構建海底信息網技術分析

宋德樞，薛棟益，仇遠程

（解放軍91878部隊，廣東 湛江 524064）

0 引言

當今世界百年未有之大變局，一個獨立自主擁有廣闊海域、漫長海岸線和豐富海洋自然資源的海洋大國和平崛起。在多元化的國際形勢下，海底的通信、觀測和預警都面臨著復雜考驗。同時，海底信息網是一項涵蓋現有海底光纜網、海底警戒網和海底觀測網三個網絡功能的系統工程，它具有多學科、多領域的特點，覆蓋海底全領域、全空間，是探索海洋的一項基礎性工程，為實現海底信息一體化管理提供重要依托。三網之間互聯互通，海底光纜網是通信子網，為海底觀測網和海底警戒網提供信息傳輸和電源供應；海底觀測網和海底警戒網是資源子網，為海底光纜網搭載科學儀器，采集數據信息提供來源。

目前我國還沒有較大規模的海底警戒網和海底觀測網，適時建設一個大規模、系統性的海底綜合信息網，既能維護國家安全提升國防硬實力，又能加強民用基礎建設提升國民經濟軟實力。

1 國內外海底觀測網進展

1.1 海底信息網

目前海底有線網絡可大致分為海底光纜網、海底警戒網和海底觀測網三類。海底光纜網是指用于數據傳輸的海底光纜系統，主要目的是實現海岸基站之間的通信。當前全世界有410多條海底光纜在使用中，總長度超過140萬公里，可繞地球35圈。海底警戒網是指海底基于水聲通信的預警探測網，主要連接水聽器（陣列），廣泛應用于水下目標的識別、定位、導航、跟蹤等軍事方面。冷戰時期，美國始建水聲監測系統SOSUS，通過長達3萬海里海底電纜連接岸基觀察站，構建較為成熟的海底預警探測網絡[1]。海底觀測網是指在海底敷設網格化光電復合纜線路，通過接駁不同科學儀器，采集分析海底物理、化學、生物等參數，從而實現對特定海域海洋參量的長期實時連續測量，為海洋資源開發利用、災害預警、科學研究等民用提供參考依據，是海底信息網建設中的核心網絡。

1.2 國外海底觀測網進展

日本2003年提出計劃建設先進實時海底區域監測網ARENA（Advanced Real-Time Earth Monitoring Network in the Area），但由于經費原因，2011年建成的是地震海嘯密集海底網絡系統DONET（Dense Oceanfloor Network system for Earthquakes and Tsunamis），被譽為全球最精密的地震海嘯觀測網，如圖1a；2016年在DONET網基礎上建成DONET2網，同年建成海溝海底地震海嘯觀測網S-NET（Seafloor observation network for earthquakes and tsunamis along the Japan Trench），是當今全世界規模最大的海底光纜網絡[2]，如圖1b。加拿大2006年建成金星海底試驗網VENUS（Victoria Experimental Network Under the Sea），是一個近岸尺度的小型單節點觀測網；2009年正式運行西北太平洋時間序列觀測網NEPTUNE（North-East Pacific Time-Series Underwater Networked Experiment），如圖2。

圖1 日本防災觀測網

圖2 加拿大NEPTUNE觀測網

2009年運行海王星海底觀測網NAPTUNE CANADA，是全球第一個大區域環形設計海底科學觀測網絡，采用多節點網格化設計，采樣物理、化學和地質信息，觀測生物演化過程[3]。美國2009年開始啟動蒙特雷灣加速研究系統MARS（Monterey Accelerated Research System）；2016年主導建成全球最先進的搭載47類759個傳感器的海洋觀測網，命名為大洋觀測計劃OOI（Ocean Observation Initiative）[4]，如圖3。

圖3 美國OOI觀測網

歐洲2004年啟動歐洲海底觀測網ESONET（European Sea Observatory NETwork）計劃，2007年建成ESONET-CA網絡，2011年建成ESONET-NoE網絡[5]；2007年啟動歐洲多學科海底觀測網EMSO（European Multidisciplinary Seafloor Observatory）建設，以實現多學科跨海域試驗探索，如圖4。

