Разработка подводной волоконно-оптической региональной системы передачи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

волоконный оптический энергетический усилитель

Сегодня связь играет важную роль в нашем мире. Если раньше для передачи информации использовались медные кабели и провода, то теперь наступило время оптических телекоммуникационных технологий. Сейчас активно распространяется необычный способ соединения целых стран. Это подводные оптоволоконные кабеля.

Подводные кабели предназначены для осуществления многоканальной связи на большие расстояния (до 10 000 км) и пригодны для прокладки на глубину до 7500 м. Здесь используются в первую очередь такие достоинства оптического кабеля, как малогабаритные размеры и масса, а также большая длина регенерационных участков и высокая пропускная способность оптического тракта.

Волоконно-оптические кабели прокладываются под водой для организации переходов как через небольшие водоемы, так и через водные преграды большой протяженности (крупные водохранилища, озера, моря, океаны). Трудно переоценить значение трансконтинентальных кабельных линий, проложенных через океаны.

Все это говорит об актуальности темы данного исследования (работы). Данная тема является малоизученной, об этом говорит малое количество монографий, книг, статей по теме «Подводные волоконно-оптические системы связи». В данном исследовании мы использовали работы авторов - С.Л. Денисова, И.Э Самарцева, А.Н. Авдулова, С.И. Беды, А.А. Катановича.

Предметом исследования является ПВОЛС, а объектом проектирование ПВОЛС «Сахалин - Магадан - Камчатка».

Острой является проблема повреждения подводных телекоммуникационных кабелей, проложенных в районах активного судоходства и промышленного лова рыбы с использованием глубоководных тралов. Известны также случаи непреднамеренного повреждения подводных волоконно-оптических кабелей во время военных маневров.

Следовательно, необходимо проводить ряд организационно-эксплуатационных мероприятий, направленных на предупреждение повреждений в подводных кабелях. Особое место здесь отводится охранно-разъяснительной работе. Расположение прокладываемых подводных кабелей наносится на все лоции. Действует международная правовая система, предусматривающая высокие штрафные санкции за повреждение подводных кабелей.

Специфические особенности прокладки и эксплуатации подводных магистралей предъявляют особые требования к конструкциям и характеристикам оптического кабеля. Важнейшими требованиями являются: большая разрывная прочность, позволяющая выдерживать нагрузку при прокладке кабеля и подъеме его во время ремонта.

Также, для укладки кабеля необходимо строительство специального корабля-кабелеукладчика, применение глубоководного оборудования, аппаратов для зарывания кабеля в грунт и других специальных агрегатов.

Цель работы - исследование проекта ПВОЛС «Сахалин-Магадан-Камчатка». Для достижения цели работы необходимо решить ряд задач:

1. Исследовать историю развития ПВОСП: дать определение ПВОСП и развитие их в России

2. Проанализировать подводные оптические сети связи в мире

3. Выяснить необходимость организации подводной связи на Дальнем Востоке

4. Исследовать технологии организации подводных волоконно-оптических систем

Оптоволоконные линии связи остаются самыми надежными линиями передачи информации, и проекты прокладки оптоволоконного кабеля по морскому (океанскому) дну, как правило, окупаются. В целом это очень инвестиционноемкая деятельность, так что и за проектирование таких ВОЛС, и за их прокладку по дну морей и океанов зачастую берутся целые группы заинтересованных государств.

Прокладке оптоволоконной линии связи предшествует тщательное планирование, изучение и анализ проводимых работ.

Дальнейшее совершенствование подводных оптических кабелей тесно связано с увеличением количества информации, передаваемой по оптическим магистралям. Это совершенствование будет происходить как за счет увеличения числа волокон, так и благодаря росту удельной информационной емкости волокон. Скоро появятся новые типы световодов, способные передавать оптические сигналы на большие расстояния без дополнительной промежуточной регенерации.

Широкое распространение получат ленточные волоконно-оптические элементы, которые позволяют размещать большое число волокон в сравнительно небольшом объеме. Благодаря модернизации конструкций можно будет реализовать новые технические решения. Таким образом, эффективность использования средств связи возрастет.

1. Развитие подводных волоконно-оптических систем связи

1.1 История оптоволоконной системы связи в мире

К началу 2014 года семейство технологий подключения с помощью оптоволокна заработало себе достаточно неплохую репутацию жизнеспособного, масштабируемого варианта прокладки кабельного широкополосного доступа к глобальной сети. Несмотря на мировой экономический кризис, операторы, по всей видимости, будут продолжать вкладывать средства в оптоволокно.

