海底光缆工程设计简介

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　　摘要　从海缆的设计内容和方法、海缆系统远端供电系统的设计要求和海缆系统APS保护倒换方式等方面，详细介绍了海缆数字传输系统工程设计的要点。

0、前言

　　随着我国经济的发展和加入世界贸易组织（WTO），我国经济与世界一体化进程不断加速，国内地区间和国际间大容量、宽带化、高速率的通信要求日益迫切。作为社会的基础设施、国民经济发展的先导性产业、现代社会信息流通主渠道的通信产业迅猛发展，各类跨海峡、跨大洋海底光缆（下称海缆）工程项目日益增多。本文将介绍海缆数字传输系统工程设计的要点，供广大通信工程设计人员借鉴。

1、海缆系统设计内容及方法

　　海缆系统的设计首先需综合考虑容量需求和海缆路由长度等方面因素，确定海缆的建设类型，即是有中继型还是无中继型海缆，二者在设计思路上有较大差别。

　　一般来说国内跨海峡地区间的海缆由于距离较短（站间距一般在400 km以下），往往采用更经济的无中继型海缆方式，而国际间跨洋海缆由于距离很长，往往采用中继型海缆方式。海缆的建设类型确定之后，根据现有海缆技术水平和业务量需求预测，对海缆路由进行勘测、海缆芯数做出选择，确定出经济、合理的海缆建设方案。

　　1.1　海缆路由设计

　　海缆登陆点和海缆路由的设计好坏直接决定了海缆的安全、可靠性，因此路由设计是海缆设计的重点之一，其中路由方案是关键。

　　海缆路由调查是海缆系统工程设计和工程建设的基础，需先对岸滩地形、地貌、地物的现场进行察看，走访海洋、航道、地质、水文、航运、渔业、海产养殖、建设规划、军事及通信等部门，收集与海缆工程有关的各方面资料，进行比较分析，初步确定出海缆登陆点和路由方案；然后采用先进的技术手段和设备进行海缆路由勘测，以便选择安全、可靠的海缆登陆点和路由，确定出经济合理的敷设海缆技术方案，确保海缆通信的安全稳定；最后根据勘察确定出路由，并选用相应的光缆和施工方式进行施工布放。

　　1.1.1　海缆路由调查流程

　　海缆路由调查流程如图1所示。

　　注：勘测包括测量和调查收集资料。
图1　海缆路由调查流程
　　1.1.2　海缆路由调查主要项目及方法

　　对预选的海缆登陆点和路由的地形、地貌、底质、水深、潮流、障碍物及人类开发活动等情况进行勘测。

　　按所调查的不同海水深度划分海缆路由所需调查的项目，具体如表1所示。

表1　不同水深的调查项目

　　1）布设测线和测站（大陆架和近岸调查）

　　测量海缆路由宽度，按满足水深、旁侧声纳和浅地层剖面探测等多波束全覆盖测量布设测线及测站。根据水深布设数量不等的测线，测线平行于路由中心线，并在垂直方向上布设足够的横向测线，以校验测深和导航精度。

　　2）导航定位（所有调查内容）

　　测量采用DGPS（深海区域精度应小于20 m。大陆架区域精度应小于10 m）进行实时差分定位，导航采用图像导航软件系统，所有导航系统同计算机系统联机。路由勘测应采用墨卡脱投影方式，WGS-84座标系，以海图基准面（CD）为高程基准。所有定位数据均采用计算机自动记录并存储、打印。

　　3）水深测量（深海、大陆架和近岸调查）

　　近岸段测深：采用双频测深仪测量和多波束回声探测系统或相位测量系统或同相位干涉声纳测量系统，同时在作业区附近设站进行同步检测，经过声速改正、水位改正测得实际水深。

　　远海段测深：采用多波速探测系统进行全覆盖测量，测量中应布设适当数量的声速剖面站（测量时空上均匀分布，并能控制声速的区域变化），通过声速剖面仪进行改正，所有测深数据采用数字磁带记录，保证测量精度。

