海底光缆传输网及其关键技术研究∗

2023-11-15赵锦波张术新

舰船电子工程 2023年8期

叶璇赵锦波张术新夏艳

（1.中国船舶集团有限公司第七二二研究所武汉 430205）（2.湖北科技学院咸宁 437100）

1 引言

海底光缆传输网以海底节点为枢纽，以海底光电复合缆为传输通道，布置在海底及海水中的各类传感器/探测设备接连在海底网络节点，从而形成一个可实现信息传输和电能供给的海底网络。它能长期、实时、准确、全面地获取各种海洋环境、目标活动等信息，为海洋环境保护、海洋资源开发利用、国防安全等方面提供稳定的信息支撑保障。

2 国内外海底光缆传输网发展现状

2.1 国外发展现状

在军用领域，美军已将海底光缆传输网应用于水下探测、通信、导航、定位等领域。美海军建设的“近海海底持续监视网”（PLUSNet）是一种水下机动和半自主控制的海底固定通信网络，其利用UUV 作为移动节点，浮标、潜标和水下传感器探测阵列作为固定节点，通过协同工作实现对常规潜艇的探测、跟踪和定位［1］。

1999年美海军提出了部队网（FORCEnet）的概念及发展目标，其目的是为形成网络化作战力量，在恶劣条件下为美海军提供决策信息。该网络采用海底光缆网络作为整个体系中的海底主干传输网络，并接入各类传感器、探测设备等海底固定式传感节点，从而实现指挥通信、水下警戒探测、定位导航等功能［2～3］。

在民用领域，海底光缆传输网主要作为海底科学观测网，为挂载的海底科学观测仪器提供信息传输和电能供给。

美国海洋观测网系统（Ocean Observation Initiative，OOI）2009 年开始建设，2015 年建成，依托880km 海底光电缆，连接7 个海底基站，构成环形拓扑结构，最大水深3000m。该系统提供10Gbit/s通信带宽，采用恒压供电模式，最高电压10kVDC，基站信息传输速率2.5Gbit/s，电能输出8kW［4］。

加拿大海底观测网（Ocean Networks Canada，ONC）在2013 年建成，依托800km 海底光缆，连接6个海底节点，形成环形拓扑。该系统干线带宽10Gbit/s，采用10kV 恒压供电，海底节点接入带宽2.5Gbit/s，供电能力9kW［5］。

日本海底地震海啸预警网（S-net）于2015年建成，依托5700km 海底光缆，构成6 个S 形链式网络。每个S 形链式网络包括25 个观测站，共计150个观测站。网络采用恒流供电模式，最高供电电压约为3kV［6］。

2.2 国内发展现状

国内用于陆地与海岛、海岛与海岛之间的传统海底光缆通信装备相对完备，已有商用的岸基终端传输设备、有中继海底光缆、海底光缆中继器等，但岸基远供电源设备依赖美国进口，海底节点等海底光缆传输网水下核心装备基本空白。

目前，受装备和技术的限制，我国没有具备信息传输、电能传送、海底接入等功能的大规模海底光缆传输网，现有观测网、警戒网、导航网建设主要是利用海底光缆线路作为传输手段。

在我国海底观测网建设中，海底观测仪器接驳在海底光缆上，将观测仪器的观测信息通过海底光缆回传给岸基信号处理设备。2009 年，同济大学在东海小衢山岛附近建成了我国第一套海底观测试验系统，光电缆全长35km，水深约50m，开展了短期试用［7］。2013 年5 月，中科院南海所在三亚建成海底观测示范系统，光电缆长2km，工作水深20m。2016 年9 月，中科院声学所在海南陵水附近海域建成南海海底观测网试验系统，光电缆长150km，最大工作深度1750m，恒压供电10kV，传输带宽千兆级，获取了相关海域的海洋环境数据，实现对南海环境的观测。2017 年3 月，同济大学、中科院声学所联合承担的国家“十二五”重大科技基础设施建设项目“国家海底科学观测网”可行性研究报告被正式批复，建设周期5 年，将在我国东海和南海海域建设基于光电复合缆总长约3000km的海底科学观测网［8］。

3 海底光缆传输网关键技术研究

现有海底光缆网络拓扑结构多是链式或环形，抗毁保护能力有限，只能抗击单点故障。为提高海底光缆传输网的抗毁生存能力，网格状海底光缆网络拓扑结构被提出。随着海洋业务需求增大，海底光缆传输网的结构复杂度和规模提升，传统海底光缆网络采用的总体架构、信息传输和远程供电技术均不能满足新型海底光缆传输网的发展需求，亟待开展相关关键技术研究。

