供電源自適應調(diào)整輸出電壓，只要電流回路存在，整個系統(tǒng)仍然穩(wěn)定供電。該供電體制適用于高可靠性、抗毀生存、布局相對固定的海底網(wǎng)絡。但是該體制實現(xiàn)電流分支困難，相關技術有待突破。

根據(jù)海底光纜主干網(wǎng)絡物理結(jié)構，主要分為三種供電拓撲形態(tài)：單端樹型拓撲、雙端環(huán)形拓撲以及網(wǎng)格狀拓撲。第一種拓撲為樹型結(jié)構，如圖6（a）所示。網(wǎng)絡結(jié)構為樹狀分叉形態(tài)，單端岸基電源給一條主干海纜供電，為一對多方式，該拓撲簡單易擴展，方便故障定位和隔離，但是嚴重依賴單岸基站。另一種則是環(huán)形結(jié)構，如圖6（b）所示。該拓撲的兩端分別聯(lián)接各岸端遠供電源。當海纜單點故障后，供電網(wǎng)絡從故障點分為兩個獨立樹型結(jié)構供電網(wǎng)絡。單端岸基故障后，則可有另一端岸基給整個網(wǎng)絡供電。因此該拓撲可抵抗單點海纜故障和單端岸基故障，輸電更加可靠。跨洋海底通信光纜網(wǎng)絡即采用此種拓撲。第三種則是網(wǎng)格狀拓撲，如圖6（c）所示。主干網(wǎng)絡通過水下節(jié)點構成網(wǎng)格狀，多個岸端供電，水下節(jié)點從多條供電路徑獲取電能。該拓撲技術難度和建設成本最大，但是由于具備多路由冗余輸電能力，系統(tǒng)具有良好的抗故障能力，輸電可靠性最高。需要突破海底節(jié)點電能變換技術、海底電能分支調(diào)度等關鍵技術，實現(xiàn)海底大功率、高效率、高可靠、遠距離的電能傳輸與配送。

圖6 海底光纜網(wǎng)絡供電拓撲

在該網(wǎng)絡拓撲中水下節(jié)點需配置本地取電電源和電能分支器，如圖7 所示。節(jié)點本地取電電源則采用海底節(jié)點電能變換技術，從主干海纜上獲取恒壓或恒流電能，轉(zhuǎn)換為本地負荷所需的匹配電能。電能分支器采用海底電能分支調(diào)度技術，實現(xiàn)從一方向向多方向的電能傳輸調(diào)度，對網(wǎng)格狀主干線路的電能傳輸進行控制。根據(jù)兩種供電制式不同，電能分支器可分為電壓型電能分支器和電流型分支器。電壓型電能分支器由高壓開關投切倒換實現(xiàn)，需在研究高壓直流故障隔離保護，在出現(xiàn)海纜短路故障時，快速檢測定位故障點，在系統(tǒng)崩潰之前將故障海纜切除。國內(nèi)已有單位研究該高壓直流故障隔離技術［14］，其快速響應和工作可靠性還有待工程應用檢驗。電流分支器則由恒流/恒流電能變換器實現(xiàn)，將一路恒流電能變換為電氣隔離的另一路恒流電能，從而實現(xiàn)恒流電能的多方向組網(wǎng)傳輸。在此方面，國內(nèi)僅進行了理論建模和原理樣機的研究［15］，還未見工程應用的報道。

圖7 海底節(jié)點供電功能組成框圖

3.4 海底節(jié)點設備技術

海底光纜傳輸網(wǎng)需要具備海底傳感/探測設備信息接入和供電輸出的能力，同時需具備極高可靠性，通常設計壽命為25 年。海底節(jié)點設備工作環(huán)境苛刻，要解決耐水壓、抗腐蝕、在有限的密閉空間散熱等問題，在設計上需充分考慮器件降額、備份，以及整機的絕緣及散熱，實現(xiàn)高可靠性。

海底節(jié)點設備設計為主干海纜分離單元、光路交換單元、電能分支單元、電能供配單元、信息傳輸控制單元以及設備接入單元，如圖8所示。

圖8 海底節(jié)點設備組成框圖

主干海纜分離單元完成主干海纜的光路和電路的分離，分配給光路傳輸與控制單元、電能傳輸與控制單元。光路交換單元實現(xiàn)多方向光路由交換、傳輸、保護，完成本地多路接入設備的信息的匯聚、處理與中轉(zhuǎn)。信息傳輸控制單元完成海底節(jié)點本地運行狀態(tài)監(jiān)控與上傳，接收岸基下發(fā)管控指令。電能分支單元完成供電路由切換，分支電能變換，實現(xiàn)縱向和橫向主干鏈路之間的電能雙向交互，即主干線路的電能調(diào)度傳輸、冗余保護和隔離。電能供配單元對多路接入海底業(yè)務設備提供電能，完成電能輸入輸出通道的狀態(tài)監(jiān)測，能源調(diào)度，故障監(jiān)測與隔離保護控制等。設備接入單元則為海底業(yè)務設備提供多路信息與電能接入的標準接口，完成多個傳感器/探測設備接入海纜的光路和電路的復合。

3.5 海底光電綜合網(wǎng)絡監(jiān)測技術

海底光電綜合網(wǎng)絡監(jiān)測主要包括海光纜線路監(jiān)控技術和供電監(jiān)控技術。海光纜線路監(jiān)控技術通過COTDR（Coherent Optical Time-Domain Reflector）利用參考光對長距離海光纜中的后向瑞利散射信號進行檢測，來判斷光纜中的非正常衰減和反射現(xiàn)象，以此實現(xiàn)海光纜線路快速故障定位。COTDR 探測光使用光通信線路中的一個預留波長通道，以避免在線檢測時對業(yè)務通信信道的干擾，將遠程檢測的光纜狀態(tài)以及信息傳輸狀態(tài)等信息統(tǒng)一上報給岸基信息中心。還可以通過與數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù)對比分析COTDR 測試波形的變化，來判斷海光纜的劣化狀態(tài)并預估其使用剩余使用壽命，預先排除隱患。供電監(jiān)控技術通過對海光纜線路、海底節(jié)點的電壓、電流的檢測，實時監(jiān)控海光纜線路輸電和海底節(jié)點電源的工作狀態(tài)，實現(xiàn)及時識別過流/過壓故障和接地故障，向岸基信息中心上報告警信息，便于運維人員采取應急預案，通過對故障進行隔離處理，切換備用供電線路等方式，防止局部故障對整個海底光纜傳輸網(wǎng)造成影響和破壞。

4 結(jié)語

本文介紹了國內(nèi)外海底光纜傳輸網(wǎng)絡的研究現(xiàn)狀和應用情況，提出了基于網(wǎng)格拓撲結(jié)構的海底光纜傳輸網(wǎng)的總體架構、系統(tǒng)組成和關鍵技術。海底光纜傳輸網(wǎng)是水下信息的基礎網(wǎng)絡設備，研究相關技術，以實現(xiàn)海底信息的大容量高速傳輸，為我國海底光纜傳輸網(wǎng)的建設發(fā)展提供技術支撐。