Подводный кабель связи — это кабель, проложенный по морскому дну между наземными станциями для передачи телекоммуникационных сигналов через океаны и моря. Первые подводные кабели связи были проложены в 1850-х годах и передавали телеграфный трафик, устанавливая первые мгновенные телекоммуникационные связи между континентами, такие как первый трансатлантический телеграфный кабель , который начал работать 16 августа 1858 года.
Подводные кабели впервые соединили все континенты мира (кроме Антарктиды ), когда Ява была соединена с Дарвином, Северная Территория , Австралия, в 1871 году в ожидании завершения строительства Австралийской сухопутной телеграфной линии в 1872 году, соединившей Аделаиду, Южная Австралия , а оттуда — остальную часть Австралии. [1]
Последующие поколения кабелей передавали телефонный трафик, затем трафик передачи данных . Эти ранние кабели использовали медные провода в своих сердечниках, но современные кабели используют оптоволоконную технологию для передачи цифровых данных , которые включают телефон, Интернет и частный трафик данных. 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, которые составляют большую часть трассы, хотя более крупные и тяжелые кабели используются для мелководных участков вблизи берега. [2] [3]
После того, как Уильям Кук и Чарльз Уитстон представили свой рабочий телеграф в 1839 году, идея подводной линии через Атлантический океан стала рассматриваться как возможный триумф будущего. Сэмюэл Морзе провозгласил свою веру в нее еще в 1840 году, а в 1842 году он погрузил провод, изолированный просмоленной пенькой и индийским каучуком , [4] [5] в воду гавани Нью-Йорка и передал по нему телеграмму. Следующей осенью Уитстон провел аналогичный эксперимент в заливе Суонси . Для успешной работы длинной подводной линии был необходим хороший изолятор , чтобы покрыть провод и предотвратить утечку электрического тока в воду. Индийский каучук был опробован Морицем фон Якоби , прусским электротехником , еще в начале 19 века.
Другая изолирующая смола, которая могла плавиться под воздействием тепла и легко наноситься на провод, появилась в 1842 году. Гуттаперча , клейкий сок дерева Palaquium gutta , была представлена Европе Уильямом Монтгомери , шотландским хирургом на службе Британской Ост-Индской компании . [6] : 26–27 Двадцатью годами ранее Монтгомери видел кнуты, сделанные из гуттаперчи в Сингапуре , и он считал, что она будет полезна при изготовлении хирургических аппаратов. Майкл Фарадей и Уитстон вскоре открыли достоинства гуттаперчи как изолятора, и в 1845 году последний предложил использовать ее для покрытия провода, который предполагалось проложить от Дувра до Кале . [7] В 1847 году Уильям Сименс , тогда офицер армии Пруссии, проложил первый успешный подводный кабель с использованием изоляции из гуттаперчи через Рейн между Дойцем и Кельном . [8] В 1849 году Чарльз Винсент Уокер , электрик Юго -Восточной железной дороги , погрузил в воду 3 км (2 мили) провода, покрытого гуттаперчей, у побережья Фолкстона, что было успешно испытано. [6] : 26–27
В августе 1850 года, ранее получив концессию от французского правительства, компания John Watkins Brett 's English Channel Submarine Telegraph Company проложила первую линию через Ла-Манш , используя переоборудованный буксир Goliath . Это был просто медный провод, покрытый гуттаперчей , без какой-либо другой защиты, и он не увенчался успехом. [6] : 192–193 [9] Однако эксперимент послужил обеспечению возобновления концессии, и в сентябре 1851 года восстановленная компания Submarine Telegraph Company проложила защищенный сердечник, или настоящий кабель, с правительственного судна Blazer , которое было отбуксировано через Ла-Манш. [6] : 192–193 [10] [7]
В 1853 году были проложены более успешные кабели, соединившие Великобританию с Ирландией , Бельгией и Нидерландами , и пересекшие Бельт в Дании . [6] : 361 British & Irish Magnetic Telegraph Company завершила первую успешную ирландскую связь 23 мая между Портпатриком и Донахади с использованием угольщика William Hutt . [6] : 34–36 Это же судно использовалось для связи из Дувра в Остенде в Бельгии компанией Submarine Telegraph Company. [6] : 192–193 Тем временем Electric & International Telegraph Company завершила прокладку двух кабелей через Северное море , от Орфорд-Несс до Схевенингена , Нидерланды. Эти кабели были проложены пароходом Monarch , который позже стал первым судном с постоянным оборудованием для прокладки кабеля. [6] : 195
В 1858 году пароход Elba использовался для прокладки телеграфного кабеля от Джерси до Гернси , далее до Олдерни и затем до Веймута , кабель был успешно завершен в сентябре того же года. Вскоре возникли проблемы, и к 1860 году произошло одиннадцать разрывов из-за штормов, приливов и песчаных движений, а также износа скал. В отчете Института инженеров-строителей в 1860 году были изложены проблемы, которые должны были помочь в будущих операциях по прокладке кабеля. [11]
В Крымской войне различные формы телеграфии играли важную роль; это было впервые. В начале кампании в Бухаресте была телеграфная связь с Лондоном. Зимой 1854 года французы продлили телеграфную связь до побережья Черного моря . В апреле 1855 года британцы проложили подводный кабель от Варны до Крымского полуострова , так что новости о Крымской войне могли достичь Лондона за несколько часов. [12]
Первая попытка прокладки трансатлантического телеграфного кабеля была предпринята Сайрусом Уэстом Филдом , который убедил британских промышленников профинансировать и проложить его в 1858 году. [7] Однако технологии того времени не были способны поддержать проект; он был охвачен проблемами с самого начала и проработал всего месяц. Последующие попытки в 1865 и 1866 годах с крупнейшим в мире пароходом SS Great Eastern использовали более передовую технологию и произвели первый успешный трансатлантический кабель. Позднее Great Eastern проложила первый кабель, дошедший до Индии из Адена, Йемен, в 1870 году.
