新一代海底光纜綜合信息傳輸網(wǎng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

　　摘要：由于海底光纜中繼通信、海底光纜接駁等技術(shù)的發(fā)展，新一代海底光纜通信將既具有傳統(tǒng)海底光纜通信網(wǎng)的通信功能，又能為海底用戶(hù)提供即插即用、穩(wěn)定可靠的信息傳輸和電能供給，可作為海底觀(guān)測(cè)、導(dǎo)航定位、海底通信等應(yīng)用系統(tǒng)的共用信息基礎(chǔ)設(shè)施。著眼于構(gòu)建新一代海底光纜通信網(wǎng)，為服務(wù)未來(lái)海底各類(lèi)預(yù)制系統(tǒng)、無(wú)人自主系統(tǒng)所需的水下物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)展預(yù)先基礎(chǔ)研究，介紹了最新的海底光纜信息傳輸網(wǎng)及其相關(guān)設(shè)備的最新發(fā)展情況以及該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，最后提出了海底光纜網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)。

　　關(guān)鍵詞：海洋信息; 海底光纜; 信息網(wǎng)絡(luò); 觀(guān)測(cè)網(wǎng); 水下通信; 水下物聯(lián)網(wǎng)

　　魏巍; 王增; 張偉; 何如龍; 舒暢; 樊誠(chéng); 喬小瑞， 光通信技術(shù) 發(fā)表時(shí)間：2021-11-26

　　0 引言

　　海洋信息網(wǎng)絡(luò)是發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)、維護(hù)國(guó)家海洋權(quán)益的基礎(chǔ)。其中，海底光纜網(wǎng)絡(luò)是重要組成部分，在海洋資源開(kāi)發(fā)、海洋防災(zāi)減災(zāi)、海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)、海洋科學(xué)研究和國(guó)家安全等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。國(guó)務(wù)院印發(fā)的《“十三五”國(guó)家信息化規(guī)劃》在重大任務(wù)和重點(diǎn)工程“陸?？仗煲惑w化信息網(wǎng)絡(luò)工程”中明確要求推進(jìn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施建設(shè)，提出“推動(dòng)海洋綜合觀(guān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)由水面向水下和海底延伸”。當(dāng)前，在政策\(yùn)技術(shù)、市場(chǎng)等多重因素推動(dòng)下，我國(guó)海底科學(xué)觀(guān)測(cè)、導(dǎo)航定位和通信等各類(lèi)海底光纜綜合信息傳輸網(wǎng)絡(luò)即將開(kāi)展規(guī)模建設(shè)[1]。目前，最常見(jiàn)的海底光纜通信網(wǎng)和海底光纜觀(guān)測(cè)網(wǎng)都為海底光纜傳輸網(wǎng)的一種應(yīng)用形態(tài)，這種網(wǎng)絡(luò)還包括軍用的基于海底光纜的警戒網(wǎng)和導(dǎo)航定位授時(shí)網(wǎng)。

　　海底光纜綜合信息傳輸網(wǎng)絡(luò)是陸地信息與通信技術(shù)(ICT)技術(shù)在海洋領(lǐng)域的應(yīng)用和延伸，目前在建的海底光纜網(wǎng)絡(luò)主要有海底通信網(wǎng)、海底觀(guān)測(cè)網(wǎng)、海底警戒網(wǎng)和海底導(dǎo)航定位授時(shí)網(wǎng) 4 種類(lèi)型。隨著近幾年國(guó)內(nèi)有中繼海光纜技術(shù)的成熟應(yīng)用，以海底光纜網(wǎng)絡(luò)作為信息和電能傳輸平臺(tái)的各類(lèi)海洋業(yè)務(wù)系統(tǒng)也在自我更新?lián)Q代。比如，由于纜系海底觀(guān)測(cè)網(wǎng)有中繼節(jié)點(diǎn)，傳輸距離更遠(yuǎn)，且岸基遠(yuǎn)程供電能力的提升，海底用電設(shè)備越來(lái)越多樣化;此外，海底預(yù)警系統(tǒng)也在數(shù)字化以適應(yīng)海底光纜數(shù)字傳輸系統(tǒng)，而數(shù)字化的海底預(yù)警系統(tǒng)可把數(shù)據(jù)處理單元轉(zhuǎn)移到岸基，從而簡(jiǎn)化海底系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高可靠性;而目前國(guó)家的導(dǎo)航定位授時(shí)系統(tǒng)能通過(guò)海底光纜將導(dǎo)航定位授時(shí)信息在海底傳遞給水下平臺(tái)。未來(lái)，水下物聯(lián)網(wǎng)要求傳輸系統(tǒng)高帶寬、低延遲且易于接入，以海底光纜網(wǎng)絡(luò)作為基礎(chǔ)承載網(wǎng)絡(luò)來(lái)構(gòu)建未來(lái)水下物聯(lián)網(wǎng)是必然選擇，在此基礎(chǔ)上接入各類(lèi)海底預(yù)制系統(tǒng)、無(wú)人自主系統(tǒng)和業(yè)務(wù)系統(tǒng)都需要新一代海底光纜綜合傳輸網(wǎng)絡(luò)。本文從當(dāng)前國(guó)內(nèi)外各種海底光纜信息傳輸網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)狀、相關(guān)設(shè)備發(fā)展情況以及該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì) 3 個(gè)方面進(jìn)行介紹。

