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【网安学术】水下信息传输网及其关键技术分析研究

通信技术编辑部2021-02-21 10:58:01




摘要:水下信息传输网是一种以海光缆为主要传输介质,基于多种水下探测技术的水下传输网,承担着接入、汇聚和传输水下各类探测、情报信息,以及下发、传送岸基指挥控制信息的重要任务,涉及通信、材料、能源、电子、制造工艺和工程实施等多个技术领域,是未来水下重要的基础信息传输平台。以水下信息传输网的总体架构为基础,对信息传输与接入、远程供电、水下接驳和水下网络监控四个方面的关键技术进行了详细总结分析与对比研究。



正文内容:

0 引言

随着人类科技的不断进步和高新技术的迅猛发展,人类对海洋的认知不断加深,世界各国争夺海洋权益的趋势也愈演愈烈。人们意识到对汪洋大海进行探索和观测,无论是在科学研究、国防信息化建设、国家经济开发,还是在海洋环境监测保护、地震海啸灾害监测与预防,以及海底资源勘探与开发等方面都具有十分重要的意义。因此,尽快建设水下信息传输网络平台,加快对海洋的认识、研究和开发,对于任何一个海洋大国都具有深远意义。

水下信息传输网主要以特种海底光电复合缆为通道,以各类主、次接驳盒为枢纽,将布放在海底的各种传感器和探测设备连接起来,形成一个既能完成水下供电任务,又能实现水下信息高效稳定传输的网络。它能够实时对海底各种数据信息进行采集和处理,这些采集数据既能用于民用层次的洋流、海温和海底资源等信息的测定,又可以用于水下潜艇作战、水下声纳探测等军事领域。


1 水下信息传输网总体架构

水下信息传输网络平台由4个子系统组成,分别为信息接入与传输系统、远程供电系统、水下接驳系统和综合监测管理系统[1],如图1所示。 

用各种水下信息接入设备,将不同类型、作用、规律的信息接入到系统中,并在专用的海底光缆中进行传输。接入的信息主要包括水下情报信息、水下作战单位的通信信息、水面作战舰艇以及岸基指挥所之间的通信互联、地质水文监测信息、网络及设备监控数据等。另外,它还将岸基指挥中心的指挥控制命令逆向分发传送给水下设备。

远程供电系统。水下信息传输网络中的探测设备、传输设备和电源设备等都属于有源设备,需要长期稳定的供电。而它们受水下特殊环境的限制,不能沿用传统的陆地网络的供电方式,只能采取在岸基站配置电源进行水下远程供电的方式,然后在水下进行电能的分配和相关电压、电流的转换,以适应水下用电设备的需求。远程供电系统是整个水下信息传输网运作的能量来源,它的可靠运行决定了整个水下信息传输网的命运。

水下接驳系统。水下信息传输网络的正常工作,离不开性能良好的水下接驳设备。水下接驳设备的作用是电能的转换与分配、信息的接入处理与转发,并为电能转换与分配模块、数据通信模块和监测控制模块等水下硬件设备提供隔离海水的安置环境。

综合监测管理系统。综合监测管理系统包括岸基的管理系统和分布于网络各个部位的监测系统。监测系统主要负责监控包括光缆、电源设备、传输设备、接驳盒和探测器在内的主要网络关键部位的工作状态,并及时反馈至管理系统,同时可自动根据应急处理机制来处理故障等非正常状态。


2 水下信息传输与接入技术

水下信息传输网采用光缆作为传输通道,属于光传输网。而光传输网经过多年的发展,已经形成了许多成熟的传输技术。水下信息传输网具体采用哪种传输技术需要进行详细的研究和分析。下面就SDH、WDM和OTN等几种典型的用于光传输网中的传输技术进行分析对比研究。

2.1 SDH技术

SDH传输网包含终端复用器(TM)、分插复用器(ADM)和数字交叉连接设备(DXC)等网络单元[2]。它能将多种信号如ATM信号、E1信号和IP分组信号等非SDH业务,复接成SDH的标准速率模块STM-N (N =1,4,16,64,256),基础模块为STM-1,传输速率为155.52 Mb/s,之后的模块都按4倍递增,以低速率的模块组成高速率模块的规则进行同步复接,STM-4=4×STM-1,STM-16=4×STM-4,STM-64=4×STM-16。

经过总结分析,SDH具备以下特点[2]:

(1)SDH规定了标准的速率等级、统一的帧结构和复接规则,使得SDH对于各种类型的接入信号都具备了很强的包容性。不同体制的通信网之间也实现了互联互通,从而得到了广泛应用。