С 1850-х по 1911 год 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. С точки зрения предложения у Британии были предприниматели, готовые вкладывать огромные суммы капитала, необходимые для строительства, прокладки и обслуживания этих кабелей. С точки зрения спроса обширная колониальная империя Британии привела к бизнесу для кабельных компаний из новостных агентств, торговых и судоходных компаний и британского правительства. Во многих британских колониях проживало значительное количество европейских поселенцев, что делало новости о них интересными для широкой публики в родной стране.
Британские чиновники 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, готовили стратегии для быстрого прерывания вражеских коммуникаций. [13] Самым первым действием Великобритании после объявления войны Германии в Первой мировой войне было то, что кабельное судно Alert (а не CS Telconia , как часто сообщалось) [14] перерезало пять кабелей, связывающих Германию с Францией, Испанией и Азорскими островами, а через них и с Северной Америкой. [15] После этого единственным способом, которым Германия могла общаться, было беспроводное соединение, и это означало, что Room 40 мог прослушивать.
Подводные кабели были экономически выгодны для торговых компаний, поскольку владельцы судов могли связываться с капитанами, когда они достигали места назначения, и давать указания, куда идти дальше, чтобы забрать груз, основываясь на сообщенных ценах и информации о поставках. Британское правительство имело очевидное применение кабелям для поддержания административной связи с губернаторами по всей своей империи, а также для дипломатического взаимодействия с другими странами и связи со своими военными подразделениями в военное время. Географическое положение британской территории также было преимуществом, поскольку она включала как Ирландию на восточной стороне Атлантического океана, так и Ньюфаундленд в Северной Америке на западной стороне, что создавало кратчайший путь через океан, что значительно сокращало расходы.
Несколько фактов показывают это доминирование отрасли в перспективе. В 1896 году в мире было 30 судов-кабелеукладчиков, 24 из которых принадлежали британским компаниям. В 1892 году британские компании владели и эксплуатировали две трети мировых кабелей, и к 1923 году их доля все еще составляла 42,7 процента. [16] Во время Первой мировой войны телеграфная связь Великобритании была почти полностью бесперебойной, в то время как она смогла быстро перерезать кабели Германии по всему миру. [13]
В течение 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 . [17] В 1870 году Бомбей был связан с Лондоном подводным кабелем в ходе совместной операции четырех кабельных компаний по распоряжению британского правительства. В 1872 году эти четыре компании были объединены в гигантскую, охватывающую весь мир Eastern Telegraph Company , принадлежащую Джону Пендеру . Отделением от Eastern Telegraph Company стала вторая дочерняя компания, Eastern Extension, China and Australasia Telegraph Company, обычно известная просто как «Extension». В 1872 году Австралия была связана кабелем с Бомбеем через Сингапур и Китай, а в 1876 году кабель связал Британскую империю от Лондона до Новой Зеландии. [18]
Первые транстихоокеанские кабели, обеспечивающие телеграфную связь, были завершены в 1902 и 1903 годах, соединив материковую часть США с Гавайями в 1902 году и Гуам с Филиппинами в 1903 году. [19] Канада, Австралия, Новая Зеландия и Фиджи также были связаны в 1902 году транстихоокеанским сегментом All Red Line . [20] Япония была подключена к системе в 1906 году. Обслуживание за пределами атолла Мидуэй было прекращено в 1941 году из-за Второй мировой войны, но остальная часть оставалась в эксплуатации до 1951 года, когда Федеральная комиссия по связи дала разрешение прекратить операции. [21]
Первый транстихоокеанский телефонный кабель был проложен от Гавайев до Японии в 1964 году с расширением от Гуама до Филиппин. [22] Также в 1964 году система Commonwealth Pacific Cable System (COMPAC) с пропускной способностью 80 телефонных каналов открылась для трафика от Сиднея до Ванкувера, а в 1967 году система South East Asia Commonwealth (SEACOM) с пропускной способностью 160 телефонных каналов открылась для трафика. Эта система использовала микроволновое радио от Сиднея до Кэрнса (Квинсленд), кабель проходил от Кэрнса до Маданга ( Папуа-Новая Гвинея ), Гуама , Гонконга , Кота-Кинабалу (столица Сабаха , Малайзия), Сингапура , а затем по суше по микроволновому радио до Куала-Лумпура . В 1991 году система North Pacific Cable стала первой регенеративной системой (т. е. 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 заводах STC Submarine Systems, а позднее Alcatel Submarine Networks. Система была проложена Cable & Wireless Marine на CS Cable Venture .