Волоконная оптика хоть и является повсеместно используемым и популярным средством обеспечения связи, сама технология проста и разработана достаточно давно. Эксперимент с переменой направления светового пучка путем преломления был продемонстрирован Даниелем Колладоном и Жаком Бабинеттом еще в 1840 году. Спустя несколько лет Джон Тиндалл использовал этот эксперимент на своих публичных лекциях в Лондоне, и уже в 1870 году выпустил труд, посвященный природе света. Практическое применение технологии нашлось лишь в ХХ веке. В 20-х годах прошлого столетия экспериментаторами Кларенсом Хаснеллом и Джоном Бердом была продемонстрирована возможность передачи изображения через оптические трубки. Этот принцип использовался Генрихом Ламмом для медицинского обследования пациентов. Только в 1952 году индийский физик Нариндер Сингх Капани провел серию собственных экспериментов, которые и привели к изобретению оптоволокна. Фактически им был создан тот самый жгут из стеклянных нитей, причем оболочка и сердцевина были сделаны из волокон с разными показателями преломления. Оболочка фактически служила зеркалом, а сердцевина была более прозрачной - так удалось решить проблему быстрого рассеивания. Если ранее луч не доходил до конца оптической нити, и невозможно было использовать такое средство передачи на длительных расстояниях, то теперь проблема была решена. Нариндер Капани к 1956 году усовершенствовал технологию. Связка гибких стеклянных прутов передавала изображение практически без потерь и искажений.

Изобретение в 1970 году специалистами компании Corning оптоволокна, позволившего без ретрансляторов продублировать на то же расстояние систему передачи данных телефонного сигнала по медному проводу, принято считать переломным моментом в истории развития оптоволоконных технологий. Разработчикам удалось создать проводник, который способен сохранять не менее одного процента мощности оптического сигнала на расстоянии одного километра. По нынешним меркам это достаточно скромное достижение, а тогда, без малого 40 лет назад, - необходимое условие для того, чтобы развивать новый вид проводной связи.

Первоначально оптоволокно было многофазным, то есть могло передавать сразу сотни световых фаз. Причём повышенный диаметр сердцевины волокна позволял использовать недорогие оптические передатчики и коннекторы. Значительно позже стали применять волокно большей производительности, по которому можно было транслировать в оптической среде лишь одну фазу. С внедрением однофазного волокна целостность сигнала могла сохраняться на большем расстоянии, что способствовало передаче немалых объёмов информации.

Самым востребованным сегодня является однофазное волокно с нулевым смещением длины волны. Начиная с 1983 года оно занимает ведущее положение среди продуктов оптоволоконной индустрии, доказав свою работоспособность на десятках миллионов километров.

Преимуществами оптоволоконного типа связи являются:

· Широкополосность оптических сигналов, обусловленная чрезвычайно высокой частотой несущей. Это означает, что по оптоволоконной линии можно передавать информацию со скоростью порядка 1 Тбит/с;

· Очень малое затухание светового сигнала в волокне, что позволяет строить волоконно-оптические линии связи длиной до 100 км и более без регенерации сигналов;

· Устойчивость к электромагнитным помехам со стороны окружающих медных кабельных систем, электрического оборудования (линии электропередачи, электродвигательные установки и т.д.) и погодных условий;

· Защита от несанкционированного доступа. Информацию, передающуюся по волоконно-оптическим линиям связи, практически нельзя перехватить неразрушающим кабель способом;

· Электробезопасность. Являясь, по сути, диэлектриком, оптическое волокно повышает взрыво- и пожаробезопасность сети, что особенно актуально на химических, нефтеперерабатывающих предприятиях, при обслуживании технологических процессов повышенного риска;

· Долговечность ВОЛС - срок службы волоконно-оптических линий связи составляет не менее 25 лет.

К недостаткам оптоволоконного типа связи относятся:

· Относительно высокая стоимость активных элементов линии, преобразующих электрические сигналы в свет и свет в электрические сигналы;

· Относительно высокая стоимость сварки оптического волокна. Для этого требуется прецизионное, а потому дорогое, технологическое оборудование. Как следствие, при обрыве оптического кабеля затраты на восстановление ВОЛС выше, чем при работе с медными кабелями.

1.2 Определение подводной волоконно-оптической системы связи

Подводной связью называют виды связи, позволяющие осуществлять проводную (кабельную) и беспроводную коммуникацию в водной среде. Беспроводная подводная связь - это акустические и другие виды коммуникации. Сам оптический кабель представляет собой совокупность оптических волокон, заключенных в общую влагозащитную оболочку, поверх которой, в зависимости от условий эксплуатации, могут быть наложены защитные покровы. Основной задачей является обеспечение требуемого качества передачи при соответствующих условиях эксплуатации.

В настоящее время обмен информацией между континентами осуществляется главным образом через подводные волоконно-оптические кабели, а не через спутниковую связь. Интернет - главная движущая сила развития подводных волоконно-оптических линий связи, при этом его потребности в подобных системах со все большими скоростями передачи информации пока не удовлетворены.

