CC BY
374
Общее рассмотрение подводных оптоволоконных линий связи
Денисов С. ЛСамарцев И. Э., НТО "ИРЭ "Полюс""
Введение
Сегодня связь играет важную роль в нашем мире. И если ранее для передачи информации использовались медные кабели и провода, то теперь наступило время оптических технологий и оптоволоконных кабелей. Применение оптических телекоммуникационных технологий способствовало значительному снижению стоимости передачи информации во всём мире.
Прокладка кабеля на морском, а особенно на океанском дне, сталкивается со многими проблемами. Значительные глубины (более 8000 м), высокое давление, малая доступность, сложный подводный рельеф и условия прокладки налагают особые требования на конструкцию кабеля, оптических усилителей, узлов соединения, разветвителей и другого оборудования.
На все агрегаты, располагающиеся под водой, налагаются повышенные требования по надёжности, качеству производства, ресурсу (срок эксплуатации составляет 25-30 лет). Поэтому компоненты подводных линий связи должны обладать высокой надёжностью.
Различные виды подводных оптоволоконных линий связи
Подводные оптоволоконные линии связи можно разделить на две основные группы:
• линии связи с применением подводных оптических усилителей;
• линии связи без применения подводных оптических усилителей.
В свою очередь линии с применением подводных оптических усилителей делятся на: межконтинентальные (трансокеанские) и прибрежные линии связи (рис.1) [1].
Линии без применения подводных оптических усилителей разделяются на: прибрежные, межостровные (рис. 2) и линии с применением рамановского усилителя (рис. 3).
На сегодняшний день наибольшее распространение имеют системы с применением оптических усилителей, так как именно они являются основными средствами связи и обмена информацией между материками (например, трансатлантические линии связи ТАТ и транстихоокеанские линии связи ТРС). Длина таких сетей превышает 9000 км.
Подводные системы, не имеющие оптических усилителей, распространены гораздо меньше. Чаще всего они находят применение для создания национальных сетей государств, располагающихся на
Рис.1. Линии связи с применением подводных оптических усилителей [1]: (а) — межконтинентальная линия связи; (б) — прибрежная линия связи
а)
б)
в)
Рис. 2. Линии связи без применения подводных оптических усилителей [1]:
(а), (б) — прибрежные линии связи с разветвителями и без разветвителей; (в) — межостровная линия связи
Рис. 3. Линия связи с применением рамановского усилителя (ROPA — Remote Optically Pumped Amplifier, эрбиевый усилитель с удалённой оптической накачкой) [2]
многих островах (например, Багамы, Индонезия), или для связи морских нефтяных платформ. Длина таких сетей не превышает 400 км.
В данной работе основное внимание уделяется межконтинентальным (трансокеанским) линиям связи. Однако в последнее время всё большее распространение стали получать линии связи с применением рамановских усилителей (усилители, основанные на применении эффекта ВКР), причём такие усилители могут использоваться как в межконтинентальных, так и в прибрежных линиях связи [2].
Общие вопросы прокладки подводных оптоволоконных линий связи
При планировании маршрута прокладки кабеля для подводной оптоволоконной линии связи необходимо принимать во внимание различные факторы. Во-первых, маршрут должен быть экономически выгодным и безопасным, так как использование различных способов защиты кабеля приводит к увеличению стоимости проекта и увеличивает срок его окупаемости. Во-вторых, в случае прокладки кабеля между разными странами, необходимо получить разрешение на использование прибрежных вод той или иной страны. Так же необходимо получить все необходимые разрешения и лицензии на проведение кабелеукладочных работ [3].
Следующим этапом является исследование потенциальных рисков при укладке кабеля. Проводится предварительный анализ маршрута, исследуется морфология и геология морского дна (сейсмическая активность, подводный вулканизм, подводные барханы, выход скальных пород, возможность подводных оползней и обвалов), океанография и метеорология.
Геологическое исследование маршрута прокладки кабеля должно определить топографию морского дна и дать информацию о морском грунте. Качество исследования грунта должно быть обеспечено образцами грунта и исследованиями отложений, находящихся на морском дне.