　　1 網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)狀

　　1.1 海底光纜網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)狀

　　美國(guó)、加拿大和日本等西方發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)在海底光纜綜合信息網(wǎng)的規(guī)劃建設(shè)方面已經(jīng)先行一步，先后建成了或正在建設(shè)本國(guó)的海底光纜信息網(wǎng)，并應(yīng)用于水下潛艇作戰(zhàn)、水下聲納探測(cè)等民用或軍事領(lǐng)域，成為水下通信、水下預(yù)警探測(cè)和海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)不可或缺的信息傳輸保障手段。國(guó)外在海底光纜通信網(wǎng)、海底警戒網(wǎng)和海底觀(guān)測(cè)網(wǎng) 3 個(gè)領(lǐng)域全面發(fā)展。

　　國(guó)外在海底光纜通信網(wǎng)方面技術(shù)發(fā)展成熟，海底光纜通信系統(tǒng)規(guī)模商用，囊括了全球 95%的互聯(lián)網(wǎng)通信。全球國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)帶寬年增長(zhǎng)率保持在 30%左右，2013—2017 年約增長(zhǎng) 196Tbps，截至 2018 年 8 月已達(dá)到 295Tbps，全球數(shù)據(jù)中心互聯(lián)和互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)帶寬需求的持續(xù)增長(zhǎng)推動(dòng)了海底光纜的加速建設(shè);另一方面，截至 2020 年全球已投入使用的海底光纜超過(guò) 400 條，總長(zhǎng)度達(dá) 120 萬(wàn) km，其中 40%為 2000 年前建設(shè)完成，根據(jù) 17~20 年海纜的使用壽命推算，此部分海纜已逐步進(jìn)入使用周期的尾聲。2016 年，跨太平洋、跨大西洋、亞歐間海纜系統(tǒng)已開(kāi)始進(jìn)行升級(jí)換代，海纜建設(shè)已進(jìn)入一個(gè)新舊更替的窗口期。截止 2020 年中，全球海纜共計(jì) 447 條，登陸站 1194 個(gè)，其中在 2016—2020 年期間，全球部署的海底光纜系統(tǒng) 107 個(gè)，全長(zhǎng)超過(guò) 40 萬(wàn) km，總價(jià)值超過(guò) 138 億美元。我國(guó)登陸的國(guó)際海纜共 9 條，登陸站共 5 個(gè)，帶寬超過(guò) 40Tbit/s。

　　目前，海底光纜通信系統(tǒng)新技術(shù)發(fā)展應(yīng)用有 4 個(gè)方向：①單纖對(duì)容量更大。容量一直是海底光纜最大的訴求，追求更高單波速率和更多的波道，近幾年系統(tǒng)建設(shè)單波速率很多能達(dá)到 200Gb/s、300Gb/s，單纖對(duì)容量超過(guò) 20Tb/s，未來(lái)單波速率將會(huì)朝著 400Gb/s、600Gb/s 方向發(fā)展;②纖對(duì)數(shù)更多。有中繼海纜系統(tǒng)的纖對(duì)數(shù)從以前的 8 對(duì)以?xún)?nèi)，發(fā)展到了現(xiàn)在的 16 對(duì)，未來(lái)將朝著 24 纖對(duì)及 32 纖對(duì)發(fā)展;③傳輸距離更長(zhǎng)。以跨太平洋海纜為例，以往系統(tǒng)最長(zhǎng)是美國(guó)西岸到上海，設(shè)計(jì)直達(dá)距離在 11000 千米，近年新系統(tǒng)設(shè)計(jì)擬直達(dá)香港、新加坡，傳輸距離分別將到 13000、15000 多千米;④網(wǎng)絡(luò)更靈活，海底光纜系統(tǒng)的水下光電分支器從最早期的固定上下光纖，前幾年實(shí)現(xiàn)可固定上下預(yù)設(shè)波段，近期將發(fā)展到能靈活上下任意波長(zhǎng)的可重構(gòu)光分插復(fù)用器(ROADM)，使得系統(tǒng)組網(wǎng)更為靈活。

