海洋光通信网络发展现状及趋势研究

  （作者：赵鑫 中国信息通信研究院技术与标准研究所宽带网络研究部工程师；汤晓华 中国信息通信研究院技术与标准研究所宽带网络研究部工程师）

  海洋光通信网络是基于海底光缆为传输载体进行信息通信的光通信网络，是海洋信息网络的重要组成部分。海洋光通信网络目前承载了全球95%以上的国际间信息通信的传输，是全球通信重要的信息载体和基础网络。随着国际间信息交互的越发频繁以及数据流量的爆发式增长，海洋光通信网络所起到的重要作用愈发突显。

  海洋光通信网络的构成及产业特点

  海洋光通信网络主要应用于国际跨洋的海底光缆通信、大陆与近海岛屿以及海洋岛屿间的海底光缆通信等场景。海洋光通信网络按照应用场景和传输距离不同，可分为有中继系统和无中继系统。其中，国际跨洋海底光缆通信传输距离可达数千至上万公里，多数场景需采用技术相对复杂的有中继系统技术，在信号传输过程中使用中继器进行信号放大;大陆与近海岛屿及海洋岛屿间的海底光缆通信传输距离一般数百公里(无需使用水下中继器)，采用无中继系统即可完成信号传输。

  海洋光通信网络按照设备组成要素可分为水下设备(Wet Plant)和岸上设备(Dry Plant)两部分，主要构成单元参见图1。水下设备一般由海底光缆、中继器和分支单元等构成，中继器实现光信号的放大，分支单元用于实现多个站点之间的网络互联;岸上设备一般由海底光缆线路终端设备(SLTE)、线路监测设备(LME)、远供电源设备(PFE)和网络管理控制(MC)构成。

图1 海洋光通信网络的设备构成

  海洋光通信网络的产业范畴较广，涉及海底光缆、系统设备、供电设备等多个专业领域的设备制造、系统集成以及网络运营等产业领域。纵观海洋光通信网络产业的发展历程并结合近年来的产业新发展趋势，海洋光通信网络产业集中体现3方面特点。

  存在明显的网络替换周期

  海洋光通信网络是基于海底光缆作为载体实现大容量信息传输的系统。国家标准GB/T 51154-2015《海底光缆工程设计规范》对系统设计寿命要求是应达到25年[1]。根据海洋通信论坛(Submarine Telecoms Forum)发布的海洋通信产业报告[2]，海洋光通信网络建设从20世纪80—90年代兴起，于2001年达到了海洋光通信网投资建设的第一个高峰(见图2)。随着21世纪20年代来临，处于海洋光通信网投资建设高峰时期的多条国际海缆已临近退役期，海洋光通信网和国际海底光缆建设将逐渐进入建设和高速发展的新周期。

图2 海底光缆部署距离(数据来源：Submarine Telecoms Forum)

  受需求、技术和政策的多重驱动

  海洋光通信网络产业的发展与数据流量传输需求、技术发展演进和政策驱动等多重因素密切相关。随着互联网、云计算、物联网、大数据、AR/VR、超高清视频等新业务的出现和发展，对海洋光通信网络的带宽需求持续增加。据TeleGeography数据显示，2018—2024年的全球带宽需求将保持40%的年增长率。其次，海洋光通信网络相关技术不断发展，已成为海洋光通信的主要技术驱动力，如单波长传输速率已从最初的2.5 Gbit/s发展至100 Gbit/s、200 Gbit/s，甚至400 Gbit/s。在部分地区的海洋光通信网络容量已经饱和的情况下，新技术能更好地满足网络带宽的需求。另外，随着各国对连接需求的不断提升，很多国家已将互联网带宽和网络安全上升到国家战略层面，海洋光通信网络作为国际间通信传输的主要手段，所扮演的角色越来越重要，特别是在我国“一带一路”的倡议下，沿线国家纷纷积极响应通信网络的互联互通。

  多种投资建设和运维新模式的涌现

  随着互联网时代的到来，海洋光通信网络的建设模式和运维模式不断演进并出现了多种创新模式。

  (1)大型互联网企业出于全球业务部署需求，已不满足于海洋光通信网络和海缆的租用，正越来越多地参与到国际海洋光通信网络建设项目中。

  (2)中国运营商在国际海洋光通信网和海缆的投资建设方面积极主动性增强。

  (3)网络合作建设运维模式日趋灵活，出现一站式建设(Turn Key)、共建共维(Open Cable)、空分复用(SDM)等为代表的新建设方案以及按照容量划分、纤芯划分等多种使用方式[3]。

  我国海洋光通信网络发展现状

  我国于1989年开始投入到全球海底光缆的投资与建设，并于1993年实现首条国际海底光缆的登陆(中国和日本之间C-J海底光缆系统);1997年，我国参与建设的全球海底光缆系统FLAG建成并投入运营，这也是第一条在中国登陆的洲际海底光缆;至2000年亚欧海底光缆上海登陆站的开通，我国已实现与亚欧33个国家和地区的联接。当前，我国与全球联接的海底光缆包括6个入口(登陆站)和9条海底光缆(见表1)。登陆站设立在4个城市，分别是山东青岛登陆站、上海崇明登陆站、上海南汇登陆站、上海临港登陆站、广东汕头登陆站和香港登陆站。

表1 在我国登陆的海缆和登陆站

  若保守估计，按海缆25年寿命计算，除去已经升级扩容的海缆系统，未来几年经过我国的海缆大多存在扩容升级或更换需求。2014年年底，中国核准了由中国主导的新太平洋(NCP)国际海底光缆工程，于2019年已投入使用。从2015年开始统计，通过中国境内及与我国投资建设相关新建海底光缆长度超过10万公里，这些海缆也陆续开始投入运营。未来几年，国际海洋光通信网络建设有望保持高速发展态势。