圖4 歐洲EMSO觀測網

2013年啟動北冰洋FARM系統建設，進一步探究北極海洋生態環境系統受不同大洋環流的影響過程。臺灣2011年正式運行媽祖觀測網MACHO（Marine Cable Hosted Observatory）計劃，在臺灣西部海域實現海底火山洋流的實時監測、地震海嘯的早期預警，如圖5。

圖5 臺灣MACHO觀測網

1.3 國內海底觀測網進展

我國海底觀測網絡籌建起步相對較晚。2008年11月，由浙江大學自主研發的海底觀測網ZERO試驗平臺室內聯調成功。2009年在東海小衢山海域，同濟大學研制的包含1.1千米主干光電纜、1個水下接駁裝置和3套觀測設備組成的單節點海底觀測試驗站系統建成；2011年，在該系統基礎上增加約750千米環型觀測網絡，搭載多普勒聲學海流儀、濁度儀等傳感器測量海洋環境[6]。2011年，海洋儀器儀表研究所位青島膠州灣海域岸邊測試驗證了海底觀測網絡的組網通信能力，該系統平臺通過接駁溶解氧傳感器、溫鹽深儀CTD、視頻攝像頭等觀測傳感器多通道采集了大量海底原始數據[7]。同年4月，浙江大學研發的ZERO系統在美國MARS系統上成功并網試驗6個月，成為國內第一個應用于水下接駁盒節點的觀測網[8]。2013年5月，中國科學院在海南三亞建成首個具備擴展功能相對較為完整的海底觀測示范網絡系統，由海岸基站（可提供10千伏高壓直流電）、2千米主光電纜、1個主接駁盒和1個次接駁盒（20米水深海底）、3套觀測設備（含視頻觀測、海底照明、多普勒流速剖面儀ADCP、多功能水質儀等）、1個聲學網關節點與3個間隔500至800米溫深觀測節點組成。2015年，同濟大學十二五“863”計劃規劃設計建設東海淺海海底觀測網。2016年12月，《“十三五”國家信息化規劃》中，國家明確在“陸海空天一體化信息網絡工程”領域“推動海洋綜合觀測網絡由水面向水下和海底延伸”，并積極籌備計劃開發海基網絡設施[9]。2017年6月，國家審批通過“東海、南海海底觀測系統”重大專項工程，將完成東海、南海海域海面至海底的實時全天候、多通道、高分辨率的連續立體觀測和科學平臺建設，有助于加深對相關區域海洋環境的認識。

2 硬件關鍵技術

籌建海底信息網是一項復雜的系統工程，由建筑材料、工程機械和電子通信等多領域融合而成，目前還有部分理論空白和技術難題需要攻破。本文在對比國內外現有海底網絡研究狀況的基礎上，針對構建海底信息網的一些核心難題，進一步探討了網絡建設中需要應對的重難點問題和相關技術要求，提出了多項改進措施及解決方法。

2.1 網絡拓撲結構

依據拓撲結構模型展開方式，現存海底觀測網可基本分為總線型、樹型、環型等架構模式。本文建議構建的新型海底信息網采用網格狀嵌套型鏈式結構[10]，如圖6。貫徹“邊建邊用”策略，首先建成鏈式環形網，而后逐層拓展為網格狀網絡，此種架構要求頂層設計和發展規劃合理可靠，系統鏈路可拓展性好，才能保證運行周期不低于25年。

圖6 網格狀嵌套型鏈式結構

海岸遠程控制基站是海底信息網的組成核心，保障整個網絡系統能夠長期穩定運行，由計算機群組、網絡通信設備、高壓輸變電設備、故障監測設備等部分組成，以完成對采集信息的實時分析、處理、保存及異常處理，并為水下系統提供供電、通信、監控及授時四大功能保障。

海底信息網水下部分主要由海纜、接駁盒、科學儀器三部分組成。鎧裝光電復合纜作為主干路由海纜，內部主要由光纖和銅導體組成，分別負責信息傳輸和高壓直流電力保障。接駁盒分為主接駁盒（海底主基站）和次接駁盒（觀測儀器適配器SIIM，Science Instrument Interface Module），主接駁盒是能源和信息的主要中轉設備，實現采樣傳輸海底觀測數據、執行控制指令、監測狀態環境等功能，可在擴展的多路分支上連接次接駁盒，通過不同科學儀器接口實現海洋現象和海洋要素的觀測及測量。主干纜可通過分支器進行靈活擴展，還可通過中繼器或光放大器增加通信距離。文獻[11]提出一種基于檢測信息融合方式的網格化節點設定方式，由正四邊形和正三角形網格單元組成，仿真結果表明：覆蓋效率在觀測范圍寬度大于100 km時顯著提高。