　　國(guó)內(nèi)外海底光纜觀(guān)測(cè)網(wǎng)在文獻(xiàn)[2-5]中介紹的較詳細(xì)，本文不做累述。但近年來(lái)，國(guó)外出現(xiàn)了在海纜通信系統(tǒng)上融合觀(guān)測(cè)功能的趨勢(shì)。分布式聲傳感(DAS)是一種將光纖轉(zhuǎn)換為聲波傳感器的新興技術(shù)，它能利用已有的海底光纜進(jìn)行地震監(jiān)測(cè)。文獻(xiàn)[6]報(bào)告了沿比利時(shí)近海海底光纜 DAS 陣列對(duì)微震、局部表面重力波和遠(yuǎn)震地震的觀(guān)測(cè)。2020 年，法國(guó) ASN 建設(shè)的巴西到歐洲海纜通信系統(tǒng)被 Ellalink 等人宣稱(chēng)是全球首條智能海底光纜，該系統(tǒng)在 Madeira 分支中運(yùn)用了 DAS 光纖，可在不影響通信傳輸和系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)壽命的前提下實(shí)時(shí)地收集地震、火山和海洋生態(tài)等信息[7]。文獻(xiàn)[8]在美國(guó)的 MARS 觀(guān)測(cè)網(wǎng)位于蒙特利灣加利福尼亞州莫斯蘭丁市近海 20 千米長(zhǎng)海底光纜上，采用 DAS 技術(shù)觀(guān)測(cè)了斷層活動(dòng)的時(shí)間和空間。2021 年 2 月，文獻(xiàn)[9]描述了在 Subcom 為谷歌建造的美國(guó)到拉美的 Curie 系統(tǒng)上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)監(jiān)測(cè)常規(guī)光通信信道的偏振，成功地在連接加利福尼亞州洛杉磯和智利瓦爾帕萊索的 1 萬(wàn)千米長(zhǎng)的海底電纜上感應(yīng)到地震和海洋涌浪的壓力信號(hào)(這意味著海嘯感應(yīng)的可能性)水波，該方法不需要專(zhuān)門(mén)的設(shè)備、激光源或?qū)Ｓ霉饫w，可將普通的海底光纜通信系統(tǒng)升級(jí)成監(jiān)測(cè)地震和海嘯的網(wǎng)絡(luò)。

　　1.2 海底光纜軍事網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)狀

　　近些年，美軍一直在研究將海底光纜綜合信息傳輸網(wǎng)相關(guān)技術(shù)用于水下通信、警戒探測(cè)和導(dǎo)航定位等領(lǐng)域，突破了自主探測(cè)及決策技術(shù)、自主導(dǎo)航定位技術(shù)和水下作戰(zhàn)局域網(wǎng)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)技術(shù)等關(guān)鍵系統(tǒng)和技術(shù)。2015 年，美軍建成 “近海海底持續(xù)監(jiān)視網(wǎng)”(PLUSNet)[10]，該網(wǎng)絡(luò)利用海底光纜實(shí)現(xiàn)海底節(jié)點(diǎn)與岸基之間的信息傳輸，岸基設(shè)備通過(guò)海底光纜能夠?qū)５坠?jié)點(diǎn)進(jìn)行控制、管理，實(shí)現(xiàn)海洋環(huán)境觀(guān)測(cè)、水下威脅監(jiān)視跟蹤(水下警戒)、水中兵器中繼制導(dǎo)以及水下/水面信息傳輸，并對(duì)水下設(shè)備供電。

　　在此基礎(chǔ)上，美國(guó)海軍[11]提出了部隊(duì)網(wǎng)(FORCEnet)發(fā)展框架和技術(shù)途徑，其目的是為美海軍提供指揮控制、通信和水下導(dǎo)航定位等功能。該網(wǎng)絡(luò)綜合采用海底光纜、高速近程水聲、遠(yuǎn)程低速水聲、自浮式光纜、水下藍(lán)綠激光、水下無(wú)線(xiàn)電、水面無(wú)線(xiàn)電、衛(wèi)星及其他可擴(kuò)展的水下/水面通信介質(zhì)。海底光纜通信和水聲通信構(gòu)成了 FORCEnet 體系中海底部分的主干傳輸網(wǎng)絡(luò)，并接入各類(lèi)探測(cè)、導(dǎo)航等海底固定式傳感節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了通信指揮、水下警戒、海底觀(guān)測(cè)和水下導(dǎo)航定位等多項(xiàng)功能。

　　2 設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀

　　海底光纜綜合信息傳輸網(wǎng)組網(wǎng)所需核心設(shè)備主要包括岸基終端傳輸設(shè)備、遠(yuǎn)供電源設(shè)備、有中繼海底光纜、海底節(jié)點(diǎn)設(shè)備和雙極性海底光纜等。隨著海纜通信網(wǎng)和觀(guān)測(cè)網(wǎng)建設(shè)需求的牽引，這些設(shè)備近幾年發(fā)展迅速。

　　2.1 海纜網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備

　　在岸基終端傳輸設(shè)備和海底光中繼器方面都在向著更高的傳輸容量方向發(fā)展。2015 年前，其核心技術(shù)基本被歐洲的原阿爾卡特朗訊 (ASN)、美國(guó)的 Subcom 和日本的 NEC 等國(guó)際少數(shù)大公司壟斷;2015 年后，我國(guó)的華海通信(原華為海洋)、烽火海洋打破了以中繼器為核心的國(guó)際技術(shù)壟斷，但由于政治打壓和市場(chǎng)排擠，國(guó)際市場(chǎng)被國(guó)際少數(shù)公司壟斷。

