Кабели на дне морском: что скрывают подводные линии связи

Задумывались ли вы, как сообщение в мессенджере или видеозвонок достигают адресата за доли секунды, преодолевая тысячи километров? Наверняка. А о том, что 70% Земли покрыто водой? Думаю, тоже. Но если совместить эти факты, то выходит, что большая часть «магии» происходит именно на глубине, а подводные линии связи — это невидимые герои, соединяющие континенты.

Как появились подводные линии связи

С появлением телеграфа, телефона и прочих средств связи возникла потребность соединять города и государства, разделенные множеством водных преград. Обходить их по суше было дорого, сложно, а иногда невозможно, поэтому вскоре инженеры задумались о реализации прокладки кабеля по дну водоемов. Так, первую подводную линию связи проложили под проливом Ла-Манш между Великобританией и Францией в 1850 году. 

После первого успешного опыта был выдвинут проект для связи Великобритании и США через Атлантический океан. Однако первая попытка, предпринятая в 1857 году, провалилась. Кабель, который тянули с суши, оборвался на глубине почти 3 200 метров, так что операцию пришлось прервать на год. 

В 1858 году два корабля — «Агамемнон» и «Ниагара» — решили закончить начатое дело. Несмотря на несколько разрывов, проект удалось удачно завершить: каждый из кораблей достиг суши и соединил морскую часть кабеля с наземной.

Спустя столетие были изобретены оптоволоконные кабели, которые обеспечивали высокую скорость передачи данных. В 1988 году была построена первая трансокеаническая волоконно-оптическая линия связи между Японией и США длиной 10 000 км. 
С развитием технологий прокладки подводных линий связи развивалось и совершенствовалось оборудование, оптические кабели, а также сама классификация линий. Сегодня в мире используют сотни подводных кабелей, а их общая длина превышает миллион киллометров. К слову, есть даже их интерактивная карта.

Классификация линий подводных связей

Рассмотрим, по каким критериям классифицируют современные подводные линии связи. 

• По длине. Есть короткие линии, которые не требуют усиления сигнала, и длинные, где усилители необходимы. 
• По назначению. Линии можно использовать для телекоммуникации, передачи электроэнергии высокого напряжения, связи с подводными аппаратами, системы оповещения о подводной и надводной обстановке. 

По условиям прокладки. Выбор линии зависит от геоморфологии (формы) дна, состава грунта, ледовых условий.

Короткие однопролетные линии связи

Для начала отмечу, что во всех вариантах рассматриваем линии с когерентным приемом. Использование некогерентного приема требует оптической компенсации дисперсии, так что это нецелесообразный вариант. 

Короткие линии связи обычно строятся однопролетными (без усилителей) и могут достигать длины до 180 км. Чаще всего их используют для подводных переходов, например, через реки шириной до нескольких километров, когда невозможно построить мост. Такие подводные участки становятся частью наземных линий и фактически не отличаются от обычных DWDM-систем. У технологии DWDM может быть несколько вариантов числа каналов, все зависит от их разделения. Подробнее это можно увидеть на рисунке ниже.

Ввиду малой протяженности, для коротких линий используют стандартное волокно G.652 — международный стандарт для одномодовых оптических волокон. G.652 определяет характеристики оптических волокон, оптимизированных для работы в диапазонах длин волн 1 310 нм и 1 550 нм, что делает их наиболее распространенными в телекоммуникационных сетях.

Чтобы сократить количество подводных муфт из-за дороговизны, сложности монтажа и обслуживания, кабели прокладывают длинными секциями по 25-50 км.

Однопролетные линии с усилителями ROPA

Чтобы минимизировать количество подводных муфт, усилители часто размещают симметрично в одной точке для обоих направлений. Стандартные строительные длины кабеля в таких случаях не применяют — его изготавливают индивидуальными отрезками. В качестве оптического волокна используют стандарты G.652 или G.654D, специально разработанные для протяженных подводных линий связи.

Принцип работы усилителей ROPA

Рассмотрим две основные части, их которых состоят усилители ROPA.

Активное оборудование на станции — включает генератор оптического излучения («накачку») с длиной волны около 1 480 нм. Также используется мультиплексор, который вводит накачку в телекоммуникационное волокно.
Пассивный усилительный элемент — установлен в пролет линии и представляет собой подводную муфту с отрезком эрбиевого волокна, где происходит усиление сигнала.

В линиях (в реальных условиях — до 300-350 км) может быть один или два усилителя ROPA. Оптимальный выбор места установки — ключевая задача при проектировании, так как от этого зависит эффективность усиления.

Особенности проектирования и монтажа

Чтобы минимизировать количество подводных муфт, усилители часто размещают симметрично в одной точке для обоих направлений. Стандартные строительные длины кабеля здесь не применяют — его изготавливают индивидуальными отрезками нужной длины. В качестве волокна используют стандарты G.652 или G.654D, специально разработанные для протяженных подводных линий связи.