2.2 遠程供電技術

構建海底信息網正常運行的基礎是持續穩定的能源供應。如今單節點路由配套供電技術已趨于成熟，多節點網絡的電源供應因單位長度電纜電阻限制了攝取電壓的能力，而不得不采取高壓電纜供電形式。顧及供電成本及能效、設備體積的同時，直流并聯供電法首推其沖，而對于多節點網格狀的拓撲結構，建議采用正負壓交替多端供電方式。使岸基饋電設備PFE輸出±2 kV～10 kV直流電壓，通過骨干網傳輸至各節點接駁盒處，主接駁盒進行DC-DC直流轉換，將幾千伏的直流高壓轉換為幾百伏中壓，次接駁盒將幾百伏中壓轉換成多種低壓電源，供科學儀器使用。但同時電纜分布特性和終端負載分布一定程度上影響最大傳輸電能，負載變化也會帶來電壓不穩的缺點；與此同時電力監控管理、水下降壓、錯誤定位隔離、中繼器保護等問題隨著線路長度增加面臨諸多困難。通過發展小型化高壓直流降壓裝置和研制電能管理分配設備達到提高系統整體電力保障能力和糾錯能力，同時還需建立一個岸基電源監控軟件，傳輸過程中保證實時在線監測高壓直流電路。

2.3 接駁盒技術

水下接駁技術是構建海底信息網的核心技術，海底接駁盒是實現水下線路連接的專用設備，功能包括數據通信、控制指令傳輸、電能分配轉換、接口轉換、中繼放大、即插即用、自監控等。研制接駁盒應著重關注以下方面：

1）電源轉換。海底復合光纜采用高壓直流的供電方式，科學儀器電源基本為低壓直流。通過配備DC/DC電能變換器，主接駁盒為次接駁盒提供擴展傳輸電壓，實現高壓到中低壓的轉換。一般采用歐美國家現行標準，主接駁盒將直流高壓±2 kV～10 kV降壓為擴展傳輸電壓375 V，次接駁盒將擴展傳輸電壓375 V降壓為觀測儀器常規可控電壓24 V/48 V，作為多數水下科學儀器的直流電源[12]，見表1。

表1 接駁盒電氣與通信特性

2）端口設置。岸基與主干網上接駁盒之間可實現千兆網速率光纖通信，若想增加傳輸距離，可在主接駁盒中增加光放大器或中繼器實現，主接駁盒中光信號轉換為以太網電信號，再通過交換機或路由器選擇千兆或百兆的下行網絡，次接駁盒可選擇通信速率10/100Mbit/s端口，或實現串行通信。當今主流通信設備都采用以太網接口通信，少數科學儀器仍采用RS232/RS422/RS485串口通信，見表1。

3）熱能耗散。接駁盒狹小耐壓腔體內封裝電源轉換裝置不利于散熱，可借助灌充絕緣散熱油加緩壓裝置的氣液混合模式提高散熱效率[13]。

4）濕插拔。濕插拔連接器UMC（Underwater Mateable Connector）接口技術可由遠程遙控運載器ROV（Remote Operated Vehicle）完成科學儀器的安裝維護操作，能夠增加海底接駁盒的可維護性和可擴展性。

5）故障監測與隔離。接駁盒常見電源故障分為過電壓和過電流故障，根據各獨立節點處故障診斷結果，控制系統自動切斷該路輸出并隔離終端設備，以確保接駁盒整體不受影響。從而降低局部節點處故障對整個網絡系統的影響，增強系統電源可靠性。

