有中继海底光缆通信系统的应用与发展

吴锦虹+陈凯+江尚军

【摘要】 有中继海底光缆通信系统以诸多技术优势，已成为跨洋通信的主要通信手段。与陆地光缆系统相比，系统设计更加复杂，更多的应用新技术新产品。本文简要介绍了有中继海底光缆通信系统的组成及关键技术，分析了其市场应用前景，并研究探讨了其技术发展趋势，为相关研究开发与建设提供了思路。

【关键词】 有中继 海底光缆通信系统 水下网络融合 应用与发展

一、引言

有中继海底光缆通信系统以稳定可靠、隐蔽性好、保密性好、抗毁抗干扰能力强等优势，已成为跨洋通信的必备通信手段，截止目前世界上已建成100多条海底光缆线路。我国海域广阔、海岸线、岛屿众多，海缆通信尤为重要。1989年以来，我国投资参与建设了近20个国际海缆系统建设项目，但我国现有有中继海底光缆通信系统都是依赖国外公司以交钥匙的方式承建的。随着国际形势变化和技术发展，国内有中继海底光缆通信系统建设出现新的发展趋势。

二、系统组成及关键技术

2.1系统组成

有中继海底光缆通信系统水下含有有源设备，主要由水下设备和岸上设备两大部分组成，如图1所示。

水下设备主要包括海底光缆、水下光中继器和水下分支单元。海底光缆除与陆地光缆具有相同（相似）的光纤作为主要元件以及更为加强的铠装保护之外，还有一个重要的组成部分就是远供电源导体。水下光中继器由掺铒光纤、泵浦光源、WDM耦合器、回环和OTDR通路、海底光缆的光耦合装置和连接壳体组成，具有监测和自动防护功能。海底分支单元实现海底光缆的分支和电源远供的倒换。

岸上设备主要包括线路终端设备、SDH设备、远供电源设备、线路监测设备、网络管理设备以及海洋接地装置等。线路终端设备一般为DWDM设备，负责再生段端到端通信信号的处理、发送和接收；SDH设备承载在线路终端设备之上，在环形网络的情况下，形成环路自愈保护；远供电源设备通过光缆远供导体向海底中继器馈电并通过海水和海洋接地装置回流，供电电流在1安培左右，供电电压可高达几千伏；线路监测设备自动监测海底光缆和中继器的状态，在光缆和中继器故障的情况下，自动告警并故障定位。

2.2关键技术

有中继海底光缆传输系统因其特殊的工作环境，在系统设计和技术应用上涉及如下关键技术：

（1）传输系统设计技术。影响传输系统性能的主要因素有光信噪比、色散、非线性。为了克服这些因素给海底光缆传输系统带来的影响，必须采用专门的技术和对策加以克服，包括低噪声光放大技术、前向纠错和色散补偿技术等。另外，水下中继器的间距设计也是其中设计的关键。

（2）水下中继器技术。水下光中继器是有中继海缆系统最重要的设备，对设备可靠性提出很高的要求，要求使用寿命超过25年。为实现高可靠性，在实现取电、放大的同时，需考虑状态监测、关键部件冗余备份等。对结构体积要求高，要求直径小适合敷设、高水压密封。另外，要求设备功耗小，并考虑长时间使用散热问题。

（3）远供电源系统技术。远供电源技术是控制传输距离和每光缆系统数的一个重要因素。远供电源系统采用高压恒直流的方式通过海缆远供导体向海底设备供电。可采用单端或双端供电方式，双端供电方式时，在一端故障情况下另一端自动转换为单端供电。远供电源系统参数选择与设计、供电方案、备份方案、故障与维护技术等难度大。

（4）线路故障监测定位与性能监控技术。包括网元管理系统（EMS）以及海底设备的线路监控系统（LME）。其中EMS实现对站内网元设备的集中监控，LME用于检测海底中继器和光纤情况，在光缆和中继器故障的情况下，LME可以自动告警并故障定位。

（5）工程施工技术。海缆系统施工受地域建设、海洋工程、施工设备等条件限制，工程建设涉及技术领域广泛，投资规模大，施工技术复杂。工程前期主要涉及工程设计、海缆路由选择、海缆制造运输；工程施工期间主要包含海缆路由定位、海缆敷设、海缆保护、陆地设备安装、检测与调试、工程验收等，技术复杂且难度高。

三、市场应用前景分析

当前有中继海底光缆通信系统存在广阔的市场及应用前景。全球增长的带宽需求需要通过升级现有的海底路径，泛太平洋是最大的海底光缆市场。未来市场增长将由发展中市场的增长投资驱动，包括中国、印度、巴西和非洲。未来5年，非洲成为全球海底光缆发展最快的地区，年复合增长率达6.8%。近日，知名市场报告网站“企业与市场”发布了一份“海底光缆：全球战略商业报告”的市场报告。报告指出，到2018年，全球海底光缆累计敷设预计200万千米。如今，绝大多数的跨洋网络流量是通过有中继海底光缆系统传输，这是由于海底光缆相比卫星具有更高的传输效率，卫星通常作为补充手段。

