有中繼海底光纜通信系統的應用與發展

吳錦虹+陳凱+江尚軍

【摘要】 有中繼海底光纜通信系統以諸多技術優勢，已成為跨洋通信的主要通信手段。與陸地光纜系統相比，系統設計更加復雜，更多的應用新技術新產品。本文簡要介紹了有中繼海底光纜通信系統的組成及關鍵技術，分析了其市場應用前景，并研究探討了其技術發展趨勢，為相關研究開發與建設提供了思路。

【關鍵詞】 有中繼 海底光纜通信系統 水下網絡融合 應用與發展

一、引言

有中繼海底光纜通信系統以穩定可靠、隱蔽性好、保密性好、抗毀抗干擾能力強等優勢，已成為跨洋通信的必備通信手段，截止目前世界上已建成100多條海底光纜線路。我國海域廣闊、海岸線、島嶼眾多，海纜通信尤為重要。1989年以來，我國投資參與建設了近20個國際海纜系統建設項目，但我國現有有中繼海底光纜通信系統都是依賴國外公司以交鑰匙的方式承建的。隨著國際形勢變化和技術發展，國內有中繼海底光纜通信系統建設出現新的發展趨勢。

二、系統組成及關鍵技術

2.1系統組成

有中繼海底光纜通信系統水下含有有源設備，主要由水下設備和岸上設備兩大部分組成，如圖1所示。

水下設備主要包括海底光纜、水下光中繼器和水下分支單元。海底光纜除與陸地光纜具有相同（相似）的光纖作為主要元件以及更為加強的鎧裝保護之外，還有一個重要的組成部分就是遠供電源導體。水下光中繼器由摻鉺光纖、泵浦光源、WDM耦合器、回環和OTDR通路、海底光纜的光耦合裝置和連接殼體組成，具有監測和自動防護功能。海底分支單元實現海底光纜的分支和電源遠供的倒換。

岸上設備主要包括線路終端設備、SDH設備、遠供電源設備、線路監測設備、網絡管理設備以及海洋接地裝置等。線路終端設備一般為DWDM設備，負責再生段端到端通信信號的處理、發送和接收；SDH設備承載在線路終端設備之上，在環形網絡的情況下，形成環路自愈保護；遠供電源設備通過光纜遠供導體向海底中繼器饋電并通過海水和海洋接地裝置回流，供電電流在1安培左右，供電電壓可高達幾千伏；線路監測設備自動監測海底光纜和中繼器的狀態，在光纜和中繼器故障的情況下，自動告警并故障定位。

2.2關鍵技術

有中繼海底光纜傳輸系統因其特殊的工作環境，在系統設計和技術應用上涉及如下關鍵技術：

（1）傳輸系統設計技術。影響傳輸系統性能的主要因素有光信噪比、色散、非線性。為了克服這些因素給海底光纜傳輸系統帶來的影響，必須采用專門的技術和對策加以克服，包括低噪聲光放大技術、前向糾錯和色散補償技術等。另外，水下中繼器的間距設計也是其中設計的關鍵。

（2）水下中繼器技術。水下光中繼器是有中繼海纜系統最重要的設備，對設備可靠性提出很高的要求，要求使用壽命超過25年。為實現高可靠性，在實現取電、放大的同時，需考慮狀態監測、關鍵部件冗余備份等。對結構體積要求高，要求直徑小適合敷設、高水壓密封。另外，要求設備功耗小，并考慮長時間使用散熱問題。

（3）遠供電源系統技術。遠供電源技術是控制傳輸距離和每光纜系統數的一個重要因素。遠供電源系統采用高壓恒直流的方式通過海纜遠供導體向海底設備供電。可采用單端或雙端供電方式，雙端供電方式時，在一端故障情況下另一端自動轉換為單端供電。遠供電源系統參數選擇與設計、供電方案、備份方案、故障與維護技術等難度大。