Трансатлантические кабели 19-го века состояли из внешнего слоя железной и позднее стальной проволоки, обмотки индийской резиной, обмотки гуттаперчей , которая окружала многожильный медный провод в сердечнике. Участки, ближайшие к каждому берегу, имели дополнительные защитные бронированные провода. Гуттаперча, природный полимер, похожий на резину, обладал почти идеальными свойствами для изоляции подводных кабелей, за исключением довольно высокой диэлектрической постоянной, которая делала емкость кабеля высокой. Уильям Томас Хенли разработал машину в 1837 году для покрытия проводов шелковой или хлопковой нитью, которую он превратил в возможность обмотки проводов для подводного кабеля с фабрикой в 1857 году, которая стала WT Henley's Telegraph Works Co., Ltd. [23] [24] Компания India Rubber, Gutta Percha and Telegraph Works Company , основанная семьей Сильвер и давшая это название части Лондона , поставляла сердечники для Henley's, а также в конечном итоге производила и прокладывала готовый кабель. [24] В 1870 году Уильям Хупер основал Hooper's Telegraph Works для производства своего запатентованного вулканизированного резинового сердечника, сначала для снабжения других производителей готового кабеля, который начал конкурировать с гуттаперчевыми сердечниками. Позднее компания расширилась до полного производства и прокладки кабеля, включая строительство первого кабельного судна, специально предназначенного для прокладки трансатлантических кабелей. [24] [25] [26]
Гуттаперча и резина не были заменены в качестве кабельной изоляции, пока в 1930-х годах не был представлен полиэтилен . Даже тогда этот материал был доступен только военным, и первый подводный кабель с его использованием был проложен только в 1945 году во время Второй мировой войны через Ла-Манш . [27] В 1920-х годах американские военные экспериментировали с кабелями с резиновой изоляцией в качестве альтернативы гуттаперче, поскольку американские интересы контролировали значительные поставки резины, но не имели легкого доступа к производителям гуттаперчи. Разработка Джоном Т. Блейком в 1926 году депротеинизированной резины улучшила непроницаемость кабелей для воды. [28]
Многие ранние кабели пострадали от нападения морских обитателей. Изоляцию могли съесть, например, виды Teredo (корабельный червь) и Xylophaga . Пенька , проложенная между стальной проволочной броней, давала вредителям возможность прогрызть себе путь внутрь. Поврежденная броня, что было не редкостью, также обеспечивала вход. Были зарегистрированы случаи укусов акул и нападения рыб-пил . В одном случае в 1873 году кит повредил кабель Персидского залива между Карачи и Гвадаром . Кит, по-видимому, пытался использовать кабель, чтобы очиститься от ракушек в точке, где кабель спускался по крутому обрыву. Несчастный кит запутался хвостом в петлях кабеля и утонул. Судно по ремонту кабелей Amber Witch с трудом смогло поднять кабель лебедкой, отягощенное телом мертвого кита. [29]
Ранние подводные телеграфные кабели большой дальности демонстрировали серьезные электрические проблемы. В отличие от современных кабелей, технология 19-го века не позволяла использовать линейные усилители- ретрансляторы в кабеле. Большие напряжения использовались для того, чтобы попытаться преодолеть электрическое сопротивление их огромной длины, но распределенная емкость и индуктивность кабелей в совокупности искажали телеграфные импульсы в линии, уменьшая пропускную способность кабеля , серьезно ограничивая скорость передачи данных для работы телеграфа до 10–12 слов в минуту .
Еще в 1816 году Фрэнсис Рональдс заметил, что электрические сигналы замедляются при прохождении через изолированный провод или сердечник, проложенный под землей, и обрисовал причину как индукцию, используя аналогию с длинной лейденской банкой . [30] [31] 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 землей (или водой), окружающей его. Фарадей заметил, что когда провод заряжается от батареи (например, при нажатии телеграфной клавиши), электрический заряд в проводе индуцирует противоположный заряд в воде по мере его перемещения. В 1831 году Фарадей описал этот эффект в том, что сейчас называется законом индукции Фарадея . Поскольку два заряда притягиваются друг к другу, возбуждающий заряд задерживается. Сердечник действует как конденсатор, распределенный по длине кабеля, который в сочетании с сопротивлением и индуктивностью кабеля ограничивает скорость, с которой сигнал проходит по проводнику кабеля.
Ранние конструкции кабелей не смогли правильно проанализировать эти эффекты. Известно, что Уайтхаус игнорировал проблемы и настаивал на возможности трансатлантического кабеля. Когда он впоследствии стал главным электриком Atlantic Telegraph Company , он оказался вовлечён в публичный спор с Уильямом Томсоном . Уайтхаус считал, что при достаточном напряжении любой кабель может работать. Томсон считал, что его закон квадратов показывает, что замедление не может быть преодолено более высоким напряжением. Он рекомендовал кабель большего размера. Из-за чрезмерного напряжения, рекомендованного Уайтхаусом, первый трансатлантический кабель Cyrus West Field никогда не работал надёжно и в конечном итоге замкнулся на океан, когда Уайтхаус увеличил напряжение сверх проектного предела кабеля.
Томсон спроектировал сложный генератор электрического поля, который минимизировал ток, резонируя кабель, и чувствительный зеркальный гальванометр со световым лучом для обнаружения слабых телеграфных сигналов. Томсон разбогател на гонорарах за эти и несколько связанных с ними изобретений. Томсон был повышен до лорда Кельвина за свой вклад в эту область, главным образом за точную математическую модель кабеля, которая позволила спроектировать оборудование для точной телеграфии. Влияние атмосферного электричества и геомагнитного поля на подводные кабели также мотивировало многие из ранних полярных экспедиций .
