海底光纜傳輸網絡總體設計研究*

余 智 胡 波

(武漢船舶通信研究所 武漢 430250)

海底光纜傳輸網絡總體設計研究*

余 智 胡 波

(武漢船舶通信研究所 武漢 430250)

論文介紹了國外海底光纜傳輸網絡的最新研究和應用情況,提出了海底光纜傳輸網絡的拓撲結構,設計了系統的總體結構和重點研究設備。海底光纜傳輸網絡將海底分散的海洋環境觀測、地質勘探等科學研究節點組網,實現各類海洋科學信息至岸基的綜合傳輸與交換,具有高速、大容量的通信特點,是水下信息傳輸的重要手段,為深海科學研究提供關鍵技術支撐。

海底光纜網絡; 信息傳輸; 遠程供電; 接駁盒

Class Number TM933

1 引言

海底光纜通信一直是長距離通信的主要手段。海底光纜通信由于其大容量、高速率、抗干擾及隱蔽等諸多優點,是水下通信的必備手段,是海洋環境監測、海洋科學研究不可或缺的保障手段。發達國家已經將海底光纜通信網絡應用于海洋環境、氣候監測或大洋板塊運動等海底地質信息監測,研究海洋環境的變化或海底地質地貌以減輕地震等帶來的災害。如日本的ARENA水下實時監測網絡、加拿大與美國之間的NEPTUNE水下探測網絡[1]。利用海底光纜網絡進行長期、實時的海洋環境數據觀測,為描述和預測海洋環境變化提供充足的數據支撐。對于任何一個海洋大國,建立海底光纜通信網絡,加快對海洋的認識、研究和開發,非常有利于國家經濟建設。

2 國外海底光纜傳輸網絡發展情況及思考

2.1 東北太平洋海洋環境監測光纜網絡NEPTUNE(North East Pacific Time-Integrated Undersea Networked Experiment)

NEPTUNE是美國和加拿大聯合設計的東北太平洋海底觀測網,其海底光纜總長度約為3200km,節點間的間隔約為170km,由多種海洋觀測平臺組成,能長期實時連續地獲取所觀測海區海洋環境信息,為認識海洋變化規律,提高對海洋環境和氣候變化的預測能力提供實測數據支撐[2]。

圖1 用于海洋環境觀測的海底光纜傳輸網絡

該系統主要由三個部分組成:岸基監控中心、海底光纜傳輸網絡和海底觀測傳感儀器。岸基監控中心是海底光纜網絡的運行監控中心、電能傳輸管理中心和海洋環境科研數據分析中心。水下接駁節點是海底光纜傳輸網絡的水下傳輸及控制節點,其主要功能是實現信息和電能的中繼、傳輸、分配及控制。它不僅將從海岸基站監控中心傳輸來的DC 10kV高壓直流電能轉換為各種低壓直流電能,提供給不同的海底觀測傳感器使用,同時將各觀測傳感器采集到的原始數據信息(海水溫度、壓力等),通過骨干光纖網傳送到岸基監控中心。骨干光纖網采用光以太網技術、TCP/IP技術和自定義協議技術構建,實現各個水下節點和海岸基站之間的數據傳輸及通信控制。GPS衛星天文鐘完成整個海底觀測網絡系統的精確時間同步。NEPTUNE目標是建立區域的,長期的交互式觀測平臺,其節點連接示意圖如圖2所示。

圖2 觀測網絡節點平臺連接示意圖

2.2 水下實時地球監測網絡ARENA(Advanced Real-Time Earth Monitoring Network in the Area)

日本是最早利用海纜網絡系統監視地震和海嘯等的國家,2003年日本東京大學主持在圍繞日本列島海溝構筑總長3600km的區域性高級實時地球監視網ARENA計劃,利用鋪設在海底的纜式網絡系統,組成了水上、水下立體的長時間實時海洋監測系統,構筑起海洋學、地震學以及海底能源開采等多領域的應用平臺[3]。系統節點間距為50km,用66個節點覆蓋海底區域。間距為50km的每節點觀測浮標上鏈接上各種傳感器,由此達到多學科利用的目的。

