海洋光通信網絡發(fā)展現狀及趨勢研究

  （作者：趙鑫 中國信息通信研究院技術與標準研究所寬帶網絡研究部工程師；湯曉華 中國信息通信研究院技術與標準研究所寬帶網絡研究部工程師）

  海洋光通信網絡是基于海底光纜為傳輸載體進行信息通信的光通信網絡，是海洋信息網絡的重要組成部分。海洋光通信網絡目前承載了全球95%以上的國際間信息通信的傳輸，是全球通信重要的信息載體和基礎網絡。隨著國際間信息交互的越發(fā)頻繁以及數據流量的爆發(fā)式增長，海洋光通信網絡所起到的重要作用愈發(fā)突顯。

  海洋光通信網絡的構成及產業(yè)特點

  海洋光通信網絡主要應用于國際跨洋的海底光纜通信、大陸與近海島嶼以及海洋島嶼間的海底光纜通信等場景。海洋光通信網絡按照應用場景和傳輸距離不同，可分為有中繼系統(tǒng)和無中繼系統(tǒng)。其中，國際跨洋海底光纜通信傳輸距離可達數千至上萬公里，多數場景需采用技術相對復雜的有中繼系統(tǒng)技術，在信號傳輸過程中使用中繼器進行信號放大;大陸與近海島嶼及海洋島嶼間的海底光纜通信傳輸距離一般數百公里(無需使用水下中繼器)，采用無中繼系統(tǒng)即可完成信號傳輸。

  海洋光通信網絡按照設備組成要素可分為水下設備(Wet Plant)和岸上設備(Dry Plant)兩部分，主要構成單元參見圖1。水下設備一般由海底光纜、中繼器和分支單元等構成，中繼器實現光信號的放大，分支單元用于實現多個站點之間的網絡互聯;岸上設備一般由海底光纜線路終端設備(SLTE)、線路監(jiān)測設備(LME)、遠供電源設備(PFE)和網絡管理控制(MC)構成。

圖1 海洋光通信網絡的設備構成

  海洋光通信網絡的產業(yè)范疇較廣，涉及海底光纜、系統(tǒng)設備、供電設備等多個專業(yè)領域的設備制造、系統(tǒng)集成以及網絡運營等產業(yè)領域。縱觀海洋光通信網絡產業(yè)的發(fā)展歷程并結合近年來的產業(yè)新發(fā)展趨勢，海洋光通信網絡產業(yè)集中體現3方面特點。

  存在明顯的網絡替換周期

  海洋光通信網絡是基于海底光纜作為載體實現大容量信息傳輸的系統(tǒng)。國家標準GB/T 51154-2015《海底光纜工程設計規(guī)范》對系統(tǒng)設計壽命要求是應達到25年[1]。根據海洋通信論壇(Submarine Telecoms Forum)發(fā)布的海洋通信產業(yè)報告[2]，海洋光通信網絡建設從20世紀80—90年代興起，于2001年達到了海洋光通信網投資建設的第一個高峰(見圖2)。隨著21世紀20年代來臨，處于海洋光通信網投資建設高峰時期的多條國際海纜已臨近退役期，海洋光通信網和國際海底光纜建設將逐漸進入建設和高速發(fā)展的新周期。

圖2 海底光纜部署距離(數據來源：Submarine Telecoms Forum)

  受需求、技術和政策的多重驅動

  海洋光通信網絡產業(yè)的發(fā)展與數據流量傳輸需求、技術發(fā)展演進和政策驅動等多重因素密切相關。隨著互聯網、云計算、物聯網、大數據、AR/VR、超高清視頻等新業(yè)務的出現和發(fā)展，對海洋光通信網絡的帶寬需求持續(xù)增加。據TeleGeography數據顯示，2018—2024年的全球帶寬需求將保持40%的年增長率。其次，海洋光通信網絡相關技術不斷發(fā)展，已成為海洋光通信的主要技術驅動力，如單波長傳輸速率已從最初的2.5 Gbit/s發(fā)展至100 Gbit/s、200 Gbit/s，甚至400 Gbit/s。在部分地區(qū)的海洋光通信網絡容量已經飽和的情況下，新技術能更好地滿足網絡帶寬的需求。另外，隨著各國對連接需求的不斷提升，很多國家已將互聯網帶寬和網絡安全上升到國家戰(zhàn)略層面，海洋光通信網絡作為國際間通信傳輸的主要手段，所扮演的角色越來越重要，特別是在我國“一帶一路”的倡議下，沿線國家紛紛積極響應通信網絡的互聯互通。

