海洋光通信網(wǎng)絡發(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與標準研究所寬帶網(wǎng)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(wǎng)絡研究部工程師）

  海洋光通信網(wǎng)絡是基于海底光纜為傳輸載體進行信息通信的光通信網(wǎng)絡，是海洋信息網(wǎng)絡的重要組成部分。海洋光通信網(wǎng)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(wǎng)絡。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)絡所起到的重要作用愈發(fā)突顯。

  海洋光通信網(wǎng)絡的構成及產業(yè)特點

  海洋光通信網(wǎng)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(wǎng)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(shù)千至上萬公里，多數(shù)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(shù)百公里(無需使用水下中繼器)，采用無中繼系統(tǒng)即可完成信號傳輸。

  海洋光通信網(wǎng)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(xiàn)光信號的放大，分支單元用于實現(xiàn)多個站點之間的網(wǎng)絡互聯(lián);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(wǎng)絡管理控制(MC)構成。

圖1 海洋光通信網(wǎng)絡的設備構成

  海洋光通信網(wǎng)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(wǎng)絡運營等產業(yè)領域。縱觀海洋光通信網(wǎng)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(wǎng)絡產業(yè)集中體現(xiàn)3方面特點。

  存在明顯的網(wǎng)絡替換周期

  海洋光通信網(wǎng)絡是基于海底光纜作為載體實現(xiàn)大容量信息傳輸?shù)南到y(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(jù)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(shù)據(jù)來源：Submarine Telecoms Forum)

  受需求、技術和政策的多重驅動

  海洋光通信網(wǎng)絡產業(yè)的發(fā)展與數(shù)據(jù)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(lián)網(wǎng)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、AR/VR、超高清視頻等新業(yè)務的出現(xiàn)和發(fā)展，對海洋光通信網(wǎng)絡的帶寬需求持續(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(wǎng)絡容量已經飽和的情況下，新技術能更好地滿足網(wǎng)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(lián)網(wǎng)帶寬和網(wǎng)絡安全上升到國家戰(zhàn)略層面，海洋光通信網(wǎng)絡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通信網(wǎng)絡的互聯(lián)互通。

  多種投資建設和運維新模式的涌現(xiàn)

  隨著互聯(lián)網(wǎng)時代的到來，海洋光通信網(wǎng)絡的建設模式和運維模式不斷演進并出現(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)務部署需求，已不滿足于海洋光通信網(wǎng)絡和海纜的租用，正越來越多地參與到國際海洋光通信網(wǎng)絡建設項目中。

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

  (3)網(wǎng)絡合作建設運維模式日趨靈活，出現(xiàn)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(wǎng)絡發(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，并于1993年實現(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(xiàn)與亞歐33個國家和地區(qū)的聯(lián)接。當前，我國與全球聯(lián)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(wǎng)絡建設有望保持高速發(fā)展態(tài)勢。

  海洋光通信網(wǎng)絡標準化進展

  海洋光通信網(wǎng)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(wǎng)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(xiàn)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)、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(shù)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(wǎng)絡標準化進展

  國內海洋光通信網(wǎng)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(shù)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(wǎng)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(wǎng)絡中應用，待研究制定超100 G海洋光通信網(wǎng)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(wǎng)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(xiàn)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(xiàn)C波段和L波段功率放大，顯著提高系統(tǒng)傳輸帶寬。

  (3)空分復用技術方面：采用復用纖芯數(shù)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(shù)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(wǎng)絡中，有效提升了網(wǎng)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(wǎng)元管理系統(tǒng)實現(xiàn)對網(wǎng)絡中設備的集中管理和性能監(jiān)控。同時，通過采用大數(shù)據(jù)分析等應用，可實現(xiàn)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(xiàn)對海纜和中繼器的實時監(jiān)測，并實現(xiàn)故障情況下的自動告警和故障定位，有效提高網(wǎng)絡故障下的業(yè)務快速恢復能力和網(wǎng)絡健壯性。

  隨著近年來海洋光通信方面不斷涌現(xiàn)的新需求、新技術和新政策的多重驅動，海洋光通信網(wǎng)絡進入提速發(fā)展的新時代。面對海洋光通信網(wǎng)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(wǎng)絡建設和運營中。在海洋光通信網(wǎng)絡標準研究進展方面，國際海洋光通信網(wǎng)絡標準較為完善，國內海洋光通信網(wǎng)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(wǎng)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(lián)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.