圖3 日本新型實時監測ARENA網絡系統示意圖

系統擁有基于多個HDTV信號的傳送能力的寬海域傳輸功能,可在1ms內同步進行高精度的數據的傳輸;并具有極強的可擴充性,可隨意交換和追加傳感器及觀測站點。ARENA網絡中的各種測量儀器所獲得各種數據,可由陸地上的數據管理中心經Internet向各個研究機構和研究室傳送。高分辨率、實時的觀測數據可以通過互聯網在任何地方獲得,是ARENA的重要特征[4]。

2.3 發展思考

目前,海洋應用正在從單點向網絡式系統方向發展。單點觀測只能夠獲得局部的時空不連續的海洋數據,提供的數據不夠全面、難以深入；海底光纜將多節點平臺組成網絡,能長期實時連續地獲取所測海區的信息,為認識海洋變化規律、提高預測能力提供充足的實測數據支撐[5]。海底光纜網絡通信對于解決海洋科學信息傳輸問題越來越重要,對海底光纜網絡通信的研究設計也需逐步開展。

3 海底光纜網絡設計

海底光纖傳輸網絡將海底分散的海洋環境監測、通信、勘測、導航、定位等科學研究節點組網,實現各類海洋科學信息至岸基的匯聚、傳輸和交換,能解決水下大量原始數據信息傳輸的問題。其通過統一規范的信息傳輸接口掛接各種海洋科學儀器設備,應用范圍涉及海洋數據采集、海面探測、水下輔助導航定位、海洋資源勘測、目標定位、遠程水下控制及儀器測試等多個領域,具有廣泛的應用價值和前景。

3.1 網絡拓撲結構

海底光纜傳輸骨干網絡一般采用環形為主的結構,拓撲結構如圖4所示,其由多個節點通過海底光纜串行連接,呈鏈式結構,組成花邊型的環形網絡[6],環形拓撲的特點是:系統的通信生存能力和可靠性優于線形拓撲結構,效費比優于其它拓撲結構。各種海洋科學傳感器節點通過接駁設備連接到海底網絡,海底光纜就近直接連到岸基接入站,通過岸上陸纜網絡實現信息的共享、集中處理和分發。

圖4 海底光纜傳輸網絡拓撲示意圖

3.2 總體結構

如圖5所示,海底光纜網絡總體結構包含三個層次:岸基網絡、海底光纖傳輸主干網和傳感器接入子網。岸基網絡主要由岸上Internet網絡或光纜網絡組成,是海底光纜網絡的監視控制中心、電能輸送中心和數據處理中心。其將海底光纜網絡傳輸來的水下傳感器的原始數據信息實時進行分析處理和存儲,并完成各種控制指令的下發；岸基站系統還能實時監測海底光纜網絡的運行狀況,當出現問題時會及時報警、并自動診斷給出系統恢復方案。傳輸骨干網層依托海光纜由多個水下接駁盒連接組成,接駁盒是海底光纜網絡的水下核心設備,每個接駁盒里包含數據傳輸模塊、電能轉換模塊和網絡狀態監視控制模塊,實現信息和電能的中繼、分配與控制。骨干網絡可以采用模擬制或數字制光傳輸網絡、光以太網技術等技術構建,實現各個接駁盒之間以及接駁盒與海岸接入站之間的數據傳輸及通信控制。接入子網主要由水下各種傳感器及網絡接入設備組成,通過RS485/RS232等各種通信接口,實現對海底觀測傳感器原始數據信息的接入采集,以及與接駁盒傳輸設備之間的數據傳輸。

水下各個觀測傳感器采集到的原始數據信息(如海水溫度、壓力等),通過接入子網的接入設備實現信息的獲取,并轉換為統一接口將信息傳輸到接駁盒,通過骨干網絡光纜傳輸連接海岸接入站處理中心；各接入站收集的水下信息經岸基網絡匯聚到處理中心,實現信息的匯聚、綜合處理。

3.3 系統組成

海底光纜網絡主要由四個系統組成,為專用海光纜分支與接駁設備、水下信息傳輸與接入系統、遠程供電系統和綜合監測系統,共同完成水下設備的信息綜合傳輸和遠程供電的任務。重點研究內容如下:

1) 海光纜、分支與接駁設備

海底光纜承擔光信息的傳輸和供電信號的傳遞,為專用海光纜,特點是光纖芯數多、饋電電流大,可分為主干光纜和支線光纜兩類[7]。水下分支器主要完成主干海光纜的分支和電源的遠供,實現水下系統的遠供電及系統遠供電的重配置功能。

