余 智 胡 波

(武漢船舶通信研究所 武漢 430250)

海底光纜傳輸網(wǎng)絡(luò)總體設(shè)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(wǎng)絡(luò)的最新研究和應(yīng)用情況,提出了海底光纜傳輸網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),設(shè)計了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和重點研究設(shè)備。海底光纜傳輸網(wǎng)絡(luò)將海底分散的海洋環(huán)境觀測、地質(zhì)勘探等科學(xué)研究節(jié)點組網(wǎng),實現(xiàn)各類海洋科學(xué)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?shù)闹匾侄?為深?？茖W(xué)研究提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

海底光纜網(wǎng)絡(luò); 信息傳輸; 遠(yuǎn)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(yōu)點,是水下通信的必備手段,是海洋環(huán)境監(jiān)測、海洋科學(xué)研究不可或缺的保障手段。發(fā)達(dá)國家已經(jīng)將海底光纜通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于海洋環(huán)境、氣候監(jiān)測或大洋板塊運動等海底地質(zhì)信息監(jiān)測,研究海洋環(huán)境的變化或海底地質(zhì)地貌以減輕地震等帶來的災(zāi)害。如日本的ARENA水下實時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、加拿大與美國之間的NEPTUNE水下探測網(wǎng)絡(luò)[1]。利用海底光纜網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行長期、實時的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)觀測,為描述和預(yù)測海洋環(huán)境變化提供充足的數(shù)據(jù)支撐。對于任何一個海洋大國,建立海底光纜通信網(wǎng)絡(luò),加快對海洋的認(rèn)識、研究和開發(fā),非常有利于國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)。

2 國外海底光纜傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)展情況及思考

2.1 東北太平洋海洋環(huán)境監(jiān)測光纜網(wǎng)絡(luò)NEPTUNE(North East Pacific Time-Integrated Undersea Networked Experiment)

NEPTUNE是美國和加拿大聯(lián)合設(shè)計的東北太平洋海底觀測網(wǎng),其海底光纜總長度約為3200km,節(jié)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(xù)地獲取所觀測海區(qū)海洋環(huán)境信息,為認(rèn)識海洋變化規(guī)律,提高對海洋環(huán)境和氣候變化的預(yù)測能力提供實測數(shù)據(jù)支撐[2]。

圖1 用于海洋環(huán)境觀測的海底光纜傳輸網(wǎng)絡(luò)

該系統(tǒng)主要由三個部分組成:岸基監(jiān)控中心、海底光纜傳輸網(wǎng)絡(luò)和海底觀測傳感儀器。岸基監(jiān)控中心是海底光纜網(wǎng)絡(luò)的運行監(jiān)控中心、電能傳輸管理中心和海洋環(huán)境科研數(shù)據(jù)分析中心。水下接駁節(jié)點是海底光纜傳輸網(wǎng)絡(luò)的水下傳輸及控制節(jié)點,其主要功能是實現(xiàn)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(jiān)控中心傳輸來的DC 10kV高壓直流電能轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)信息(海水溫度、壓力等),通過骨干光纖網(wǎng)傳送到岸基監(jiān)控中心。骨干光纖網(wǎng)采用光以太網(wǎng)技術(shù)、TCP/IP技術(shù)和自定義協(xié)議技術(shù)構(gòu)建,實現(xiàn)各個水下節(jié)點和海岸基站之間的數(shù)據(jù)傳輸及通信控制。GPS衛(wèi)星天文鐘完成整個海底觀測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的精確時間同步。NEPTUNE目標(biāo)是建立區(qū)域的,長期的交互式觀測平臺,其節(jié)點連接示意圖如圖2所示。

圖2 觀測網(wǎng)絡(luò)節(jié)點平臺連接示意圖

2.2 水下實時地球監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)ARENA(Advanced Real-Time Earth Monitoring Network in the Area)

日本是最早利用海纜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)監(jiān)視地震和海嘯等的國家,2003年日本東京大學(xué)主持在圍繞日本列島海溝構(gòu)筑總長3600km的區(qū)域性高級實時地球監(jiān)視網(wǎng)ARENA計劃,利用鋪設(shè)在海底的纜式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),組成了水上、水下立體的長時間實時海洋監(jiān)測系統(tǒng),構(gòu)筑起海洋學(xué)、地震學(xué)以及海底能源開采等多領(lǐng)域的應(yīng)用平臺[3]。系統(tǒng)節(jié)點間距為50km,用66個節(jié)點覆蓋海底區(qū)域。間距為50km的每節(jié)點觀測浮標(biāo)上鏈接上各種傳感器,由此達(dá)到多學(xué)科利用的目的。