　　岸基終端傳輸設(shè)備基本和陸地系統(tǒng)類(lèi)似，發(fā)展成熟，目前主要采用波分復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)大容量傳輸，每對(duì)光纖可傳輸 128 波雙向信號(hào)，單波傳輸速率可達(dá) 100Gbit/s 或 200Gbit/s。海底光中繼器是深遠(yuǎn)?？缪髠鬏?shù)暮诵募夹g(shù)，其采用光放大技術(shù)，最大輸出功率為 22.5dBm、3000km 以?xún)?nèi)的系統(tǒng)，單個(gè)跨段在 100~150km， 3000km 以上單個(gè)跨段在 75~100km，可根據(jù)需要支持 6～12 對(duì)光纖，工作電流 0.5～1.5A，功耗小于 50W，一般在 25W 左右，采用高壓恒直流供電方式。我國(guó)部分單位研制的海底光中繼器技術(shù)性能與國(guó)外設(shè)備性能相當(dāng)，2020 年 3 月，國(guó)內(nèi)華海通信已經(jīng)發(fā)布了 16 纖對(duì)的海底中繼器，并在其香港到海纜的系統(tǒng)中投入使用。2021 年 3 月，日本 NEC 宣布，在其傳統(tǒng)的四級(jí)泵浦冗余技術(shù)基礎(chǔ)上已完成 24 光纖對(duì)海底中繼器的認(rèn)證。目前，海底光中繼器在波分復(fù)用技術(shù)增益效率較高的 C 波段已經(jīng)接近能力極限。從當(dāng)前的技術(shù)趨勢(shì)來(lái)看，空分復(fù)用(SDM)技術(shù)中的 HFC(多纖對(duì)，High Fiber Count)技術(shù)無(wú)論是產(chǎn)業(yè)鏈還是技術(shù)都非常成熟，且容量提升顯著，是未來(lái)幾年內(nèi)提升海纜系統(tǒng)容量最有效的方式。 此外，SDM 技術(shù)中的多芯光纖和少模光纖技術(shù)也是提升海纜系統(tǒng)容量的方式。下一步，海底中繼器還將采用 C+L 波段雙波段放大、拉曼+ 摻餌光纖放大器混合放大技術(shù)來(lái)進(jìn)一步提高系統(tǒng)傳輸能力。

　　2.2 海底節(jié)點(diǎn)設(shè)備

　　縱觀(guān)海底節(jié)點(diǎn)設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)，主要向著更高的耐壓等級(jí)、供電功率以及更復(fù)雜的供電拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò) 2 個(gè)方向發(fā)展：由最初的 6kV/6kW 到現(xiàn)在的 10kV/60kW，目前還在向著更高的供電能力發(fā)展;供電拓?fù)溆勺畛醯膯捂溌肪W(wǎng)絡(luò)到樹(shù)形網(wǎng)再到目前國(guó)內(nèi)外較普遍的環(huán)形網(wǎng)，下一步正在向著網(wǎng)格網(wǎng)發(fā)展。目前海底節(jié)點(diǎn)設(shè)備主要是海底觀(guān)測(cè)網(wǎng)中使用的接駁盒[12-17]，分為骨干節(jié)點(diǎn)設(shè)備(主接駁盒)和接入節(jié)點(diǎn)設(shè)備(次接駁盒)。這 2 個(gè)系統(tǒng)都是單鏈供電網(wǎng)絡(luò)，其接駁盒是在海底通信中繼器基礎(chǔ)上研制的，采用恒流供電，實(shí)現(xiàn)恒流到恒壓的變換，通信采用串行通信的方式。上世紀(jì)末，為了監(jiān)測(cè)近海的海洋生態(tài)環(huán)境，美國(guó) WHOI 研究所突破了近岸海洋交流供配電技術(shù)，研制出交流供電式海底接駁盒，用于 LEO-15[18]和 MVCO 這 2 個(gè)小型的海洋綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其接駁盒實(shí)現(xiàn)交流到直流變換，通信采用串行通信和以太網(wǎng)通信相結(jié)合的方式，這種交流供電方式易于擴(kuò)展，系統(tǒng)輸電功率也較大，但由于采用海底電纜輸送三相交流電，其電纜較粗重，輸電距離不宜過(guò)長(zhǎng)。2006 年，加拿大維多利亞大學(xué)突破了海底中壓恒壓直流供配電技術(shù)，研制出具備通用接口的恒壓供電的接駁盒，建成位于加拿大維多利海峽的大型近海海洋綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng) VENUS，其包含 3 個(gè)骨干節(jié)點(diǎn)設(shè)備，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有 4 個(gè)儀器設(shè)備接口為科學(xué)儀器提供電力和數(shù)據(jù)通訊、工作水深為 350m。其中， Georgia Strait 的節(jié)點(diǎn)距海岸 30~40km，通過(guò)岸站供電進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。2007 年，在美國(guó) JPL 實(shí)驗(yàn)室的幫助下，美國(guó)華盛頓大學(xué)和 MBARI 研究所解決了海底高壓電能變配電問(wèn)題，研制成功了 10kV 恒壓供電接駁盒，建成位于 Monterey 海灣 900 m 水深的 MARS 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于科學(xué)儀器測(cè)試;于 2009 年完成了系統(tǒng)的安裝并運(yùn)行。加拿大 NEPTUNE 海底觀(guān)測(cè)網(wǎng)中采用了 5 個(gè)主節(jié)點(diǎn)設(shè)備，每個(gè)主節(jié)點(diǎn)設(shè)備具有 2.5 Gb 帶寬數(shù)據(jù)傳輸能力，并可以管理和分配 10kW 的電源給各種不同電壓的儀器設(shè)備，為系統(tǒng)的設(shè)備配置提供了極大的靈活性，且還可以切換為 6kW 的 400V 高壓供電[19]，該系統(tǒng)由最開(kāi)始的 2 個(gè)樹(shù)形網(wǎng)(VENUS 和 MARS)聯(lián)合成環(huán)形網(wǎng)。2011 年，日本和美國(guó)先后掌握了海底大功率恒流供電技術(shù)，研制成功恒流供電式的海底接駁盒，建成了以地震監(jiān)測(cè)和地震引起的海嘯監(jiān)測(cè)為主、其它科學(xué)觀(guān)測(cè)目標(biāo)為輔的 DONET 海底觀(guān)測(cè)網(wǎng)及其合并組網(wǎng)形態(tài) S-NET[20]和 ACO 海洋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。2016年，美國(guó)建成的“海洋觀(guān)測(cè)網(wǎng)”(OOI)中采用了 7 個(gè)海底主節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可提供 8 kW能量和10 Gb帶寬雙向通訊，也是由樹(shù)形網(wǎng)聯(lián)合成環(huán)形網(wǎng)。接入節(jié)點(diǎn)設(shè)備方面最出名最成熟的是 OceanWorks 公司的 SIIM[21]，其最新型 SIIM-3000SC 可提供 10 個(gè)儀器界面端口，其中 8 個(gè)用于低壓，小功率(12V~48V，60~240W)輸出;2 個(gè)用于高壓，大功率(375V， 1875W)輸出，每個(gè)低壓輸出端口允許的最大輸入電流為 5A。目前，國(guó)外基于恒壓供電的接駁盒具有 10kV/60kW的供電能力和10Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸能力，基于恒流供電的海底節(jié)點(diǎn)采用1A恒流供電，功耗3kW。