(2)SDH独特的帧结构决定了其具有强大的OAM(运行、维护、管理)能力,极易开发出集性能检测、故障报告和网络自愈等功能于一体的集成式网络管理系统,从而为SDH网络的可靠运行提供强有力的保障。

(3)具有多种网络拓扑结构,可利用不同的设备和网络配置,根据实际需求实现灵活的组网。

SDH的这些优点满足水下信息传输网的网络要求。现今SDH技术发展成熟,设备成本较低。但是,SDH技术又存在系统不够安全、频带利用率不高、难以满足大容量通信需求等问题。因此,将SDH技术用于水下信息传输网中具备一定的可行性,但还需要进行深入探讨研究。

2.2 WDM技术

波分复用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)技术是为了适应与日俱增的通信需求,提高光纤通信传输容量的一种新型光通信技术。在光纤通信中,每个波长可承载一组时分复用的光信号,而一根光纤又可同时传输多个不同的光波,因此只要在发送端利用复用技术将这些不同波长上传输的数据信号复接成一组光信号,这样多组信号便可经同一根物理光纤介质传输到接收端。传输完毕后,在接收端要对复用的信号进行解复用处理,得出可利用的原始信号,此即为波分复用技术[3]。WDM系统原理结构如图2所示。 

WDM技术的主要特点如下:

(1)波分复用技术使得一根光纤所传输的信息容量成倍增长,大大提高了传输容量和光纤的带宽利用率,克服了SDH技术带来的容量瓶颈。由于实现了单个光纤的复用,在实际建设中节约了大量光纤,降低了组网成本[4]。

(2)WDM系统的多信道模式在传输时,不同波长之间互不干扰,传输的数据信号速率、大小、类型、格式各异,不受任何限制,只需要提供通道即可完成数字信号、模拟信号等多种接入信号的混合透明传输。

(3)WDM设备的结构简单。EDFA光纤放大器等设备都属于无源电子器件,易于组网。复用器也可实现双向互逆,大大提高了网络资源利用率。

WDM技术因为其诸多优点,在国际上得到了大量应用,技术发展也十分迅速,实验室早已实现了Tb/s级别的传输速率,而其大容量传输的特点则正是水下信息传输网所需要的。但是,WDM系统又存在组网方式不灵活、网络拓扑结构单一、OAM能力不强和网络保护方式不完善等问题。

2.3 OTN技术

OTN(Optical Transport Network)由ITU-T于1998年提出,是一种以WDM技术和SDH技术为基础,既能在电层处理业务又能在光层组织网络的全新的传送网。之前所述的SDH技术主要是传输小颗粒业务,业务调度也都是在电层实现,在光层只能实现单光纤单通道传送。后来的WDM则很好地弥补了它的缺陷,利用波分复用在光层提供了所需的通道。而OTN是两者的结合,它在映射复用方式、帧结构以及速率方面都和以前的传送网不同,还引入波长、子波长交叉连接功能,可在光域内完成业务信号的传送、复用、路由设置和监控维护等多项功能,可支持的业务及协议也更多[5]。

OTN技术的主要特点如下:

(1)OTN因为其映射复用的独特性,利用封装技术可兼容多种格式、类型、速率的接入信号进行传输。相比于SDH技术,它的包容性更强,无论是已有的业务信号,还是未来可能出现的未知信号,都可以直接封装进OPUk中,实现透明传输。

(2)OTN同样也具有波分复用的功能,因此同样提供了大容量的传输容量。且相比于WDM来说,它又具有更强的调度能力。虽然SDH也具有完善的调度机制,但因其调度的速率级别太小,所以受到了限制。WDM虽然可提供大容量的传输信道,却缺乏灵活的调度机制,所以OTN是一项集合了二者优点的技术。

(3)OTN的帧结构中提供了足够多的开销字节来实现对整个网络的监测、管理和纠错等功能,且OTN通过在光通路单元中增加FEC位降低了传输系统的信噪比,提高了传输质量。因此,在OAM能力方面,OTN完全值得信任。

(4)OTN在网络保护方面也十分出色,可提供多种形式的保护,大大增强了网络运作的安全性和可靠性。

水下探测、感知到的信息种类、格式繁多,水下信息传输网为各种水下信号提供了不同的信息接入方式,实现了水下探测信息的接入和上传。海底接驳盒上提供了不同标准的通信接口,如常用的并行接口通信、串行接口通信、USB接口通信、IEEE1394接口通信和RJ45网口通信等。各种探测设备通过电缆或者光缆直接连接到指定的电接口或者光接口中,适配各自的通信协议,完成信息的传输功能。


