Кабель подводной связи - Submarine communications cable

Сечение берегового конца современного подводного кабеля связи.
1  - Полиэтилен
2 - Майларовая лента
3 - Проволока стальная многопроволочная
4 - Алюминиевый водный барьер
5 - Поликарбонат
6 - Медная или алюминиевая трубка
7 - Вазелин
8 - Оптические волокна
Подводные кабели прокладываются с помощью специальных кораблей- кабелеукладчиков , таких как современный René Descartes  [ fr ] , эксплуатируемый Orange Marine .

Подводный кабель связи является кабелем , проложенным на морской день между наземными станциями для выполнения телекоммуникационных сигналов через участки океана и море. Первые подводные кабели связи, проложенные в 1850-х годах, передавали телеграфный трафик, устанавливая первые мгновенные телекоммуникационные линии между континентами, такие как первый трансатлантический телеграфный кабель, который начал работать 16 августа 1858 года. Последующие поколения кабелей несли телефонный трафик, затем трафик передачи данных. . В современных кабелях используется оптоволоконная технология для передачи цифровых данных , включая телефонный, Интернет- трафик и частные данные.

Современные кабели обычно имеют диаметр около 25 мм (1 дюйм) и весят около 1,4 тонны на километр (2,5 коротких тонны на милю; 2,2 длинных тонны на милю) для глубоководных участков, составляющих большую часть участка трассы, хотя и большего размера и на мелководных участках у берега используются более тяжелые тросы. Подводные кабели впервые соединили все континенты мира (кроме Антарктиды ), когда Ява была соединена с Дарвином, Северная территория , Австралия, в 1871 году в ожидании завершения в 1872 году австралийской наземной телеграфной линии, соединяющей с Аделаидой, Южная Австралия , и оттуда с остальная часть Австралии.

Ранняя история: телеграф и коаксиальные кабели

Первые успешные испытания

После того, как Уильям Кук и Чарльз Уитстон представили свой рабочий телеграф в 1839 году, идея создания линии подводных лодок через Атлантический океан стала рассматриваться как возможный триумф будущего. Сэмюэл Морс провозгласил свою веру в это еще в 1840 году, а в 1842 году он погрузил провод, заизолированный просмоленной коноплей и индийской резиной , в воду гавани Нью-Йорка и телеграфировал через него. Следующей осенью Уитстон провел аналогичный эксперимент в заливе Суонси . Хороший изолятор для покрытия провода и предотвращения утечки электрического тока в воду был необходим для успеха длинной подводной линии. Индия каучук был судим Морица фон Якоби , в прусской инженера - электрика , еще в начале 19 - го века.

Еще одна изолирующая резинка, которую можно было расплавить при нагревании и легко нанести на проволоку, появилась в 1842 году. Гуттаперча , клейкий сок дерева Palaquium gutta , была представлена ​​в Европе Уильямом Монтгомери , шотландским хирургом на службе у британцев. Ост-Индская компания . Двадцатью годами ранее Монтгомери видел в Сингапуре кнуты, сделанные из гуттаперчи , и полагал, что они будут полезны при изготовлении хирургических аппаратов. Майкл Фарадей и Уитстон вскоре обнаружили достоинства гуттаперчи как изолятора, и в 1845 году последний предложил использовать ее для покрытия провода, который предлагалось проложить от Дувра до Кале . В 1847 году Уильям Сименс , в то время офицер прусской армии, проложил первый успешный подводный кабель с использованием гуттаперчевой изоляции через Рейн между Дойцем и Кельном . В 1849 году Чарльз Винсент Уокер , электрик Юго-Восточной железной дороги , затопил 3 км (2 мили) провода, покрытого гуттаперчей, у побережья Фолкстона, что было успешно испытано.

Первые коммерческие кабели

Телеграфной марка британского и ирландского Magnetic Telegraph Co. Limited (с. 1862).

В августе 1850 года, получив ранее концессию от французского правительства, компания «Подводная телеграфная компания» Джона Уоткинса Бретта на Ла-Манше проложила первую линию через Ла-Манш , используя переделанный буксир « Голиаф» . Это была просто медная проволока, покрытая гуттаперчей , без какой-либо другой защиты, и она не увенчалась успехом. Тем не менее, эксперимент послужил для безопасного продления срока концессии, а в сентябре 1851 года , защищенное ядре, или правда, кабель был заложен водостойкой Submarine Telegraph Company из правительства туши , Blazer , который был буксируемая через канал.

В 1853 году были проложены более успешные кабели, соединившие Великобританию с Ирландией , Бельгией и Нидерландами и пересекшие Пояса в Дании . British & Irish Magnetic Telegraph Company завершила первый успешный ирландский ссылка 23 мая между Portpatrick и Donaghadee использованием Collier Уильям Хатт . Это же судно использовалось для связи между Дувром и Остенде в Бельгии компанией Submarine Telegraph. Тем временем Electric & International Telegraph Company проложила два кабеля через Северное море , от Орфорд-Несса до Схевенингена , Нидерланды. Эти кабели были проложены пароходом « Монарх» , который позже стал первым судном с постоянным оборудованием для прокладки кабеля.

В 1858 году пароход « Эльба» использовался для прокладки телеграфного кабеля от Джерси до Гернси , до Олдерни, а затем до Уэймута , причем кабель был успешно завершен в сентябре того же года. Вскоре возникли проблемы: к 1860 году произошло одиннадцать разломов из-за штормов, приливов и песка, а также износа скал. В отчете Институту инженеров-строителей в 1860 году были изложены проблемы, которые помогут в будущих операциях по прокладке кабеля.

Трансатлантический телеграфный кабель

Первую попытку прокладки трансатлантического телеграфного кабеля предпринял Сайрус Вест Филд , который убедил британских промышленников профинансировать и проложить кабель в 1858 году. Однако современные технологии не могли поддержать этот проект; с самого начала у него были проблемы, и он проработал всего месяц. Последующие попытки в 1865 и 1866 годах с крупнейшим в мире пароходом SS Great Eastern использовали более передовые технологии и дали первый успешный трансатлантический кабель. Позднее компания Great Eastern проложила первый кабель, идущий в Индию из Адена, Йемен, в 1870 году.

