海南自贸港国际海底光缆与登陆站规划研究

2022-11-10刘兴华

广东通信技术 2022年10期

［刘兴华］

1 引言

2021年6月，第十三届全国人民代表大会常务委员会第二十九次会议通过《中华人民共和国海南自由贸易港法》，海南自由贸易港的建设进入了实质性阶段。海南自贸港的成立，必然伴随着大量的国际通信需求，海南需超前谋划推进信息化和网络设施的建设。建设国际海底通信光缆（以下简称海缆）及国际海底通信光缆登陆站（以下简称海缆站），能极大改善海南跨国通信水平，为海南主动转型调结构，培育新产业提供通信保障，助力海南数字自由贸易港建设。

我国的国际海缆及海缆站主要分部在东部沿海，近海由于渔船锚泊或拖网捕捞造成的海缆断裂频繁发生，曾发生某个海缆站所有国际海缆几乎同时中断的情况，造成国际通信出境带宽大面积拥塞。在海南建设国际海缆及海缆站有利于分散我国海缆过度集中局面，与其它海缆站进行异地备份及容灾调度，提升我国国际通信业务整体安全性。

本文从海南国际通信业务需求出发，建立业务分析模型，并根据网络特点规划业务路由，结合海缆传输技术的发展，提出海南自贸港国际海缆与海缆站的发展规划。

2 业务需求分析

2.1 业务分析模型

（1）业务流向分析

亚太内部是国际海缆带宽需求的热门方向，根据电信市场调研公司TeleGeography分析数据，2021年亚太内部已用国际海缆带宽已接近到200 Tbit/s，并保持高速增长态势。海南位于中国最南部，是我国面向亚太的重要对外开放门户，海南国际通信网络主要与北面的香港、东北亚，以及南面的东南亚等地区互联。

北面的香港是一座高度繁荣的自由港和国际大都市，根据TeleGeography数据，2021年香港排在全球国际互联网交换中心第6位。日本是全球第三大经济体，亚洲至美洲方向80%以上的海缆带宽需要在日本转接。韩国的制造业与科技产业发达，高速互联网服务闻名世界。

南面的东南亚地区在全球经济发展热度领先，是中企活跃程度最高的地区。印尼、菲律宾、越南均为人口超过或接近1亿的大国，发展潜力巨大。新加坡排在全球国际互联网交换中心第5位，绝大部分的亚非欧海缆都在新加坡落地或者转接。

海南的国际通信业务主要向北连接香港、东北亚地区，向南连接东南亚地区，并通过这些地区丰富的国际海缆资源连接世界各地。

（2）业务类型分析

海南自贸港成立后，海南很有可能设置为与京沪穗同等地位的全业务国际业务出入口局，届时海南将具备落地国际专线、国际互联网等全业务权限。海南自贸港将以其独特的地理位置，开放的市场政策，被打造为国际互联网转接中心，有大量不落地中国大陆的互联网转接需求。另外，海南作为中国主要的国际海缆信道口之一，将转接中国境内其它地区出境的国际业务。因此，海南国际业务主要分为4大类型：① 海南落地的国际专线业务；② 海南落地的国际互联网业务；③ 经海南不入境中国大陆的互联网转接业务；④ 转接中国境内其它地区的南向国际业务。

根据以上通信业务流向及业务类型分析，提出海南国际通信业务分析模型如图1所示。

图1 海南国际业务需求模型

2.2 定量需求预测

国际海缆及海缆站的建设一般需要3至4年时间，按2022年启动建设，预计2025年左右投产。海缆站的设计使用年限一般为50年，海缆的设计使用年限为25年，时间跨度都比较大。国际环境复杂多变，远期的需求预测很难精准，时间过长，可能的偏差过大。本文按第1条海缆的设计使用年限，即2025年至2050年，预测海南25年间的国际业务需求。

根据TeleGeography分析数据，全球国际互联网带宽2017-2021年复合增长率为29%。据中国互联网络信息中心最近一期数据统计，我国国际互联网带宽年增长率约为20%。海南成立自贸港初期，由于国际通信业务存量小，将迎来快速增长期，随着业务体量的增大，业务增速将会逐渐放慢。海南各类国际业务预测如下：

① 国际专线业务：预计2025年南北向的业务量均达到0.8 Tbit/s，初始按35%的年增长率预测业务带宽，增长率逐年下降1%，到达20%时稳定。

② 国际互联网业务：中国国际互联网业务出入口局目前有北京、上海和广州，海南作为第四个国际互联网业务出入口局，将承载其中10%的业务量，预计2025年南北向的业务量均达到1 Tbit/s。初始按25%的年增长率预测业务带宽，增长率逐年下降1%，到达20%时稳定。