　　4）海底地貌及障碍物勘测（大陆架和近岸调查）

　　近岸段测量：使用双频侧扫声纳系统等仪器与水深、浅地层剖面同步进行全覆盖测量，同时进行模拟和数字记录，绘制地貌图。

　　远海段测量：使用侧扫声纳／浅地层剖面仪组合系统和多波束回声探测系统或相位测量系统或同相位干涉声纳测量系统，同步进行全覆盖测量，测量时拖曳声纳系统拖曳位置或水下机器人（ROV）控制在水深约2/3处，模拟和数字同时记录，并能绘制出海底地貌图。

　　5）海底底质（浅地层剖面）测量（大陆架和近岸调查）

　　近岸段测量：使用浅地层剖面仪和数据采集系统等，与水深、侧扫声纳等进行同步探测，采集数据。进行模拟记录，进行初步分析。

　　远海段测量：使用侧扫声纳／浅地层剖面仪组合系统，侧扫探测与多波束测量等进行同步测量，同时进行模拟和磁带记录，将浅地层剖面绘制出图。

　　6）海底取样与探测（大陆架和近岸调查）

　　在上述测量的同时，还使用柱状重力活塞取样器隔一定距离对海底土壤进行样品采集，取样点设在勘测的中心线上，采集间隔视调查时所见的条件而变化，但每条测线采样点不少于3点。取样长度为2 m，不足2 m时，再采用蚌式取泥器取表层样品，位置用GPS定位。先对样品的顶、底部进行十字板扭力试验，作PH值、H2S、总含硫、总C1以及其他必要分析。然后进行土质类型、颜色、结构的目测描述和拍照，视情况进行样品弃存。

　　采用质子磁力仪，对已有或侧声纳发现的水下缆线、沉船等异物进行探测、定位和标记，在水深小于3 m的浅海近岸区域必要时还要派潜水员下水探摸。

　　7）岸滩和登陆点测量（岸端调查）

　　在海缆登陆区埋设2根相互通视，相距小于2 km的水泥标志桩，建立测量基线，使用D-GPS定位系统和智能型全站仪进行标志桩、登陆点附近的岸滩地形、地物测量，绘制出1:1000地形图，标出标志桩、海陆缆接头入孔和路由位置。另外，测量中还应用手持钢钎进行地层土质和沉积物厚度调查，做好描述记录。
　　8）海洋开发活动调查（所有调查内容）

　　在上述勘测过程中，尚需对海缆路由区附近出现的海洋开发活动进行调查（如港口、航线、锚地、渔场、养殖区、旅游区、军事训练区、倾废区、已敷设海缆和管道等内容），并做详细记录。

　　目前海缆80%以上的故障都是人类对海洋的开发活动造成的，如捕鱼和拖锚行船等，因此调查海洋开发活动作为勘测主要内容之一，尤其是易遭受船锚和渔网破坏地段的海缆路由调查。通过试验，有的捕鱼固定网带1.2 t锚作业，入土深度能达到2.0 m，对于埋深1.0 m左右的海缆危害极大，故在调查中要着重收集海洋活动的性质、内容、特征、作业规律及范围、损坏海缆的历史等资料，并根据综合分析，在海缆施工中必要的路由段落可采用绕避、深埋或有效保护等措施保障海缆的安全。

　　综上所述，海缆工程勘测内容主要为水深、潮流、地形、地貌、浅地层剖面、障碍物、路由定位等；特点是各项内容进行同步全覆盖测量，将测量旁扫和浅剖面等资料通过计算机有序地整理排列，并绘制出直方图，对海缆路由状况进行同位显示及说明，真实、直观、明了。