Британское доминирование раннего кабеля

Операторы в кабельной кабельной подводной телеграфной станции Центрального телеграфного офиса GPO в Лондоне c. 1898 г.

С 1850-х до 1911 года британские подводные кабельные системы доминировали на самом важном рынке - в Северной Атлантике . У британцев были преимущества как со стороны предложения, так и со стороны спроса. Что касается предложения, у Британии были предприниматели, готовые вложить огромные суммы капитала, необходимые для строительства, прокладки и обслуживания этих кабелей. Что касается спроса, огромная колониальная империя Британии привела к тому, что кабельные компании открыли для себя бизнес из информационных агентств, торговых и судоходных компаний, а также британского правительства. Во многих британских колониях проживало значительное количество европейских поселенцев, поэтому новости о них представляли интерес для широкой публики в родной стране.

Британские официальные лица считали, что зависимость от телеграфных линий, проходящих через небританскую территорию, представляет угрозу безопасности, поскольку линии могут быть перерезаны, а сообщения могут быть прерваны во время войны. Они стремились создать всемирную сеть внутри империи, которая стала известна как All Red Line , и, наоборот, подготовили стратегии для быстрого прерывания коммуникаций с противником. Самым первым действием Великобритании после объявления войны Германии в Первой мировой войне было то, что кабельное судно Alert (а не CS Telconia, как часто сообщается) перерезало пять кабелей, связывающих Германию с Францией, Испанией и Азорскими островами, а через них - с Северной Америкой. После этого Германия могла общаться только по беспроводной сети, а это означало, что Комната 40 могла слушать.

Подводные кабели были экономической выгодой для торговых компаний, потому что владельцы судов могли общаться с капитанами, когда они достигли места назначения, и давать указания, куда идти дальше, чтобы забрать груз, на основе заявленных цен и информации о поставках. Британское правительство явно использовало кабели для поддержания административной связи с губернаторами по всей своей империи, а также для дипломатического взаимодействия с другими странами и связи со своими воинскими частями в военное время. Географическое положение британской территории также было преимуществом, так как она включала Ирландию на восточной стороне Атлантического океана и Ньюфаундленд в Северной Америке на западной стороне, что составляло кратчайший путь через океан, что значительно сокращало расходы.

Несколько фактов позволяют увидеть это доминирование в отрасли. В 1896 году в мире насчитывалось 30 кабелеукладчиков, 24 из которых принадлежали британским компаниям. В 1892 году британские компании владели и управляли двумя третями мировых кабелей, а к 1923 году их доля все еще составляла 42,7 процента. Во время Первой мировой войны британская телеграфная связь была почти полностью бесперебойной, в то время как она могла быстро перерезать кабели Германии по всему миру.

Кабель в Индию, Сингапур, Дальний Восток и Австралию

Сеть Восточной телеграфной компании в 1901 году. Пунктирными линиями через Тихий океан обозначены запланированные кабели, проложенные в 1902–03 годах.

На протяжении 1860-х и 1870-х годов британский кабель расширялся на восток, в Средиземное море и Индийский океан. Кабель 1863 года в Бомбей (ныне Мумбаи ), Индия, обеспечил важную связь с Саудовской Аравией . В 1870 году Бомбей был связан с Лондоном подводным кабелем в рамках совместной операции четырех кабельных компаний по указанию британского правительства. В 1872 году эти четыре компании были объединены в гигантскую глобальную компанию Eastern Telegraph , принадлежащую Джону Пендеру . Филиалом Eastern Telegraph Company была вторая дочерняя компания, Eastern Extension, China and Australasia Telegraph Company, широко известная как «Расширение». В 1872 году Австралия была связана кабелем с Бомбеем через Сингапур и Китай, а в 1876 году кабель соединил Британскую империю от Лондона до Новой Зеландии.

Подводные кабели через Тихий океан

Первые транстихоокеанские кабели, обеспечивающие телеграфные услуги, были построены в 1902 и 1903 годах, соединив материковую часть США с Гавайями в 1902 году и Гуам с Филиппинами в 1903 году. Канада, Австралия, Новая Зеландия и Фиджи также были связаны в 1902 году с транстихоокеанским регионом. отрезок All Red Line . Япония была подключена к системе в 1906 году. Служба за пределами атолла Мидуэй была прекращена в 1941 году из-за Второй мировой войны, но оставшаяся часть оставалась в эксплуатации до 1951 года, когда FCC дала разрешение на прекращение операций.

Первый транстихоокеанский телефонный кабель был проложен от Гавайев до Японии в 1964 году с удлинением от Гуама до Филиппин. Также в 1964 году Тихоокеанская кабельная система Содружества (КОМПАК) с пропускной способностью 80 телефонных каналов была открыта для трафика из Сиднея в Ванкувер, а в 1967 году система Содружества Юго-Восточной Азии (SEACOM) с пропускной способностью 160 телефонных каналов была открыта для трафика. . Эта система использовала микроволновое радио из Сиднея в Кэрнс (Квинсленд), кабель, идущий из Кэрнса в Маданг ( Папуа-Новая Гвинея ), Гуам , Гонконг , Кота-Кинабалу (столица Сабаха , Малайзия), Сингапур , а затем по суше по микроволновому радио в Куала-Лумпур. . В 1991 году кабельная система северной части Тихого океана была первой системой регенерации (то есть с ретрансляторами ), которая полностью пересекла Тихий океан от материковой части США до Японии. Американская часть NPC производилась в Портленде, штат Орегон, с 1989 по 1991 год на предприятиях STC Submarine Systems, а затем и Alcatel Submarine Networks. Система была заложена компанией Cable & Wireless Marine на предприятии CS Cable Venture .