Томсон выполнил математический анализ распространения электрических сигналов в телеграфных кабелях на основе их емкости и сопротивления, но поскольку длинные подводные кабели работали на низких скоростях, он не учитывал эффекты индуктивности. К 1890-м годам Оливер Хевисайд разработал современную общую форму уравнений телеграфа , которая включала эффекты индуктивности и была необходима для расширения теории линий передачи на более высокие частоты, необходимые для высокоскоростной передачи данных и голоса.
Хотя прокладка трансатлантического телефонного кабеля серьезно рассматривалась с 1920-х годов, технология, необходимая для экономически целесообразных телекоммуникаций, не была разработана до 1940-х годов. Первая попытка проложить « пупинизированный » телефонный кабель — с нагрузочными катушками, добавленными через регулярные интервалы — потерпела неудачу 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 кабель был проложен между заливом Галланах, около Обана , Шотландия, и Кларенвиллом, Ньюфаундленд и Лабрадор , в Канаде. Он был открыт 25 сентября 1956 года, первоначально передавая 36 телефонных каналов.
В 1960-х годах трансокеанские кабели были коаксиальными кабелями , которые передавали частотно-мультиплексированные голосовые сигналы . Высоковольтный постоянный ток на внутреннем проводнике питал повторители (двусторонние усилители, размещенные с интервалами вдоль кабеля). Повторители первого поколения остаются одними из самых надежных усилителей с вакуумными лампами, когда-либо разработанных. [32] Более поздние были транзисторными. Многие из этих кабелей все еще пригодны для использования, но были заброшены, поскольку их емкость слишком мала, чтобы быть коммерчески жизнеспособными. Некоторые использовались в качестве научных приборов для измерения волн землетрясений и других геомагнитных событий. [33]
В 1942 году компания Siemens Brothers из Нью -Чарльтона (Лондон) совместно с Национальной физической лабораторией Соединенного Королевства адаптировала технологию подводных кабелей связи для создания первого в мире подводного нефтепровода в ходе операции «Плутон» во время Второй мировой войны .
Активные волоконно-оптические кабели могут быть полезны для обнаружения сейсмических событий, которые изменяют поляризацию кабеля. [34]
В 1980-х годах были разработаны оптоволоконные кабели . Первым трансатлантическим телефонным кабелем, в котором использовалось оптоволокно, был TAT-8 , который был введен в эксплуатацию в 1988 году. Оптоволоконный кабель состоит из нескольких пар волокон. Каждая пара имеет одно волокно в каждом направлении. TAT-8 имел две рабочие пары и одну резервную пару. За исключением очень коротких линий, оптоволоконные подводные кабели включают повторители с регулярными интервалами.
Современные оптоволоконные повторители используют твердотельный оптический усилитель , обычно усилитель на основе легированного эрбием волокна (EDFA). Каждый повторитель содержит отдельное оборудование для каждого волокна. Они включают в себя преобразование сигнала, измерение ошибок и управление. Твердотельный лазер отправляет сигнал в следующую часть волокна. Твердотельный лазер возбуждает короткую часть легированного волокна, которая сама по себе действует как лазерный усилитель. Когда свет проходит через волокно, он усиливается. Эта система также допускает мультиплексирование с разделением по длине волны , что значительно увеличивает пропускную способность волокна. Усилители EDFA впервые были использованы в подводных кабелях в 1995 году. [35]
Повторители питаются постоянным постоянным током, проходящим по проводнику около центра кабеля, поэтому все повторители в кабеле соединены последовательно. Оборудование подачи питания устанавливается на конечных станциях. Обычно оба конца разделяют генерацию тока, при этом один конец обеспечивает положительное напряжение, а другой — отрицательное. Виртуальная точка заземления существует примерно на полпути вдоль кабеля при нормальной работе. Усилители или повторители получают свою мощность от разности потенциалов на них. Напряжение, проходящее по кабелю, часто составляет от 3000 до 15 000 В постоянного тока при токе до 1100 мА, причем ток увеличивается с уменьшением напряжения; ток при 10 000 В постоянного тока составляет до 1650 мА. Следовательно, общее количество мощности, отправленной в кабель, часто составляет до 16,5 кВт. [36] [37]
Оптическое волокно, используемое в подводных кабелях, выбрано из-за его исключительной прозрачности, что позволяет прокладывать более 100 километров (62 мили) между повторителями, чтобы минимизировать количество усилителей и искажения, которые они вызывают. Неповторяющиеся кабели дешевле, чем повторяющиеся кабели, и их максимальная дальность передачи ограничена, хотя она увеличилась за эти годы; в 2014 году в эксплуатации находились неповторяющиеся кабели длиной до 380 километров (240 миль); однако для этого требуется, чтобы непитаемые повторители располагались каждые 100 км. [38]
Растущий спрос на эти оптоволоконные кабели превзошел возможности таких поставщиков, как AT&T. [ когда? ] Необходимость переключить трафик на спутники привела к снижению качества сигналов. Чтобы решить эту проблему, AT&T пришлось улучшить свои возможности по прокладке кабелей. Она инвестировала 100 миллионов долларов в создание двух специализированных судов для прокладки оптоволоконных кабелей. Они включали лаборатории на судах для сращивания кабеля и тестирования его электрических свойств. Такой полевой мониторинг важен, поскольку стекло оптоволоконного кабеля менее пластично, чем медный кабель, который использовался ранее. Суда оснащены подруливающими устройствами , которые повышают маневренность. Эта возможность важна, поскольку оптоволоконный кабель должен быть проложен прямо с кормы, что было еще одним фактором, с которым судам, прокладывающим медный кабель, не приходилось бороться. [39]
Первоначально подводные кабели представляли собой простые соединения точка-точка. С развитием подводных разветвительных блоков (SBU) одна кабельная система могла обслуживать более одного пункта назначения. Современные кабельные системы теперь обычно имеют волокна, расположенные в самовосстанавливающемся кольце для увеличения их избыточности, при этом подводные секции следуют по разным путям на дне океана . Одной из причин такого развития было то, что емкость кабельных систем стала настолько большой, что было невозможно полностью резервировать кабельную систему с помощью спутниковой емкости, поэтому возникла необходимость в обеспечении достаточной наземной резервной возможности. Не все телекоммуникационные организации хотят воспользоваться этой возможностью, поэтому современные кабельные системы могут иметь двойные точки приземления в некоторых странах (где требуется резервная возможность) и только одиночные точки приземления в других странах, где резервная возможность либо не требуется, либо емкость для страны достаточно мала, чтобы ее можно было резервировать другими способами, либо резервное копирование считается слишком дорогим.