3.1 海底光缆传输网总体架构

海底光缆传输网由信息接入与传输、远程供电、海底节点、综合网络监测四个部分组成，如图1所示。信息接入与传输主要是通过传感器、水下探测设备将各种水下信息接入到海底节点中，通过海底光电复合缆将信息传输到岸基信息中心，岸基信息中心可以实时在线监测海底节点、海底光电复合缆、供电设备、传感探测设备的工作运行状态，及时上报线路和设备的告警和性能，远程供电保障海底光缆传输网能源供给，将岸基电能通过海底光缆网络传输至深远海的海底节点，为接驳的海底业务设备提供稳定持续电能。同时对于大规模多节点的网格式海底网络，远程供电管理系统对海光缆网络的电能传输进行调度分配，在海光缆有限故障情况下，大部分水下节点仍然能得到电能供给。

图1 海底光缆传输网组成图

3.2 海底信息接入与传输技术

海底光缆传输网是以光缆通信网络作为信息传输平台。考虑到海底节点要接入多个传感/探测设备，而海洋探测的信息种类、格式繁多，海底节点接入端为多种传感/探测设备的工作状态信息提供不同的通信接入接口，并在同一海底节点实现多路信息同时在本地上下和传输，数据信息经海底节点汇聚后通过光缆传输至岸基信息中心，实现海洋信息的接入、汇聚和综合处理。在目前陆地上成熟的光传输技术中MS-OTN，即能符合海底光缆传输网络的传输需求，又能满足后期系统兼容和扩展的能力需求，将其作为信息接入与传输技术的方案基础。

MS-OTN是在OTN技术的基础上，增强对分组（PKT）业务的处理能力，增加了分组调度和处理、VC 交叉调度、层间适配和同步处理等功能，将OTN、TDM 和分组技术进行整合，实现对各类业务的统一、灵活传送。MS-OTN 设备集中交叉型功能模型如图2 所示，可根据业务需要配置电交叉、光电混合交叉等不同的方式。

图2 MS-OTN设备集中交叉型功能模型图

可根据不同业务调度需求选择不同的业务处理流程［9］，包括：

1）ODUk 交叉调度方式：业务经过ODUk 封装后，直接进行OTN 线路接口处理，或者通过ODUk交叉调度模块调度后再进行OTN线路接口处理。

2）VC 交叉或分组交换调度方式：业务通过VC适配或分组处理模块封装映射后，经过VC 交叉或分组交换后，再经过ODUk 封装后，再进行OTN 线路接口处理［10］。

电交叉能灵活处理VC、ODU 和PKT 平面任意颗粒的多业务自由调度，根据业务的属性提供不同颗粒度的处理方式，最终匹配到最合适的ODUK 管道中传送，如图3所示。

光交叉使用CDC ROADM（Colorless Directionless Contentionless ROADM）技术实现波长无色、无方向、无阻塞的动态调度［11］，即调度将来自不同方向的任意波长到本地任意端口下波，也可以调度本地任意端口上波的任意波长到不同方向，其中ROADM 基于多端口WSS（Wavelength Selective Switching）实现节点多维度和波长上下，典型的四维CDC ROADM如图4所示。

图4 四维CDC ROADM示意图

目前，MS-OTN 技术在陆地光缆传输网中得到广泛商用，但是陆地光传输设备功耗大，在数千瓦级。水下的光传输设备依靠岸基电源进行远程供电，从可靠性、散热和水下特殊环境考虑，低功耗要求严格（百瓦级），因此，水下光传输设备需要重点对MS-OTN 中业务单元、光放大单元、交换单元等主要大功耗部件进行降功耗设计，使设备功耗从数千瓦级降到百瓦级，满足水下综合业务信息大容量传输要求。

3.3 海底远程供电技术

海底远程供电技术采用直流高压输电方式，将岸基电能通过海底光电复合缆传输至远距离海底节点，经过海底节点电能变换，转换为各接入业务设备所匹配的电能。根据传输线路承载电能类型，可分为恒压供电与恒流供电两大类［12～13］，如图5所示。

图5 两种供电体制的水下远供系统示意图

对于恒压供电网络，类似于陆地传输电网，岸基电源供给传输网络恒压电能，保持传输线路电压稳定，水下节点并联方式挂接在传输网络上。系统线路电压维持恒定始终保持不变。水下节点电源则实现从高压到中低压的电能变换，给水下业务设备配给中低压电能。该种供电体制优点是传输功率容量大、容易分支可扩展性强，主要用于海底科学观测网这种开放型网络，方便业务扩展。但是存在以下难题：1）线路上均为高电压，为匹配海底业务设备用电需求，节点需实现高变比电压变换；2）一旦系统线路故障，故障点电压拉低，导致系统崩溃。

对于恒流供电网络，岸基电源供给传输网络恒流电能，保持传输线路电流稳定，水下各节点输入端串联在主干海缆中。水下节点电源则实现从恒流电能到恒压电能的变换，给水下业务设备配给匹配电能。该种供电体制已经应用于跨洋海底光缆中继通信工程中，可实现kW 级别传输容量，线路故障定位方便，对海水短路故障抵抗能力强。当海水短路故障发生时，线路电流通过海水回流，岸基远供电源自适应调整输出电压，只要电流回路存在，整个系统仍然稳定供电。该供电体制适用于高可靠性、抗毁生存、布局相对固定的海底网络。但是该体制实现电流分支困难，相关技术有待突破。