Строительство

Посадка кабеля Италия-США (длина 4704 морских мили) на Рокавей-Бич, Квинс , Нью-Йорк, январь 1925 года.

Трансатлантические кабели 19-го века состояли из внешнего слоя из железа, а затем из стальной проволоки, покрывающей индийскую резину, гуттаперчи , которая окружала многожильный медный провод в сердечнике. На участках, ближайших к каждой береговой пристани, имелись дополнительные защитные бронепроволоки. Гуттаперча, природный полимер, похожий на резину, имел почти идеальные свойства для изоляции подводных кабелей, за исключением довольно высокой диэлектрической проницаемости, которая делала емкость кабеля высокой. Уильям Томас Хенли разработал машину в 1837 году для обмотки проводов шелковой или хлопковой нитью, которую он разработал для обертывания проводов для подводного кабеля с фабрикой в ​​1857 году, которая стала WT Henley's Telegraph Works Co., Ltd. The India Rubber, Gutta Percha и Telegraph Works Company , основанная семьей Сильвер и давшая это название части Лондона , поставляла жилы Хенли, а также производила и прокладывала готовые кабели. В 1870 году Уильям Хупер основал компанию Hooper's Telegraph Works для производства запатентованного вулканизированного каучукового сердечника, вначале для снабжения других производителей готового кабеля, который начал конкурировать с сердечниками из гуттаперчи. Позже компания расширилась до полного производства и прокладки кабелей, включая строительство первого кабельного корабля, специально предназначенного для прокладки трансатлантических кабелей.

Гуттаперча и резина не были заменены в качестве изоляции кабеля до тех пор, пока в 1930-х годах не был введен полиэтилен . Даже тогда этот материал был доступен только военным, и первый подводный кабель, использовавший его, был проложен только в 1945 году во время Второй мировой войны через Ла-Манш . В 1920-х годах американские военные экспериментировали с кабелями с резиновой изоляцией в качестве альтернативы гуттаперче, поскольку американские интересы контролировали значительные поставки каучука, но не имели легкого доступа к производителям гуттаперчи. Разработка Джоном Т. Блейком в 1926 году депротеинизированной резины улучшила водонепроницаемость кабелей.

Многие ранние кабели пострадали от нападения морской фауны. Изоляция могла быть съедена, например, видами Teredo (корабельный червь) и Xylophaga . Пенька, уложенная между броней из стальной проволоки, давала вредителям путь, чтобы проникнуть внутрь. Поврежденная броня, что не было редкостью, также обеспечивала вход. Зарегистрированы случаи, когда акулы кусали кабели и нападали рыбы-пилы . В одном случае в 1873 году кит повредил кабель Персидского залива между Карачи и Гвадаром . Кит, по всей видимости, пытался использовать трос, чтобы счистить ракушки в точке, где трос спускался по крутому обрыву. Несчастный кит запутался хвостом в петлях кабеля и утонул. Корабль по ремонту тросов « Янтарная ведьма» смог только с трудом поднять трос, отягощенный трупом мертвого кита.

Проблемы с пропускной способностью

Ранние подводные телеграфные кабели для дальней связи демонстрировали серьезные проблемы с электричеством. В отличие от современных кабелей, технология 19 века не позволяла использовать в кабеле встроенные усилители репитера . Большие напряжения использовались, чтобы попытаться преодолеть электрическое сопротивление их огромной длины, но распределенная емкость и индуктивность кабелей объединились, чтобы исказить телеграфные импульсы в линии, уменьшая полосу пропускания кабеля , резко ограничивая скорость передачи данных для работы телеграфа до 10–12 слов в минуту .

Еще в 1816 году Фрэнсис Рональдс заметил, что электрические сигналы задерживаются при прохождении через изолированный провод или сердечник, проложенный под землей, и обозначил причину индукции, используя аналогию с длинной лейденской банкой . Тот же эффект был замечен Латимером Кларком (1853) на сердечниках, погруженных в воду, и особенно на длинном кабеле между Англией и Гаагой. Майкл Фарадей показал, что эффект был вызван емкостью между проводом и окружающей его землей (или водой). Фарадей заметил, что когда провод заряжается от батареи (например, при нажатии на кнопку телеграфа), электрический заряд в проводе индуцирует противоположный заряд в воде по мере ее движения. В 1831 году Фарадей описал этот эффект в том, что сейчас называется законом индукции Фарадея . Поскольку два заряда притягиваются друг к другу, возбуждающий заряд замедляется. Сердечник действует как конденсатор, распределенный по длине кабеля, который в сочетании с сопротивлением и индуктивностью кабеля ограничивает скорость, с которой сигнал проходит через проводник кабеля.

Ранние разработки кабелей не могли правильно проанализировать эти эффекты. Известно, что EOW Whitehouse отклонил проблемы и настаивал на возможности прокладки трансатлантического кабеля. Когда впоследствии он стал электриком в Atlantic Telegraph Company , он стал участником публичного спора с Уильямом Томсоном . Уайтхаус считал, что при достаточном напряжении можно управлять любым кабелем. Томсон считал, что его закон квадратов показывает, что замедление не может быть преодолено более высоким напряжением. Его порекомендовал кабель большего размера. Из-за чрезмерных напряжений, рекомендованных Уайтхаусом, первый трансатлантический кабель Сайруса Вест Филда никогда не работал надежно и в конечном итоге закоротил океан, когда Уайтхаус увеличил напряжение сверх проектных ограничений.

Томсон разработал сложный генератор электрического поля, который минимизировал ток за счет резонанса кабеля, и чувствительный световой зеркальный гальванометр для обнаружения слабых телеграфных сигналов. Томсон разбогател на гонорарах за эти и несколько связанных с ними изобретений. Томсон был повышен до лорда Кельвина за его вклад в эту область, главным образом за точную математическую модель кабеля, которая позволила разработать оборудование для точной телеграфии. Воздействие атмосферного электричества и геомагнитного поля на подводные кабели также послужило стимулом для многих ранних полярных экспедиций .