Одно из главных преимуществ коротких линий связи в том, что подводным усилителям не нужно электричество. Это значительно снижает общую стоимость проекта.

Длинные линии связи до 800 км

Если длина линии связи превышает 350 км, проектирование переключается на многопролетные системы. Это нужно из-за потери мощности сигнала, усиления нелинейных эффектов и дисперсии на таких расстояниях.

Одна из проблем многопролетных линий — необходимость использования дополнительных волокон накачки, что усложняет эксплуатацию. Также стоит учитывать, что мощность накачки затухает по мере передачи сигнала к усилителям. Для эффективной работы многопролетных линий нужны усилители EDFA и подводное электропитание к ним через подводные муфты.

Длинные линии связи до 800 км.

Как работают усилители EDFA

Усилители работают на постоянном токе, который подается через систему удаленного электропитания. Она состоит из:

• блоков питания,
• токопроводящего кабеля,
• устройства съема мощности для EDFA.

Токопроводящий элемент представляет собой сварную медную трубку, которая не только проводит ток, но и дополнительно защищает волокна от повреждений. В таких линиях используют волокна стандартов G.652 или G.654D. На концах подводной линии размещаются блоки питания мощностью до нескольких киловатт. Для повышения надежности питание резервируется (дублируется).

Структура многопролетной линии

Многопролетные линии обычно включают до 10 пролетов, каждый из которых имеет длину 70-80 км. Для обеспечения оптимального значения OSNR (отношения сигнал/шум) на каскаде из усилителей используются два отрезка кабеля — по две строительных длин на каждый пролет.

Ограничение на 10 пролетов связано с неравномерным затуханием сигнала на различных длинах волн, что возникает из-за ограничений фильтров GFF (Gain Flattening Filter) в усилителях EDFA.

Управление усилителями

Усилители EDFA оснащены модулем управления и контроля параметров, который подключаются к служебному каналу, передающему данные на отдельной длине волны через основное волокно. Этот канал выводится через OADM (оптический мультиплексор с динамическим управлением).

Усилителями можно управлять удаленно, регулируя их мощность в реальном времени. Также есть возможность вводить каналы в эксплуатацию поочередно, из-за чего систему и назвали «Step by Step».

Трансокеанические линии связи

Самые протяженные маршруты строятся по тому же принципу, что описанные ранее, но с дополнительными решениями.

• Каждые 8-10 пролетов устанавливают аттенюаторы (эквалайзеры), которые корректируют форму спектра сигнала и позволяют передавать сигнал на большие расстояния.
• Используется волокно G.654D с минимальным затуханием (0,2 дБ/км).
• Мощность системы удаленного электропитания увеличена до 12-16 кВт.

Вкратце рассмотрим, как работает технология Flex Less, которая позволяет настроить линейный тракт (комплекс технических средств системы) на полную нагрузку. В начале линии ставят мультиплексоры, которые могут вводить в частотную сетку рабочий канал или постоянное излучение от широкополосного генератора эквивалентной мощности. Излучение при этом включают на всех незадействованных каналах, а оборудование линейного тракта настраивают лишь один раз. Чтобы добавить информационный канал, нужно переключить выход генератора на выход транспондера. 

Мониторинг и управление

Для контроля линии применяют:

• мониторинг EDFA;
• когерентный рефлектометр, который оценивает состояние волокна (подключается через циркулятор).

На каждом усилительном пункте предусмотрен обход EDFA для зондирующего импульса, обеспечивающий точные измерения.

Надежность трансокеанических линий

Обслуживание подводных усилителей — сложная задача, поэтому в них закладывается высокий уровень отказоустойчивости. В каждом EDFA установлено несколько лазеров накачки — при выходе одного из строя другой берет на себя его функции. Помимо прочего, система поддерживает до 100 каналов связи, обеспечивая высокую пропускную способность и надежность.

Заключение

Подводные линии связи — критически важная, но незаметная часть глобальной телекоммуникационной инфраструктуры. В зависимости от длины маршрута инженеры применяют различные решения: от простых усилителей ROPA до сложных трансокеанических систем. Выбор технологий влияет не только на стоимость проекта, но и на его отказоустойчивость и пропускную способность.

Куда дальше

Подводные линии связи — не просто кабели на дне океана. Это артерии глобальной коммуникации, которые связывают континенты и делают наш мир единым. Но что дальше? Будущее уже на горизонте: кабельные линии, которые не нуждаются в усилителях, материалы, способные выдержать любые испытания, и другие интересные технологии. Поговорим об этом в следующих выпусках.

Бонус: несколько полезных материалов

В качестве бонуса делюсь несколькими полезными источниками, которые вдохновили меня на написание текста.

«Undersea Fiber Communication Systems» (Second Edition: ELSEVIER, 2015). Chesnoy J. 

«Однопролетные ВОЛС большой протяженности: как снизить стоимость транспортных сетей». В.Гайнов, М.Слепцов, В.Трещиков.