基于海底光缆通信网的海底观测网拓扑应用研究*

何成波，吴学智

（海军工程大学 电子工程学院，湖北 武汉 430033）

0 引 言

随着光通信技术的发展进步，光纤通信已经成为有线通信领域最重要的通信方式，在全世界被广泛应用。自1988年，世界第一条跨洋海底光缆建成以来，截至2018年初，全球已投入使用的海底光缆超过448条，总长度达120万公里[1]，2018-2020年还有26条，总长度超过26万公里的国际海缆在建或计划建设。海底光缆通信系统的发展给海底观测网带来了新的活力。2005年-2015年，人们加强了位于英属哥伦比亚的加拿大NEPTUNE，美国俄勒冈州和华盛顿州的海洋观测计划区域范围节点（OOI RSN），以及日本东海岸的DONET系统的建设。海底蕴藏了丰富的矿物和油气资源，海洋是各国海军角逐的主战场，所以海底观测网在军事领域和民用领域都意义重大，其发展水平是一个国家综合实力的重要标志。世界各主要国家都非常重视海底观测网的建设。我国具有内海和边海共约470万平方公里的水域面积，一万八千多公里的海岸线，海底观测网建设对我国家发展意义非凡，国家《“十三五”国家信息化规划》在 “陆海空天一体化信息网络工程”中提出“推动海洋综合观测网络由水面向水下和海底延伸”，明确要求推进海基网络设施建设[2]。

1 缆系海底科学观测网简介

1.1 缆系海底科学观测网简介

海底观测网是指通过安装在海底光缆通信系统的各类观测传感器/仪器来监测海底物理、化学、地质等参量以及生物过程的海基网络设施，主要由岸基远程控制中心、海底光电复合缆（即有中继海底光缆通信系统）、海底观测传感器/仪器及相应适配器组成。海底观测网总体结构如图1所示[3]。通常按照主要基础设施的功能把海底观测网划分为通信系统和电力系统，提供了通信、监控、授时和供电的主要功能。

图1 海底观测网总体物理结构

1.2 国内外典型海底观测网简介

1.2.1 国外观测网简介

自20世纪90年代，世界上主要海洋强国开始建设了海底观测站，到本世纪初进一步发展为海底科学观测网。

（1）美国

20世纪末期美国开始建设基于海底光缆的海底科学观测站。1996年美国建设了长期生态观测站（Long-term Ecosystem Observatory at 15 meters，LEO-15）[4]，并于2005年进行了重大升级[5]。1997年又建设了夏威夷水下地学观测站（Hawaii Undersea Geo Observatory，HUGO）[6]。2000 年在埃德加顿南岸建立了马萨葡萄园岛海岸观测站（Martha’s Vineyard Coastal Observatory，MVCO）[7]。随后21世纪初又建立蒙特利湾海底长期三分量地震台站（MOBB），灯塔海洋研究计划Ⅰ期锚系观测网（LORI-Ⅰ），MARS（Monterey Accele-rated Research System）系统[8]，LORI-Ⅱ有缆观测网等规模比较小的观测设施。2011年美国开始建设安装OOI海底观测网（Ocean Observatories Initiative）[9]，并于2016建成使用。美国OOI观测网作为世界上最先进的海洋观测网，拥有共有47类传感器构成了759个传感器，分布在大西洋和太平洋的南北半球[10]，总体上可分为分为区域网（Regional Scale Nodes，RSN）、 近 岸 网（Coastal Scale Nodes，CSN）和全球网（Global Scale Nodes，GSN）三大部分。其中区域网RSN是基于海底光缆的观测网，海底光缆总长度为900 km，敷设最大深度为3 000 m，提供了最大200 kW的总功率和240 Gbit/s的通信总带宽，近岸网CSN和全球网GSN主要是采用锚系和水下机器人等检测方式。

（2）加拿大

2006年2月加拿大在维多利亚和温哥华附近浅海建立了，水深300 m以内的金星海底观测网 （Victoria Experimental Network Under The Sea，VENUS）[11]，主要用于试验和教学。加拿大西北太平洋时间序列观测网（North-East Pacific Time-Series Underwater Networked Experiment，NEPTUNE）位于胡安·德富卡板块的北部[12-13]，于2009年12月正式运行。该观测网拥有主干海光缆800 km，分支海光缆120 km，以及5个海底观测站[14]，提供了60 kW的总功率和10 Gbit/s的通信带宽，并通过海底光缆网络和全深度锚系系统观测水下17米至2660米深度海洋信息。