Томсон провел математический анализ распространения электрических сигналов в телеграфных кабелях на основе их емкости и сопротивления, но, поскольку длинные подводные кабели работали с медленной скоростью, он не учел влияние индуктивности. К 1890-м годам Оливер Хевисайд создал современную общую форму уравнений телеграфа , которая включала эффекты индуктивности и была необходима для распространения теории линий передачи на более высокие частоты, необходимые для высокоскоростной передачи данных и голоса.

Трансатлантическая телефония

Кабели подводной связи пересекают шотландский берег в районе Скад-Хед-он- Хой , Оркнейские острова .

В то время как прокладка трансатлантического телефонного кабеля всерьез рассматривалась с 1920-х годов, технология, необходимая для экономически целесообразной связи, не была разработана до 1940-х годов. Первая попытка проложить пупинизированный телефонный кабель не удалась в начале 1930-х годов из-за Великой депрессии .

TAT-1 (Transatlantic No. 1) была первой трансатлантической телефонной кабельной системой. Между 1955 и 1956 годами был проложен кабель между заливом Галланах, недалеко от Обана , Шотландия, и Кларенвиллем, Ньюфаундленд и Лабрадор . Он был открыт 25 сентября 1956 года и первоначально имел 36 телефонных каналов.

В 1960-х годах трансокеанские кабели представляли собой коаксиальные кабели, по которым передавались частотно-мультиплексированные сигналы голосового диапазона . Постоянный ток высокого напряжения на повторителях с питанием от внутреннего проводника (двусторонние усилители, размещенные через определенные промежутки вдоль кабеля). Репитеры первого поколения остаются одними из самых надежных ламповых усилителей из когда-либо созданных. Более поздние были транзисторными. Многие из этих кабелей все еще годны для использования, но от них отказались, поскольку их емкость слишком мала, чтобы быть коммерчески жизнеспособными. Некоторые из них использовались в качестве научных инструментов для измерения волн землетрясений и других геомагнитных явлений.

Другое использование

В 1942 году компания Siemens Brothers из Нью-Чарльтона , Лондон, совместно с Национальной физической лабораторией Соединенного Королевства адаптировала технологию подводных коммуникационных кабелей для создания первого в мире подводного нефтепровода в рамках операции «Плутон» во время Второй мировой войны . Активные оптоволоконные кабели могут быть полезны при обнаружении сейсмических событий, которые изменяют поляризацию кабеля.

Современная история

Оптические телекоммуникационные кабели

Внешний образ
значок изображения Карта морских кабелей
Карта подводных кабелей 2007 г.

В 1980-х годах были разработаны оптоволоконные кабели . Первым трансатлантическим телефонным кабелем, в котором использовалось оптическое волокно, был ТАТ-8 , который был введен в эксплуатацию в 1988 году. Волоконно-оптический кабель состоит из нескольких пар волокон. Каждая пара имеет по одному волокну в каждом направлении. ТАТ-8 имел две рабочие пары и одну резервную пару.

В современных волоконно-оптических повторителях используется твердотельный оптический усилитель , обычно волоконный усилитель, легированный эрбием . Каждый повторитель содержит отдельное оборудование для каждого волокна. Они включают преобразование сигнала, измерение ошибок и контроль. Твердотельный лазер отправляет сигнал на следующий отрезок волокна. Твердотельный лазер возбуждает короткое легированное волокно, которое само действует как лазерный усилитель. Когда свет проходит через волокно, он усиливается. Эта система также обеспечивает мультиплексирование с разделением по длине волны , что значительно увеличивает пропускную способность волокна.

Повторители питаются от постоянного постоянного тока, проходящего по проводнику около центра кабеля, поэтому все повторители в кабеле включены последовательно. На конечных станциях установлено оборудование подачи энергии. Обычно оба конца генерируют ток, причем один конец обеспечивает положительное напряжение, а другой - отрицательное. Виртуальная земля точка существует примерно на полпути вдоль кабеля при нормальных условиях эксплуатации. Усилители или повторители получают свою мощность от разности потенциалов на них. Напряжение, передаваемое по кабелю, часто составляет от 3000 до 15000 В постоянного тока при токе до 1100 мА, причем ток увеличивается с уменьшением напряжения; ток при 10000 В постоянного тока составляет до 1650 мА. Следовательно, общая мощность, передаваемая по кабелю, часто достигает 16,5 кВт.

Оптическое волокно, используемое в подводных кабелях, выбрано из-за его исключительной ясности, позволяя проложить расстояние более 100 километров (62 миль) между повторителями, чтобы минимизировать количество усилителей и искажения, которые они вызывают. Неповторенные кабели дешевле, чем повторяющиеся, и их максимальное расстояние передачи ограничено, хотя с годами оно увеличилось; в 2014 году в эксплуатации находились неповторяющиеся кабели длиной до 380 километров (240 миль); однако для этого требуется, чтобы репитеры без питания располагались каждые 100 км.

Схема ретранслятора подводного оптического кабеля

Растущий спрос на эти оптоволоконные кабели опередил возможности таких провайдеров, как AT&T. Необходимость переключить трафик на спутники приводила к ухудшению качества сигнала. Чтобы решить эту проблему, AT&T пришлось улучшить свои возможности по прокладке кабеля. Она инвестировала 100 миллионов долларов в производство двух специализированных судов для прокладки волоконно-оптического кабеля. К ним относятся лаборатории на кораблях для сращивания кабеля и тестирования его электрических свойств. Такой мониторинг поля важен, потому что стекло оптоволоконного кабеля менее податливо, чем раньше использовавшийся медный кабель. Корабли оснащены подруливающими устройствами , повышающими маневренность. Эта возможность важна, потому что оптоволоконный кабель должен быть проложен прямо от кормы, что было еще одним фактором, с которым не приходилось сталкиваться судам, занимающимся прокладкой медных кабелей.