接駁設備保證各種電子設備與海水隔離,完成水下與陸地間信息和電能的接力傳遞與分配。接駁盒內部功能模塊主要包括電能轉換與分配模塊、數據傳輸模塊、監測管理模塊和時鐘分配等,接駁盒設備為接駁盒內各種電子模塊等提供一個水密和絕緣的空間,并為電能模塊提供散熱功能。

圖5 海底光纜網網絡傳輸結構圖

2) 水下信息傳輸與接入系統

水下信息傳輸與接入系統完成水下各類信息的處理接入和傳輸,主要功能是將各類水下傳感器、監控器進行數據接入、匯聚與復用,并逐步匯入骨干網絡傳輸流,通過海底光纜傳輸到岸基控制中心,并將來自岸上的控制指令送到相應水下科學研究節點設備。

水下信息的傳輸與接入方案可有兩種選擇:一種是采用MSTP設備的SDH時分復用傳輸方案；第二種方案是采用波分復用技術,每一個節點分配一個波長。兩種方案都能充分兼顧和滿足海底光纜網絡對安全、可靠性的要求,能在環形網絡中形成環路實現自愈保護與倒換功能。

3) 遠程供電系統

由于水下環境的特殊性,水下節點的信息和電能均需岸基經海纜長距離傳送。遠程供電系統提供水下設備、分支與接駁設備工作所需的電源,完成對水下所有設備的遠程供電。供電分系統是海底光纜網絡的基礎[8]。

遠程供電系統包含岸基和水下供電兩部分,岸基供電系統因考慮遠距離供電電壓衰減,一般為高壓恒流大功率設計,并具有1+1保護的設備,滿足岸基至水下節點之間遠距離直供能源的需要。水下供電模塊主要電源轉換模塊,主要將高壓恒流電源轉換為水下節點設備所需的工作電壓[9]。

4) 綜合監控系統

由于海光纜傳輸網絡在水下工作環境惡劣、無人值守、易出故障,需要設計綜合監控系統,實現對海光纜網絡傳輸的遠程監視與控制,對海光纜、傳輸設備、供電設備、接駁盒和傳感設備等各種水下設備的工作情況進行監測與控制。

綜合監控系統主要實現以下功能:

(1)電源系統的監視、告警與故障顯示;

(2)海底光纜、光接口及支路接口的監視;若發生故障,自動警告并定位故障；

(3)水下傳輸設備的監視及遙控;

(4)水下設備的工作狀態監視、告警和進行系統性能管理、參數的設置[10];

(5)數據的采集和顯示、存儲和日志；

(6)為滿足維護的需要,水下設備的監視系統及網管系統還應延伸至岸基監控中心；實現與岸基的網管或監控系統相連接。

4 結語

本文介紹了國外海底光纜傳輸網絡的研究和應用情況,提出了海底光纜傳輸網絡的拓撲結構及系統組成,海底光纜網絡是現代通信的重要分支,研究相關技術,規劃海底光纜傳輸網絡有序建設,對完善水下信息傳輸手段,提高對海洋領域的開發,促進國民經濟發展都有著深遠意義。

[1] 原榮.世界海底光纜通信線路建設及其技術發展狀況[J].光通信技術,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.解讀日本ARENA新型實時海底監測電纜網絡計劃[J].船舶,2005(4):20-25.

[4] 馬偉鋒,崔維成,劉濤,等.海底電纜觀測系統的研究現狀與發展趨勢[J].海岸工程,2009,28(3):76-83.

[5] 朱心科,金翔龍,陶春輝,等.海洋探測技術與裝備發展探討[J].機器人,2013,35(3):376-383.

[6] 田瑞然.海底光纜通信[J].現代電信科技,1995(3):1-5.

[7] 姬可理,張文軒.海底光纜結構與發展[J].光通信技術,2006,30(5):63-65.

[8] 忽冉,周學軍,程嵐,等.海底光纜網絡遠程供電技術研究[J].光纖與電纜及其應用技術,2010(5):40-43.

[9] 鄭慶豐.淺談亞歐國際海底光纜S2段遠供電源(PFE)及其維護管理[J].通信電源技術,2006,23(1):61-64.

[10] 畢東瀛.中美海底光纜波分復用系統及其傳輸質量[J].廣東通信技術,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,碩士,高級工程師,研究方向:艦船通信系統。胡波,男,工程師,研究方向:艦船通信技術。

TM933

10.3969/j.issn1672-9730.2014.12.001