　　在國(guó)內(nèi)，“十一五”期間，在科技部“863”計(jì)劃的資助下，同濟(jì)大學(xué)、浙江大學(xué)[22]等高校承擔(dān)了“海底長(zhǎng)期觀(guān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)”項(xiàng)目，在“東海海底觀(guān)測(cè)實(shí)驗(yàn)示范網(wǎng)”中研制了具有 10kV/10kW 的供電能力和 1Gbit/s 的數(shù)據(jù)傳輸能力的主節(jié)點(diǎn)設(shè)備;“十二五”期間，中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所、中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所和中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所聯(lián)合研制的“南海海底觀(guān)測(cè)實(shí)驗(yàn)示范網(wǎng)”中研制的主節(jié)點(diǎn)達(dá)到恒壓 10 kV[23]。東海和南海的海底觀(guān)測(cè)實(shí)驗(yàn)示范網(wǎng)也經(jīng)歷了由單鏈路網(wǎng)絡(luò)到樹(shù)形網(wǎng)的演進(jìn)，下一步要建成的國(guó)家科學(xué)觀(guān)測(cè)網(wǎng)亦都是環(huán)形網(wǎng)設(shè)計(jì)。2018 年，國(guó)內(nèi)海蘭信收購(gòu)了 OceanWorks，其主接駁盒能提供主干恒壓 10kV/10kW 的供電能力和 10Gbit/s 的數(shù)據(jù)傳輸能力。2019 年，中船海洋研制出 10kV/15kW、 40Gbit/s 的的主接駁盒以及低壓 300W、中壓 2kW 的次接駁盒。

　　2.3 海底有中繼光纜和雙極性光纜

　　通信光纖正向超低損耗、大有效面積方向發(fā)展。超低損耗大有效面積光纖 G.654E 陸地光纜已開(kāi)始在我國(guó)骨干光纜網(wǎng)絡(luò)上規(guī)模應(yīng)用，但由于海底光纜應(yīng)用條件和要求相對(duì)陸地光纜更為苛刻，對(duì)海底光纖的性能的一致性和可靠性要求極高，因此超低損耗大有效面積光纖是海底有中繼光纜的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。國(guó)際上，以美國(guó)的 Subcom、歐洲 ASN 和耐克森以及日本的 NEC 旗下 OCC 為代表的四大海纜廠(chǎng)商，已實(shí)現(xiàn)損耗小于 0.154dB/km、有效截面積為 150μm2 的海底有中繼光纜，并已規(guī)模商用。國(guó)內(nèi)的有中繼海纜最早在 2016 年工程中得到應(yīng)用，典型指標(biāo)損耗小于 0.190dB/km、光纖 16 芯(最大)、直流電阻≤1.0?/km、工作電壓 10kVDC、適應(yīng) 8000 米水深。目前，國(guó)內(nèi)光纖廠(chǎng)商也成功開(kāi)發(fā)出損耗小于 0.160dB/km、有效面積為 130 μm2 的產(chǎn)品，具備商用的基礎(chǔ)，但離國(guó)際先進(jìn)水平尚有一定差距，仍然需要更多的可靠性驗(yàn)證才能使用。隨著國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)帶寬需求的持續(xù)增加，海底光纜通信網(wǎng)的有中繼海纜當(dāng)前還在向多芯光纖(MCF，即將多個(gè)獨(dú)立的纖芯合并到一根光纖中，一個(gè)包層中含有多根纖芯)和少模光纖(FMF，即利用光纖中的多種不同模式來(lái)同時(shí)傳輸)2 個(gè)方向發(fā)展?？紤]到海底光纜信息網(wǎng)的電能傳輸?shù)男枨?，海底有中繼光纜的另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是在尺寸和重量適合施工的前提下，如何進(jìn)一步提高工作電壓，同時(shí)降低直流電阻，這對(duì)絕緣耐壓的可靠性和導(dǎo)電層銅管焊接工藝提出了很高的要求，目前國(guó)際部分領(lǐng)先企業(yè)已有 0.7Ω/km 左右的產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)部分廠(chǎng)商已能做到 32 芯有中繼海光纜工作電壓為 20kV、直流電阻≤0.9?/km。