Первоначально подводные кабели были простыми соединениями точка-точка. С развитием подводных ответвлений (SBU) более одного пункта назначения можно было обслуживать одной кабельной системой. В современных кабельных системах волокна обычно образуют самовосстанавливающееся кольцо для увеличения избыточности, при этом подводные секции проходят разными путями на дне океана . Одна из причин такого развития заключалась в том, что емкость кабельных систем стала настолько большой, что было невозможно полностью резервировать кабельную систему со спутниковой емкостью, поэтому возникла необходимость в обеспечении достаточных возможностей наземного резервного копирования. Не все телекоммуникационные организации хотят воспользоваться этой возможностью, поэтому современные кабельные системы могут иметь двойные точки посадки в некоторых странах (где требуется резервная возможность) и только одиночные точки посадки в других странах, где резервные возможности либо не требуются. , емкость страны достаточно мала, чтобы ее можно было резервировать другими способами, или создание резервной копии считается слишком дорогостоящим.

Дальнейшее развитие избыточного пути помимо подхода самовосстанавливающихся колец - это ячеистая сеть, в которой оборудование быстрой коммутации используется для передачи услуг между сетевыми путями, практически не влияя на протоколы более высокого уровня, если тракт становится неработоспособным. Чем больше путей становится доступными для использования между двумя точками, тем меньше вероятность того, что один или два одновременных отказа помешают сквозному обслуживанию.

По состоянию на 2012 год операторы «успешно продемонстрировали долгосрочную безошибочную передачу со скоростью 100 Гбит / с через Атлантический океан» по маршрутам протяженностью до 6000 км (3700 миль), что означает, что обычный кабель может перемещаться за границу со скоростью десятки терабит в секунду. В последние несколько лет скорость быстро увеличивалась, и всего тремя годами ранее, в августе 2009 года, на этом маршруте было предложено 40 Гбит / с.

Коммутация и морская маршрутизация обычно увеличивают расстояние и, следовательно, задержку в оба конца более чем на 50%. Например, задержка в оба конца (RTD) или задержка самых быстрых трансатлантических соединений составляет менее 60 мс, что близко к теоретическому оптимуму для морского маршрута. Хотя теоретически маршрут большого круга (GCP) между Лондоном и Нью-Йорком составляет всего 5600 км (3500 миль), для этого требуется несколько участков суши ( Ирландия , Ньюфаундленд , остров Принца Эдуарда и перешеек, соединяющий Нью-Брансуик с Новой Шотландией ). можно пройти, а также пройти через чрезвычайно приливный залив Фанди и наземный маршрут вдоль северного берега Массачусетса от Глостера до Бостона и через довольно застроенные районы до самого Манхэттена . Теоретически использование этого частичного сухопутного маршрута может привести к тому, что время прохождения туда и обратно будет меньше 40 мс (что является минимальным временем скорости света), не считая переключения. На маршрутах с меньшей протяженностью пути время прохождения туда и обратно может в долгосрочной перспективе приблизиться к минимальной скорости света .

Существует два типа подводных волоконно-оптических кабелей: без повторителя и с повторителем. На коротких кабельных трассах предпочтительнее использовать однонаправленные кабели, поскольку они не требуют повторителей, что снижает затраты; однако их максимальное расстояние передачи ограничено.

Типом оптического волокна, используемого в неповторяющихся и очень длинных кабелях, часто является PCSF (сердечник из чистого кремнезема) из-за его низких потерь 0,172 дБ на километр при передаче лазерного света с длиной волны 1550 нм. Большая хроматическая дисперсия PCSF означает, что для его использования требуется передающее и приемное оборудование, разработанное с учетом этого; это свойство также может использоваться для уменьшения помех при передаче нескольких каналов по одному волокну с использованием мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM), что позволяет передавать несколько каналов оптической несущей по одному волокну, каждый из которых несет свою собственную информацию. WDM ограничивается оптической полосой пропускания усилителей, используемых для передачи данных по кабелю, и расстоянием между частотами оптических несущих; однако этот минимальный интервал также ограничен, причем минимальный интервал часто составляет 50 ГГц (0,4 нм). Использование WDM может уменьшить максимальную длину кабеля, хотя этого можно избежать, проектируя оборудование с учетом этого.

В оптических пост-усилителях, используемых для увеличения мощности сигнала, генерируемого оптическим передатчиком, часто используется эрбиевый волоконный лазер с диодной накачкой. Диод часто представляет собой высокомощный лазерный диод с длиной волны 980 или 1480 нм. Эта установка обеспечивает доступное усиление до +24 дБм. Использование волокна, легированного эрбием-иттербием, вместо этого позволяет получить усиление +33 дБм, однако, опять же, количество энергии, которое может подаваться в волокно, ограничено. В конфигурациях с одной несущей преобладающим ограничением является самомодуляция фазы, вызванная эффектом Керра, который ограничивает усиление до +18 дБмВт на волокно. В конфигурациях WDM вместо этого становится преобладающим ограничение из-за кросс-фазовой модуляции. Оптические предусилители часто используются для устранения теплового шума приемника. Накачка предварительного усилителя лазером с длиной волны 980 нм приводит к шуму не более 3,5 дБ, при этом шум 5 дБ обычно получается с лазером с длиной волны 1480 нм. Шум необходимо отфильтровать с помощью оптических фильтров.

Рамановское усиление может использоваться для увеличения досягаемости или пропускной способности неповторяемого кабеля путем ввода двух частот в одно волокно; один передает сигналы данных на длине волны 1550 нм, а другой накачивает их на длине волны 1450 нм. Запуск частоты накачки (лазерного излучения накачки) при мощности всего в один ватт приводит к увеличению дальности действия на 45 км или увеличению мощности в 6 раз.