③ 互联网转接业务：预计2025年南北向的业务量均达到0.7 Tbit/s，初始按35%的年增长率预测业务带宽，增长率逐年下降1%，到达20%时稳定。

④ 转接中国境内其它地区（国内大网）南向国际业务：中国境内其它地区发起连接东北亚及转接美洲方向的业务经海南出境存在路由绕转，而且东部沿海登陆海缆资源丰富，能满足北向业务带宽及路由多样性的需求，因此仅考虑中国境内其它地区发起连接东南亚及转接欧洲、非洲方向的业务。预计2025年南向国际业务中80%经上海、广东、香港等海缆站出境，20%（约1.4 Tbit/s）经海南出境。初始按25%的年增长率预测业务带宽，随着中国更多海缆站陆续筹建，增长率逐年下降1%，到达20%时稳定。

根据以上业务安排及增长率推算，2025年至2050年海南国际通信业务需求预测如表1～2所示。预计到2050年，海南北向业务需求将达到481.8 Tbit/s，南向业务需求将达到 638.9 Tbit/s。

表1 海南出境北向业务需求到达量（单位Tbit/s）

表2 海南出境南向业务需求到达量（单位Tbit/s）

3 路由承载策略

海南出境的北向国际业务可由海南国际海缆及穿中国大陆再转接海缆路由承载。中国大陆光缆资源丰富，建设成本相对较低，海南出境的北向国际专线及互联网业务可通过这两个路由负荷分担，增强网络安全性。互联网转接业务由海南国际海缆承载。

海南出境的南向国际业务经中国大陆再转接海缆路由存在一定绕转，增加时延和成本，可作为备用路由承载部分国际专线及互联网业务。大部分南向国际业务由海南国际海缆承载。互联网转接及转接大网业务均由海南国际海缆承载。各种业务路由承载比例如图2所示。

图2 海南业务承载示意图

根据以上路由安排，预计到2050年，海南北向业务中经海南国际海缆承载的量达到324.4 Tbit/s，占海南北向国际业务的67%。海南南向业务中经海南国际海缆承载的量达到533.3 Tbit/s，占海南南向国际业务的83%。如表3所示。

表3 海南国际海缆承载业务量（单位Tbit/s）

4 国际海缆与海缆站规划

4.1 海缆网络拓扑

早期的国际海缆一般采用点对点或者环状的结构，随着基于WSS技术的ROADM广泛应用，水下光电分支器（BU）能灵活上下任意波长，使得海缆系统组网更为灵活[1]。国际上近期建设的海缆主要采用鱼骨状结构，以更小的建设成本连接更多的国家和地区。根据海南国际业务的流量流向及海南所处的地理位置分析，海南国际海缆适宜采用鱼骨状结构，如图3所示。

图3 海南国际海缆拓朴图

根据业务需求分析，海南南向的国际业务量比北向大，仅采用鱼骨状结构的海缆还不能很好匹配业务发展，需要另外建设南向的海缆应对南北流量的不均衡。

4.2 海缆设计带宽

国际海缆提升系统带宽主要有两种手段，一是尽可能提高每条海缆配置的纤芯数量，二是最大限度提升每对纤芯的传输带宽[2]。

早期的国际海缆受中继器集成度、电源远供电压等限制，每条海缆能配置的纤芯数较少，上万公里的跨洋海缆甚至最多只能配置4对纤芯。随着海缆高效泵浦驱动、多纤对泵浦共享、超高电源远供电压等技术的突破[3]，海缆可配置的纤芯数量有很大的提升。目前带中继海缆已有配置16对纤芯的系统，未来将向24对甚至32对纤芯的系统发展，可大幅提升海缆系统带宽。

波分复用是海缆传输的主流技术，在过去的二十多年取得了飞速发展。100 Gbit/s波x 80波的波分复用系统在2013年左右大规模商用，一对纤芯的设计带宽达到8 Tbit/s。200 Gbit/s波 x 120 波的波分复用系统预计在 2025年左右大规模商用，一对纤芯的设计带宽达到24 Tbit/s。2013年至2025年一对纤芯的设计带宽年复合增长率达到10%。未来随着L波段波分技术的成熟商用，以及单波400 G/800 G/1.2 Tbit/s技术的出现，设计带宽会更进一步增加[4]。本文按每年10%的增幅测算未来一对纤芯传输系统的设计带宽，未来一对纤芯传输系统的设计带宽如表4所示。

表4 波分复用系统设计带宽（Tbit/s）

4.3 海缆投资模式

国际海缆的投资运营主要有俱乐部海缆及私营海缆两种方式。俱乐部海缆由经营国际通信的运营商共同出资建设、管理和维护海缆系统；投资各方分摊海缆系统的建设和维护费用，并拥有相应权益。俱乐部方式的优点是其投资方均为通信运营商和大的互联网公司，抗经济风险能力强；缺点是参与方各自利益不同，决策和管理效率较低。