　　國(guó)外雙極性光纜主要應(yīng)用于觀(guān)測(cè)網(wǎng)中，典型產(chǎn)品是日本 OOC 的雙極性海纜，采用雙層銅管結(jié)構(gòu)，其外徑為 Ø29mm，外層導(dǎo)體直流電阻不大于 0.8?/km，內(nèi)層導(dǎo)體直流電阻不大于 1.0?/km，工作電壓為 3kVDC，工作電流為 1A，纜破斷力為 100kN。國(guó)內(nèi)考慮到日后的擴(kuò)展，國(guó)內(nèi)大部分對(duì)于海底雙極性光纜的技術(shù)指標(biāo)需求傾向于使用電壓在 10kVDC 和電流 10A 以下。在纜型結(jié)構(gòu)上，國(guó)內(nèi)有 2 種趨勢(shì)：一是雙層銅管結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)是類(lèi)似現(xiàn)有輕型鎧裝(LWP)海纜結(jié)構(gòu)、制造上成熟，缺點(diǎn)是高壓大電流時(shí)由于發(fā)熱的影響，接頭盒的處理更復(fù)雜，絕緣能力會(huì)下降;二是雙導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，優(yōu)勢(shì)是接頭盒處理簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是不但需要改造產(chǎn)線(xiàn)，其外徑、重量等指標(biāo)同等電氣要求下相對(duì)前者要大，且抗拉、抗沖擊和反復(fù)彎曲等機(jī)械性能還需要全面驗(yàn)證。

　　2.4 海纜網(wǎng)絡(luò)供配電系統(tǒng)

　　海纜網(wǎng)絡(luò)供配電系統(tǒng)主要包括岸基的海底光纜遠(yuǎn)程供電設(shè)備(PFE)和位于海底的主\次節(jié)點(diǎn)中的電能轉(zhuǎn)換分配單元，這些設(shè)備在物理部署上是分離的，但在設(shè)計(jì)上往往需要從供配電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的角度來(lái)來(lái)綜合考慮。傳統(tǒng)的海底光纜通信系統(tǒng)采用高壓恒直流供電方式，岸基遠(yuǎn)供電源設(shè)備供電電壓可達(dá) 15kV，供電電流在 0.6A~1.0A 之間。在海底觀(guān)測(cè)網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，以樹(shù)型為主，需根據(jù)網(wǎng)絡(luò)情況選擇恒流、恒壓供電方式。歐美一般采用恒壓直流供電方式，可實(shí)現(xiàn) 10kV/60kW 的供電能力，MARS 觀(guān)測(cè)網(wǎng)、VENUS 觀(guān)測(cè)網(wǎng)和 NEPTUNE 觀(guān)測(cè)網(wǎng)是恒壓直流供電的典型代表。以加拿大 NEPTUNE[24-26]觀(guān)測(cè)網(wǎng)為典型，2009 年投入使用，主干線(xiàn)全長(zhǎng) 800 km，岸基遠(yuǎn)供電源設(shè)備(PFE)輸出高達(dá) 10kV、60kW，主干線(xiàn)高壓電源在主接駁盒處變換為 375V 中壓，在次接駁盒變換為低壓為海底設(shè)備提供饋電。日本的 ARENA[27]、DONET 和最終的 S-NET 海底地震觀(guān)測(cè)網(wǎng)海底觀(guān)測(cè)網(wǎng)，因考慮到海底地震常出現(xiàn)，為了提高系統(tǒng)的可靠性，采用高壓恒直流供電方式，如 2011 年投入運(yùn)行的 DONET 觀(guān)測(cè)網(wǎng)，主纜采用 1A 恒流供電，在每個(gè)主節(jié)點(diǎn)處通過(guò) CC/CV 變換為接駁設(shè)備供電，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)最大 20，全網(wǎng)功耗 3kW。其中 PFE 方面，國(guó)外廣泛采用的是 SPELLMAN 的 PFE, 其最大電壓 15kV、最大供電功率 22.5kW，采用了高壓保護(hù)設(shè)計(jì)、電源模塊的冗余保護(hù)、電壓自動(dòng)調(diào)整和故障告警與定位。高壓保護(hù)模塊具有濾波保護(hù)、浪涌保護(hù)、高壓泄放保護(hù)、海洋接地故障檢測(cè)、接地保護(hù)和電源模塊在線(xiàn) N+1 保護(hù)等功能。在國(guó)內(nèi)，目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出用于觀(guān)測(cè)網(wǎng)的 PFE 樣機(jī)，包括浙江大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等在內(nèi)的高校開(kāi)始研究海底觀(guān)測(cè)網(wǎng)技術(shù)，先后研制出了低壓供電、400V 供電、 2000V 供電和 10kV 供電的接駁盒，先后建設(shè)了東海小衢山近海觀(guān)測(cè)站、舟山海底觀(guān)測(cè)示范網(wǎng)，并于 2016 年在南海完成了我國(guó)深遠(yuǎn)海海底觀(guān)測(cè)網(wǎng)示范系統(tǒng)建設(shè)，這些 PFE 設(shè)備采用恒壓供電，電源處理方式類(lèi)同國(guó)外，可提供 10kV、10kW 的恒壓輸出。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)也有高校和科研院所對(duì)觀(guān)測(cè)網(wǎng)的恒流供電進(jìn)行研究和試驗(yàn)，并取得了初步成果，并用于海底光纜通信網(wǎng)的恒流電源已完成樣機(jī)研制，可提供 0~1.5A、6kV 的恒流輸出。2021 年 4 月，香港到海南的海底光纜通信系統(tǒng)中采用了最大輸出電壓 18kV、最大輸出功率 27kW 的國(guó)產(chǎn) PFE。