Другой способ увеличить радиус действия кабеля - использовать репитеры без питания, называемые удаленными оптическими предварительными усилителями (ROPA); они по-прежнему учитывают кабель как неповторяющийся, поскольку ретрансляторам не требуется электроэнергия, но они требуют, чтобы лазерный свет накачки передавался вместе с данными, передаваемыми по кабелю; свет накачки и данные часто передаются по физически отдельным волокнам. ROPA содержит легированное волокно, которое использует свет накачки (часто лазерный свет с длиной волны 1480 нм) для усиления сигналов данных, передаваемых по остальным волокнам.

Важность подводных кабелей

В настоящее время 99% трафика данных, пересекающего океаны, передается по подводным кабелям. Надежность подводных кабелей высока, особенно когда (как отмечалось выше) доступны несколько путей в случае обрыва кабеля. Кроме того, общая пропускная способность подводных кабелей составляет терабит в секунду, в то время как спутники обычно предлагают только 1000 мегабит в секунду и имеют более высокую задержку . Однако строительство типичной многотерабитной трансокеанской подводной кабельной системы стоит несколько сотен миллионов долларов.

В результате стоимости и полезности этих кабелей они высоко ценятся не только корпорациями, создающими и эксплуатирующими их для получения прибыли, но и национальными правительствами. Например, правительство Австралии считает свои подводные кабельные системы «жизненно важными для национальной экономики». Соответственно, Управление по коммуникациям и средствам массовой информации Австралии (ACMA) создало зоны защиты, которые ограничивают действия, которые могут потенциально повредить кабели, связывающие Австралию с остальным миром. ACMA также регулирует все проекты по прокладке новых подводных кабелей.

Подводные кабели важны как для современных военных, так и для частных предприятий. Военные США , к примеру, использует кабельную сеть подводных лодок для передачи данных из зон конфликтов в командном состав в Соединенных Штатах. Обрыв кабельной сети во время интенсивных операций может иметь прямые последствия для военных на местах.

Инвестиции и финансы

Современный оптоволоконный кабель на побережье Африки.
Карта действующих и ожидаемых подводных кабелей связи, обслуживающих африканский континент.

Почти все оптоволоконные кабели от ТАТ-8 в 1988–1997 годах были построены консорциумами операторов. Например, TAT-8 насчитывал 35 участников, включая самых крупных международных операторов того времени, таких как AT&T Corporation . Два кабеля, финансируемых из частных источников и не входящие в консорциум, были построены в конце 1990-х годов, что предшествовало массовому спекулятивному стремлению построить финансируемые из частных источников кабели, которые в период с 1999 по 2001 год достигли пика инвестиций в размере более 22 миллиардов долларов. За этим последовали банкротство и реорганизация. кабельных операторов, таких как Global Crossing , 360networks , FLAG , Worldcom и Asia Global Crossing. Глобальная сеть Tata Communications (TGN) является единственной полностью принадлежащей оптоволоконной сетью, вращающейся вокруг планеты.

Большинство кабелей в 20 веке пересекали Атлантический океан, чтобы соединить Соединенные Штаты и Европу. Однако мощности в Тихом океане были значительно расширены, начиная с 1990-х годов. Например, в период с 1998 по 2003 год примерно 70% подводного оптоволоконного кабеля было проложено в Тихом океане. Частично это является ответом на растущее значение азиатских рынков в мировой экономике.

После десятилетий крупных инвестиций в уже развитые рынки, такие как трансатлантические и транстихоокеанские маршруты, в 21 веке усилились усилия по расширению сети подводных кабелей для обслуживания развивающихся стран . Например, в июле 2009 года подводная волоконно-оптическая кабельная линия подключила Восточную Африку к более широкой сети Интернет. Компания SEACOM , которая предоставила этот новый кабель , на 75% принадлежит африканцам. Проект был отложен на месяц из-за роста пиратства на побережье.

Инвестиции в кабели представляют собой коммерческий риск, поскольку кабели покрывают 6200 км дна океана, пересекают подводные горные хребты и перекаты. Из-за этого большинство компаний покупают емкость только после того, как кабель закончен.

Антарктида

Антарктида - единственный континент, до которого еще не дошел подводный телекоммуникационный кабель. Телефонный, видео- и почтовый трафик должен передаваться в остальной мир через спутниковые каналы, которые имеют ограниченную доступность и пропускную способность. Базы на самом континенте могут общаться друг с другом по радио , но это только локальная сеть. Чтобы стать жизнеспособной альтернативой, оптоволоконный кабель должен выдерживать температуры -80 ° C (-112 ° F), а также огромные нагрузки от льда, текущего до 10 метров (33 футов) в год. Таким образом, подключение к более крупной магистрали Интернета с высокой пропускной способностью, обеспечиваемой оптоволоконным кабелем, все еще остается невыполнимой экономической и технической проблемой в Антарктике.

Ремонт кабеля

Анимационный ролик, демонстрирующий метод ремонта подводных кабелей связи.

Тросы могут быть порваны рыболовными траулерами , якорями, землетрясениями, течениями мутности и даже укусами акул. Основываясь на исследованиях разломов в Атлантическом океане и Карибском море, было обнаружено, что в период с 1959 по 1996 год менее 9% были вызваны природными явлениями. В ответ на эту угрозу для сети связи была разработана практика закладки кабеля. Средняя частота повреждений кабеля составляла 3,7 на 1000 км (620 миль) в год с 1959 по 1979 год. Этот показатель снизился до 0,44 повреждений на 1000 км в год после 1985 года из-за массового захоронения кабеля, начиная с 1980 года. Обрывы ни в коем случае не остались в прошлом: более 50 ремонтов в год только в Атлантике и значительные перерывы в 2006 , 2008 , 2009 и 2011 годах .