Исследование маршрута прокладки включает в себя геофизические (измерение глубины моря, сканирование поверхности дна гидролокатором, профилирование дна) и геотехнические исследования (определение возможности и способов бурения), определение плотности грунта.
Особое внимание следует уделить возможным отклонениям от выбранного географического маршрута при прокладке кабеля. Это приводит к увеличению длины прокладываемого кабеля и может привести к укладке кабеля в область, исследование которой не проводилось. В свою очередь, эта область может представлять собой зо-
ну потенциального риска повреждения кабеля.
При укладке кабеля в глубоководных районах особенно важно принимать во внимание течения. Это связано с тем, что они не только могут серьёзно повлиять на местоположение корабля, но также они воздействуют на положение кабеля, когда он касается морского дна. Любые течения потенциально могут переносить кабель на некоторое расстояние в сторону от маршрута укладки [4].
Основными факторами, приводящими к повреждению кабеля человеком являются:
• дноуглубительные работы;
• повреждения, наносимые корабельными якорями;
• рыболовство;
• добыча нефти, газа и природных ископаемых;
• расположение других кабелей/трубопроводов.
После анализа всех вышеперечисленных факторов, могущих привести к повреждению подводной линии связи, происходит выработка рекомендаций для безопасного маршрута прокладки кабеля и способов защиты кабеля от внешних воздействий.
Существует два основных способа защиты кабеля: бронирование кабеля и укладка кабеля в траншею, выкапываемую на дне.
Бронирование кабеля обеспечивает более низкий уровень защиты кабеля от внешних воздействий, но зато предоставляет высокий уровень доступности к кабелю (это особенно важно при проведении ремонтно-восстановительных работ).
Зарывание кабеля в траншею (глубина траншеи составляет от 0,6 до 3 м) обеспечивает высокий уровень защиты, но значительно снижает доступность к кабелю (возможность зарывания зависит от типа грунта). Также зарывание кабеля приводит к снижению уровня защиты при движении донных отложений (подвижка грунта) [3,5].
Если зарывание кабеля невозможно, то применяются другие меры по защите кабеля: укрытие кабеля специальными плитами (покрытием) или засыпание кабеля камнями.
Береговые терминальные станции и станции энергоснабжения
На береговых терминальных станциях располагается оборудование энергоснабжения подводной линии связи, оборудование контроля состояния линии, приёмо-передающее оборудование оптической линий связи, соединение с береговым центром сбора и распределения данных (рис. 4).
На каждой станции энергоснабжения имеется источник высокого напряжения. На станции "А" плюс источника подключается к токоведущей жиле подводного кабеля, а минус идет на землю. На станции "Б" к токоведущзй жиле подводного кабеля подсоединяется минус и соответственно плюс заземляется. Таким образом создаётся цепь постоянного электрического тока, в которой ток от станции А идёт к станции Б через подводный кабель, а от станции Б к станции А через землю (рис.5).
Для питания линий, протяжённостью более 6000 км, используется напряжение свыше 10 кВ; линий, протяжённостью от 2000 до 6000 км, используется напряжение от 5 до 10 кВ; и линий, протяжённостью до 2000 км, используется напряжение до 5 кВ.
Напряжение и мощность источников питания рассчитываются исходя из параметров линии. Учитываются такие параметры, как: длина линии, мощность, потребляемая в каждом узле (подводном усилителе), количество узлов, удельное сопротивление токоведущей жилы.
Системы энергоснабжения должны обладать высокой надёжностью и очень стабильным постоянным напряжением; на передающих станциях присутствуют системы локализации ошибок и неисправно-
Подводный кабель
т
Ток питания
подводных
усилителей
Служебная линия и тех поддержка
Оборудование контроля состояния линии
Рис. 4. Береговая терминальная станция [1 ]
Оптическое соеденение с береговым центром сбора и распределения данных
♦ 4.000 \ЮС Постоянный ток. силой до 1.5 А. для питания усилителей проходит через кабель
- 4.000 УОС
Станция А
Станция Б
Подводные усилители
Обратный ток*, проходящии через землю
РИс. 5. Пример питания постоянным током подводной оптоволоконной линии связи РСС-1 Сидней-Гуам [6]
стей. Также системы энергоснабжения нуждаются в специальных системах контроля тока и напряжения для предотвращения скачков, которые могут вывести из строя подводный усилитель и, возможно, всю линию. Для повышения надёжности система энергоснабжения резервируется.