3 水下远程供电技术

水下信息传输网中,存在着大量用于传输、探测、控制的用电装置和器件,能源需求量大,稳定性要求也高。电源是整个水下信息传输网运行的基础,因此需要一套可靠、完善、稳定的供电方案来满足众多设备多样的供电需求。陆地上光传输网早已形成了很成熟的供电网络,有多种配电方式和保护方式,而水下条件恶劣,在水下铺设电缆工程量已经很大,要在水下直接部署配电站构成供电网络难度将更大。另外,也出现了一些水下无线充电技术、太阳能供电技术等新技术,但这些技术都满足不了水下信息传输网长距离、大功率的供电任务。因此,在水下信息传输网中,一般采用水下远程供电技术,即在岸基设置岸基电源,通过海底光电复合缆远程将电能输送到水下网络[6]。

3.1 交流/直流对比分析

目前,主要的供电方式主要有交流供电和直流供电两种。交流供电具有发电成本低、经济实惠等优点,且其配电简单、快捷、方便,成为陆地上最主要的供电方式。直流电最早被发明,后来随着电压和输电距离的需求增大,慢慢退出了历史舞台。近些年,随着直流电的技术发展和其特殊优势,直流电逐渐应用于水下供电、地下供电等特殊领域。下面就交、直流供电的特点,结合水下信息传输网的需求,进行详细的对比分析。

传输效率方面。当交流电用于海底时,在输电过程中,交流电由于电压变化较大,输电线路与海洋环境之间容易产生较大的电容电流。电压越大,电流频率越高,电容电流越大,这对输电功率是极大的损耗,严重影响了供电的传输效率。直流电由于原理上不存在大的电压、电流变化,因此也不存在电容电流损耗。水下信息传输网中供电距离远、传输效率要求较高,因此从传输效率上来说,直流电优于交流电。

故障要求方面。在交流输电网络中,所有的交流设备必须在统一的频率上同步工作,但实际上要做到真正的同步运行难度很大,长距离、大规模的供电网络容易发生故障。直流电在组建供电网络时,交流发电机可以在各自的频率内工作而不需要进行同步,稳定性优于交流供电。此外,直流供电电源工作时互不影响,当有一端发生故障,另一端也可正常工作,只是会降低功率。而交流供电如果一端电源发生故障,则所有的电源设备将全部停止工作。

造价成本方面。从输电方式上看,直流供电的线路所用到的线路材料与交流供电的线路相比更少,而水下信息传输网需要几百公里的海底光电复合缆。因此,从性价比方面考虑,为节约成本,宜采用直流供电方式。

建设施工方面。交流电的配电、变压设备普遍重量重、体积大,不适合于水下节点设备集成,更不利于水下施工,难以实现。

另外,直流供电方式在20世纪50年代就已应用于水下输电工程中,积攒了许多成熟的经验。因此,从各方面来看,水下信息传输网宜采用高压直流供电方式。

3.2 供电方案对比分析

根据技术原理的不同,水下远程供电技术有恒压并联供电和恒流串联供电两种方式[7]。

恒压并联供电。在岸基站设置恒压电源,向水下输出恒定电压,保持网络上的节点电压不变,再通过电压转换设备和电能分配模块,向水下的有源观测设备提供稳定的恒压电源,结构如图3所示。 


这种供电方式主要有以下特点[8]:

(1)设备接入方式简单,只需将两端并联接入到线路上,便可以实现分支供电。

(2)当供电功率很大时,每个水下主节点都需要承受很高的电压,次节点中也需要降压模块完成电压转换。

(3)各节点需要在海洋环境下接地,提高了绝缘难度。

(4)无法做到远距离供电,节点电压无法做到一直恒压稳定。

(5)若发生海缆故障,线路与水接触,容易造成短路事故,导致整个供电系统崩溃,因此需要设计故障控制模块。

恒流串联供电。恒流串联供电的岸基电源提供的是稳定的恒定电流源。各主节点采用串联方式连接,因此通过各主节点的电流都相等。然后,电流又在主节点完成I/I转换,使支路也获得恒定同等的电流。达到用电设备前,再完成I/V转换,为水下设备提供稳定的电压,保证其顺利工作,结构如图4所示。 

恒流串联供电方式的特点如下[9]:

(1)串联连接方式易于拓展,有利于标准化。

(2)每个负载无需承受高电压。

(3)节点无需接地,省去了绝缘带来的困扰。

(4)故障隔离和恢复能力强,当发生开路故障时,断点处即可接地形成新的回路,不影响系统的整体运行。

(5)通过测量直流电阻的方式,便可以在岸基实现断路故障定位功能。

(6)恒流转恒流分支、恒流转恒压等模块的设计,均增加了供电的难度。

综合分析两种供电技术的特点可以发现,二者各有优势,也各有缺陷。恒压并联供电可提供较高的输电效率,且在节点上的分支也相对容易,但存在可靠性不高、故障处理能力不足等问题;而恒流串联的最大特点是应对故障的能力突出,且有很成熟的技术优势。综合考虑,水下信息传输网中适宜选用恒流串联的供电方式。


4 水下接驳技术

水下接驳技术的研究内容主要是围绕水下接驳设备及其相关的技术。水下接驳设备一般设置在水下信息传输网中的节点位置,是连接主节点、次节点和水下设备的重要纽带,为水下的传输、供电和监控等设备提供了安全的空间,主要完成水下信息的接入、汇聚、传输、中继和电能的输送、管理和分配等任务,也为水下信息传输网的后续维护和升级提供了便利,同时是连接水下设备的主要机械结构。

水下接驳设备是一种耐用性高、抗毁能力强、维护难和成本高的特殊装置,可分为水下主接驳盒和水下次级接驳盒。主接驳盒部署在主干路由上,提供分支缆接驳;次级接驳盒部署于分支缆上,提供水下业务设备的接驳。

4.1 主接驳盒

按照主要功能划分,主接驳盒分为光电分离舱、主变压舱和主电子舱。光电分离舱是连接水下观测系统主干网的电源和光纤通信分配节点。此舱具有光电复合缆的进/出端,能够完成多个主接驳盒的连接扩展,扩大水下网络的覆盖能力和范围。主变压舱的作用是对输入的高压电进行一次降压处理,并分配给主电子舱作为工作电源。主电子舱内部安装光电转换设备和数据整合传输设备等,是整个系统的控制核心。所有的电源及信息传递都通过主电子舱进行控制整合。

基于可维护性、升级的需要及作业成本的考虑,主接驳盒采用分离式结构设计,结构由分离段和底座组成。分离段包括上框架、主变压舱、主电子舱和水下可插拔接插件接驳基座。底座包括下框架和光电分离舱。为防止渔网及抛锚的影响,主接驳盒的主体结构采用了国际通行的金字塔外形,兼顾了防护性和可操作性。图5为主接驳盒实物图,图6为分离式底座实物图。

4.2 次接驳盒

水下次级接驳盒是主接驳盒连接的下一级节点。次级接驳盒采用水密电缆与主接驳盒相连接,主要功能为搭载试验仪器,并为试验仪器直接提供电源和控制信号等。图7、图8为次接驳盒与次接驳盒电子舱实物图。为方便各类试验仪器的布置、添加,次接驳盒功能的扩展、布放,图7、图8中的次接驳盒采用开放式框架设计。当然,根据使用要求的不同,次接驳盒同样可以采用类似主接驳盒的金字塔形结构。

4.3 防腐蚀技术

水下信息传输网的设计使用寿命一般长达几十年(25年以上)。由于海洋环境的强腐蚀性,结构件的防腐性能对整个网络的使用寿命影响非常大。海洋环境常用的长期防腐手段有以下几种。

4.3.1 采用耐腐蚀材料制作

一般的金属材料在海水中的腐蚀速度都比陆地上快,而海水对金属的腐蚀主要有电化学腐蚀和生物腐蚀两类。为保证设备的寿命,在设计和制造水下设备时,应采用合理的耐腐蚀材料。一方面要满足相应的耐腐蚀性能要求,另一方面要考虑造价和成本。通过与海缆厂家的沟通咨询,海缆分支器等常规水下部件通常采用316L或钛合金等防腐材料制作。

4.3.2 采用牺牲阳极保护

水下接驳设备多为金属材料,而用电设备大多存在于接驳设备中。而海水属于电解质溶液,容易产生电化学腐蚀,经过长年累月的积累,器件必然会被腐蚀。因此,一般采用牺牲阳极的保护方法,通过在岸基设置还原性更强、更活跃的阳极金属,与水下设备金属之间组成回路,采用负电压的输电方式,定期对岸站阳极进行检查替换,最终起到保护设备的作用。

4.3.3 表面防腐处理

在设备安装完毕后,在正式布放到水下前,应该再对整个接驳设备做一次防腐处理。采用涂抹、喷刷和电镀等多种方式,在表面覆盖一层具有高强度、耐腐蚀性的金属材料或者非金属材料,增强防腐性能。需注意,使用的连接螺栓、螺母和垫圈等标准件,都需要进行表面处理。