（4）線路故障監測定位與性能監控技術。包括網元管理系統（EMS）以及海底設備的線路監控系統（LME）。其中EMS實現對站內網元設備的集中監控，LME用于檢測海底中繼器和光纖情況，在光纜和中繼器故障的情況下，LME可以自動告警并故障定位。

（5）工程施工技術。海纜系統施工受地域建設、海洋工程、施工設備等條件限制，工程建設涉及技術領域廣泛，投資規模大，施工技術復雜。工程前期主要涉及工程設計、海纜路由選擇、海纜制造運輸；工程施工期間主要包含海纜路由定位、海纜敷設、海纜保護、陸地設備安裝、檢測與調試、工程驗收等，技術復雜且難度高。

三、市場應用前景分析

當前有中繼海底光纜通信系統存在廣闊的市場及應用前景。全球增長的帶寬需求需要通過升級現有的海底路徑，泛太平洋是最大的海底光纜市場。未來市場增長將由發展中市場的增長投資驅動，包括中國、印度、巴西和非洲。未來5年，非洲成為全球海底光纜發展最快的地區，年復合增長率達6.8%。近日，知名市場報告網站“企業與市場”發布了一份“海底光纜：全球戰略商業報告”的市場報告。報告指出，到2018年，全球海底光纜累計敷設預計200萬千米。如今，絕大多數的跨洋網絡流量是通過有中繼海底光纜系統傳輸，這是由于海底光纜相比衛星具有更高的傳輸效率，衛星通常作為補充手段。

國內市場前景看好。我國是一個海洋大國，擁有300多萬平方公里的海域和18000公里長的海岸線，沿海分布有6000多個島嶼，國內沿海島嶼發展急需通信保障。有中繼海底光纜通信系統是沿海島嶼與城市之間通信的重要傳輸手段，對較長距離島嶼的通信尤其是軍用保密通信都需要通過有中繼海底光纜通信系統來解決。根據國家目前的海纜建設情況及沿海經濟建設規劃的需求，海纜系統建設將會相應擴大。另外，包括海上石油平臺通信與電力輸送等也可通過有中繼海底光纜通信系統解決，根據我國石油發展規劃，我國海洋石油開發將迎來一個高速發展期。

四、技術發展趨勢

隨著近年來光纖通信技術的快速發展，許多新技術和新產品得以應用，有中繼海底光纜傳輸系統主要呈現出以下發展趨勢：更高系統帶寬、高頻譜效率、新型光纖技術、新調制編碼技術等。在未來海纜系統中水下光中繼器將采用C+L波段并行EDFA、拉曼放大器等方式實現大帶寬。超寬傳輸頻帶需要精確的色散管理和增益均衡，提高頻帶效率是追求每光纖總容量的另外一個課題。海底光纜系統一直在追求高的傳輸速率，提高線路速率會降低系統受光纖色散和非線性效應的能力，因此新型光纖和光纖配置方案在試驗系統中出現。另外，新的調制接收技術以及前向糾錯技術也在研究中。在新一代傳輸系統中，系統PMD將是限制系統傳輸距離的一個重要因素，除選擇PMD極低的光纖外，選擇PMD低的中繼器元件也變得十分重要。基于100G的系統，在低非線性效應、色散斜率補償、低PMD光纖技術和先進的調制接收、前向糾錯、編碼技術支撐下，將投入商用。

對現有系統的升級擴容是其另一個發展趨勢。海底光纜系統是一種寶貴的通信資源，新系統籌建并不簡單，為滿足日益增長的業務需求，對現有系統升級改造是比較現實的做法，通常是通過對陸上設備升級改造實現系統容量及性能提升。對系統中還存在空閑的頻譜資源的情況，考慮如何利用好剩余的資源實現最終容量的最大化。對原有設計容量已經飽和的情況，考慮如何突破原有容量設計的方案實現容量提升。可通過波長提速替換（如10G替換為40G）、可用帶寬擴展、縮小波長間隔增加波長數目等方式實現。