  多種投資建設和運維新模式的涌現

  隨著互聯網時代的到來，海洋光通信網絡的建設模式和運維模式不斷演進并出現了多種創(chuàng)新模式。

  (1)大型互聯網企業(yè)出于全球業(yè)務部署需求，已不滿足于海洋光通信網絡和海纜的租用，正越來越多地參與到國際海洋光通信網絡建設項目中。

  (2)中國運營商在國際海洋光通信網和海纜的投資建設方面積極主動性增強。

  (3)網絡合作建設運維模式日趨靈活，出現一站式建設(Turn Key)、共建共維(Open Cable)、空分復用(SDM)等為代表的新建設方案以及按照容量劃分、纖芯劃分等多種使用方式[3]。

  我國海洋光通信網絡發(fā)展現狀

  我國于1989年開始投入到全球海底光纜的投資與建設，并于1993年實現首條國際海底光纜的登陸(中國和日本之間C-J海底光纜系統(tǒng));1997年，我國參與建設的全球海底光纜系統(tǒng)FLAG建成并投入運營，這也是第一條在中國登陸的洲際海底光纜;至2000年亞歐海底光纜上海登陸站的開通，我國已實現與亞歐33個國家和地區(qū)的聯接。當前，我國與全球聯接的海底光纜包括6個入口(登陸站)和9條海底光纜(見表1)。登陸站設立在4個城市，分別是山東青島登陸站、上海崇明登陸站、上海南匯登陸站、上海臨港登陸站、廣東汕頭登陸站和香港登陸站。

表1 在我國登陸的海纜和登陸站

  若保守估計，按海纜25年壽命計算，除去已經升級擴容的海纜系統(tǒng)，未來幾年經過我國的海纜大多存在擴容升級或更換需求。2014年年底，中國核準了由中國主導的新太平洋(NCP)國際海底光纜工程，于2019年已投入使用。從2015年開始統(tǒng)計，通過中國境內及與我國投資建設相關新建海底光纜長度超過10萬公里，這些海纜也陸續(xù)開始投入運營。未來幾年，國際海洋光通信網絡建設有望保持高速發(fā)展態(tài)勢。

  海洋光通信網絡標準化進展

  海洋光通信網絡國際標準主要由ITU-T SG15 Q8工作組負責相關技術標準制定，且標準體系較為完善。國內海洋光通信網絡標準體系主要由國家標準(GB)、通信行業(yè)(YD/T)和電子行業(yè)標準(SJ)組成，但較多標準發(fā)布已有十多年，已不符合當前技術發(fā)展現狀并亟待完善更新，相比國際標準化水平存在一定的差距。

  國際海洋光通信網絡標準化進展

  ITU-T SG15 Q8工作組共分為14個系列標準，對海洋光通信網絡的海底及陸地光纜特性指標和測試方法、不同類型系統(tǒng)特性和前向糾錯等方面進行了大量標準化工作(見表2)。

表2 相關國際標準發(fā)布情況

  隨著海洋光通信技術的發(fā)展，近年來相關國際標準的更新主要集中在Open Cable建設新模式、系統(tǒng)傳輸性能和評價指標、一般特性和術語定義、監(jiān)控要求等方面。

  (1)G.977.1中對系統(tǒng)建設的岸上部分和水下部分設備解耦組網、不同供應商的線路終端設備靈活接入、系統(tǒng)升級擴容等方面內容進行更新。

  (2)G.977和G.973中對100 G相干接收系統(tǒng)相關性能指標要求、100 G系統(tǒng)引入以Q因子為基礎的傳輸性能、SNR、GOSNR和GSNR等新的性能參數的評價機制等方面內容進行更新和研究。

  (3)G.971中更新各標準之間的關系。

  (4)G.971中更新Q因子、FOADM和ROADM等術語。

  (5)G.979中更新無中繼系統(tǒng)的監(jiān)控要求。

  國內海洋光通信網絡標準化進展

  國內海洋光通信網絡標準體系主要分為國家標準、通信行業(yè)標準和電子行業(yè)標準，主要聚焦在系統(tǒng)、光纜、接頭盒、工程建設等方面。但多數標準發(fā)布的時間已相對較長，隨著新技術的發(fā)展并在海洋光通信網絡中應用部署，當前在系統(tǒng)、設備和管理等方面的相關標準化工作亟需完善和更新(見表3)。