（3）日本

2003年日本提出了新型实时海洋观测网（Advanced Real-Time Earth Monitoring Network in the Area，ARENA）的提案，重点用于海底地震、火山、海啸以及后期能源开发的研究，目前也在向海洋生物、水声监测、海洋动力环境等研究方向扩展。2006年日本开始建设地震海啸密集海底观测网络（Dense Oceanfloor Network system for Earthquakes and Tsunamis，DONET）[15]，用于日本东南方向海域地震监测和海啸预警。该观测网又包括DONET1和 DONET2海底观测网。DONET1于2011年建设完成，由5个科学节点连接22各观测点，DONET2于2016年建设完成，由7个科学节点连接29各观测点。这些观测节点平均间距为15到20 km，从而覆盖了近岸到海槽的广大区域[16]。2011年日本东北部太平洋海域强烈地震引发的海啸灾难，促使日本于2013年开始建设了日本海沟海底地震海啸观测网（即S-net网）。S-net网在日本东边海岸和日本海沟之间，每间隔30 km埋设了共150个带有地震仪和海啸计的传感观测节点，总计覆盖约25万平方公里的海域，是迄今为止规模最大的海底光缆观测网络[17]。

（4）欧洲

20世纪末，欧洲国家开始建立自己的观测网。2004年欧洲国家开启了欧洲海底观测网（European Sea Observatory NETwork，ESONET）计划，在大西洋、地中海、北冰洋等海域精选海域建设了十多个多功能的海底观测网，使用了约5 000 km的海底光缆。每个观测子网都有各自方向。迄今为止，有ESONET有英国、德国、法国、意大利等14个欧洲国家，50多家机构和企业，约300名科学家、工程师和技术人员参与其中[18]。ESONET包括2002年至2007年，建成的ESONET-CA计划， 2007年至2011年建设的ESONET-NoE计划，以及2007年开始建设的EMOS（European Multidisciplinary Seafloor Observatory）计划[19]，针对不同海域，进行多学科和跨学科的研究。

1.2.2 国内观测网简介

我国海底观测网研究建设工作起步较晚，总体上可分为三个阶段：2006年至2009年是关键技术验证阶段，2009年至2016年是小范围建设试验阶段，自2017年开始进入规模化建设阶段，形成了政府为首、科研机构牵头，企业积极参与配合协作的模式，推动我国海底观测网快速发展。2006年，同济大学在上海科委的资助下开始了海底观测网技术科研攻关，2011年，浙江大学等研制的ZERO系统与美国MARS海底观测网络并网试验[20]和山东省科学院海洋仪器仪表研究所开展的海底观测网络岸边实验[21]，标志我国海底观测网络技术的已达实用要求。

东海方向，同济大学于2009年，在洋山国际深水港东南约20 km的小衢山岛附近建成了东海海底联网观测小衢山试验站[22]。2011年，在小衢山试验站的基础上，又布设了总长度约750 km的环型观测网，主要以多普勒声学海流仪、浊度仪监测海洋信息用于科学研究[23]。2015年，牵头实施的十二五“863”计划组成东海浅海海底观测网[24]。

南海方向，2009年10月，在海南陵水附近海域开始布设了我国第一条海底光纤探测系统。2012年，科技部依托陵水基地建设我国首个“南海海底观测网试验系统”[25]。目前该海底观测网已经完成100 km左右的建设，最大水深1700 m。2013年，南海首个海底观测示范系统在三亚建成[24]。该系统主要由2 km的海底光缆连接3套观测设备构成，规模较小，但功能相对完整。

2017年3月，国家发改委正式批复了《海底科学观测网国家重大科技基础设施项目建议书》。同济大学统筹协调，在我国东海和南海关键海域建设基于海底光缆连接的海底科学观测网，实现全天候、实时和高分辨率的多维度立体综合观测，用以开展科学研究和国内外交流[26]。