Подводные волоконно-оптические кабели
Оптоволоконные кабели для подводньх межконтинентальньх линий связи, как правило, состоят из оптического сердечника, токоведущей жилы и внешних покровов (рис.6). В трубчатом сердечнике располагаются оптические волокна (от 4 до 12 штук), внешние покровы предназначены для защиты кабеля от внешних воздействий, а токоведущая жила необходима для обеспечения питания постоянным током подводньх усилителей.
Существует несколько видов конструктивной защиты подводного кабеля (табл.1) от внешних воздействий, в соответствии с этим промышленностью предлагаются кабели различньх типов (рис.7) [3,8].
Современная промышленность также выпускает и специальные типы кабелей для подводных оптоволоконных сетей без усилителей — в таких кабелях отсутствуют токопроводящие жилы [9].
Конструктивно бронированные кабели обычно состоят из: выполненной из нержавеющей стали металлической трубки (трубчатый металлический сердечник), в которой находятся оптические волокна ( пространство между волокнами обычно заполняется гидрофобным компаундом), пластиковой оболочки, повива медных токопроводящих жил, меднополиэтиленовой оболочки, однослойного
Рис. 6. Пример подводного оптоволоконного кабеля [1, 7]
Таблица 1
Типы подводных оптических кабелей и области их применения [3]
Оптимальные условия для Ял<0)=1 мВт Оптимальные условия для /\(0)=10 мВт
Мощность 1-й прямой накачки 0.69 Вт 0.78 Вт
Мощность 1-й встречной накачки 0.69 Вт 0.77 Вт
Мощность 2-й прямой накачки 0.014 Вт 0.011 Вт
Мощность 2-й встречной накачки 0.014 Вт 0.011 Вт
Вариации мощности сигнала при А*лЧ0)= 1 мВт 18.5% 46.8 %
Вариации мощности сигнала при />л(0)=10 мВт 25.4 % 21.5%
для дважды бронированного кабеля двухслойного) повива стальных проволок, битумного заполнителя и наружного покрытия.
Подводные оптические усилители
Подводные оптические усилители предназначены для усиления оптических сигналов, распространяющихся в подводном оптоволоконном кабеле. Обычно в межконтинентальных линиях используются EDFA-усилители.
На рис.8 представлен пример архитектуры подводного оптического усилителя оптоволоконной пары. Усилитель для оптоволоконной пары состоит из двух EDFA-усилителей, обеспечивающих усиление оптических сигналов, распространяющихся в двух противоположных направлениях. Общая конструкция блока оптических усилителей может включать в себя до 4 усилителей таких оптических пар.
В протяжённых оптических системах неотъемлемой частью конструкции подводного усилителя является способность к удалённому контролю характеристик любого усилителя и определение случаев деградации системы или каких-либо сбоев. Существует два основных системы для решения этого вопроса: системы типа команда-отклик, и системы пассивного мониторинга.
В системах типа команда-отклик береговой терминал посылает сигнал, который принимается усилителем, анализируется, после че-
го генерируется исполняемая команда и отправляется ответный сигнал обратно на терминал.
Системы пассивного контроля содержат в себе механизм, который обеспечивает системе контроля состояния линии на береговом терминале специальный канал контроля в каждом усилителе — так называемая цепь обратной связи для возвращения части передаваемого сигнала назад к источнику. Схема такого устройства представлена на рис.9 [10].
Система с цепью обратной связи позволяет использовать оптические рефлектометры (СТШ) для исследования передающей линии для определения мест поломок кабеля между усилителями [10].