　　1.1.3　海缆登陆点、登陆滩地的路由的选择

　　选定的海缆登陆点及登陆滩地应满足以下条件：

　　a）至海缆登陆站距离较近的岸滩地点；

　　b）避免有岩石，选择登陆潮滩较短（主要方便海缆登陆施工）以及有盘留余缆区域的地点；

　　c）全年风浪比较平稳，海潮流比较小的岸滩地区；

　　d）沿岸流砂少，地震、海啸及洪水灾害等不易波及的地段；

　　e）登陆滩地附近避开其他设施或海底障碍（如电力电缆、水管、油管及其他海缆等）；

　　f）便于今后海缆登陆作业和建成后维护的地点；

　　g）将来不会在沿岸进行治水、护岸和修建港湾的地点。

　　1.1.4　海缆线路路由选择

　　海缆线路路由应避开有下列特征的地形和区域：

　　a）河道的入口处；

　　b）岩石地带；

　　c）避免横越海谷；

　　d）火山地带附近；

　　e）大于30°的陡峭斜面，通常应为15-20°；

　　f）陡崖下面；

　　g）2条平行海缆之间的距离应不小于2 n mile（3.704 km），与其他设施的距离应符合国家的有关规定；

　　h）尽量减少与其他海缆或管线的交越；

　　i）捕捞作业区和其他特殊作业区；

　　j）各类锚地。

　　1.2　海缆芯数设计

　　海缆芯数与海缆类型有很大关系，无中继型海缆的芯数可以较大，有中继型海缆的芯数一般不超过8芯，其芯数主要是受以下2方面的限制：

　　a）远供设备功率：光放大器功耗平均为P，海缆的芯数为2n（目前海缆芯数均为偶数），海缆站间共有K个光放大器，则此段海缆系统全开通运行时功耗为Pnk，即海缆芯数与功耗是成正比的。这些光放大器完全是由在岸端的远供设备（PFE）来提供的，故有中继型海缆的芯数不能太大。

　　b）维修时间：有中继型海缆往往是跨洋国际海缆，海缆站间的距离较大，海缆穿越了大洋深海区域，因而在海缆抢修时更易遭遇过多的恶劣天气。在深海区域，当抢修船只将海缆打捞上来并修复时，可能被海浪的颠簸将修复中的海缆直接挂断，这种情况在海缆的抢修中并不鲜见，因此若海缆芯数过大，则海缆熔接时间就长，被海浪挂断海缆的几率就大，这也是有中继型海缆的芯数不能太大的原因之一。

　　1.3　海缆设计方法

　　传输系统的设计方法有最坏值设计法与统计值设计法2种。

　　目前国内陆上光缆传输系统中继段和陆缆+局部无中继海缆传输系统的计算一般采用最坏值设计法，即将所有的参数值都按最坏值选取，而不管其具体分布和组合如何。这种计算方法简便可靠，在排除人为和外界自然因素后，整个系统在寿命终了且所有富余度用完的极端情况下仍能完全保证系统的性能要求。但采用最坏值设计法所考虑的富余度比实际情况要大，计算结果过于保守，光放大距离较短，系统的总成本偏高，并且当系统中有海底光放大器时，采用最坏值设计法，还需注意考虑接收光功率接近或超过过载点电平的因素。

　　有中继型海缆传输系统通常采用统计值设计法，即按预先确定要求足够小的系统先期失效概率根据相关的统计分布概率取定的参数进行系统设计。

　　1.4　海缆系统设计中需考虑的因素

　　海缆系统的总体设计需考虑的因素与陆地光缆系统相似，主要考虑系统的BOL和EOL性能和可用性要求、Q值和光通OSNR、系统误码性能、系统抖动性能、FEC配置、色散补偿方式、系统可靠性、网管系统配置、施工和维护余量、供电系统配置。

　　1.5　海缆系统设计中余量考虑

　　海缆系统工程设计中考虑的余量包括系统、设备和海缆的老化余量，海缆敷设施工光纤接续以及海缆系统运行维护期间的海缆修理余量等。

　　海缆敷设施工余量包括海缆在敷设施工时所需介入的海上接续或岸端部分的登陆接续以及陆上部分的施工接续等。此外海上施工接续还应考虑到一些不可预见的某些因素，如台风引起的切断海缆后海缆再接续等情况。