2 海底科学观测网拓扑应用研究

2.1 国内外海底科学观测网拓扑结构

海底观测网拓扑结构根据其主干海底光缆网络结构一般分为线型、环型、总线型、树型等拓扑结构。美国OOI观测网为线型结构[27]，加拿大的NEPTUNE[13]和日本的DONET[15]和S-net[28]为环型结构，而日本的ARENA[29]为网型结构。欧洲ESONET是由不同海域的区域网组成，并非完整的区域性观测网络[18]。国内同济大学建设的小衢山试验站为单点系统[22]，东海海底观测网为环型结构[23]。南海的早期建设的观测系统为线型结构[24-25]。国内外普遍采用了线型和环型，基本满足了科学观测网络的需求，但随着海洋资源进一步开发，人为因素造成海底光缆阻断事件逐年增加，简单拓扑结构的海底光缆通信可靠性已经大不如前，更加自愈性更强的拓扑结构是下一步发展的重点。2018年12月25日，据《俄罗斯报》报道，俄罗斯已经开始测试“状态-6”无人核潜艇（海洋多用途武器系统，俄罗斯军队称之为“波塞冬”核动力水下无人潜航器）。这无疑又开启了水下战场军备竞赛，海洋观测网络必然在“矛”与“盾”的较量中得到大力发展。水声通信是当前观测海洋深处的水下无线传感器网络主要通信手段[30]。水声通信的衰减是随频率指数上升，且带宽窄，速率低，距离有限。声波的频率在可1 kHz时可以传几十甚至上百公里，10 kHz时可传十多公里，100 kHz时只能传几百米，1 MHz时就只能传几米[31]。因此我们需要栅格化的海底光缆通信系统，支撑海底观测网络。

2.2 海底科学观测网的拓扑设计

栅格是指将空间分割成有规律的，大小均匀紧密相邻的网格阵列。文献[32]提出了正三角形和正方形单元格的栅格化方案，通过仿真，当观测区域宽度大于100 km时，正方形单元格栅格具有更优秀覆盖效率[33]。本文提出基于正方形单元格栅格化海底光通信的科学观测网拓扑，如图2所示。这种拓扑以栅格化的海底光缆通信网为基础，在一级节点上接驳二级节点和无线接入节点，其中一级节点布设在海底，二级节点布设在海底地面之下，海底，或者和无线接入节点一起根据需要在不同水深布设。由二级节点接驳观测设备，实现海底光缆通信网区域内观测的全覆盖，无线接入节点实现水下潜航器、移动观测设备等接入从而实现海底地下到海洋水面之间的立体水体观测，根据布设的观测设备实现对海洋物理、地质、化学、生物等信息的观测，在军事领域实现警戒网。本文提出的拓扑结构的优势有：

（1）栅格化的拓扑结构使海底观测网设备节点有冗余的接入线路，从而大幅提高海底观测网络的健壮性。

（2）在一级节点上接驳水声无线接入节点可以满足移动观测设备和无人潜航器等水下移动单元的通信需求，扩大移动观测节点布放和观测范围，扩展了海底观测网络的功能。

（3）参照陆上光缆通信网络建设，可以预见海底光缆通信网必然作为基础设施得到大力发展，栅格化拓扑结构的海底光缆通信网为海底通信提供宝贵的路由资源。

（4）以海底光缆通信网为基础为海底科学观测网和水声通信网提供高通信带宽、远程供电能源、水下设备接驳技术。符合信息传输网、预警探测网和传感器网络的“三网合一”发展要求[34]，具有较大的发展升级空间。

图2 基于栅格化海底光通信网的海底观测网拓扑示意图

3 总结与展望

海底观测技术是人类研究探索和开发利用海洋的关键技术，是一个国家综合实力的重要体现。近年来，美国、日本、加拿大和欧洲等国都建立了自己的海洋监测系统。我国的海底观测技术起步较晚，经过十多年的发展，目前我国已经初步具备了从海底观测网基础材料研究到海底观测的接驳技术、信息传输技术、控制技术的工程应用，相关技术已达到国际先进水平。

海底科学观测技术是海洋科学发展的新兴技术，虽然已经实际应用多年，但仍然是各国研究的热门技术，发展前景依然广阔。

（1）随着光通信技术的发展，海底光缆工程建设技术进一步成熟，海底观测网络将向网格化发展，其通信能力、规模、以及健壮性都将进一步提升。

（2）光纤传感技术具备容量大、传输距离远、低能耗传感、多参数传感等优点成为今年来研究应用的热门传感技术，可以预见，下一步分布式光纤传感技术也将广泛应用于海底观测网络。

（3）海底观测技术在海洋科学研究，海洋开发利用，防灾减灾，国防安全等领域发挥着极大的作用。我国作为一个拥有约470万平方公里水域面积海洋大国，海上国土安全防御对于海底观测网的需求十分迫切。加之，海底观测网络前期建设投入巨大，军民融合是我国海底观测网发展的必然趋势。