海洋光通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢研究

  （作者：趙鑫 中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所寬帶網(wǎng)絡(luò)研究部工程師；湯曉華 中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所寬帶網(wǎng)絡(luò)研究部工程師）

  海洋光通信網(wǎng)絡(luò)是基于海底光纜為傳輸載體進(jìn)行信息通信的光通信網(wǎng)絡(luò)，是海洋信息網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。海洋光通信網(wǎng)絡(luò)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(chǔ)網(wǎng)絡(luò)。隨著國際間信息交互的越發(fā)頻繁以及數(shù)據(jù)流量的爆發(fā)式增長，海洋光通信網(wǎng)絡(luò)所起到的重要作用愈發(fā)突顯。

  海洋光通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成及產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)

  海洋光通信網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)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(wǎng)絡(luò)按照應(yīng)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(dá)數(shù)千至上萬公里，多數(shù)場景需采用技術(shù)相對復(fù)雜的有中繼系統(tǒng)技術(shù)，在信號(hào)傳輸過程中使用中繼器進(jìn)行信號(hào)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(shù)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(hào)傳輸。

  海洋光通信網(wǎng)絡(luò)按照設(shè)備組成要素可分為水下設(shè)備(Wet Plant)和岸上設(shè)備(Dry Plant)兩部分，主要構(gòu)成單元參見圖1。水下設(shè)備一般由海底光纜、中繼器和分支單元等構(gòu)成，中繼器實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的放大，分支單元用于實(shí)現(xiàn)多個(gè)站點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián);岸上設(shè)備一般由海底光纜線路終端設(shè)備(SLTE)、線路監(jiān)測設(shè)備(LME)、遠(yuǎn)供電源設(shè)備(PFE)和網(wǎng)絡(luò)管理控制(MC)構(gòu)成。

圖1 海洋光通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備構(gòu)成

  海洋光通信網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)業(yè)范疇較廣，涉及海底光纜、系統(tǒng)設(shè)備、供電設(shè)備等多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域的設(shè)備制造、系統(tǒng)集成以及網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域?？v觀海洋光通信網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程并結(jié)合近年來的產(chǎn)業(yè)新發(fā)展趨勢，海洋光通信網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)集中體現(xiàn)3方面特點(diǎn)。

  存在明顯的網(wǎng)絡(luò)替換周期

  海洋光通信網(wǎng)絡(luò)是基于海底光纜作為載體實(shí)現(xiàn)大容量信息傳輸?shù)南到y(tǒng)。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 51154-2015《海底光纜工程設(shè)計(jì)規(guī)范》對系統(tǒng)設(shè)計(jì)壽命要求是應(yīng)達(dá)到25年[1]。根據(jù)海洋通信論壇(Submarine Telecoms Forum)發(fā)布的海洋通信產(chǎn)業(yè)報(bào)告[2]，海洋光通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)從20世紀(jì)80—90年代興起，于2001年達(dá)到了海洋光通信網(wǎng)投資建設(shè)的第一個(gè)高峰(見圖2)。隨著21世紀(jì)20年代來臨，處于海洋光通信網(wǎng)投資建設(shè)高峰時(shí)期的多條國際海纜已臨近退役期，海洋光通信網(wǎng)和國際海底光纜建設(shè)將逐漸進(jìn)入建設(shè)和高速發(fā)展的新周期。

圖2 海底光纜部署距離(數(shù)據(jù)來源：Submarine Telecoms Forum)

  受需求、技術(shù)和政策的多重驅(qū)動(dòng)