　　海缆系统设计中要考虑到海缆的修理余量，这是因为在修复海缆故障时，每修复一个海缆的断点（故障点），就要介入约为2倍海水深度的海缆及至少2个接头。修理余量的取定依位置的不同分为下列几种情况：

　　a）岸端部分

　　（a）陆缆段（即从海缆登陆站到海缆登陆点）可按0.2 dB/4 km考虑，但最小不能小于0.8 dB。此外，还要计入修复一次海滩连接点（即海缆登陆后的终端接头点，此接头点位于海缆登陆处，海缆在此终端后与至登陆站的光缆相连接）的接头损耗，（2个光纤接续损耗）；

　　（b）海缆段（即从海滩连接点至靠近岸端的第一个光放大器）可按0.2 dB/10 km考虑，也可按每段3个修理量考虑，这里指的每个修理量包括所增加的修复海缆以及至少2个修理接续的损耗（即2倍的海水深度×修复用海缆的平均损耗+2个光缆接头的接续损耗）。

　　（b）1 000 m以内水深部分每个光放大段修理余量按岸端部分中海缆段的修理余量考虑。

　　（c）水深大于1 000 m的部分一般不考虑修理余量，这主要是因为：

　　（a）深海地区海缆发生人为损伤的概率比浅海地区小许多；

　　（b）由于深海地区对海缆的修理需要介入较长的附加海缆，因而考虑的修理余量就较大，这样就限制了深海地区海缆系统光放大段的长度；

　　（c）在深海地区如果需要对海缆进行修复，在必要时需增加光放大器以解决增加的光损耗问题。

2、海缆类型和敷设方式

　　海缆的护层结构根据敷设地段及海底环境的不同分为深海型海缆及铠装型海缆，其使用区域如下：

　　a）深海区域使用深海型（无铠装）海缆；

　　b）浅海区域及登陆部分使用铠装型海缆，可再细分为轻铠装、单铠装和重铠装海缆，单铠装还可再分为中型单铠装和重型单铠装（铠装钢丝的粗细不同）等，在需要特别保护的地段可采用加粗钢丝铠装型或使用双层铠装型及特殊保护型的海缆；

　　c）其他海缆类型还有防鲨鱼海缆（有鲨鱼出没的深海海域）、防硫化氢（用于硫化氢浓度较高的海域，如上海近岸海域等）等特殊类型的海缆；

　　d）海缆登陆点至海缆登陆站之间可以使用海缆，也可以使用陆上光缆，但在需要对海底光放大器进行供电的情况下使用陆上光缆需要考虑解决远供电流的传送问题。

　　海缆的安装分为直接敷设和埋设2种。直接敷设即为海缆直接布放在海底层的表面；海缆的埋设需用专用海缆埋设犁或冲埋设备将海缆埋设在海底层以内，以增强海缆的保护性。海缆登陆施工时其登陆部分海缆先不直接进行埋设，待登陆施工结束后再完成这一部分海缆的埋设深度工作。

　　登陆部分的海缆应进行埋设处理，埋设深度根据工程的实际情况和要求确定，但一般不得小于2 m。海缆的海中布放分为直接敷设和埋设2种。工程中应根据海缆路由的实际情况和海缆的保护要求确定，一般在深海地区采用直接敷设方式。海缆在浅海地区一般采用埋设方式，埋设深度应按照工程的具体要求、海缆需要保护的程度和海底的地质情况等综合考虑，一般要求在我国大陆架100 m水深之内海缆的埋设深度应不小于3 m，100-200 m水深之内海缆的埋设深度应不小于2 m。

