海底光缆传输网络总体设计研究*

余 智 胡 波

(武汉船舶通信研究所 武汉 430250)

海底光缆传输网络总体设计研究*

余 智 胡 波

(武汉船舶通信研究所 武汉 430250)

论文介绍了国外海底光缆传输网络的最新研究和应用情况,提出了海底光缆传输网络的拓扑结构,设计了系统的总体结构和重点研究设备。海底光缆传输网络将海底分散的海洋环境观测、地质勘探等科学研究节点组网,实现各类海洋科学信息至岸基的综合传输与交换,具有高速、大容量的通信特点,是水下信息传输的重要手段,为深海科学研究提供关键技术支撑。

海底光缆网络; 信息传输; 远程供电; 接驳盒

Class Number TM933

1 引言

海底光缆通信一直是长距离通信的主要手段。海底光缆通信由于其大容量、高速率、抗干扰及隐蔽等诸多优点,是水下通信的必备手段,是海洋环境监测、海洋科学研究不可或缺的保障手段。发达国家已经将海底光缆通信网络应用于海洋环境、气候监测或大洋板块运动等海底地质信息监测,研究海洋环境的变化或海底地质地貌以减轻地震等带来的灾害。如日本的ARENA水下实时监测网络、加拿大与美国之间的NEPTUNE水下探测网络[1]。利用海底光缆网络进行长期、实时的海洋环境数据观测,为描述和预测海洋环境变化提供充足的数据支撑。对于任何一个海洋大国,建立海底光缆通信网络,加快对海洋的认识、研究和开发,非常有利于国家经济建设。

2 国外海底光缆传输网络发展情况及思考

2.1 东北太平洋海洋环境监测光缆网络NEPTUNE(North East Pacific Time-Integrated Undersea Networked Experiment)

NEPTUNE是美国和加拿大联合设计的东北太平洋海底观测网,其海底光缆总长度约为3200km,节点间的间隔约为170km,由多种海洋观测平台组成,能长期实时连续地获取所观测海区海洋环境信息,为认识海洋变化规律,提高对海洋环境和气候变化的预测能力提供实测数据支撑[2]。

图1 用于海洋环境观测的海底光缆传输网络

该系统主要由三个部分组成:岸基监控中心、海底光缆传输网络和海底观测传感仪器。岸基监控中心是海底光缆网络的运行监控中心、电能传输管理中心和海洋环境科研数据分析中心。水下接驳节点是海底光缆传输网络的水下传输及控制节点,其主要功能是实现信息和电能的中继、传输、分配及控制。它不仅将从海岸基站监控中心传输来的DC 10kV高压直流电能转换为各种低压直流电能,提供给不同的海底观测传感器使用,同时将各观测传感器采集到的原始数据信息(海水温度、压力等),通过骨干光纤网传送到岸基监控中心。骨干光纤网采用光以太网技术、TCP/IP技术和自定义协议技术构建,实现各个水下节点和海岸基站之间的数据传输及通信控制。GPS卫星天文钟完成整个海底观测网络系统的精确时间同步。NEPTUNE目标是建立区域的,长期的交互式观测平台,其节点连接示意图如图2所示。

图2 观测网络节点平台连接示意图

2.2 水下实时地球监测网络ARENA(Advanced Real-Time Earth Monitoring Network in the Area)

日本是最早利用海缆网络系统监视地震和海啸等的国家,2003年日本东京大学主持在围绕日本列岛海沟构筑总长3600km的区域性高级实时地球监视网ARENA计划,利用铺设在海底的缆式网络系统,组成了水上、水下立体的长时间实时海洋监测系统,构筑起海洋学、地震学以及海底能源开采等多领域的应用平台[3]。系统节点间距为50km,用66个节点覆盖海底区域。间距为50km的每节点观测浮标上链接上各种传感器,由此达到多学科利用的目的。

图3 日本新型实时监测ARENA网络系统示意图

系统拥有基于多个HDTV信号的传送能力的宽海域传输功能,可在1ms内同步进行高精度的数据的传输;并具有极强的可扩充性,可随意交换和追加传感器及观测站点。ARENA网络中的各种测量仪器所获得各种数据,可由陆地上的数据管理中心经Internet向各个研究机构和研究室传送。高分辨率、实时的观测数据可以通过互联网在任何地方获得,是ARENA的重要特征[4]。