Склонность рыболовных траулерных сетей вызывать повреждение кабеля вполне могла быть использована во время холодной войны . Например, в феврале 1959 года в пяти американских трансатлантических кабелях связи произошла серия из 12 разрывов. В ответ на это военный корабль США « Рой О. Хейл» задержал советский траулер « Новоросийск » и провел расследование . Обзор судового журнала показал, что когда они порвались, он находился в районе каждого кабеля. Оборванные участки кабеля были обнаружены и на палубе « Новоросийска» . Оказалось, что кабели протащили за судовые сети, а затем перерезали, как только их вытащили на палубу, чтобы освободить сети. Позиция Советского Союза в отношении расследования заключалась в том, что оно было необоснованным, но Соединенные Штаты сослались на Конвенцию о защите подводных телеграфных кабелей 1884 года, которую Россия подписала (до образования Советского Союза), как доказательство нарушения международных норм. протокол.

Береговые станции могут обнаружить разрыв кабеля с помощью электрических измерений, например, с помощью рефлектометрии с расширенным спектром во временной области (SSTDR), типа рефлектометрии во временной области, которую можно очень быстро использовать в реальных условиях. В настоящее время SSTDR может собрать полный набор данных за 20 мс. Сигналы с расширенным спектром передаются по проводу, а затем наблюдается отраженный сигнал. Затем он сопоставляется с копией отправленного сигнала, и алгоритмы применяются к форме и времени сигналов, чтобы определить местонахождение разрыва.

Корабль для ремонта кабеля будет отправлен к месту, чтобы сбросить маркер рядом с разломом. В зависимости от ситуации используются несколько типов грейферов . Если рассматриваемое морское дно песчаное, используется грейфер с жесткими зубцами, чтобы заглубить поверхность и поймать кабель. Если трос находится на каменистой морской поверхности, грейфер более гибкий, с крючками по всей длине, чтобы он мог адаптироваться к изменяющейся поверхности. В особенно глубокой воде кабель может быть недостаточно прочным для подъема как отдельного блока, поэтому используется специальный захват, который разрезает кабель вскоре после того, как он зацепился за крюк, и за один раз на поверхность выводится только один отрезок кабеля, после этого врезается новая секция. Отремонтированный кабель длиннее оригинала, поэтому излишек умышленно укладывается в форме буквы «U» на морское дно . Погружной можно использовать для ремонта кабелей , которые лежат в неглубоких водах.

Ряд портов возле важных кабельных маршрутов стал домом для специализированных судов по ремонту кабеля. Галифакс , Новая Шотландия , был домом для полдюжины таких судов на протяжении большей части 20-го века, включая долгоживущие суда, такие как CS Cyrus West Field , CS Minia и CS Mackay-Bennett . С двумя последними был заключен контракт на помощь жертвам затопления RMS Titanic . Экипажами этих судов разработано много новой техники и приспособлений для ремонта и улучшения прокладки кабеля, например, « плуг ».

Сбор разведданных

Подводные кабели, которые нельзя держать под постоянным наблюдением, с конца 19 века привлекали организации, занимающиеся сбором разведданных. Часто в начале войны страны перерезали кабели других сторон, чтобы перенаправить информационный поток в кабели, за которыми велось наблюдение. Наиболее амбициозные усилия были предприняты во время Первой мировой войны , когда британские и немецкие войска систематически пытались разрушить мировые системы связи друг друга, перерезая свои кабели надводными кораблями или подводными лодками. Во время холодной войны , то ВМС США и Национальное агентство по безопасности (NSA) удалось поставить проволочные краны на советском подводных линии связи в Operation Ivy Bells .

Воздействие на окружающую среду

Основная точка взаимодействия кабелей с морскими обитателями находится в придонной зоне океанов, где проходит большая часть кабеля. Исследования 2003 и 2006 годов показали, что кабели оказывают минимальное воздействие на жизнь в этих средах. При отборе проб отложений вокруг кабелей и на участках, удаленных от кабелей, было обнаружено несколько статистически значимых различий в разнообразии или численности организмов. Основное отличие заключалось в том, что кабели служили точкой крепления для анемонов, которые обычно не могли расти в мягких отложениях. Данные с 1877 по 1955 год показали в общей сложности 16 повреждений кабеля, вызванных запутыванием различных китов . Такие смертельные запутывания полностью прекратились благодаря усовершенствованным методам размещения современных коаксиальных и оптоволоконных кабелей, которые имеют меньшую тенденцию к самосгибанию при лежании на морском дне.

Последствия для безопасности

Подводные кабели проблематичны с точки зрения безопасности, поскольку карты подводных кабелей широко доступны. Чтобы избежать случайного повреждения уязвимых кабелей при транспортировке, необходимы общедоступные карты. Однако наличие легко повреждаемых кабелей означает, что информация также легко доступна для преступных агентов. Государственное прослушивание телефонных разговоров также представляет собой проблему кибербезопасности.

Юридические проблемы

Подводные кабели страдают от присущих им проблем. Поскольку кабели конструируются и устанавливаются частными консорциумами, с самого начала возникает проблема с ответственностью. Во-первых, распределение ответственности внутри консорциума может быть трудным: поскольку нет четкой ведущей компании, которую можно было бы назначить ответственной, это может привести к путанице, когда кабель нуждается в обслуживании. Во-вторых, трудно решить проблему повреждения кабеля через международно-правовой режим, поскольку он был подписан и предназначен для национальных государств, а не для частных компаний. Таким образом, трудно решить, кто должен нести ответственность за ущерб и ремонт - компания, которая построила кабель, компания, которая заплатила за кабель, или правительство стран, в которых заканчивается кабель.

Еще одна правовая проблема - это устаревание правовых систем. Например, Австралия до сих пор применяет штрафы, которые были установлены во время подписания договора о подводном кабеле 1884 года: 2000 австралийских долларов, сейчас они почти незначительны.