接駁盒還可根據科學儀器不同接口實現擴展功能，例如設計相應輔助接口實現水下潛器、水聲應答器等的水聲通信功能。

2007年，浙江大學開始設計建造通用型接駁盒，此后成功研制出2 kV/10 kV直流電壓的主接駁盒與375 V直流電壓的次接駁盒[14]，并于2011年成功將該款次接駁盒接入美國MARS觀測網并網運行半年。山東省科學院海洋儀器儀表研究所研制了一款基于MSP430單片機的電源管理和監視系統，保證接駁盒電壓恒定的同時實現實時電壓遠程監控[15]。

2.4 科學儀器

現如今傳感器技術被列為信息技術的三大支柱之一，水下傳感器可謂種類繁多、日新月異。目前，已成功應用于海底觀測的測量對象和科學儀器主要有：海水密度、海水鹽度、海水溫度、水下聲速梯度、溶解氧、二氧化碳、甲烷、葉綠素、海流計、散射計、濁度計、水壓計（水深計）、磁力儀、海底地震儀OBS、海平面壓力測量儀、聲學多普勒海流剖面儀ADCP、陰離子分析儀、激光拉曼光譜儀、水聽器陣列、攝像機等。

加拿大VENUS試驗網搭載的科學儀器有：溫鹽深儀CTD、水下總溶解氣體壓力儀GTD、溶解氧傳感器、高清晰度視頻攝像機、回波聲碼器、聲學多普勒海流剖面儀ADCP、海流計、濁度計、散射計、水聽器、沿岸海洋動力應用雷達等。通過分析海水溫度、海水鹽度、海水密度、溶解氧、海平面壓力測量儀、潮汐、海流和海洋混合物的觀測值，探尋海水的循環過程和交換過程；借助聲學多普勒海流剖面儀ADCP，測量海洋剪切流及紊流的實時變化；定位魚類體內聲學信標定期發出微弱的叫聲信號，網絡節點上水聲接收器實時掌握動物活動空間和生活軌跡，探究物種遷移趨勢；通過水聽器陣列收集水中哺乳動物及人為聲響，探尋自然聲與海氣相互作用的產生原理；分析窄波束主動聲吶和攝像機成像圖案，掌握沉積物增加比率、再懸浮、沉積物搬運和海底形態的演化過程。

美國MARS網絡借助水下低感光像機EITS（Eye In The Sea）的遠紅外光源發現了一種尋找海底發光生物的新方法；海洋酸化試驗系統FOCE（Free Ocean Carbon Dioxide Enrichment System）通過遠程調節CO2濃度，控制水下培養皿的PH值，實時記錄水體酸化改變對海洋生物的影響；深海激光拉曼光譜儀DORISS（Deep-Ocean Raman In Situ Spectrometer）完成海底水合物和海水多元素的原位監測；環境樣品處理器ESP（Environmental Sample Processor）利用一種分子生物學技術實現海水原位觀測，將非連續采樣海水富集微生物后，通過分子探針技術和三明治雜交技術檢測微生物rRNA，區別古菌、細菌、藻類或無脊椎動物，有助于進行海洋生物災害預報。

2010年，同濟大學研制的深海化學監測系統與浙江大學海底接駁盒濕插拔成功，實現了海底陰離子、甲烷、葉綠素、硝酸鹽和溶解氧的化學原位監測。文獻[16]通過設計激光拉曼儀器節點（OUC Raman instrument node）控制系統，實現對水下光譜的長期觀測。

3 軟件關鍵技術

3.1 時間同步技術

與陸基通信不同，海底通信只能由岸基設備通過衛星同步的方式進行時間校準，將標記一定精度的時間戳信息同步到海底各科學儀器，通過比對另外海底或岸基傳感器的采集數據，聯合研判提升時間精度。岸基主時鐘可使用北斗/GPS雙模塊授時技術對高穩恒溫晶振（OCXO）進行校頻實現時間同步。測量數據的有效性、準確性和可靠性依賴于統一的時間基準，也就依賴于授時的精度。一般秒級或毫秒級時間同步精度基本上能夠滿足大多數科學觀測和測量，而像采集地震、海嘯信號需至少微秒級精度。如何提高海底信息網的時間同步技術，對于海底各類科學儀器的同步測量、綜合研判以及災害預報等具有重要意義。2020年6月，我國成功發射第55顆北斗衛星，使得北斗三號全球星座部署全面完成，授時精度進一步提高。如今分布式時間同步系統海底觀測網中普遍采用精確時間同步協議PTP（Precision Time synchronization Protocol），因其具有同步精度高、組網便捷、符合IP 化光網絡結構等諸多優點。