Дальнейшее развитие избыточного пути в дополнение к подходу самовосстанавливающихся колец — это ячеистая сеть , в которой быстрое коммутационное оборудование используется для передачи услуг между сетевыми путями с небольшим или нулевым влиянием на протоколы более высокого уровня, если путь становится неработоспособным. По мере того, как больше путей становятся доступными для использования между двумя точками, становится менее вероятным, что один или два одновременных сбоя помешают сквозному обслуживанию.
По состоянию на 2012 год операторы «успешно продемонстрировали долгосрочную, безошибочную передачу на скорости 100 Гбит/с через Атлантический океан» на маршрутах до 6000 км (3700 миль), [40] что означает, что типичный кабель может передавать десятки терабит в секунду за границу. Скорости быстро росли в предыдущие несколько лет, и 40 Гбит/с были предложены на этом маршруте всего три года назад в августе 2009 года. [41]
Коммутация и маршрутизация all-by-morie 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 маршрута all-by-morie. Хотя в теории маршрут по дуге большого круга (GCP) между Лондоном и Нью-Йорком составляет всего 5600 км (3500 миль), [42] для этого требуется пересечь несколько участков суши ( Ирландия , Ньюфаундленд , остров Принца Эдуарда и перешеек, соединяющий Нью-Брансуик с Новой Шотландией ), а также чрезвычайно приливный залив Фанди и сухопутный маршрут вдоль северного побережья Массачусетса от Глостера до Бостона и через довольно застроенные районы до самого Манхэттена . Теоретически использование этого частичного сухопутного маршрута может привести к времени в оба конца менее 40 мс (что является минимальным временем скорости света), и это не считая коммутации. На маршрутах с меньшим количеством суши на пути время в пути туда и обратно в долгосрочной перспективе может приблизиться к минимуму скорости света .
Тип оптического волокна, используемого в неповторяющихся и очень длинных кабелях, часто представляет собой PCSF (чистый кварцевый сердечник) 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 его использование требует передающего и приемного оборудования, разработанного с учетом этого; это свойство также может быть использовано для уменьшения помех при передаче нескольких каналов по одному волокну с использованием мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM), что позволяет передавать несколько оптических каналов-носителей по одному волокну, каждый из которых несет свою собственную информацию. [43] WDM ограничен оптической полосой пропускания усилителей, используемых для передачи данных по кабелю, и интервалом между частотами оптических носителей; однако этот минимальный интервал также ограничен, причем минимальный интервал часто составляет 50 ГГц (0,4 нм). Использование WDM может уменьшить максимальную длину кабеля, хотя это можно преодолеть, проектируя оборудование с учетом этого.
Оптические пост-усилители, используемые для увеличения силы сигнала, генерируемого оптическим передатчиком, часто используют волоконный лазер с диодной накачкой, легированный эрбием. Диод часто представляет собой мощный лазерный диод с длиной волны 980 или 1480 нм. Такая установка позволяет усилить до +24 дБм доступным способом. Использование волокна, легированного эрбием-иттербием, вместо этого позволяет усилить до +33 дБм, однако снова количество мощности, которое может быть подано в волокно, ограничено. В конфигурациях с одной несущей доминирующим ограничением является фазовая автомодуляция, вызванная эффектом Керра , которая ограничивает усиление до +18 дБм на волокно. В конфигурациях WDM вместо этого преобладающим становится ограничение из-за перекрестной фазовой модуляции. Оптические предварительные усилители часто используются для нейтрализации теплового шума приемника. Накачка предварительного усилителя лазером 980 нм приводит к шуму максимум 3,5 дБ, при этом шум 5 дБ обычно достигается с помощью лазера 1480 нм. Шум должен быть отфильтрован с помощью оптических фильтров.