國內發展方面，有中繼海纜系統將盡可能的實現國產化建設，以提高安全保密性能并提升民族產業競爭能力。從中國電科34所、中天科技、亨通等國內企業參與海纜項目建設，到2012年華為海洋實現首次盈利，標志我國海纜系統企業正逐步成長，可逐步與外企抗爭。另外，國內新建有中繼海纜系統將考慮與海洋觀測網、海洋警戒網的融合。三網融合的規劃設計、安全可靠運行和長期維護及管理機制需要進一步研究探索。三網融合后，對有中繼海底光纜通信系統遠供電源系統、水下中繼器和海底光纜提出了新的要求。首先，有中繼海底光纜通信系統中成熟的供電方式并不完全適合融合后的網絡，需要進一步研究并聯或串并饋電系統的方式方法和可靠性。再次，水下光中繼器不只要放大海纜通信系統的傳輸信號，還要放大觀測網和探測網的傳感信號，這對水下中繼器提出了新的要求。另外，要求主干海纜不僅要承受高電壓，還要承載比通信纜大數倍的大電流，支線海纜預計要求多極纜。

五、結束語

我國是一個海洋大國，黨的十八大首次提出了建設海洋強國的戰略目標，清晰地指出了未來中國走向海洋、依托海洋、開發海洋和保護海洋的目標和方向。憑借著市場需求的不斷增加及相關政策支持將越來越受寵，有中繼海纜系統的發展迎來了難得的戰略發展機遇。近些年來我國有中繼海纜通信技術在不斷發展，與國際先進水平更加接近。我們應該緊隨新技術的發展步伐，加快我國有中繼海底光纜通信系統的建設腳步，提高我國的國際及國內通信能力。

參 考 文 獻

[1] 董峰. 海底光纜傳輸系統升級改造可行研究及關鍵技術分析[J]. 廣東通信技術，2012， 12：17-23.

[2] 王衛昀. 海底光纜系統設計及線路佘量的考慮[J].電信工程技術與標準化， 2006， 3：42-44

[3] 張健. 海底光纜的通信技術[J].數字技術與應用，2011，9：25。

[4] 王海鷗.海底光纜傳輸系統及其應用研究[D].南京郵電大學碩士學位論文.南京： 南京郵電大學，2009。

對現有系統的升級擴容是其另一個發展趨勢。海底光纜系統是一種寶貴的通信資源，新系統籌建并不簡單，為滿足日益增長的業務需求，對現有系統升級改造是比較現實的做法，通常是通過對陸上設備升級改造實現系統容量及性能提升。對系統中還存在空閑的頻譜資源的情況，考慮如何利用好剩余的資源實現最終容量的最大化。對原有設計容量已經飽和的情況，考慮如何突破原有容量設計的方案實現容量提升。可通過波長提速替換（如10G替換為40G）、可用帶寬擴展、縮小波長間隔增加波長數目等方式實現。

國內發展方面，有中繼海纜系統將盡可能的實現國產化建設，以提高安全保密性能并提升民族產業競爭能力。從中國電科34所、中天科技、亨通等國內企業參與海纜項目建設，到2012年華為海洋實現首次盈利，標志我國海纜系統企業正逐步成長，可逐步與外企抗爭。另外，國內新建有中繼海纜系統將考慮與海洋觀測網、海洋警戒網的融合。三網融合的規劃設計、安全可靠運行和長期維護及管理機制需要進一步研究探索。三網融合后，對有中繼海底光纜通信系統遠供電源系統、水下中繼器和海底光纜提出了新的要求。首先，有中繼海底光纜通信系統中成熟的供電方式并不完全適合融合后的網絡，需要進一步研究并聯或串并饋電系統的方式方法和可靠性。再次，水下光中繼器不只要放大海纜通信系統的傳輸信號，還要放大觀測網和探測網的傳感信號，這對水下中繼器提出了新的要求。另外，要求主干海纜不僅要承受高電壓，還要承載比通信纜大數倍的大電流，支線海纜預計要求多極纜。