私营海缆由国际财团、银行或其他金融机构甚至海缆系统的供应商建立一个控股公司，融资建设海缆系统。建设一条国际海缆投资可达数亿美元，要求投资私营海缆的公司具备雄厚的资本，并且需要独自承担投资风险。一条海缆的设计带宽可达200 Tbit/s以上，如此大的带宽如何合理使用也是一个挑战。

海南初期的国际业务量并不大，宜采用俱乐部方式投资国际海缆。后续根据业务量的增长，适时参与更多俱乐部海缆建设，既能动态匹配业务发展，提升经济效益，还可以分散业务承载路由，提升网络安全性。

4.4 海缆规划

国际海缆规划需以数据驱动为方法、以投资预算为约束，动态建设海缆以匹配业务发展。根据业务需求及海缆技术发展，海南国际海缆的建设计划如下：

第1条国际海缆预计在2025年投产，配置北向路由、南向路由各1对纤芯（本文仅考虑与海南相关的纤芯配置，下同），设计带宽按24 Tbit/s对纤考虑。

为增加海南国际海缆路由的多样性，提升网络安全，需尽早启动第2条海南国际海缆建设。第2条国际海缆预计在2030年投产，配置北向路由、南向路由各2对纤芯，设计带宽按39 Tbit/s对纤计算。

南向业务量较北向大，为解决南向带宽缺口，需增加建设南向海缆。第3条国际海缆预计在2040年投产，配置南向路由3对纤芯，设计带宽按100 Tbit/s对纤计算。另外配置若干对共建共享纤芯（直接引接至第三方通信机房，不占用海缆站通信机房空间及电源设施）。

第4条国际海缆预计在2045年投产，配置北向路由、南向路由各2对纤芯。设计带宽按161 Tbit/s对纤计算。

2050年第1条国际海缆退役，腾退的海缆站资源用于登陆第5条海缆。第5条国际海缆配置北向路由、南向路由各3对纤芯。设计带宽按260 Tbit/s对纤计算。

海南国际业务需求与海缆设计带宽对应如表5～6所示，表中已考虑退网海缆带宽的替代资源。海缆带宽能较好匹配业务发展，并且有一定的冗余带宽应对更远期的业务需求。

表5 北向路由海缆、纤芯及带宽规划

表6 南向路由海缆、纤芯及带宽规划

根据以上分析，海南国际海缆建设计划汇总如图4所示。

图4 海南国际海缆建设计划图

4.5 海缆站规划

海缆在岸滩人井内登陆之后，通常在岸滩接头盒内进行光电分离，将海缆的光纤及铜管进行剥离。光纤通过一段陆地光缆连接光耦合连接设备（OCJ），光耦合连接设备提供标准的接口与终端传输设备（TTE）以及线路监测设备（LME）互连[5]。铜管通过一段电缆连接电源远供设备（PFE），电源远供设备通过接地电缆连接海洋接地装置。海缆站系统结构如图5所示。

图5 海缆站系统连接示意图

海缆站建设涉及机房基础土建、机电、陆缆管道、陆缆传输等多个专业，需在海缆设备资源占用预估基础上，结合其他专业如延伸段传输设备的空间和电力需求，综合考虑海缆站的建设。

海南海缆站预计2025年投产，最快至2045年，即投产20年后，才有第4条海缆登陆。2050年第1条海缆退役后，第5条海缆利用原第1条退役海缆的机房资源。2050年后，海缆站已服役25年，剩余的服役期限比海缆的设计年限短，不适宜再登陆新的海缆。为提高海缆站空间、电源等设施的利用率，海南海缆站宜按登陆4条海缆（17对纤芯）的需求考虑，如图6所示。更远期的海缆登陆需求可通过在后期考虑建设第二海缆站承接。

图6 海南登陆海缆示意图

海南北向国际业务可通过中国大陆网络疏导，3条海缆路由能满足业务增量及路由多样性需求。南向业务需求量较大，且主要靠海缆承载，需要4条海缆路由才能满足业务增量及路由多样性需求。

国际环境存在地缘政治、政策监管、战争或制裁等风险，国际业务需求存在很大的不确定性，特别是中远期的需求预测，与实际情况可能会存在较大的偏差。因此海缆站规划方案需具备灵活性，以应对需求变化风险。如果实际需求小于预测，则会导致海缆站机房空间及电源过剩，造成投资浪费。因此海缆站通信机房的空间及电源配置不宜过大，尽可能按低方案考虑海缆设备的空间及功耗。如果实际需求大于预测，则会导致海缆站资源不够，无法满足业务发展。海缆站可以考虑多配置1条海缆的沙滩人井、陆缆管道、进线室空间等冗余资源，以满足突发的海缆登陆需求；海缆站仅考虑海缆公共平台设备的空间和功耗冗余，而其海缆终端传输设备通过陆地光缆延伸至附近市级或省级的通信机楼放置。