Рамановское усиление может использоваться для расширения дальности или пропускной способности неповторяющегося кабеля путем запуска 2 частот в одно волокно; одна из них передает сигналы данных на длине волны 1550 нм, а другая накачивает их на длине волны 1450 нм. Запуск частоты накачки (лазерного света накачки) мощностью всего один ватт приводит к увеличению дальности на 45 км или к 6-кратному увеличению пропускной способности.
Другой способ увеличить дальность действия кабеля — использовать непитаемые повторители, называемые удаленными оптическими предварительными усилителями (ROPA); они по-прежнему делают кабель неповторяющимся, поскольку повторителям не требуется электропитание, но им требуется лазерный свет накачки для передачи вместе с данными, переносимыми по кабелю; свет накачки и данные часто передаются по физически отдельным волокнам. ROPA содержит легированное волокно, которое использует свет накачки (часто лазерный свет 1480 нм) для усиления сигналов данных, передаваемых по остальным волокнам. [38]
WDM или мультиплексирование с разделением по длине волны впервые было реализовано в подводных оптоволоконных кабелях с 1990-х по 2000-е годы [44] , за которым последовало DWDM или плотное мультиплексирование с разделением по длине волны около 2007 года. Каждое волокно может одновременно передавать 30 длин волн. Подводные кабели SDM или пространственного мультиплексирования имеют не менее 12 пар волокон, что является увеличением по сравнению с максимальным количеством в 8 пар, обнаруженным в обычных подводных кабелях, и были развернуты подводные кабели с количеством пар волокон до 24. [45] [46] Тип модуляции, используемый в подводном кабеле, может иметь большое влияние на его пропускную способность. [47] [48] SDM сочетается с DWDM для повышения пропускной способности. [49]
Концепция открытого кабеля позволяет проектировать подводный кабель независимо от транспондеров, которые будут использоваться для передачи данных по кабелю. [50] [51] [52] [53] SLTE (Submarine Line Terminal Equipment) имеет транспондеры и ROADM ( Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer ), используемый для обработки сигналов в кабеле [54] [55] с помощью программного управления. ROADM используется для повышения надежности кабеля, позволяя ему работать даже при наличии неисправностей. [56] Это оборудование расположено внутри кабельной станции наземного типа (CLS). C-OTDR (Coherent Optical Time Domain Reflectometry) используется в подводных кабелях для обнаружения мест неисправностей кабеля. [57] Мокрое оборудование подводного кабеля включает в себя сам кабель, разветвительные блоки, повторители и, возможно, OADM ( Optical Add-Drop Multiplexers ). [58] [59]
В настоящее время 99% трафика данных, пересекающего океаны, передается по подводным кабелям. [60] Надежность подводных кабелей высока, особенно когда (как отмечено выше) в случае обрыва кабеля доступны несколько путей. Кроме того, общая пропускная способность подводных кабелей составляет терабиты в секунду, в то время как спутники обычно предлагают только 1000 мегабит в секунду и демонстрируют более высокую задержку . Однако типичная многотерабитная трансокеанская подводная кабельная система стоит несколько сотен миллионов долларов на строительство. [61]
В результате стоимости и полезности этих кабелей они высоко ценятся не только корпорациями, строящими и эксплуатирующими их для получения прибыли, но и национальными правительствами. Например, правительство Австралии считает свои подводные кабельные системы «жизненно важными для национальной экономики». Соответственно, Австралийское управление по коммуникациям и СМИ (ACMA) создало защитные зоны, которые ограничивают деятельность, которая потенциально может повредить кабели, связывающие Австралию с остальным миром. ACMA также регулирует все проекты по установке новых подводных кабелей. [62]
Подводные кабели важны для современных военных, а также для частных предприятий. Например, американские военные используют подводную кабельную сеть для передачи данных из зон конфликта командному составу в Соединенных Штатах. Прерывание кабельной сети во время интенсивных операций может иметь прямые последствия для военных на земле. [63]
Почти все волоконно-оптические кабели от TAT-8 в 1988 году до примерно 1997 года были построены консорциумами операторов. Например, TAT-8 насчитывал 35 участников, включая большинство крупных международных операторов того времени, таких как AT&T Corporation . [64] Два частных, неконсорциумных кабеля были построены в конце 1990-х годов, что предшествовало массовой спекулятивной гонке за строительством частных финансируемых кабелей, которая достигла пика в более чем 22 миллиарда долларов инвестиций между 1999 и 2001 годами. За этим последовало банкротство и реорганизация кабельных операторов, таких как Global Crossing , 360networks , FLAG , Worldcom и Asia Global Crossing. Глобальная сеть (TGN) Tata Communications является единственной полностью принадлежащей оптоволоконной сетью, охватывающей планету. [65]
Большинство кабелей в 20 веке пересекали Атлантический океан, соединяя Соединенные Штаты и Европу. Однако пропускная способность в Тихом океане значительно увеличилась, начиная с 1990-х годов. Например, между 1998 и 2003 годами около 70% подводного оптоволоконного кабеля было проложено в Тихом океане. Это отчасти является ответом на растущую значимость азиатских рынков в мировой экономике. [66]
После десятилетий крупных инвестиций в уже развитые рынки, такие как трансатлантические и транстихоокеанские маршруты, в 21 веке усилились усилия по расширению подводной кабельной сети для обслуживания развивающихся стран . Например, в июле 2009 года подводная волоконно-оптическая кабельная линия подключила Восточную Африку к более широкому Интернету. Компания, которая предоставила этот новый кабель, была SEACOM , которая на 75% принадлежит восточноафриканским и южноафриканским инвесторам. [67] Проект был отложен на месяц из-за возросшего пиратства вдоль побережья. [68]
Инвестиции в кабели представляют коммерческий риск, поскольку кабели покрывают 6200 км морского дна, пересекают подводные горные хребты и разломы. Из-за этого большинство компаний покупают мощности только после того, как кабель будет закончен. [69] [70] [71] [72]
Антарктида — единственный континент, до которого еще не дошел подводный телекоммуникационный кабель. Телефонный, видео и электронный трафик должны передаваться в остальной мир через спутниковые каналы связи, которые имеют ограниченную доступность и пропускную способность. Базы на самом континенте могут общаться друг с другом по радио , но это только локальная сеть. Чтобы быть жизнеспособной альтернативой, оптоволоконный кабель должен выдерживать температуру −80 °C (−112 °F), а также огромную нагрузку от льда, движущегося со скоростью до 10 метров (33 фута) в год. Таким образом, подключение к более крупной магистральной сети Интернет с высокой пропускной способностью, обеспечиваемой оптоволоконным кабелем, по-прежнему остается пока еще невыполнимой экономической и технической задачей в Антарктике. [73]
В Арктике реализуется несколько проектов, включая « Полярный экспресс » протяженностью 12 650 км [74] и оптоволокно Far North Fiber протяженностью 14 500 км [75] .