К конструкции корпуса усилителя предъявляются следующие основные требования [11]:
• антикоррозийная стойкость;
• стойкость к внешнему гидростатическому давлению;
• герметичность узлов ввода оптоволокна;
• высокие электроизолирующие характеристики;
• защита от перепадов напряжения и тока;
• устойчивость к вибрационному и ударному воздействию;
• высокую надёжность компонентов, входящих в конструкцию усилителя;
• уверенная эксплуатация в диапазоне рабочих температур.
Рис. 7. Поперечный разрез оптоволоконных кабелей различных видов защиты [ 1 ]
Дотированное эрбием волокно
Вход ■ ІДЮОО 1 ,
MB
1ч
Токоведущая
жила
Вход ---------
Изолятор
—НЕН---------------
Модуль лазеров накачки
СМИ
Лазер накачки г
____ іолав
Tt?
i.r.i ¡Система* Фильтр •—•»контрол^
•лазеров ' V* і і
ZZ. I , »^ф^чнакачки (
Выход -
С
105<В
• Выход
23 5dB
-S-
Токоведущая жила Выход
, | OQQO.I , Вход
Линия пассивного контроля
Изолятор
Допированное эрбием волокно
Рис. 8. Структурная схема подводного усилителя оптоволоконной пары [ 10]
Рис. 9. Архитектура усилителя с цепью обратной связи для пассивного контроля характеристик
Корпус усилителя выполняется из медно-бериллиевого сплава, обладающего высокими антикоррозийными и механическими свойствами [11]. Особенно жёсткие требования предъявляются к герметичности корпуса усилителя, который подвергается внешнему гидростатическому давлению до 80 МПа. Отсек, в котором располагается электронное оборудование усилителя, изолирован от внешнего металлического корпуса посредством специальной высоковольтной изоляции [11].
Для защиты подводного усилителя от внезапных перепадов высокого напряжения в цепи питания применяется специальная предохранительная цепь. Расчёты показывают, что такая система обеспечивает защиту от перепадов напряжения и тока в пределах ±15кВ и ±200А [11 ]. Электропитание усилителя осуществляется постоянным током с использованием токоведущей жилы подводного кабеля. Сила тока может достигать 1,6 А [6].
Выводы
Подводные оптоволоконные системы играют важную роль в жизни современного информационного общества и являются неотъемлемой частью глобальной системы связи.
Вопреки всеобщему мнению, на сегодняшний день оптоволоконные системы переносят значительно больший поток информации, нежели спутниковые системы связи. По сравнению со спутниками, оптоволоконные системы связи имеют значительно больший ресурс — 30 лет против 10-12 лет у спутников, а также независимость от способов кодирования передаваемой информации, высокую помехоустойчивость и защищённость от несанкционированного доступа.
Литература
1. Markow Adam. Summary of Undersea Fiber Optic Network Technology and Systems. (http://www.davidrossgroup.com).
2. Bakhshi Bamdad. Repeaterless DWDM Transmission in Submarine Systems. Tyco Telecommunications, NJ, USA, Laser Optics 2008.
3. Rapp R, Lawrence M., Borwick D., Kuwabara T. Marine Survey & Cable Routing. Sub Optic 2004. Short Course.
4. Allan P. G. Hydrographic information and submarine cable industry Hydro, Norwich, March 2001.
5. Jonkergouw M. Industry Developments in Burial Assessment Surveying (BAS). Alcatel, Sub Optic 2001, Kyoto.
6. http://www.pipeinternational.com (блог строительства подводной оптоволоконной линии связи РРС-1 Сидней-Гуам).
7. Kaminow Ivan P., Li Tingye Optical Fiber Telecommunications IVB. Systems and Impairments. Academic Press 2002, pp. 154-197.
8. http://www.scig.net
9. SOFC Submarine Power Cable ZHONGTIAN TECHNOLOGIES SUBMARINE CABLE CO., LTD. Catalogue.
10. Kaminow Ivan P., Koch Thomas L.. Optical Fiber Telecommunications IIIB. Academic Press 1997, pp. 42-57.
11. Harasawa S, Sumitani M., Ohta K. Reliability Technology for Submarine Repeaters. FUJITSU Sci. Tech. J., 44,2 p^ 148-155 (April 2008).