　　3 發(fā)展趨勢(shì)

　　3.1 統(tǒng)一體制實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)融合

　　各類(lèi)海纜信息網(wǎng)絡(luò)耗資大、周期長(zhǎng)，涉及多方、多單位甚至多國(guó)聯(lián)合實(shí)施相關(guān)項(xiàng)目是常態(tài)。目前海洋觀(guān)測(cè)、海纜通信等多種業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)分別獨(dú)立建設(shè)海底光纜通信網(wǎng)，導(dǎo)致重復(fù)建設(shè)，浪費(fèi)了本就緊缺的海纜路由資源、海纜登陸點(diǎn)資源，增加了整體建設(shè)成本。近 2 年，歐洲和美國(guó)已經(jīng)出現(xiàn)了在海光纜通信網(wǎng)上融合地震和海嘯觀(guān)測(cè)功能的趨勢(shì)，國(guó)內(nèi)方面也在公開(kāi)倡議基于通用的海洋觀(guān)測(cè)平臺(tái)，提高資源利用效率，實(shí)現(xiàn)不同學(xué)科背景、不同學(xué)術(shù)思想和不同層次的研究力量協(xié)同，旨在以學(xué)科交叉的形式高效推進(jìn)領(lǐng)域發(fā)展[28]。有理由相信,未來(lái)將會(huì)根據(jù)不同類(lèi)型、不同功能和不同領(lǐng)域的業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)使用需求，統(tǒng)一信息傳輸和電能供給技術(shù)體制，提供通用標(biāo)準(zhǔn)接口，統(tǒng)一建設(shè)海底光纜綜合信息傳輸網(wǎng)，為各業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建共用信息基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)海底信息網(wǎng)絡(luò)的融合傳輸。

　　3.2 柵格組網(wǎng)提高抗毀性能

　　各種自然災(zāi)害和海洋經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對(duì)海底光纜網(wǎng)絡(luò)存在巨大威脅，各類(lèi)海底光纜網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)從早期的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈?zhǔn)骄W(wǎng)向目前環(huán)形網(wǎng)發(fā)展，如早期的 MARS、VENUS 觀(guān)測(cè)網(wǎng)和加拿大的 NEPTUNE 觀(guān)測(cè)網(wǎng)最開(kāi)始都是岸對(duì)海的鏈?zhǔn)骄W(wǎng)，隨后的擴(kuò)展或合并，逐漸演變成岸對(duì)岸的環(huán)線(xiàn)網(wǎng)，國(guó)內(nèi)東海和南海的觀(guān)測(cè)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)也都是如此，下一步我國(guó)的海底觀(guān)測(cè)網(wǎng)也規(guī)劃采用了環(huán)形網(wǎng)拓?fù)洹？煽康暮＠|切換方法對(duì)于建立永久、可靠和魯棒性高的海底觀(guān)測(cè)網(wǎng)是必要的[29]，隨著帶 ROADM 功能的海底分支、水下波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)陣列等技術(shù)的發(fā)展和成熟，海底光纜信息網(wǎng)絡(luò)正在進(jìn)一步向柵格網(wǎng)演進(jìn)，以提高海底光纜網(wǎng)絡(luò)的抗毀頑存性。

　　3.3 即插即用實(shí)現(xiàn)按需擴(kuò)展

　　海底光纜綜合信息網(wǎng)是水下通信、海底探測(cè)、海洋觀(guān)測(cè)和導(dǎo)航定位等水下信息的公共傳輸平臺(tái)，需要滿(mǎn)足這些網(wǎng)絡(luò)不同時(shí)期建設(shè)、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)展的要求。隨著水下物聯(lián)網(wǎng)(IoUT)和海底“支撐海洋科學(xué)觀(guān)測(cè)的海纜通信技術(shù)(SMART Cable)”概念的興起，伴隨著近程水聲通信、水下無(wú)線(xiàn)光通信、電磁通信和水下濕插拔連接器等各類(lèi)無(wú)線(xiàn)或有線(xiàn)、聲光電磁接入方式的發(fā)展，海底光纜網(wǎng)將從早期封閉、不可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)向能夠支撐相關(guān)設(shè)備(即插即用、靈活動(dòng)態(tài)組網(wǎng))的方向發(fā)展，以提高海底光纜網(wǎng)絡(luò)的可接入性和可擴(kuò)展性。