Подводные кабели связи существуют уже 150 лет. В 1851 г. инженер по фамилии Брет проложил первый подводный кабель через Ла-Манш, соединив таким образом телеграфной связью Англию с континентальной Европой. Это стало возможным благодаря изобретению гуттаперчи - вещества, способного изолировать в воде провода, несущие ток. В 1857-1858 гг. американский бизнесмен Сайрус Филд разработал проект сообщения Европы с Северной Америкой с помощью телеграфного кабеля и осуществил его прокладку по дну Атлантического океана. Несмотря на огромные технические и финансовые трудности, после ряда неудач телеграфная линия с 1866 г. начала устойчиво работать. Интересно отметить, что скорость передачи информации составляла всего 17 слов в минуту. Но значение этого достижения заключалось в другом: была продемонстрирована техническая возможность прокладки кабеля по дну океана, что было совсем не очевидным в то время. И это в большой степени предопределило последующие успешные работы в данном направлении. В 1956 г. был проложен первый телефонный коаксиальный кабель, а в последующие годы - еще несколько, с большей пропускной емкостью, чтобы удовлетворить потребности в передаче информации между Старым и Новым светом.

Первый подводный оптоволоконный кабель связи был проложен в 1985 г. на Канарских островах. А первый подводный оптический кабель, соединяющий Европу и Американский континент, был проложен в 1988 г. С тех пор общая протяженность таких волоконно-оптических линий связи в мире составляет более 1 млн км. В ХХ веке кабели прокладывались по морскому и океанскому дну, сегодня же их закапывают под поверхность, чтобы избежать повреждений от кораблей (в основном, от якорей) и подводных лодок, а также продлить срок эксплуатации.

1.3 Виды подводных ВОЛС

Оптоволоконные линий связи можно разделить на несколько типовых линий:

- репитерные (с применением подводных оптических усилителей)

- безрепитерные

Репитерные линии разделяются на магистральные трансокеанские (межконтинентальные) и прибрежные линии связи.

Безрепитерные линии связи разделяются на прибрежные линии связи и линии связи между отдельными пунктами (между островами или между материком и островами, материком и буровыми станциями).

Также существуют линии связи с применением удалённой оптической накачки.



Рис. 1. Магистральная трансокеанская волоконно-оптическая линия связи

Для магистральных трансокеанских линий связи (рис. 1) расстояние между терминальными станциями может составлять от 2000 до 13000 км. Число оптических усилителей на линии может составлять несколько сотен. Напряжение питания может составлять свыше 15 кВ

Рис. 2. Прибрежная волоконно-оптическая линия связи с применением разветвителей и оптических усилителей на линии

Для прибрежных волоконно-оптических линий связи с применением подводных усилителей (рис. 2) длина кабеля между береговыми станциями может составлять несколько сотен километров. Напряжение питания - порядка 5 кВ.

Для передачи информации на меньшие расстояния (до 200 км) используются безрепитерные линии связи с применением разветвителей (рис. 3а). Для снижения стоимости применяются линии без использования подводных разветвителей (рис. 3б). В таких линиях используется более дешёвый кабель и они не нуждаются в береговых станциях энергоснабжения (т.к. разветвителям требуется дистанционное управление), что значительно снижает стоимость линии. Управление траффиком в таких линиях осуществляется на береговых терминальных станциях.

Подобные линии связи часто применяются для соединения прибрежных населённых пунктов, а также в тех случаях, когда прокладка кабеля по суше является затруднительной в связи со сложным рельефом местности или возможным повреждениям прибрежной экосистемы.

а) б)

Рис. 3. Прибрежные волоконно-оптические линии связи без подводных оптических усилителей с применением разветвителей и без применения разветвителей

Для связи между островами и буровыми платформами, а также для национальных сетей островных государств (например, Багамские острова, Индонезия), удалёнными друг от друга на расстояние до 400 км используются безрепитерные системы (рис. 4), а также системы с удалённой рамановской накачкой.

В последнее время начали использоваться системы с удалённой оптической накачкой (ROPA - Remote Optically Pumped Amplifier), в которых в расположенном на дне кабеле устанавливается активное эрбиевое волокно длиной до 30 м, накачиваемое посредством рамановских усилителей (рис. 5). В зависимости от скорости передачи данных длина такой линии может составлять 400 - 500 км.

Рис. 4. Безрепитерная линия связи

Рис. 5. Безрепитерная линия связи с применением ROPA (Remote Optically Pumped Amplifier) и удалённой рамановской накачки

Из всего вышеописаного видно, что общей характеристикой всех подводных оптоволоконных линий связи (как репитерных, так и безрепитерных), является обязательное наличие подводного оптоволоконного кабеля и береговых терминальных станций.