表3 相關國內標準發(fā)布情況

  (1)在系統(tǒng)方面：200 G和400 G等超100 G技術已在海洋光通信網絡中應用，待研究制定超100 G海洋光通信網絡相關指標要求以及監(jiān)測和測試方法。

  (2)在設備技術要求方面：CCSA已立項和研究帶中繼近海光纜通信系統(tǒng)技術要求，相關設備技術要求待確定和標準化發(fā)布。

  (3)在管控方面：海洋光通信網絡管理通用要求和北向接口技術規(guī)范方面均待標準規(guī)范。

  海洋光通信技術發(fā)展趨勢

  隨著海洋光通信技術近年來的不斷發(fā)展進步，海洋光通信技術正向著更高帶寬、更長距離、更智能化方向逐步演進。

  更高帶寬

  超100 Gbit/s線路技術、C+L雙波段傳輸、空分復用等技術成為研究和應用的熱點，共同推動海洋光通信系統(tǒng)向更高帶寬的方向演進。

  (1)超100 Gbit/s線路技術方面：高階調制、多載波復用、靈活柵格等技術的發(fā)展，使得超100 Gbit/s技術基于不同系統(tǒng)容量和傳輸距離的要求，可提供差異化的實現方案。

  (2)C+L雙波段技術方面：通過提高放大器帶寬方式，實現C波段和L波段功率放大，顯著提高系統(tǒng)傳輸帶寬。

  (3)空分復用技術方面：采用復用纖芯數量提高傳輸容量的同時，對遠供電源的要求并未提高，已具備應用部署能力。

  更長距離

  100 Gbit/s和超100 Gbit/s線路傳輸性能的持續(xù)優(yōu)化，以及大有效面積低損耗光纖的大規(guī)模應用，使得海洋光通信系統(tǒng)傳輸距離顯著提升。隨著100 Gbit/s線路技術的成熟，100 Gbit/s線路OSNR容限水平已與10 Gbit/s線路傳輸性能水平相當。超過100 Gbit/s線路OSNR容限和傳輸性能持續(xù)提升。同時，采用大有效面積低損耗光纖，可有效降低線路衰減，減少中繼數量，且有效降低非線性效應對系統(tǒng)影響，大幅度提高傳輸距離。

  更智能化

  系統(tǒng)管控、智能運維以及線路實時故障監(jiān)測定位等系統(tǒng)應用到海洋光通信網絡中，有效提升了網絡智能化水平。其中，系統(tǒng)管控和智能運維一體化方面，通過網元管理系統(tǒng)實現對網絡中設備的集中管理和性能監(jiān)控。同時，通過采用大數據分析等應用，可實現故障分析、性能趨勢分析和流量預測等智能運維。線路實時故障監(jiān)測定位方面，通過線路監(jiān)控系統(tǒng)實現對海纜和中繼器的實時監(jiān)測，并實現故障情況下的自動告警和故障定位，有效提高網絡故障下的業(yè)務快速恢復能力和網絡健壯性。

  隨著近年來海洋光通信方面不斷涌現的新需求、新技術和新政策的多重驅動，海洋光通信網絡進入提速發(fā)展的新時代。面對海洋光通信網絡新一輪的建設發(fā)展機遇期，中國企業(yè)需加快提升自身實力并抓住機遇，加強國際合作，更多地參與到海洋光通信網絡建設和運營中。在海洋光通信網絡標準研究進展方面，國際海洋光通信網絡標準較為完善，國內海洋光通信網絡標準體系待完善，標準化水平亟待提高。伴隨著海洋光通信的技術發(fā)展，海洋光通信網絡正向著更高帶寬、更長距離、更智能化方向逐步演進。

  參考文獻

  [1] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部,中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局. GB/T 51154-2015海底光纜工程設計規(guī)范[S]. 北京:中國計劃出版社, 2015.

  [2] Wayne Nielsen. Submarine telecoms industry report [J]. Submarine Telecoms Forum. 2017/2018, issue6 :28-29.

  [3] 第四屆亞太海纜峰會. 《中國國際光纜互聯互通白皮書》發(fā)布[EB/OL]. (2018-08-29) [2019-10-11].http://www. iccsz.com/site/cn/News/2018/12/11/20181211074838959677. htm.