2.3 发展思考

目前,海洋应用正在从单点向网络式系统方向发展。单点观测只能够获得局部的时空不连续的海洋数据,提供的数据不够全面、难以深入；海底光缆将多节点平台组成网络,能长期实时连续地获取所测海区的信息,为认识海洋变化规律、提高预测能力提供充足的实测数据支撑[5]。海底光缆网络通信对于解决海洋科学信息传输问题越来越重要,对海底光缆网络通信的研究设计也需逐步开展。

3 海底光缆网络设计

海底光纤传输网络将海底分散的海洋环境监测、通信、勘测、导航、定位等科学研究节点组网,实现各类海洋科学信息至岸基的汇聚、传输和交换,能解决水下大量原始数据信息传输的问题。其通过统一规范的信息传输接口挂接各种海洋科学仪器设备,应用范围涉及海洋数据采集、海面探测、水下辅助导航定位、海洋资源勘测、目标定位、远程水下控制及仪器测试等多个领域,具有广泛的应用价值和前景。

3.1 网络拓扑结构

海底光缆传输骨干网络一般采用环形为主的结构,拓扑结构如图4所示,其由多个节点通过海底光缆串行连接,呈链式结构,组成花边型的环形网络[6],环形拓扑的特点是:系统的通信生存能力和可靠性优于线形拓扑结构,效费比优于其它拓扑结构。各种海洋科学传感器节点通过接驳设备连接到海底网络,海底光缆就近直接连到岸基接入站,通过岸上陆缆网络实现信息的共享、集中处理和分发。

图4 海底光缆传输网络拓扑示意图

3.2 总体结构

如图5所示,海底光缆网络总体结构包含三个层次:岸基网络、海底光纤传输主干网和传感器接入子网。岸基网络主要由岸上Internet网络或光缆网络组成,是海底光缆网络的监视控制中心、电能输送中心和数据处理中心。其将海底光缆网络传输来的水下传感器的原始数据信息实时进行分析处理和存储,并完成各种控制指令的下发；岸基站系统还能实时监测海底光缆网络的运行状况,当出现问题时会及时报警、并自动诊断给出系统恢复方案。传输骨干网层依托海光缆由多个水下接驳盒连接组成,接驳盒是海底光缆网络的水下核心设备,每个接驳盒里包含数据传输模块、电能转换模块和网络状态监视控制模块,实现信息和电能的中继、分配与控制。骨干网络可以采用模拟制或数字制光传输网络、光以太网技术等技术构建,实现各个接驳盒之间以及接驳盒与海岸接入站之间的数据传输及通信控制。接入子网主要由水下各种传感器及网络接入设备组成,通过RS485/RS232等各种通信接口,实现对海底观测传感器原始数据信息的接入采集,以及与接驳盒传输设备之间的数据传输。

水下各个观测传感器采集到的原始数据信息(如海水温度、压力等),通过接入子网的接入设备实现信息的获取,并转换为统一接口将信息传输到接驳盒,通过骨干网络光缆传输连接海岸接入站处理中心；各接入站收集的水下信息经岸基网络汇聚到处理中心,实现信息的汇聚、综合处理。

3.3 系统组成

海底光缆网络主要由四个系统组成,为专用海光缆分支与接驳设备、水下信息传输与接入系统、远程供电系统和综合监测系统,共同完成水下设备的信息综合传输和远程供电的任务。重点研究内容如下:

1) 海光缆、分支与接驳设备

海底光缆承担光信息的传输和供电信号的传递,为专用海光缆,特点是光纤芯数多、馈电电流大,可分为主干光缆和支线光缆两类[7]。水下分支器主要完成主干海光缆的分支和电源的远供,实现水下系统的远供电及系统远供电的重配置功能。

接驳设备保证各种电子设备与海水隔离,完成水下与陆地间信息和电能的接力传递与分配。接驳盒内部功能模块主要包括电能转换与分配模块、数据传输模块、监测管理模块和时钟分配等,接驳盒设备为接驳盒内各种电子模块等提供一个水密和绝缘的空间,并为电能模块提供散热功能。

图5 海底光缆网网络传输结构图

2) 水下信息传输与接入系统

水下信息传输与接入系统完成水下各类信息的处理接入和传输,主要功能是将各类水下传感器、监控器进行数据接入、汇聚与复用,并逐步汇入骨干网络传输流,通过海底光缆传输到岸基控制中心,并将来自岸上的控制指令送到相应水下科学研究节点设备。