圖3 日本新型實時監(jiān)測ARENA網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)示意圖

系統(tǒng)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(nèi)同步進(jìn)行高精度的數(shù)據(jù)的傳輸;并具有極強(qiáng)的可擴(kuò)充性,可隨意交換和追加傳感器及觀測站點。ARENA網(wǎng)絡(luò)中的各種測量儀器所獲得各種數(shù)據(jù),可由陸地上的數(shù)據(jù)管理中心經(jīng)Internet向各個研究機(jī)構(gòu)和研究室傳送。高分辨率、實時的觀測數(shù)據(jù)可以通過互聯(lián)網(wǎng)在任何地方獲得,是ARENA的重要特征[4]。

2.3 發(fā)展思考

目前,海洋應(yīng)用正在從單點向網(wǎng)絡(luò)式系統(tǒng)方向發(fā)展。單點觀測只能夠獲得局部的時空不連續(xù)的海洋數(shù)據(jù),提供的數(shù)據(jù)不夠全面、難以深入；海底光纜將多節(jié)點平臺組成網(wǎng)絡(luò),能長期實時連續(xù)地獲取所測海區(qū)的信息,為認(rèn)識海洋變化規(guī)律、提高預(yù)測能力提供充足的實測數(shù)據(jù)支撐[5]。海底光纜網(wǎng)絡(luò)通信對于解決海洋科學(xué)信息傳輸問題越來越重要,對海底光纜網(wǎng)絡(luò)通信的研究設(shè)計也需逐步開展。

3 海底光纜網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

海底光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)將海底分散的海洋環(huán)境監(jiān)測、通信、勘測、導(dǎo)航、定位等科學(xué)研究節(jié)點組網(wǎng),實現(xiàn)各類海洋科學(xué)信息至岸基的匯聚、傳輸和交換,能解決水下大量原始數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)膯栴}。其通過統(tǒng)一規(guī)范的信息傳輸接口掛接各種海洋科學(xué)儀器設(shè)備,應(yīng)用范圍涉及海洋數(shù)據(jù)采集、海面探測、水下輔助導(dǎo)航定位、海洋資源勘測、目標(biāo)定位、遠(yuǎn)程水下控制及儀器測試等多個領(lǐng)域,具有廣泛的應(yīng)用價值和前景。

3.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

海底光纜傳輸骨干網(wǎng)絡(luò)一般采用環(huán)形為主的結(jié)構(gòu),拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示,其由多個節(jié)點通過海底光纜串行連接,呈鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu),組成花邊型的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)[6],環(huán)形拓?fù)涞奶攸c是:系統(tǒng)的通信生存能力和可靠性優(yōu)于線形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),效費比優(yōu)于其它拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。各種海洋科學(xué)傳感器節(jié)點通過接駁設(shè)備連接到海底網(wǎng)絡(luò),海底光纜就近直接連到岸基接入站,通過岸上陸纜網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)信息的共享、集中處理和分發(fā)。

圖4 海底光纜傳輸網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭D

3.2 總體結(jié)構(gòu)

如圖5所示,海底光纜網(wǎng)絡(luò)總體結(jié)構(gòu)包含三個層次:岸基網(wǎng)絡(luò)、海底光纖傳輸主干網(wǎng)和傳感器接入子網(wǎng)。岸基網(wǎng)絡(luò)主要由岸上Internet網(wǎng)絡(luò)或光纜網(wǎng)絡(luò)組成,是海底光纜網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)視控制中心、電能輸送中心和數(shù)據(jù)處理中心。其將海底光纜網(wǎng)絡(luò)傳輸來的水下傳感器的原始數(shù)據(jù)信息實時進(jìn)行分析處理和存儲,并完成各種控制指令的下發(fā)；岸基站系統(tǒng)還能實時監(jiān)測海底光纜網(wǎng)絡(luò)的運行狀況,當(dāng)出現(xiàn)問題時會及時報警、并自動診斷給出系統(tǒng)恢復(fù)方案。傳輸骨干網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)的水下核心設(shè)備,每個接駁盒里包含數(shù)據(jù)傳輸模塊、電能轉(zhuǎn)換模塊和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)視控制模塊,實現(xiàn)信息和電能的中繼、分配與控制。骨干網(wǎng)絡(luò)可以采用模擬制或數(shù)字制光傳輸網(wǎng)絡(luò)、光以太網(wǎng)技術(shù)等技術(shù)構(gòu)建,實現(xiàn)各個接駁盒之間以及接駁盒與海岸接入站之間的數(shù)據(jù)傳輸及通信控制。接入子網(wǎng)主要由水下各種傳感器及網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備組成,通過RS485/RS232等各種通信接口,實現(xiàn)對海底觀測傳感器原始數(shù)據(jù)信息的接入采集,以及與接駁盒傳輸設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。