五、結束語

我國是一個海洋大國，黨的十八大首次提出了建設海洋強國的戰略目標，清晰地指出了未來中國走向海洋、依托海洋、開發海洋和保護海洋的目標和方向。憑借著市場需求的不斷增加及相關政策支持將越來越受寵，有中繼海纜系統的發展迎來了難得的戰略發展機遇。近些年來我國有中繼海纜通信技術在不斷發展，與國際先進水平更加接近。我們應該緊隨新技術的發展步伐，加快我國有中繼海底光纜通信系統的建設腳步，提高我國的國際及國內通信能力。

參 考 文 獻

[1] 董峰. 海底光纜傳輸系統升級改造可行研究及關鍵技術分析[J]. 廣東通信技術，2012， 12：17-23.

[2] 王衛昀. 海底光纜系統設計及線路佘量的考慮[J].電信工程技術與標準化， 2006， 3：42-44

[3] 張健. 海底光纜的通信技術[J].數字技術與應用，2011，9：25。

[4] 王海鷗.海底光纜傳輸系統及其應用研究[D].南京郵電大學碩士學位論文.南京： 南京郵電大學，2009。

對現有系統的升級擴容是其另一個發展趨勢。海底光纜系統是一種寶貴的通信資源，新系統籌建并不簡單，為滿足日益增長的業務需求，對現有系統升級改造是比較現實的做法，通常是通過對陸上設備升級改造實現系統容量及性能提升。對系統中還存在空閑的頻譜資源的情況，考慮如何利用好剩余的資源實現最終容量的最大化。對原有設計容量已經飽和的情況，考慮如何突破原有容量設計的方案實現容量提升。可通過波長提速替換（如10G替換為40G）、可用帶寬擴展、縮小波長間隔增加波長數目等方式實現。

國內發展方面，有中繼海纜系統將盡可能的實現國產化建設，以提高安全保密性能并提升民族產業競爭能力。從中國電科34所、中天科技、亨通等國內企業參與海纜項目建設，到2012年華為海洋實現首次盈利，標志我國海纜系統企業正逐步成長，可逐步與外企抗爭。另外，國內新建有中繼海纜系統將考慮與海洋觀測網、海洋警戒網的融合。三網融合的規劃設計、安全可靠運行和長期維護及管理機制需要進一步研究探索。三網融合后，對有中繼海底光纜通信系統遠供電源系統、水下中繼器和海底光纜提出了新的要求。首先，有中繼海底光纜通信系統中成熟的供電方式并不完全適合融合后的網絡，需要進一步研究并聯或串并饋電系統的方式方法和可靠性。再次，水下光中繼器不只要放大海纜通信系統的傳輸信號，還要放大觀測網和探測網的傳感信號，這對水下中繼器提出了新的要求。另外，要求主干海纜不僅要承受高電壓，還要承載比通信纜大數倍的大電流，支線海纜預計要求多極纜。

五、結束語

我國是一個海洋大國，黨的十八大首次提出了建設海洋強國的戰略目標，清晰地指出了未來中國走向海洋、依托海洋、開發海洋和保護海洋的目標和方向。憑借著市場需求的不斷增加及相關政策支持將越來越受寵，有中繼海纜系統的發展迎來了難得的戰略發展機遇。近些年來我國有中繼海纜通信技術在不斷發展，與國際先進水平更加接近。我們應該緊隨新技術的發展步伐，加快我國有中繼海底光纜通信系統的建設腳步，提高我國的國際及國內通信能力。

參 考 文 獻

[1] 董峰. 海底光纜傳輸系統升級改造可行研究及關鍵技術分析[J]. 廣東通信技術，2012， 12：17-23.

[2] 王衛昀. 海底光纜系統設計及線路佘量的考慮[J].電信工程技術與標準化， 2006， 3：42-44

[3] 張健. 海底光纜的通信技術[J].數字技術與應用，2011，9：25。

[4] 王海鷗.海底光纜傳輸系統及其應用研究[D].南京郵電大學碩士學位論文.南京： 南京郵電大學，2009。