4.4 水下湿插拔技术

水下湿插拔技术指的是将器件暴露在海水环境下仍然可以进行正常插拔、连接而不影响设备工作的技术。如果在主接驳盒、次接驳盒或者次接驳盒与观测设备之间采用水下湿插拔连接器,便可以借助潜水员(浅海)或ROV(深海)进行水下施工,可以方便地实现主接驳盒分离段的打捞维护和观测设备的更换、维护。图9为水下湿插拔连接器。


5 水下网络监控技术

5.1 线路监控技术

线路监控技术主要是对水下信息传输网的传输线路即海底光电复合缆进行监测,一般由RTU(远程测试单元)监测设备配合快速故障定位软件来实现。

RTU监测设备由内嵌的OTDR(光时域反射仪)和光开关组成。根据选配不同功率的内嵌OTDR,能够实现不同的测量距离和定位精度。根据选配不同通道数量的光开关,支持具有不同规模的光缆网络测试。RTU设备中包含的光时域反射仪(OTDR),将测试光通过光开关耦合到被测光纤中,将监测点的OTDR测试结果与参考数据进行比较,以确定性能指标是否有变化。另一方面,通过调用系统数据库中的原始数据分析对比光纤测试波形的变化,判断光纤品质的劣化并预估光缆的寿命,及时发现隐患或在故障发生后精确定位故障点位置。

5.2 供电系统监控技术

供电系统监控技术主要用于对全网供配电系统的工作状态、故障情况进行监测。需要检测的各个环节主要包括:高压电源舱的输入电压和电流、输出电压和电流,低压电源舱的输入电压和电流、各个观测设备的工作电压和电流。通过对高低压电源舱输入电压、电流和输出电压、电流值的检测,可以实时监控电源转换模块的工作状态。通过对观测设备工作电压和电流的检测,可以了解探测设备的工作状态,如出现故障可及时进行隔离。

水下装备采用湿插拔连接器与观测设备连接。大功率观测设备的启动和关闭,易出现过流、过压故障。探测设备内部、海缆和湿插拔连接器绝缘等级的下降,易造成接地故障。通过电能检测管理,对接驳盒内部电压、电流值进行实时监测,实现对过流故障、过压故障和接地故障的识别,便于及时处理故障,降低故障的危害。

5.3 节点设备监控技术

温度监测。温度监测主要采用常用的热敏电阻传感器来实现对设备温度的监测。热敏电阻对温度敏感,其阻值会随着外界环境温度的变化发生相应的改变,图10为常见的热敏电阻。通过温度监测可实时对触摸不到的水下设备进行工作状态的监视与控制。当监测到温度出现异常时,系统会马上向岸基管理系统发出报警指令信息。岸基可根据实际情况,人为下达控制指令信息。另外,应设定温度红线。当设备出现重大故障或工作温度过高时,水下设备可依靠自身的保护措施做出断电等保护操作,从而保护设备和系统的安全。

漏水监测。为隔离水下环境,水下设备多采用防水密封设计。但是,一方面是不能保证防水密封的可靠性,另一方面由于水下情况复杂,设备在水下会受到泥石流、地震和生物活动等现象的影响,可能会导致设备机械结构松动等情况的发生。因此,需要对节点设备实行漏水监测。当系统监测到漏水情况时,迅速切断相关的供电电路,同时向岸基站发送报警信息,从而尽量减少舱体内部设备的损坏,防止对整个水下信息传输网产生影响和破坏。图11为漏水监测的电路原理。

深度监测。对水下节点设备进行深度监测,一方面可以监测其在水下的状态是否发生改变,另一方面是在施工和维护时可以方便定位到设备的位置。深度传感器的选取也要考虑到海洋环境的特殊性,不仅要防水密封、耐高压,而且要具备耐腐蚀、寿命长、可靠性高等特点。


6 结 语

本文详细描述了水下信息传输网的总体架构,从信息传输与接入技术、远程供电技术、水下接驳技术和水下网络监控技术四个方面进行对比分析研究,为水下信息传输网的进一步发展提供了依据和理论借鉴。


参考文献:

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[9] 王希晨,周学军,张扬.用于海底观测网络的海缆远程供电系统的可靠性[J].海军工程大学学报,2014,26(06):95-98.


作者:杨 帆

单位解放军91404部队,河北 秦皇岛 066001

作者简介:杨 帆,男,硕士,主要研究方向为海底光缆通信。

本文刊登在《通信技术》2018年第5期(转载请注明出处,否则禁止转载)














































































































































































































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