  海洋光通信网络标准化进展

  海洋光通信网络国际标准主要由ITU-T SG15 Q8工作组负责相关技术标准制定，且标准体系较为完善。国内海洋光通信网络标准体系主要由国家标准(GB)、通信行业(YD/T)和电子行业标准(SJ)组成，但较多标准发布已有十多年，已不符合当前技术发展现状并亟待完善更新，相比国际标准化水平存在一定的差距。

  国际海洋光通信网络标准化进展

  ITU-T SG15 Q8工作组共分为14个系列标准，对海洋光通信网络的海底及陆地光缆特性指标和测试方法、不同类型系统特性和前向纠错等方面进行了大量标准化工作(见表2)。

表2 相关国际标准发布情况

  随着海洋光通信技术的发展，近年来相关国际标准的更新主要集中在Open Cable建设新模式、系统传输性能和评价指标、一般特性和术语定义、监控要求等方面。

  (1)G.977.1中对系统建设的岸上部分和水下部分设备解耦组网、不同供应商的线路终端设备灵活接入、系统升级扩容等方面内容进行更新。

  (2)G.977和G.973中对100 G相干接收系统相关性能指标要求、100 G系统引入以Q因子为基础的传输性能、SNR、GOSNR和GSNR等新的性能参数的评价机制等方面内容进行更新和研究。

  (3)G.971中更新各标准之间的关系。

  (4)G.971中更新Q因子、FOADM和ROADM等术语。

  (5)G.979中更新无中继系统的监控要求。

  国内海洋光通信网络标准化进展

  国内海洋光通信网络标准体系主要分为国家标准、通信行业标准和电子行业标准，主要聚焦在系统、光缆、接头盒、工程建设等方面。但多数标准发布的时间已相对较长，随着新技术的发展并在海洋光通信网络中应用部署，当前在系统、设备和管理等方面的相关标准化工作亟需完善和更新(见表3)。

表3 相关国内标准发布情况

  (1)在系统方面：200 G和400 G等超100 G技术已在海洋光通信网络中应用，待研究制定超100 G海洋光通信网络相关指标要求以及监测和测试方法。

  (2)在设备技术要求方面：CCSA已立项和研究带中继近海光缆通信系统技术要求，相关设备技术要求待确定和标准化发布。

  (3)在管控方面：海洋光通信网络管理通用要求和北向接口技术规范方面均待标准规范。

  海洋光通信技术发展趋势

  随着海洋光通信技术近年来的不断发展进步，海洋光通信技术正向着更高带宽、更长距离、更智能化方向逐步演进。

  更高带宽

  超100 Gbit/s线路技术、C+L双波段传输、空分复用等技术成为研究和应用的热点，共同推动海洋光通信系统向更高带宽的方向演进。

  (1)超100 Gbit/s线路技术方面：高阶调制、多载波复用、灵活栅格等技术的发展，使得超100 Gbit/s技术基于不同系统容量和传输距离的要求，可提供差异化的实现方案。

  (2)C+L双波段技术方面：通过提高放大器带宽方式，实现C波段和L波段功率放大，显著提高系统传输带宽。

  (3)空分复用技术方面：采用复用纤芯数量提高传输容量的同时，对远供电源的要求并未提高，已具备应用部署能力。

  更长距离

  100 Gbit/s和超100 Gbit/s线路传输性能的持续优化，以及大有效面积低损耗光纤的大规模应用，使得海洋光通信系统传输距离显著提升。随着100 Gbit/s线路技术的成熟，100 Gbit/s线路OSNR容限水平已与10 Gbit/s线路传输性能水平相当。超过100 Gbit/s线路OSNR容限和传输性能持续提升。同时，采用大有效面积低损耗光纤，可有效降低线路衰减，减少中继数量，且有效降低非线性效应对系统影响，大幅度提高传输距离。

  更智能化

  系统管控、智能运维以及线路实时故障监测定位等系统应用到海洋光通信网络中，有效提升了网络智能化水平。其中，系统管控和智能运维一体化方面，通过网元管理系统实现对网络中设备的集中管理和性能监控。同时，通过采用大数据分析等应用，可实现故障分析、性能趋势分析和流量预测等智能运维。线路实时故障监测定位方面，通过线路监控系统实现对海缆和中继器的实时监测，并实现故障情况下的自动告警和故障定位，有效提高网络故障下的业务快速恢复能力和网络健壮性。

  随着近年来海洋光通信方面不断涌现的新需求、新技术和新政策的多重驱动，海洋光通信网络进入提速发展的新时代。面对海洋光通信网络新一轮的建设发展机遇期，中国企业需加快提升自身实力并抓住机遇，加强国际合作，更多地参与到海洋光通信网络建设和运营中。在海洋光通信网络标准研究进展方面，国际海洋光通信网络标准较为完善，国内海洋光通信网络标准体系待完善，标准化水平亟待提高。伴随着海洋光通信的技术发展，海洋光通信网络正向着更高带宽、更长距离、更智能化方向逐步演进。

  参考文献

  [1] 中华人民共和国住房和城乡建设部,中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. GB/T 51154-2015海底光缆工程设计规范[S]. 北京:中国计划出版社, 2015.

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

  [3] 第四届亚太海缆峰会. 《中国国际光缆互联互通白皮书》发布[EB/OL]. (2018-08-29) [2019-10-11].http://www. iccsz.com/site/cn/News/2018/12/11/20181211074838959677. htm.