  海洋光通信網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與數(shù)據(jù)流量傳輸需求、技術(shù)發(fā)展演進(jìn)和政策驅(qū)動(dòng)等多重因素密切相關(guān)。隨著互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、AR/VR、超高清視頻等新業(yè)務(wù)的出現(xiàn)和發(fā)展，對海洋光通信網(wǎng)絡(luò)的帶寬需求持續(xù)增加。據(jù)TeleGeography數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)不斷發(fā)展，已成為海洋光通信的主要技術(shù)驅(qū)動(dòng)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(wǎng)絡(luò)容量已經(jīng)飽和的情況下，新技術(shù)能更好地滿足網(wǎng)絡(luò)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(lián)網(wǎng)帶寬和網(wǎng)絡(luò)安全上升到國家戰(zhàn)略層面，海洋光通信網(wǎng)絡(luò)作為國際間通信傳輸?shù)闹饕侄?，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(yīng)通信網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通。

  多種投資建設(shè)和運(yùn)維新模式的涌現(xiàn)

  隨著互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來，海洋光通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)模式和運(yùn)維模式不斷演進(jìn)并出現(xiàn)了多種創(chuàng)新模式。

  (1)大型互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)出于全球業(yè)務(wù)部署需求，已不滿足于海洋光通信網(wǎng)絡(luò)和海纜的租用，正越來越多地參與到國際海洋光通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)項(xiàng)目中。

  (2)中國運(yùn)營商在國際海洋光通信網(wǎng)和海纜的投資建設(shè)方面積極主動(dòng)性增強(qiáng)。

  (3)網(wǎng)絡(luò)合作建設(shè)運(yùn)維模式日趨靈活，出現(xiàn)一站式建設(shè)(Turn Key)、共建共維(Open Cable)、空分復(fù)用(SDM)等為代表的新建設(shè)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(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)狀

  我國于1989年開始投入到全球海底光纜的投資與建設(shè)，并于1993年實(shí)現(xiàn)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(shè)的全球海底光纜系統(tǒng)FLAG建成并投入運(yùn)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(shí)現(xiàn)與亞歐33個(gè)國家和地區(qū)的聯(lián)接。當(dāng)前，我國與全球聯(lián)接的海底光纜包括6個(gè)入口(登陸站)和9條海底光纜(見表1)。登陸站設(shè)立在4個(gè)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(jì)，按海纜25年壽命計(jì)算，除去已經(jīng)升級擴(kuò)容的海纜系統(tǒng)，未來幾年經(jīng)過我國的海纜大多存在擴(kuò)容升級或更換需求。2014年年底，中國核準(zhǔn)了由中國主導(dǎo)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(jì)，通過中國境內(nèi)及與我國投資建設(shè)相關(guān)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(yùn)營。未來幾年，國際海洋光通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)有望保持高速發(fā)展態(tài)勢。

  海洋光通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展

  海洋光通信網(wǎng)絡(luò)國際標(biāo)準(zhǔn)主要由ITU-T SG15 Q8工作組負(fù)責(zé)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定，且標(biāo)準(zhǔn)體系較為完善。國內(nèi)海洋光通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)體系主要由國家標(biāo)準(zhǔn)(GB)、通信行業(yè)(YD/T)和電子行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(SJ)組成，但較多標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布已有十多年，已不符合當(dāng)前技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀并亟待完善更新，相比國際標(biāo)準(zhǔn)化水平存在一定的差距。

  國際海洋光通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展

  ITU-T SG15 Q8工作組共分為14個(gè)系列標(biāo)準(zhǔn)，對海洋光通信網(wǎng)絡(luò)的海底及陸地光纜特性指標(biāo)和測試方法、不同類型系統(tǒng)特性和前向糾錯(cuò)等方面進(jìn)行了大量標(biāo)準(zhǔn)化工作(見表2)。

表2 相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布情況

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

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

  (2)G.977和G.973中對100 G相干接收系統(tǒng)相關(guān)性能指標(biāo)要求、100 G系統(tǒng)引入以Q因子為基礎(chǔ)的傳輸性能、SNR、GOSNR和GSNR等新的性能參數(shù)的評價(jià)機(jī)制等方面內(nèi)容進(jìn)行更新和研究。

