海洋技术研究 海底信息网关键技术分析.docx

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海洋技术研究海底信息网关键技术分析

海洋论坛▏海底信息网关键技术分析

随着全球化的发展，互联互通成为最为基本的需求，海量的信息流维系着整个社会的高效运转。

在这样的场景中，海洋却是一道不可逾越的鸿沟，成为洲际信息交互的瓶颈。

把光通信技术运用于海洋场景中，将能够突破信息流瓶颈，在国际通信中起到重要的作用。

同时，海洋又是一个巨大的宝库，蕴藏着丰富的石油天然气、热液硫化物、矿藏结核和深海生物等资源，成为重要的科研平台，通过对海洋的合理观测和研究，可以实现对海底资源的充分开发和有效保护，对人们了解海洋、利用海洋、保护海洋有着重要意义。

进入21世纪，围绕着海洋的国际之争，最令人瞩目的就是对海底信息网的传感技术和海底长距离、大容量、高速可靠的通信网系统的竞争。

我国是海洋大国，拥有漫长的海岸线和丰富的海洋资源，在严峻的国际形势下，海洋的通信、观测和预警都面临这严酷的考验。

组建一个高可靠的水下信息网，不管是对于国防建设维护国家安全还是满足国民经济生活需求都是至关重要的。

一、海底网络分析

海底网络主要分为海底通信网、海底观测网和海底警戒网3种类型。

海底通信网主要实现了被水域阻隔的岸基站之间的通信，由于应用在特殊的海洋环境中，与陆地系统相比系统的设计更加复杂，对传输容量、传输距离和系统的可靠性与稳定性的要求也更高。

典型的海底光缆系统如图1所示。

目前我国与各主要国家，以及在我国的多个海域都进行了海底光缆的布设，共建成了7大系统18条光缆，同时随着技术的进步，更加高效可靠的海底光缆系统将进一步加强我国与世界的连接，成为我国连通世界的桥梁。

图1海底光缆系统

海底观测网是在海底敷设大规模、长距离、多支路的光电复合缆，各个节点端连接若干个海底接驳盒，用于实现电能的分配和信息的管理控制，并通过各种接口连接不同种类的科学仪器，从而实现对特定水域的长期、连续、实时和原位的观测。

海底观测网系统如图2所示。

国际上的有很多已投入使用的海底观测网，如日本的ARENA系统，美国和加拿大的NEPTUNE、MARS、H2O系统以及欧洲的ESONET系统等，相比较国内的海底观测网还处于试验阶段，其中同济大学的东海海底观测小衢山试验站、中科院南海海底观测网以及浙江大学摘箬山岛观测网络试验平台都已实现了实验条件下的观测网架设。

图2海底观测网结构图

海底警戒网则是运用在军事方面，目前的反潜侦查的主要手段是声呐探测，警戒网就是在特定水域合理布放声呐，采集特定的潜艇运动信息，形成全方位、多层次的反潜防御系统，对领海的保护有了更强度主动性。

美国的SOSUS声监视系统是已知的相对成熟的海底警戒网，是在大西洋和太平洋中布设了一系列深海水听器阵列，由电缆连接到岸上的基站，电缆长度达到30000海里，我国正在极力研发和建设新型数字水听器设备，距布网实用还有一定差距。

不同功能的海底网络有着很大的相似性，随着各种网络规模的扩大，单独布设一种网络的建设和维护成本会大大提高，通过搭建统一的海底信息网传送平台，是实现海底通信的一体化管理的重要方式，也将极大减少投入成本，促进海底网络的建设。

二、海底信息网关键技术

在海底信息网的整合设计中，既保证各个子网的功能实现，又要满足水下信息网的整体性能。

在网络结构、通信技术、远端供电、网络的整体监测等方面都需要进行详细研究与设计。

⒈网络结构

网络结构在海底信息网的设计中是很有必要的，即要满足设计时系统的结构设计，还需具有很强的扩展能力，为后续网络的便捷维护和扩展打下基础。

针对大规模的海底网络，网格状的组网方式能满足需求，在需要扩大网络规模时，只用在现行网格主干线路上增设水下分支节点设备，对网络整体性能不产生影响，具有很强的可扩展性。

对于观测节点采用链式组网嵌套，能更好地实现层级管理和定位节点设备，便于水下信息的采集处理控制。

网格状嵌套型链式的组网方式为海底信息网提供了稳定的平台结构支撑，但是网状组网方式复杂度相对较高，在电能分配与通信模式上都有更高的要求。

对此，我们可以采用将复杂度通信机制与分配机制的实现降层到个水下节点设备上，即采用组网结构复杂、功能简单的主干网网络架构和需增设相应功能模块的水下节点设备来实现。

这样的方式也契合了降低后期网络维护成本的需求，但在水下节点的设计上需要补全相应功能实现，会额外增设节点的复杂度。

⒉通信技术

⑴通信组网

海底信息网是以海底光缆通信网络作为基础传输平台，随着光通信技术的发展，整个海底信息网规划的技术方案也会随之迭代更新，形成网络结构固定而技术更迭的发展模式。

拟以光传送网（OTN）作为整个海底信息网传输组网基础，在传输线路和终端设备上采用各种通信技术，来实现系统的传输平台功能。

OTN是在波分复用技术的基础上，在光层组织网络的光传送网，它通过了G.872、G.709、G.798等一系列ITU-T的建议，是新一代“数字传送体系”和“光传送体系”。