2014年，浙江大學提出一種時間同步協議，將網絡時間協議NTP（Network Time Protocol）和精確時間同步協議PTP兩者相結合，經驗證NTP同步信號精度可達300 μs，PTP同步信號精度可達2 μs[17]。2018年，中電集團34所提出了一種基于PTP協議實現分布式時間同步策略，通過在岸基節點配置高精度時間服務器，可將亞微秒量級同步精度分配至海底各科學儀器設備[18]。

3.2 通信組網技術

海底光纜的拓撲結構是海底信息網賴以生存的通信載體，新的信息傳輸技術伴隨著光通信領域發展迭代更新。光傳送網OTN（Optical Transport Network）利用波分復用技術WDM（Wavelength Division Multiplexing）在光層組織網絡，借助光層和電層的完整體系結構，在電域繼承同步數字體系SDH（Synchronous Digital Hierarchy）中的映射、復用、交叉以及嵌入式開銷等概念，具有豐富的管理開銷、良好的調度能力以及可靠的保護功能；在光域上繼承了波分復用傳輸容量大、傳輸速率高和傳輸距離長等特點。擬以OTN作為組網基礎，在網格狀的通信鏈路上通過多種通信手段實現海底信息網的通信功能，在系統容量與可拓展性兩個方面也有較好性能[10]。

3.3 信息傳輸技術

信號在信道中傳遞都有傳輸損耗，光信號也不例外，能量隨信號在光纖中傳輸距離成正比。海底中繼器一般用于400 km以上距離的海底光纜系統，海底中繼器可靠性和體積的制約使得通信只能容納1～6對光纖，每對光纖均可承載上波和下波。

目前海纜通信系統利用密集波分復用DWDM（Dense Wavelength Division Multiplexing）技術將單個商業海纜通信線路的通信容量提高至數十Tb/s，并利用光分插復用分支器OADM（Optical Add Drop Multiplexer）使得不同海底主基站能占用同一光纖對容量，光纖對數不依賴于海底主基站個數。水下信道體積制約使得單個海底主基站最大通信帶寬為2～10 Gb/s。海底中繼器采取摻餌光纖放大器EDFA（Erbium Doped Fiber Amplifier）技術，搭配摻餌光纖、波分復用器和泵浦激光器工作。

3.4 色散補償技術

色散會嚴重限制波分復用WDM技術的效能，可嘗試在光纖通信中每間隔一段距離摻入色散補償光纖以抵消色散積累影響。實際應用中，結合總體補償、分段補償和單波補償等色散補償方法，綜合實現最優色散補償結果。總體補償由發送端預補償、接收端后補償以及路由線路補償構成，路由線路補償以中繼段為單位，含色散補償功能的中繼段插入到普通中繼段中，避免相同色散系數的光纖在同一中繼段中連續使用；分段補償劃分S、M、L三個波長區間各自單獨進行色散補償；單波補償只色散補償單獨范圍波長。通過可調色散補償TDC方法對信道色散的動態調整及自動跟蹤實現色散管理。針對海底信息網的WDM傳輸系統，文獻[19]研制了一款基于布喇格光柵FBG色散補償技術的多通道均衡色散補償級聯光纖模塊。

隨著光纖通信技術的快速發展，現在和不久將來可使用的新技術[20]見表2。

表2 海底光纜通信技術

4 結語

海底信息網承擔著水下通信、目標探測、水文氣象信息采集等任務，是人類研究探索和開發利用海洋環境的關鍵技術，是軍事硬實力的重要展示和組成部分，是一個國家綜合實力的重要體現。國內該領域起步相對較晚，廣大科研人員通過不斷地嘗試研究，目前基本具備了從海底信息網基礎材料研究到相關接駁技術、信息傳輸技術、控制技術的工程應用，相關技術已達到國際先進水平。但總體規模不大，各個網絡的發展也是在獨立的體系中進行，無形中增加了成本。因此，“三網合一”工程勢在必行、迫在眉睫，也符合我國信息化建設的總體要求。