  (3)G.971中更新各標(biāo)準(zhǔn)之間的關(guān)系。

  (4)G.971中更新Q因子、FOADM和ROADM等術(shù)語。

  (5)G.979中更新無中繼系統(tǒng)的監(jiān)控要求。

  國內(nèi)海洋光通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展

  國內(nèi)海洋光通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)體系主要分為國家標(biāo)準(zhǔn)、通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和電子行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，主要聚焦在系統(tǒng)、光纜、接頭盒、工程建設(shè)等方面。但多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布的時(shí)間已相對較長，隨著新技術(shù)的發(fā)展并在海洋光通信網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用部署，當(dāng)前在系統(tǒng)、設(shè)備和管理等方面的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作亟需完善和更新(見表3)。

表3 相關(guān)國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布情況

  (1)在系統(tǒng)方面：200 G和400 G等超100 G技術(shù)已在海洋光通信網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用，待研究制定超100 G海洋光通信網(wǎng)絡(luò)相關(guān)指標(biāo)要求以及監(jiān)測和測試方法。

  (2)在設(shè)備技術(shù)要求方面：CCSA已立項(xiàng)和研究帶中繼近海光纜通信系統(tǒng)技術(shù)要求，相關(guān)設(shè)備技術(shù)要求待確定和標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)布。

  (3)在管控方面：海洋光通信網(wǎng)絡(luò)管理通用要求和北向接口技術(shù)規(guī)范方面均待標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

  海洋光通信技術(shù)發(fā)展趨勢

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

  更高帶寬

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

  (1)超100 Gbit/s線路技術(shù)方面：高階調(diào)制、多載波復(fù)用、靈活柵格等技術(shù)的發(fā)展，使得超100 Gbit/s技術(shù)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(shí)現(xiàn)方案。

  (2)C+L雙波段技術(shù)方面：通過提高放大器帶寬方式，實(shí)現(xiàn)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(fù)用技術(shù)方面：采用復(fù)用纖芯數(shù)量提高傳輸容量的同時(shí)，對遠(yuǎn)供電源的要求并未提高，已具備應(yīng)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(yīng)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(shù)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(dāng)。超過100 Gbit/s線路OSNR容限和傳輸性能持續(xù)提升。同時(shí)，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(shù)量，且有效降低非線性效應(yīng)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(yùn)維以及線路實(shí)時(shí)故障監(jiān)測定位等系統(tǒng)應(yīng)用到海洋光通信網(wǎng)絡(luò)中，有效提升了網(wǎng)絡(luò)智能化水平。其中，系統(tǒng)管控和智能運(yùn)維一體化方面，通過網(wǎng)元管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的集中管理和性能監(jiān)控。同時(shí)，通過采用大數(shù)據(jù)分析等應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)故障分析、性能趨勢分析和流量預(yù)測等智能運(yùn)維。線路實(shí)時(shí)故障監(jiān)測定位方面，通過線路監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對海纜和中繼器的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并實(shí)現(xiàn)故障情況下的自動(dòng)告警和故障定位，有效提高網(wǎng)絡(luò)故障下的業(yè)務(wù)快速恢復(fù)能力和網(wǎng)絡(luò)健壯性。

  隨著近年來海洋光通信方面不斷涌現(xiàn)的新需求、新技術(shù)和新政策的多重驅(qū)動(dòng)，海洋光通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入提速發(fā)展的新時(shí)代。面對海洋光通信網(wǎng)絡(luò)新一輪的建設(shè)發(fā)展機(jī)遇期，中國企業(yè)需加快提升自身實(shí)力并抓住機(jī)遇，加強(qiáng)國際合作，更多地參與到海洋光通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運(yùn)營中。在海洋光通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)研究進(jìn)展方面，國際海洋光通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)較為完善，國內(nèi)海洋光通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)體系待完善，標(biāo)準(zhǔn)化水平亟待提高。伴隨著海洋光通信的技術(shù)發(fā)展，海洋光通信網(wǎng)絡(luò)正向著更高帶寬、更長距離、更智能化方向逐步演進(jìn)。

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