国内市场前景看好。我国是一个海洋大国，拥有300多万平方公里的海域和18000公里长的海岸线，沿海分布有6000多个岛屿，国内沿海岛屿发展急需通信保障。有中继海底光缆通信系统是沿海岛屿与城市之间通信的重要传输手段，对较长距离岛屿的通信尤其是军用保密通信都需要通过有中继海底光缆通信系统来解决。根据国家目前的海缆建设情况及沿海经济建设规划的需求，海缆系统建设将会相应扩大。另外，包括海上石油平台通信与电力输送等也可通过有中继海底光缆通信系统解决，根据我国石油发展规划，我国海洋石油开发将迎来一个高速发展期。

四、技术发展趋势

随着近年来光纤通信技术的快速发展，许多新技术和新产品得以应用，有中继海底光缆传输系统主要呈现出以下发展趋势：更高系统带宽、高频谱效率、新型光纤技术、新调制编码技术等。在未来海缆系统中水下光中继器将采用C+L波段并行EDFA、拉曼放大器等方式实现大带宽。超宽传输频带需要精确的色散管理和增益均衡，提高频带效率是追求每光纤总容量的另外一个课题。海底光缆系统一直在追求高的传输速率，提高线路速率会降低系统受光纤色散和非线性效应的能力，因此新型光纤和光纤配置方案在试验系统中出现。另外，新的调制接收技术以及前向纠错技术也在研究中。在新一代传输系统中，系统PMD将是限制系统传输距离的一个重要因素，除选择PMD极低的光纤外，选择PMD低的中继器元件也变得十分重要。基于100G的系统，在低非线性效应、色散斜率补偿、低PMD光纤技术和先进的调制接收、前向纠错、编码技术支撑下，将投入商用。

对现有系统的升级扩容是其另一个发展趋势。海底光缆系统是一种宝贵的通信资源，新系统筹建并不简单，为满足日益增长的业务需求，对现有系统升级改造是比较现实的做法，通常是通过对陆上设备升级改造实现系统容量及性能提升。对系统中还存在空闲的频谱资源的情况，考虑如何利用好剩余的资源实现最终容量的最大化。对原有设计容量已经饱和的情况，考虑如何突破原有容量设计的方案实现容量提升。可通过波长提速替换（如10G替换为40G）、可用带宽扩展、缩小波长间隔增加波长数目等方式实现。

国内发展方面，有中继海缆系统将尽可能的实现国产化建设，以提高安全保密性能并提升民族产业竞争能力。从中国电科34所、中天科技、亨通等国内企业参与海缆项目建设，到2012年华为海洋实现首次盈利，标志我国海缆系统企业正逐步成长，可逐步与外企抗争。另外，国内新建有中继海缆系统将考虑与海洋观测网、海洋警戒网的融合。三网融合的规划设计、安全可靠运行和长期维护及管理机制需要进一步研究探索。三网融合后，对有中继海底光缆通信系统远供电源系统、水下中继器和海底光缆提出了新的要求。首先，有中继海底光缆通信系统中成熟的供电方式并不完全适合融合后的网络，需要进一步研究并联或串并馈电系统的方式方法和可靠性。再次，水下光中继器不只要放大海缆通信系统的传输信号，还要放大观测网和探测网的传感信号，这对水下中继器提出了新的要求。另外，要求主干海缆不仅要承受高电压，还要承载比通信缆大数倍的大电流，支线海缆预计要求多极缆。

五、结束语

我国是一个海洋大国，党的十八大首次提出了建设海洋强国的战略目标，清晰地指出了未来中国走向海洋、依托海洋、开发海洋和保护海洋的目标和方向。凭借着市场需求的不断增加及相关政策支持将越来越受宠，有中继海缆系统的发展迎来了难得的战略发展机遇。近些年来我国有中继海缆通信技术在不断发展，与国际先进水平更加接近。我们应该紧随新技术的发展步伐，加快我国有中继海底光缆通信系统的建设脚步，提高我国的国际及国内通信能力。

参 考 文 献

[1] 董峰. 海底光缆传输系统升级改造可行研究及关键技术分析[J]. 广东通信技术，2012， 12：17-23.

[2] 王卫昀. 海底光缆系统设计及线路佘量的考虑[J].电信工程技术与标准化， 2006， 3：42-44

[3] 张健. 海底光缆的通信技术[J].数字技术与应用，2011，9：25。

[4] 王海鸥.海底光缆传输系统及其应用研究[D].南京邮电大学硕士学位论文.南京： 南京邮电大学，2009。

对现有系统的升级扩容是其另一个发展趋势。海底光缆系统是一种宝贵的通信资源，新系统筹建并不简单，为满足日益增长的业务需求，对现有系统升级改造是比较现实的做法，通常是通过对陆上设备升级改造实现系统容量及性能提升。对系统中还存在空闲的频谱资源的情况，考虑如何利用好剩余的资源实现最终容量的最大化。对原有设计容量已经饱和的情况，考虑如何突破原有容量设计的方案实现容量提升。可通过波长提速替换（如10G替换为40G）、可用带宽扩展、缩小波长间隔增加波长数目等方式实现。