OTN包含了光层和电层的完整体系结构，同时也继承了同步数字体系（SDH）和WDM的双重优势。

OTN完全符合海底信息网的传输设计需求，也满足系统的兼容和扩展性能，将作为海底信息网的方案基础。

⑵色散和功率管理

在对海底信息网系统的整体设计时，一般要对传输线路和终端设备进行一体化设计，即需要综合考虑终端设备性能、中继节点参数、选取的光纤类型以及线路的色散管理和功率管理。

在海底光缆通信系统中，光纤的选型经历了G.654、G.655和混合光纤的发展过程。

在G.652常规单模光纤的基础上，通过采用纯二氧化硅的纤芯，依靠包层的掺杂降低折射率，得到所需要的折射率差的方式研制出G.654损耗最小光纤，其显著的特点是在1550nm的工作波长，其损耗系数最小，仅为0.15dB/km，但此时色散系数较高为19ps/nm∙km。

主要应用于早期衰减受限，速率不高的系统中。

随着系统速率的提高以及容量的增大，色散问题很大程度上限制了系统速率，零色散光纤所引入的四波混频现象会导致信道间产生严重串扰，不适用于密集波分复用（DWDM）系统。

为此需要在色散大小和四波混频间做出折中，即在1550nm的工作波长保持有较小的正色散系数或具有负色散系数，这样就有了G.655非零色散位移光纤。

目前这种光纤广泛应用在远距离、大容量的密集波分复用系统中。

为进一步提升系统的性能，可采用混合光纤的模式。

所谓混合光纤就是在传输线路上采取多种光纤组合，来达到性能互补。

常用来进行色散补偿和功率管理，分别如图3和图4所示。

图3色散补偿示意图

图4功率管理示意图

色散补偿是在系统跨距段内采用正色散和负色散光纤按一定配置比例间插排布，得到线路的接近于零的低色散值。

由于在每段光纤中色散不为零，很好的抑制了四波混频。

功率管理则是在跨段内的发端用大有效面积光纤，以降低非线性效应，混合间插常规光纤，可以在一定程度上降低或补偿色散。

如采用色散系数为+19ps/nm∙km，有效截面大于75μm2的正色散光纤和色散系数为-39ps/nm∙km，有效截面大于25μm2的负色散光纤，按照2:

1的配置比例进行混合布设，最终可得到平均色散系数为-3ps/nm∙km的性能值，明显改善系统的色散，降低其非线性效应，完全可以应用在大规模密集波分复用系统中。

⑶编码技术

在线路终端设备上采用合适的线路编码技术、前向纠错（FEC）技术和功率均衡技术等来提升系统传输性能。

在各种调制方式中，差分相移键控（DPSK）调制具有很强的抗非线性干扰能力，并且采用平衡接收方式下接收灵敏度高，就使得在大容量长距离的波分复用系统中有着显著优势。

拟采用归零差分相移键控（RZ-DPSK）的技术方案。

前向纠错是一种数据编码技术，与传统的在接收端发现错误则要求发送方重传的方式不同，接收端不但能检测出差错信号，并且利用数据传输的冗余信息定位出二进制码流出现差错的位置同时加以纠正，从而达到自动检错纠错的目的，提高数据传输的可靠性。

其付出的代价就是需要增加一定量级的冗余信息，在一定程度上降低了系统有效传输容量。

⒊远端供电

作为整个海底信息网的能源供给，远端供电系统对整个系统意义重大。

为满足海洋场景的长距离传输，海底观测网的电能传输系统与陆地上有显著的区别。

陆地系统采用高压交流供电系统，当应用在海底传输时，电缆上的寄生电容和电感将会增加系统的无功功率，极大降低电能的传输效率和供电系统的稳定性，加上交流变电设备体积庞大，很大程度上限制了海底节点设备的设计，这些都使得在大型的海底网络中选择直流输电方式。

在采用直流输电方式后，可以利用电极与海水作为回路，即使用一条输电线就能构成输电环路，在技术难度大并且造价高的海缆系统中，能大大降低建设成本。

此外，直流输电系统的瞬态具有高频特性，响应速度快，可以保障系统的稳定性和可靠性。

拟定海底信息网中采用网格状嵌套型链式的组网结构和单极直流恒压的输电方式，其输电结构如图5所示。

远端供电系统的设计一般要求岸基站输出千伏量级直流高压电，最高可达12.5kV；海底光电复合缆中供电导体的电阻应小于1Ω/km；在网状系统中采用的海底分支单元（BU）需要具备电路倒换的功能。