水下信息的传输与接入方案可有两种选择:一种是采用MSTP设备的SDH时分复用传输方案；第二种方案是采用波分复用技术,每一个节点分配一个波长。两种方案都能充分兼顾和满足海底光缆网络对安全、可靠性的要求,能在环形网络中形成环路实现自愈保护与倒换功能。

3) 远程供电系统

由于水下环境的特殊性,水下节点的信息和电能均需岸基经海缆长距离传送。远程供电系统提供水下设备、分支与接驳设备工作所需的电源,完成对水下所有设备的远程供电。供电分系统是海底光缆网络的基础[8]。

远程供电系统包含岸基和水下供电两部分,岸基供电系统因考虑远距离供电电压衰减,一般为高压恒流大功率设计,并具有1+1保护的设备,满足岸基至水下节点之间远距离直供能源的需要。水下供电模块主要电源转换模块,主要将高压恒流电源转换为水下节点设备所需的工作电压[9]。

4) 综合监控系统

由于海光缆传输网络在水下工作环境恶劣、无人值守、易出故障,需要设计综合监控系统,实现对海光缆网络传输的远程监视与控制,对海光缆、传输设备、供电设备、接驳盒和传感设备等各种水下设备的工作情况进行监测与控制。

综合监控系统主要实现以下功能:

(1)电源系统的监视、告警与故障显示;

(2)海底光缆、光接口及支路接口的监视;若发生故障,自动警告并定位故障；

(3)水下传输设备的监视及遥控;

(4)水下设备的工作状态监视、告警和进行系统性能管理、参数的设置[10];

(5)数据的采集和显示、存储和日志；

(6)为满足维护的需要,水下设备的监视系统及网管系统还应延伸至岸基监控中心；实现与岸基的网管或监控系统相连接。

4 结语

本文介绍了国外海底光缆传输网络的研究和应用情况,提出了海底光缆传输网络的拓扑结构及系统组成,海底光缆网络是现代通信的重要分支,研究相关技术,规划海底光缆传输网络有序建设,对完善水下信息传输手段,提高对海洋领域的开发,促进国民经济发展都有着深远意义。

[1] 原荣.世界海底光缆通信线路建设及其技术发展状况[J].光通信技术,1995,19(3):183-189.

[2] Bruce M. Howe, Timethy McGinnis. Sensor Networks for Cabled Ocean observatories[C]//A1. IEEE,2003:216-221.

[3] 廖又明.解读日本ARENA新型实时海底监测电缆网络计划[J].船舶,2005(4):20-25.

[4] 马伟锋,崔维成,刘涛,等.海底电缆观测系统的研究现状与发展趋势[J].海岸工程,2009,28(3):76-83.

[5] 朱心科,金翔龙,陶春辉,等.海洋探测技术与装备发展探讨[J].机器人,2013,35(3):376-383.

[6] 田瑞然.海底光缆通信[J].现代电信科技,1995(3):1-5.

[7] 姬可理,张文轩.海底光缆结构与发展[J].光通信技术,2006,30(5):63-65.

[8] 忽冉,周学军,程岚,等.海底光缆网络远程供电技术研究[J].光纤与电缆及其应用技术,2010(5):40-43.

[9] 郑庆丰.浅谈亚欧国际海底光缆S2段远供电源(PFE)及其维护管理[J].通信电源技术,2006,23(1):61-64.

[10] 毕东瀛.中美海底光缆波分复用系统及其传输质量[J].广东通信技术,1999,19(2):22-25

Submarine Fiber Cable Transmission Network

YU Zhi HU Bo

(Wuhan Maritime Communications Research Institute, Wuhan 430250)

The article describes the latest research and application of foreign submarine cable transmission network, it proposes the topology of submarine cable network, the design focuses on the overall structure and equipment systems. Underwater submarine cable transmission network will be distributed marine environment observation, geological exploration and other science network node, all kinds of scientific information achieve a comprehensive underwater transmission and switching to shore. With the characteristics of high-speed large-capacity communication, information transmission underwater important means for deep-sea scientific research to provide key technical support.

submarine cable network, information transmission, remote powersupply, connection boxes

2014年6月5日,

2014年7月23日

余智,女,硕士,高级工程师,研究方向:舰船通信系统。胡波,男,工程师,研究方向:舰船通信技术。

TM933

10.3969/j.issn1672-9730.2014.12.001