国内发展方面，有中继海缆系统将尽可能的实现国产化建设，以提高安全保密性能并提升民族产业竞争能力。从中国电科34所、中天科技、亨通等国内企业参与海缆项目建设，到2012年华为海洋实现首次盈利，标志我国海缆系统企业正逐步成长，可逐步与外企抗争。另外，国内新建有中继海缆系统将考虑与海洋观测网、海洋警戒网的融合。三网融合的规划设计、安全可靠运行和长期维护及管理机制需要进一步研究探索。三网融合后，对有中继海底光缆通信系统远供电源系统、水下中继器和海底光缆提出了新的要求。首先，有中继海底光缆通信系统中成熟的供电方式并不完全适合融合后的网络，需要进一步研究并联或串并馈电系统的方式方法和可靠性。再次，水下光中继器不只要放大海缆通信系统的传输信号，还要放大观测网和探测网的传感信号，这对水下中继器提出了新的要求。另外，要求主干海缆不仅要承受高电压，还要承载比通信缆大数倍的大电流，支线海缆预计要求多极缆。

五、结束语

我国是一个海洋大国，党的十八大首次提出了建设海洋强国的战略目标，清晰地指出了未来中国走向海洋、依托海洋、开发海洋和保护海洋的目标和方向。凭借着市场需求的不断增加及相关政策支持将越来越受宠，有中继海缆系统的发展迎来了难得的战略发展机遇。近些年来我国有中继海缆通信技术在不断发展，与国际先进水平更加接近。我们应该紧随新技术的发展步伐，加快我国有中继海底光缆通信系统的建设脚步，提高我国的国际及国内通信能力。

参 考 文 献

[1] 董峰. 海底光缆传输系统升级改造可行研究及关键技术分析[J]. 广东通信技术，2012， 12：17-23.

[2] 王卫昀. 海底光缆系统设计及线路佘量的考虑[J].电信工程技术与标准化， 2006， 3：42-44

[3] 张健. 海底光缆的通信技术[J].数字技术与应用，2011，9：25。

[4] 王海鸥.海底光缆传输系统及其应用研究[D].南京邮电大学硕士学位论文.南京： 南京邮电大学，2009。

对现有系统的升级扩容是其另一个发展趋势。海底光缆系统是一种宝贵的通信资源，新系统筹建并不简单，为满足日益增长的业务需求，对现有系统升级改造是比较现实的做法，通常是通过对陆上设备升级改造实现系统容量及性能提升。对系统中还存在空闲的频谱资源的情况，考虑如何利用好剩余的资源实现最终容量的最大化。对原有设计容量已经饱和的情况，考虑如何突破原有容量设计的方案实现容量提升。可通过波长提速替换（如10G替换为40G）、可用带宽扩展、缩小波长间隔增加波长数目等方式实现。

国内发展方面，有中继海缆系统将尽可能的实现国产化建设，以提高安全保密性能并提升民族产业竞争能力。从中国电科34所、中天科技、亨通等国内企业参与海缆项目建设，到2012年华为海洋实现首次盈利，标志我国海缆系统企业正逐步成长，可逐步与外企抗争。另外，国内新建有中继海缆系统将考虑与海洋观测网、海洋警戒网的融合。三网融合的规划设计、安全可靠运行和长期维护及管理机制需要进一步研究探索。三网融合后，对有中继海底光缆通信系统远供电源系统、水下中继器和海底光缆提出了新的要求。首先，有中继海底光缆通信系统中成熟的供电方式并不完全适合融合后的网络，需要进一步研究并联或串并馈电系统的方式方法和可靠性。再次，水下光中继器不只要放大海缆通信系统的传输信号，还要放大观测网和探测网的传感信号，这对水下中继器提出了新的要求。另外，要求主干海缆不仅要承受高电压，还要承载比通信缆大数倍的大电流，支线海缆预计要求多极缆。

五、结束语

我国是一个海洋大国，党的十八大首次提出了建设海洋强国的战略目标，清晰地指出了未来中国走向海洋、依托海洋、开发海洋和保护海洋的目标和方向。凭借着市场需求的不断增加及相关政策支持将越来越受宠，有中继海缆系统的发展迎来了难得的战略发展机遇。近些年来我国有中继海缆通信技术在不断发展，与国际先进水平更加接近。我们应该紧随新技术的发展步伐，加快我国有中继海底光缆通信系统的建设脚步，提高我国的国际及国内通信能力。

参 考 文 献

[1] 董峰. 海底光缆传输系统升级改造可行研究及关键技术分析[J]. 广东通信技术，2012， 12：17-23.

[2] 王卫昀. 海底光缆系统设计及线路佘量的考虑[J].电信工程技术与标准化， 2006， 3：42-44

[3] 张健. 海底光缆的通信技术[J].数字技术与应用，2011，9：25。

[4] 王海鸥.海底光缆传输系统及其应用研究[D].南京邮电大学硕士学位论文.南京： 南京邮电大学，2009。