3、海缆系统远端PFE的设计要求

　　需要远供的海缆系统在海缆系统的两端均应配置远供设备，并同时向海底光放大器供电。海缆系统的远供采用恒流供电方式。供电回路采用一线一地方式，即由大地和海缆中的供电导体组成全系统的恒流供电回路。在接地故障情况下，远供设备输出电压将会改变，假设海缆站A和站B间距离为L，站A的远供设备电压为+V，站B的远供设备电压为V，正常工作时，站A和站B两站的中点附近位置电压为0V，当距站AL/4位置的光缆发生接地故障时（此点海洋接地），站A的远供电源电压由+V降为+0.5 V。站B的远供电源电压由-V变为-1.5 V，从而保持海缆远供的恒流。

　　远供电源设备的供电电压必须满足以下要求：

　　a）在正常工作情况下，提供整个海缆传输系统所需远供电压；

　　b）在一端远供设备出现故障的情况下，另一端远供设备可单独对整个海缆系统提供所有海底光放大器所需的电流；

　　c）在接地故障情况下，远供设备可使输出电压降至最低工作电压。

　　远供设备必须设计单独的远供接地装置（即海洋接地），其接地电阻应不大于5Ω。要求在远供接地发生故障时可转换至局（站）接地系统。海缆系统的远供方式见图2。

图2　海缆系统的远供方式图
　　海缆登陆站至海缆登陆点的远供电流传输可采用以下2种方式：

　　a）直接使用带有供电导体的海缆；

　　b）单独布放电力电缆，在海缆登陆点处通过海缆终端接头盒与海缆内的供电导体相连接。

　　海缆登陆站内有不止一个海缆系统终端的情况下，若同时要求进行远供，可共同使用一个远供接地系统，但工程设计中必须考虑每个海缆系统故障或紧急情况下的接地转换系统。如果工程设计中确定采用不带供电导体的陆地光缆，则必需考虑单独布放远供电流线。目前远供设备设计的输出恒定电流为1.0-1.6 A，远供电流的大小有时需取决于光放大设备中的最大系统数量。

4、海缆系统APS保护倒换方式

　　因为海缆系统的线路长度一般远大于陆地光缆的线路长度，所以海缆若采用与陆缆相同的APS倒换方式（陆缆的保护倒换方式为Wrapping），则很难保证50 ms的保护倒换时间，对语音业务会造成很大损伤。因此海缆采用独有的保护倒换方式Steering。海缆的保护倒换方式与陆缆的保护倒换方式最主要的区别在于故障发生时保护倒换的节点不同，海缆保护倒换方式是在每个节点进行保护倒换，而陆缆的保护倒换仅在故障链路的端点节点进行保护倒换，因此海缆的保护倒换方式的倒换时间要低于陆缆倒换方式的倒换时间，2种保护倒换方式见图3。

图3　保护倒换方式
5、海缆系统设计其他方面考虑

　　海底光放大设备的设置应满足远期系统传输容量的要求，海缆中光纤芯数的确定应按远期业务量的需要，同时考虑海底光放大设备的限制及在海缆船只上进行海缆维护抢修的要求，经技术经济方案比较后确定，并应结合拟采用的系统工作速率统一进行统一考虑。

　　海缆系统的线路传输速率应根据传输容量、光纤的芯数以及中继距离等要求，通过技术经济比较而确定，海缆传输终端设备的容量可按近期业务量需要确定。从维护方面来说，有中继型海缆系统的纤芯数量一般来说不超过8芯，无中继型海缆系统的纤芯数量一般较大，往往与陆缆段的纤芯数量相一致。

　　整个海缆系统的使用寿命为25年，在系统的使用寿命期内由于光缆及元器件本身发生的故障而需要用维护船只修理的次数（不包括由于外部原因所引起的需要船只修理的次数）不能超过3次，需要船只维修的次数可根据海缆系统的实际长度及海底光放大器的数量作出相应的规定。海底光放大器的每个光放大器内考虑配备有冷备用光发送器的情况。