Кабели могут быть порваны рыболовными траулерами , якорями, землетрясениями, мутными течениями и даже укусами акул. [76] [77] На основе обследования разрывов 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 коммуникационной сети была разработана практика захоронения кабелей. Средняя частота неисправностей кабеля составляла 3,7 на 1000 км (620 миль) в год с 1959 по 1979 год. Этот показатель снизился до 0,44 неисправностей на 1000 км в год после 1985 года из-за повсеместного заглубления кабеля, начавшегося в 1980 году. [78] Тем не менее, обрывы кабеля ни в коем случае не остались в прошлом: только в Атлантике ежегодно проводится более 50 ремонтов, [79] а существенные обрывы были зафиксированы в 2006 , 2008 , 2009 и 2011 годах .
Склонность сетей рыболовных траулеров вызывать неисправности кабелей вполне могла эксплуатироваться во время Холодной войны . Например, в феврале 1959 года произошла серия из 12 разрывов на пяти американских трансатлантических кабелях связи. В ответ военно-морской корабль США USS Roy O. Hale задержал и провел расследование в отношении советского траулера «Новороссийск» . Обзор судового журнала показал, что он находился в районе каждого из кабелей, когда они порвались. Оборванные участки кабеля также были обнаружены на палубе «Новороссийска » . Оказалось, что кабели были протащены сетями судна, а затем перерезаны, когда их вытащили на палубу, чтобы освободить сети. Позиция Советского Союза в отношении расследования заключалась в том, что оно было неоправданным, но Соединенные Штаты сослались на Конвенцию о защите подводных телеграфных кабелей 1884 года, которую Россия подписала (до образования Советского Союза) в качестве доказательства нарушения международного протокола. [80]
Береговые станции могут обнаружить разрыв в кабеле с помощью электрических измерений, например, с помощью рефлектометрии с расширенным спектром во временной области (SSTDR), типа рефлектометрии во временной области , который можно использовать в реальных условиях очень быстро. В настоящее время SSTDR может собрать полный набор данных за 20 мс. [81] Сигналы с расширенным спектром отправляются по проводу, а затем наблюдается отраженный сигнал. Затем он коррелируется с копией отправленного сигнала, и алгоритмы применяются к форме и времени сигналов для обнаружения разрыва.
Судно для ремонта кабеля будет отправлено на место, чтобы сбросить маркерный буй вблизи разрыва. В зависимости от ситуации используются несколько типов захватов . Если морское дно песчаное, захват с жесткими зубцами используется для пропахивания под поверхностью и захвата кабеля. Если кабель находится на каменистой поверхности моря, захват более гибкий, с крюками по всей длине, чтобы он мог приспосабливаться к изменяющейся поверхности. [82] В особенно глубоких водах кабель может быть недостаточно прочным, чтобы поднять его как единое целое, поэтому используется специальный захват, который обрезает кабель вскоре после того, как он был зацеплен, и только один отрезок кабеля выводится на поверхность за раз, после чего новый участок сращивается. [83] Отремонтированный кабель длиннее исходного, поэтому излишек намеренно укладывается в форме буквы «U» на морском дне . Подводный аппарат можно использовать для ремонта кабелей, которые лежат на мелководье.
Ряд портов вблизи важных кабельных маршрутов стали домом для специализированных судов по ремонту кабелей. Галифакс , Новая Шотландия , был домом для полудюжины таких судов большую часть 20-го века, включая такие долгоживущие суда, как CS Cyrus West Field , CS Minia и CS Mackay-Bennett . Последние два были наняты для подъема жертв затонувшего RMS Titanic . Экипажи этих судов разработали много новых методов и устройств для ремонта и улучшения прокладки кабелей, таких как « плуг ».