　　3.4 綜合防護(hù)提升網(wǎng)絡(luò)安全

　　海底光纜及相關(guān)設(shè)備在深海環(huán)境工作的布設(shè)成本高昂、維護(hù)難度大，面臨自然災(zāi)害和海洋作業(yè)破壞等安全威脅。傳統(tǒng)的海纜防護(hù)手段主要是光時(shí)域反射儀的光傳輸性能檢測(cè)和線(xiàn)路故障定位，僅能實(shí)現(xiàn)事后維修，不能對(duì)安全威脅提前預(yù)警;另一方面，隨著國(guó)外“吉米卡特”號(hào)潛艇海底光纜竊聽(tīng)力量的增強(qiáng)，海底光纜系統(tǒng)也不再是完全安全的網(wǎng)絡(luò)。2021 年 3 月，美國(guó)戰(zhàn)略與國(guó)際問(wèn)題研究中心(CSIS)發(fā)布《保護(hù)海底網(wǎng)絡(luò)安全：決策者入門(mén)指南》[30]，建議美國(guó)政府發(fā)展海底光纜網(wǎng)絡(luò)的“零信任”(zero-trust)先鋒技術(shù)，包括先進(jìn)的物理層加密和入侵檢測(cè)技術(shù)，確保美國(guó)海纜網(wǎng)絡(luò)在“不值得信任的環(huán)境中”也能安全運(yùn)行。因此，海底光纜網(wǎng)絡(luò)也需要發(fā)展包括海面路由危害監(jiān)視、海纜線(xiàn)路擾動(dòng)感應(yīng)等線(xiàn)路安全和光碼分多址加密、噪聲隱藏加密等信息安全的綜合防護(hù)手段，提高網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)能力。

　　3.5 高壓大功率多端分布式供電

　　目前的各類(lèi)網(wǎng)絡(luò)的供電距離一般在一百千米以?xún)?nèi)，供電功率一般不超過(guò) 15 千瓦，無(wú)法滿(mǎn)足多業(yè)務(wù)協(xié)同全覆蓋的應(yīng)用需求。未來(lái)，隨著在海纜網(wǎng)絡(luò)上接入更多水下業(yè)務(wù)終端，水下功率需求必將大幅增加，采用超高壓、大功率和多端分布式供電將是一種發(fā)展趨勢(shì)。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　海底光纜信息網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)研究目前圍繞著 2 個(gè)核心問(wèn)題：高可靠性和大功率供電。由于海底設(shè)備的維修成本高昂，海底光纜信息網(wǎng)絡(luò)的水下設(shè)備對(duì)可靠性的要求非常高。如果按 ITU(國(guó)際電信聯(lián)盟)對(duì)傳統(tǒng)的海底光纜通信系統(tǒng)水下設(shè)備(海纜、中繼器、分支器等)25 年使用壽命來(lái)要求，目前的各類(lèi)水下節(jié)點(diǎn)設(shè)備都無(wú)法滿(mǎn)足，因此如何提高系統(tǒng)的可靠性是從頂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、到傳輸供電體制、再到器件選型都需要貫穿的核心問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外目前在可靠性上有很多理論研究。

　　另一大挑戰(zhàn)在于如何向水下遠(yuǎn)距離的輸送大功率高壓電能。存在 3 點(diǎn)困難：

　　(1)目前的國(guó)內(nèi)各類(lèi)網(wǎng)絡(luò)總體上還是使用的進(jìn)口岸基遠(yuǎn)程供電設(shè)備，在當(dāng)前的國(guó)際環(huán)境下，需要盡快實(shí)現(xiàn)可控自主，完成國(guó)產(chǎn)化替代;雖然國(guó)內(nèi)已有幾家單位已生產(chǎn)出原型機(jī)，但還需要更多安全防護(hù)功能和可靠性測(cè)試(在本文修改期間，國(guó)產(chǎn)化的 PFE 已經(jīng)通過(guò)國(guó)際驗(yàn)證并應(yīng)用在了香港-海南國(guó)際海纜系統(tǒng)中);

　　(2)目前的有中繼海底光纜是按照給海底中繼器供電設(shè)計(jì)的，其設(shè)計(jì)耐高壓不超過(guò) 15 kV(一般工作耐壓 10kV)，而采用海底光電復(fù)合纜其供電距離一般只有幾十千米，而且纜徑很粗，自重重，使用水深不深，目前全球最深的海底光電復(fù)合纜是意大利撒丁島海域，水深不超過(guò) 1800 m，因此需要專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)適用于長(zhǎng)距離、深水深、小纜徑和耐高壓的有中繼海底光纜來(lái)傳輸高壓電能;

　　(3)水下節(jié)點(diǎn)的直流供電技術(shù)還需要突破，尤其是滿(mǎn)足 20kV 以上的小尺寸高可靠性的各類(lèi)恒流轉(zhuǎn)恒壓、恒壓轉(zhuǎn)恒壓和恒流轉(zhuǎn)恒流模塊技術(shù)。