Влияние кабельных сетей на современную историю

Подводные кабели связи оказали огромное влияние на общество. Помимо обеспечения эффективной межконтинентальной торговли и поддержки фондовых бирж, они оказали большое влияние на международное дипломатическое поведение. До появления подводных коммуникаций у дипломатов было гораздо больше власти, поскольку их непосредственные руководители (правительства стран, которые они представляли) не могли немедленно проверить их. Получение инструкций для дипломатов в чужой стране часто занимало недели или даже месяцы. Дипломатам приходилось проявлять инициативу в переговорах с зарубежными странами, лишь время от времени проверяя их правительство. Эта медленная связь привела к тому, что дипломаты стали заниматься досугом, ожидая приказов. Расширение телеграфных кабелей значительно сократило время реакции, необходимое для инструктирования дипломатов. Со временем это привело к общему снижению престижа и власти отдельных дипломатов в международной политике и сигнализировало о профессионализации дипломатического корпуса, который был вынужден отказаться от своего досуга.

Известные события

В 1914 году Германия совершила налет на канатную станцию ​​на острове Фаннинг в Тихом океане.

Ньюфаундленда землетрясение 1929 года прервало серию трансатлантических кабелей, вызывая массивный подводный оползень . Последовательность разрывов помогла ученым наметить ход оползня.

В 1986 году во время испытаний прототипа и предсерийных испытаний оптоволоконного кабеля TAT-8 и процедур его укладки, проведенных AT&T в районе Канарских островов , кабель был поврежден укусом акулы. Это показало, что акулы будут нырять на глубину до 1 километра (0,62 мили), что удивило морских биологов, которые до этого считали, что акулы не проявляют активности на таких глубинах. Подводная кабельная связь ТАТ-8 открыта в 1988 году.

В июле 2005 года часть SEA-ME-WE 3 подводных кабелей расположены 35 км (22 миль) к югу от Карачи , что при условии , Пакистан «s основные внешние связи стали дефекты, нарушая почти все связи Пакистана с остальным миром, и затрагивает около 10 миллионов пользователей Интернета.

26 декабря 2006 года в результате землетрясения в Хенгчуне в 2006 году многие кабели, соединяющие Тайвань и Филиппины, вышли из строя.

В марте 2007 года пираты украли 11-километровый участок подводного кабеля TVH, который соединял Таиланд , Вьетнам и Гонконг , в результате чего интернет-пользователи Вьетнама стали работать гораздо медленнее. Воры пытались продать 100 тонн кабеля в лом.

Разрушение подводного кабеля 2008 была серия кабельных отключений, два из трех Суэцкого канала кабелей, два нарушения в Персидском заливе , и один в Малайзии. Это вызвало массовые нарушения связи с Индией и Ближним Востоком .

В апреле 2010 года подводный кабель SEA-ME-WE 4 вышел из строя. Сообщается, что подводная кабельная система связи Юго-Восточная Азия - Ближний Восток - Западная Европа 4 (SEA-ME-WE 4), соединяющая Юго-Восточную Азию и Европу, была перерезана в трех местах, недалеко от Палермо, Италия .

2011 Тохоку землетрясения и цунами повредили ряд подводных кабелей , которые делают посадку в Японии, в том числе:

В феврале 2012 года обрыв кабелей EASSy и TEAMS отключил около половины сетей в Кении и Уганде от глобального Интернета.

В марте 2013 года водолазное сообщение SEA-ME-WE-4 из Франции в Сингапур было прервано водолазами возле Египта.

В ноябре 2014 года SEA-ME-WE 3 остановил весь трафик из Перта, Австралия , в Сингапур из-за неизвестной неисправности кабеля.

В августе 2017 года неисправность подводного кабеля IMEWE (Индия - Ближний Восток - Западная Европа) возле Джидды, Саудовская Аравия , нарушила работу Интернета в Пакистане. Подводный кабель IMEWE - это подводная волоконно-оптическая кабельная система сверхвысокой пропускной способности, которая связывает Индию и Европу через Ближний Восток. Кабель длиной 12 091 километр (7 513 миль) имеет девять оконечных станций, которыми управляют ведущие операторы связи из восьми стран.

AAE-1 протяженностью более 25 000 километров (16 000 миль) соединяет Юго-Восточную Азию с Европой через Египет. Строительство завершено в 2017 году.

В июне 2021 года Google объявил, что строит самый длинный из существующих подводных кабелей, который будет проложен от восточного побережья США до Лас-Тонинас , Аргентина, с дополнительными соединениями в Прайя-Гранде , Бразилия, и Пунта-дель-Эсте , Уругвай. Кабель обеспечит пользователям быстрый доступ с малой задержкой к продуктам Google, таким как поиск, Gmail и YouTube , а также к сервисам Google Cloud .

В августе 2021 года Google и Facebook объявили, что к 2024 году они разработают подводную кабельную систему, получившую название «Абрикос», чтобы улучшить подключение к Интернету и удовлетворить растущий спрос на широкополосный доступ и беспроводную связь 5G в Азиатско-Тихоокеанском регионе, в том числе Япония , Сингапур , Тайвань , Гуам , Филиппины и Индонезия .

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

  • Чарльз Брайт (1898). Подводные телеграфы: их история, конструкция и работа . Кросби Локворд и сын. ISBN 9780665008672.
  • Вари Т. Коутс и Бернард Финн (1979). Ретроспективная оценка технологий: трансатлантический кабель 1866 года . Сан-Франциско Пресс.
  • Берн Дибнер (1959). Атлантический кабель . Библиотека Бернди.
  • Бернард Финн; Дацин Ян, ред. (2009). Связь под морем: развивающаяся кабельная сеть и ее последствия . MIT Press.
  • К. Р. Хей (1968). Кабельные корабли и подводные тросы . Подводная кабельная корпорация США.
  • Норман Л. Миддлмисс (2000). Кабельные корабли . Публикации Щита.
  • Николь Старосельски (2015). Подводная сеть (знак, хранение, передача) . Издательство Университета Дьюка. ISBN 978-0822357551.

внешняя ссылка

Статьи

Карты