Подводные кабели, которые невозможно держать под постоянным наблюдением, соблазняли организации по сбору разведывательной информации с конца 19 века. Часто в начале войн страны перерезали кабели другой стороны, чтобы перенаправить поток информации в кабели, которые отслеживались. Самые амбициозные усилия были предприняты во время Первой мировой войны , когда британские и немецкие войска систематически пытались уничтожить всемирные системы связи друг друга, перерезая их кабели надводными кораблями или подводными лодками. [84] Во время холодной войны ВМС США и Агентство национальной безопасности (АНБ) преуспели в установке прослушивающих устройств на советских подводных линиях связи в ходе операции «Колокола плюща» . В наше время широкое использование сквозного шифрования сводит к минимуму угрозу прослушивания.
Наличие кабелей в океанах может представлять опасность для морской жизни. С распространением кабельных установок и растущим спросом на взаимосвязь, которую требует современное общество, воздействие на окружающую среду увеличивается.
Подводные кабели могут оказывать влияние на морскую жизнь различными способами.
Экосистемы морского дна могут быть нарушены установкой и обслуживанием кабелей. Последствия установки кабелей, как правило, ограничиваются определенными областями. Интенсивность нарушения зависит от метода установки.
Кабели часто прокладываются в так называемой бентической зоне морского дна. Бентическая зона — это экологическая область на дне моря, где обитают бентос, моллюски и крабы, и где находятся поверхностные отложения, представляющие собой отложения веществ и частиц в воде, которые обеспечивают среду обитания для морских видов.
Осадочные отложения могут быть повреждены при прокладке кабеля путем рытья траншей струями воды или вспашки. Это может привести к переработке отложений, изменив субстрат, из которого они состоят.
Согласно нескольким исследованиям, биота бентической зоны лишь в незначительной степени подвержена влиянию наличия кабелей. Однако наличие кабелей может вызывать поведенческие нарушения у живых организмов. [85] Основное наблюдение заключается в том, что наличие кабелей обеспечивает твердый субстрат для прикрепления анемонов. Эти организмы в большом количестве встречаются вокруг кабелей, проходящих через мягкие отложения, которые обычно не подходят для этих организмов. Это также касается камбалы . Хотя это мало наблюдается, наличие кабелей также может изменять температуру воды и, следовательно, нарушать окружающую естественную среду обитания.
Однако эти нарушения не очень устойчивы с течением времени и могут стабилизироваться в течение нескольких дней. Операторы кабелей пытаются реализовать меры по прокладке кабелей таким образом, чтобы избегать зон с чувствительными и уязвимыми экосистемами.
Запутывание морских животных в кабелях является одной из основных причин повреждения кабелей. Киты и кашалоты являются основными животными, которые запутываются в кабелях и повреждают их. Встреча этих животных с кабелями может привести к травмам, а иногда и к смерти. Исследования, проведенные между 1877 и 1955 годами, сообщили о 16 разрывах кабелей, вызванных запутыванием китов, 13 из них — кашалотов. Между 1907 и 2006 годами было зафиксировано 39 таких случаев. [86] Методы захоронения кабелей постепенно внедряются для предотвращения подобных инцидентов.
Хотя подводные кабели расположены на морском дне , рыболовная деятельность может повредить кабели. Рыбаки, использующие методы рыболовства, которые включают соскабливание морского дна или волочение оборудования, такого как тралы или клетки, могут повредить кабели, что приведет к потере жидкостей, а также химических и токсичных материалов, из которых состоят кабели.
Районы с высокой плотностью подводных кабелей имеют преимущество в том, что они более безопасны с точки зрения рыболовства. За счет бентосных и осадочных зон морская фауна лучше защищена в этих морских регионах благодаря ограничениям и запретам. Исследования показали положительное влияние на фауну, окружающую зоны прокладки кабелей. [87]
Подводные кабели сделаны из меди или оптических волокон , окруженных несколькими защитными слоями пластика, проволоки или синтетических материалов. Кабели также могут состоять из диэлектрических жидкостей или углеводородных жидкостей, которые действуют как электрические изоляторы. Эти вещества могут быть вредны для морской жизни. [88]
Рыболовство, старение кабелей и морские виды, которые сталкиваются с кабелями или запутываются в них, могут повредить кабели и распространить токсичные и вредные вещества в море. Однако воздействие подводных кабелей ограничено по сравнению с другими источниками загрязнения океана.
Существует также риск выброса загрязняющих веществ, захороненных в отложениях. Когда отложения повторно поднимаются из-за установки кабелей, могут выделяться токсичные вещества, такие как углеводороды.
Предварительные анализы могут оценить уровень токсичности осадков и выбрать маршрут кабеля, который позволит избежать повторной мобилизации и рассеивания загрязняющих веществ осадков. А новые, более современные методы позволят использовать менее загрязняющие материалы для строительства кабеля. [86]
Установка и обслуживание кабелей требует использования машин и оборудования, которые могут вызывать звуковые волны или электромагнитные волны, которые могут беспокоить животных, использующих волны для определения своего положения в пространстве или для общения. Подводные звуковые волны зависят от используемого оборудования, характеристик морского дна, где расположены кабели, и рельефа местности. [86]
Подводный шум и волны могут изменять поведение некоторых подводных видов, например, миграционное поведение, нарушая коммуникацию или размножение. Имеющаяся информация заключается в том, что подводный шум, создаваемый работами по прокладке подводных кабелей, имеет ограниченный акустический след и ограниченную продолжительность. [89]