水下的科学仪器的用电方式多为低压直流，在接驳盒中需要实现将主干网中的高压直流电能进行电能转换。

对主接驳盒而言，受电端是次级接驳盒，如今欧美地区采用的是375V的传输电压，因此需将-10kV的主干网电压转换成375V的标准电压。

对于次级接驳盒而言，受电端是各种科学仪器，常规用电电压为24V/48V两种，则需要再次转换。

逐级的电能转换能保证终端仪器的正常供电。

图5海底网络输电结构

对于点到点或树状结构的系统而言，电源的供应以及监测很容易实现，但对于大规模多节点的网络来说，电源分配供给和监测实现难度更大。

需要设计相应的电力监测系统，对整个网络中的电能传输情况做实时在线监控。

⒋网络监测

对于海底网络而言，设计网路监控系统必不可少。

在一方面需要实时监测海底线路和设备的运行情况，上报海底设备的告警和性能，在线路出现故障时，能做到精确度故障定位，便于后期的维修处理；另一方面就是要防止线路中的信号窃取，特别是在水下信息网中，会有关系国防安全的重要信息，能及时发现线路的异常，将更有利于避免海缆遭到窃听。

网络监测手段主要是基于分布式光纤传感技术，其原理是将传输光纤作为传感敏感元件和传输信号介质，通过对注入系统的探测信号与回传信号的分析，可以得到整个网络的特定性能值，依据该值的大小或变化情况，可以掌握整个系统的状态。

OTDR技术就广泛应用于陆地光纤线路的检测中。

海底网络具有很长的跨距，会通过级联的海底中继器完成信号的放大，海底中继器不可避免的会引入自发辐射噪声，经逐级放大积累后对回传的信号的探测产生影响，导致传统的OTDR在海底信息网中的受到很大限制。

为此做出改进，相干光时域反射（COTDR）技术采取相干光检测的方式来探测回传信号，可以得到很好的效果。

同时在海底的场景中，外界环境相对稳定，温度和压强都不会有太剧烈的改变，但在光电传输系统的故障点都往会有不同程度的温度或应力变化，可以据此布设基于COTDR的分布式光纤温度传感系统，完成对传输线路上故障的监测和定位。

具体原理是当传输光纤上某一段的温度或应力发生变化时，有与热光效应和弹光效应，这一光纤段的密度、折射率和散射点的间距将发生变化，从而引起该段光纤中回传信号的相位变化，通过在终端对回传信号的时延差和光功率进行相应出，就可以定位出温度或应变发生变化位置信息。

根据相应的指标要求，在海水温度测量和水下设备定位的场合，其温度测量的精度需要达到0.02℃。

基于COTDR的分布式光纤传感测得的温度分辨率可达到0.01℃，空间位置分辨率可达1m，已经满足实际系统的应用要求。

海底信息网全光监测方式的系统结构图如图6所示。

除此之外，还需要根据相应的协议规范，统一研发必要的设备与器件，包括大容量、多芯数、性能优良的海底光电复合缆保证海底心痛的电力供给和信息互通；各类业务的数据处理单元用以实现不同业务的差异化处理；各种海底网络的节点设备，如海底接驳盒、中继器、分支器等来实现海底网络的智能管理与扩展的需求。

图6海底信息网全光监测方式

三、海底信息网方案

海底信息网依托OTN平台，整体网络结构按网格状嵌套型链式结构进行组织，系统架构如图7所示。

图7海底信息网框图

该架构中，主干光缆是大容量、多芯数、高强度的光电复合海缆通过水下有源分支器进行网格状组网，在主干光缆线路上，设置相应的水下节点单元，一般是接驳盒和中继器。

网络规模可以通过有源分支器进行灵活扩展。

整体的规划是海洋信息网中每个标准化节点分配10G/100G带宽，及一个10G/100G的光信号，后期根据系统规模可扩展到80G/800G。

业务流通过10G/100G波分复用系统实现光信号传输，不同节点根据分配的不同的波长区分，完成与岸基站的信息互通传递。

在业务逻辑上，海底信息网系统简化为图8的结构。

图8海底信息网结构

海底信息网作为整个海底通信的传输平台，不同种类的业务都可以在其上传输。

根据业务性质的不同，而将主干光缆中的纤芯分为相互独立的3组，分别用于海底通信、海底观测和海底警戒业务。

在岸基站的终端设备上，也做出对应的划分，将主干光缆的信息根据不同的业务进行区分处理。

由于业务种类多，总量大，就会使主干光缆中的纤芯数目要比通常的海底光缆大得多，需要针对不同需求量做相应的设计。

四、结束语

海底信息网是针对现有海底光缆通信系统、海底观测网和海底警戒网的不断发展，三者的联系和可交互性越发显著，需进行网络的整合而提出，将为后续海洋的探测与开发利用提供平台基础。

海底信息网是涵盖多个学科的综合性工程，搭建一个普适通用易于扩展的信息传送平台是其核心，整体的设计与规划都需要充分考虑到水下应用的特定场景，对此相应的理论和方法研究为海底信息网的设计提供参考和依据。

我国海底网络的建设起步晚，相关技术与发达国家有一定差距，如今正是海洋事业发展的好时期，建立起稳定可靠的海底信息网尤为重要，据此多借鉴参考他国经验并作出合理的规划设计，定能事半功倍，在海洋事业发展的道路上大步向前。