水下各個觀測傳感器采集到的原始數(shù)據(jù)信息(如海水溫度、壓力等),通過接入子網(wǎng)的接入設(shè)備實現(xiàn)信息的獲取,并轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一接口將信息傳輸?shù)浇玉g盒,通過骨干網(wǎng)絡(luò)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(jīng)岸基網(wǎng)絡(luò)匯聚到處理中心,實現(xiàn)信息的匯聚、綜合處理。

3.3 系統(tǒng)組成

海底光纜網(wǎng)絡(luò)主要由四個系統(tǒng)組成,為專用海光纜分支與接駁設(shè)備、水下信息傳輸與接入系統(tǒng)、遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)和綜合監(jiān)測系統(tǒng),共同完成水下設(shè)備的信息綜合傳輸和遠(yuǎn)程供電的任務(wù)。重點研究內(nèi)容如下:

1) 海光纜、分支與接駁設(shè)備

海底光纜承擔(dān)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(shù)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(yuǎn)供,實現(xiàn)水下系統(tǒng)的遠(yuǎn)供電及系統(tǒng)遠(yuǎn)供電的重配置功能。

接駁設(shè)備保證各種電子設(shè)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(nèi)部功能模塊主要包括電能轉(zhuǎn)換與分配模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、監(jiān)測管理模塊和時鐘分配等,接駁盒設(shè)備為接駁盒內(nèi)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(wǎng)網(wǎng)絡(luò)傳輸結(jié)構(gòu)圖

2) 水下信息傳輸與接入系統(tǒng)

水下信息傳輸與接入系統(tǒng)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(jiān)控器進(jìn)行數(shù)據(jù)接入、匯聚與復(fù)用,并逐步匯入骨干網(wǎng)絡(luò)傳輸流,通過海底光纜傳輸?shù)桨痘刂浦行?并將來自岸上的控制指令送到相應(yīng)水下科學(xué)研究節(jié)點設(shè)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(shè)備的SDH時分復(fù)用傳輸方案；第二種方案是采用波分復(fù)用技術(shù),每一個節(jié)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(wǎng)絡(luò)對安全、可靠性的要求,能在環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中形成環(huán)路實現(xiàn)自愈保護(hù)與倒換功能。

3) 遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)

由于水下環(huán)境的特殊性,水下節(jié)點的信息和電能均需岸基經(jīng)海纜長距離傳送。遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)提供水下設(shè)備、分支與接駁設(shè)備工作所需的電源,完成對水下所有設(shè)備的遠(yuǎn)程供電。供電分系統(tǒng)是海底光纜網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)[8]。

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

4) 綜合監(jiān)控系統(tǒng)

由于海光纜傳輸網(wǎng)絡(luò)在水下工作環(huán)境惡劣、無人值守、易出故障,需要設(shè)計綜合監(jiān)控系統(tǒng),實現(xiàn)對海光纜網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)倪h(yuǎn)程監(jiān)視與控制,對海光纜、傳輸設(shè)備、供電設(shè)備、接駁盒和傳感設(shè)備等各種水下設(shè)備的工作情況進(jìn)行監(jiān)測與控制。

綜合監(jiān)控系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下功能:

(1)電源系統(tǒng)的監(jiān)視、告警與故障顯示;

(2)海底光纜、光接口及支路接口的監(jiān)視;若發(fā)生故障,自動警告并定位故障；

(3)水下傳輸設(shè)備的監(jiān)視及遙控;

(4)水下設(shè)備的工作狀態(tài)監(jiān)視、告警和進(jìn)行系統(tǒng)性能管理、參數(shù)的設(shè)置[10];

(5)數(shù)據(jù)的采集和顯示、存儲和日志；

(6)為滿足維護(hù)的需要,水下設(shè)備的監(jiān)視系統(tǒng)及網(wǎng)管系統(tǒng)還應(yīng)延伸至岸基監(jiān)控中心；實現(xiàn)與岸基的網(wǎng)管或監(jiān)控系統(tǒng)相連接。

4 結(jié)語

本文介紹了國外海底光纜傳輸網(wǎng)絡(luò)的研究和應(yīng)用情況,提出了海底光纜傳輸網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及系統(tǒng)組成,海底光纜網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)代通信的重要分支,研究相關(guān)技術(shù),規(guī)劃海底光纜傳輸網(wǎng)絡(luò)有序建設(shè),對完善水下信息傳輸手段,提高對海洋領(lǐng)域的開發(fā),促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展都有著深遠(yuǎn)意義。

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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(tǒng)。胡波,男,工程師,研究方向:艦船通信技術(shù)。

TM933

10.3969/j.issn1672-9730.2014.12.001