根据海底光缆主干网络物理结构，主要分为三种供电拓扑形态：单端树型拓扑、双端环形拓扑以及网格状拓扑。第一种拓扑为树型结构，如图6（a）所示。网络结构为树状分叉形态，单端岸基电源给一条主干海缆供电，为一对多方式，该拓扑简单易扩展，方便故障定位和隔离，但是严重依赖单岸基站。另一种则是环形结构，如图6（b）所示。该拓扑的两端分别联接各岸端远供电源。当海缆单点故障后，供电网络从故障点分为两个独立树型结构供电网络。单端岸基故障后，则可有另一端岸基给整个网络供电。因此该拓扑可抵抗单点海缆故障和单端岸基故障，输电更加可靠。跨洋海底通信光缆网络即采用此种拓扑。第三种则是网格状拓扑，如图6（c）所示。主干网络通过水下节点构成网格状，多个岸端供电，水下节点从多条供电路径获取电能。该拓扑技术难度和建设成本最大，但是由于具备多路由冗余输电能力，系统具有良好的抗故障能力，输电可靠性最高。需要突破海底节点电能变换技术、海底电能分支调度等关键技术，实现海底大功率、高效率、高可靠、远距离的电能传输与配送。

图6 海底光缆网络供电拓扑

在该网络拓扑中水下节点需配置本地取电电源和电能分支器，如图7 所示。节点本地取电电源则采用海底节点电能变换技术，从主干海缆上获取恒压或恒流电能，转换为本地负荷所需的匹配电能。电能分支器采用海底电能分支调度技术，实现从一方向向多方向的电能传输调度，对网格状主干线路的电能传输进行控制。根据两种供电制式不同，电能分支器可分为电压型电能分支器和电流型分支器。电压型电能分支器由高压开关投切倒换实现，需在研究高压直流故障隔离保护，在出现海缆短路故障时，快速检测定位故障点，在系统崩溃之前将故障海缆切除。国内已有单位研究该高压直流故障隔离技术［14］，其快速响应和工作可靠性还有待工程应用检验。电流分支器则由恒流/恒流电能变换器实现，将一路恒流电能变换为电气隔离的另一路恒流电能，从而实现恒流电能的多方向组网传输。在此方面，国内仅进行了理论建模和原理样机的研究［15］，还未见工程应用的报道。

图7 海底节点供电功能组成框图

3.4 海底节点设备技术

海底光缆传输网需要具备海底传感/探测设备信息接入和供电输出的能力，同时需具备极高可靠性，通常设计寿命为25 年。海底节点设备工作环境苛刻，要解决耐水压、抗腐蚀、在有限的密闭空间散热等问题，在设计上需充分考虑器件降额、备份，以及整机的绝缘及散热，实现高可靠性。

海底节点设备设计为主干海缆分离单元、光路交换单元、电能分支单元、电能供配单元、信息传输控制单元以及设备接入单元，如图8所示。

图8 海底节点设备组成框图

主干海缆分离单元完成主干海缆的光路和电路的分离，分配给光路传输与控制单元、电能传输与控制单元。光路交换单元实现多方向光路由交换、传输、保护，完成本地多路接入设备的信息的汇聚、处理与中转。信息传输控制单元完成海底节点本地运行状态监控与上传，接收岸基下发管控指令。电能分支单元完成供电路由切换，分支电能变换，实现纵向和横向主干链路之间的电能双向交互，即主干线路的电能调度传输、冗余保护和隔离。电能供配单元对多路接入海底业务设备提供电能，完成电能输入输出通道的状态监测，能源调度，故障监测与隔离保护控制等。设备接入单元则为海底业务设备提供多路信息与电能接入的标准接口，完成多个传感器/探测设备接入海缆的光路和电路的复合。

3.5 海底光电综合网络监测技术

海底光电综合网络监测主要包括海光缆线路监控技术和供电监控技术。海光缆线路监控技术通过COTDR（Coherent Optical Time-Domain Reflector）利用参考光对长距离海光缆中的后向瑞利散射信号进行检测，来判断光缆中的非正常衰减和反射现象，以此实现海光缆线路快速故障定位。COTDR 探测光使用光通信线路中的一个预留波长通道，以避免在线检测时对业务通信信道的干扰，将远程检测的光缆状态以及信息传输状态等信息统一上报给岸基信息中心。还可以通过与数据库中的历史数据对比分析COTDR 测试波形的变化，来判断海光缆的劣化状态并预估其使用剩余使用寿命，预先排除隐患。供电监控技术通过对海光缆线路、海底节点的电压、电流的检测，实时监控海光缆线路输电和海底节点电源的工作状态，实现及时识别过流/过压故障和接地故障，向岸基信息中心上报告警信息，便于运维人员采取应急预案，通过对故障进行隔离处理，切换备用供电线路等方式，防止局部故障对整个海底光缆传输网造成影响和破坏。