Если в линии имеются подводные усилители и / или разветвители, то тогда на береговых терминальных станциях обязательно имеется оборудование для их энергоснабжения (PFE - Power Feeding Equipment).

2. Подводные оптические системы передачи

2.1 Подводные оптические сети передачи в мире

Планета Земля уже опоясана оптоволоконными магистралями для передачи данных между континентами, для чего используются как наземные, так и подводные ВОЛС (Рис. 6). Больше всего в мире трансатлантических подводных магистралей, соединяющих Северную Америку и Европу.

Рис. 6. Подводные оптоволоконные магистрали в мире

Глобальный проект по соединению Канады и Британии, реализованный в 2011 г., позволил успешно передавать данные на скорости 100 Гбит/с на расстояние более 5 тыс. км. Протяженность подводных линий связи составила 5570 км. Это самая емкостная магистраль в Атлантике. Обеспечить такую высокую пропускную способность позволили современные технологии, используемые в оптоволоконных соединениях.

Еще одна крупнейшая в мире подводная ВОЛС - транстихоокеанская оптоволоконная сеть PC-1. Это самая протяженная магистральная сеть, длина которой составляет 20890 км. Пропускная способность сети на начальном этапе была равна 180 Гбит/с, а позже, после модернизации 2006 г., увеличена до 640 Гбит/с. Данная ВОЛС имеет 4 опорные точки - 2 в США (Харбор Поинт и Грувер Бич) и 2 в Японии (Шима и Ажигаура).

В 2012 г. был реализован еще один проект по соединению США и Японии подводной магистралью. Финансировала строительство сети под названием Unity cable компания Google. Кабели имеют протяженность почти 10 тыс. км. Их прокладка началась еще в 2008 г. Пропускная способность сети составляет 4,8 Тб/с. Данная Подводная ВОЛС соединила город и порт Лос-Анджелес (США) с полуостровом Босо в префектуре Чиба (Япония).

Еще одна подводная телекоммуникационная система соединяет США и Китай, а также Южную Корею. Это магистраль Trans-Pacific Express. Общая протяженность оптоволоконных линий равна 18 тыс. км, а пропускная способность - порядка 4,8 Тб/с.

Также магистраль Asia-America Gateway соединяет США и Азию через Гонконг и Гавайи.

Таблица 1. Характеристики существующих и планируемых ПВОЛС

Наименование системы	Владелец	Конечные пункты (страны)	Год ввода в эксплуатацию	Протяженность, тыс. км	Число длин волн х скорость передачи в линиях, Гбит/с	Число пар ОВ	Общая пропускная способность, Гбит/с
FLAG Telecom	Flag Telecom	Великобритания/ Япония	1997	28,0	32х10	2	640
SEA-ME-WE-3	Franse telecom, Chine telecom	Германия/ Южная Корея	1999	39,0	48х10	1	480
Yellow	Level 3, Global Grossing	Великобри тания/США	2000	7,0	40х10	4	1600
Flag Atlantic-3	Flag Telecom	США / Франция	2001	14,5	40х10	6	2400
Sea-Me-We-4	Alcatel-Lucent	Франция / Сингапур	2005	20,0	64х10	2	1280
APG	Chine telecom, NTT Com	Япония / Юж. Корея / Сингапур	2014	10,4	170х40	8	54400
Сахалин-Магадан-Камчатка	Huawei Technologies	Сахалин / Магадан / Камчатка	2016	1,855	100х40	2	8000

2.2 Российские подводные ВОЛС

Россия осуществила уже целый ряд проектов по подведению подводных волоконно-оптический линий. В 90-х гг. ХХ в. были проведены линии «Дания-Россия №1», «Россия-Япония-Корея», «Италия-Турция-Украина-Россия». Правда, эти линии связи на данный момент уже достаточно изношены, да и скорость передачи данных у них сравнительно низкая - 560 Мбит/с.

В декабре 2007 года завершилось строительство подводной волоконно-оптической кабельной системы HSCS (Hokkaido-Sakhalin Cable System, кабельная система Хоккайдо-Сахалин). Система соединила телекоммуни-кационные сети России и Японии на маршруте Невельск-Исикари, обеспечив доступ глобальным компаниям и операторам связи к трансконтинентальной магистрали EurasiaHighway - транзитному маршруту между Европой и азиатскими странами.

Рис. 7. Подводная ВОЛС «Хоккайдо-Сахалин»

Подводный кабель позволил впервые соединить телекоммуникационные сети стран Европы и Юго-Восточной Азии через территорию России. Этот проект играет большую роль не только для нашей страны, но и для всего мира, ведь данная магистраль позволила обмен трафиком между Европой и Азией, который ранее был возможен только через магистрали на дне Индийского океана. ВОЛС Хоккайдо-Сахалин имеет протяженность в 570 км и пропускную способность в 640 Гбит/с. (Рис. 7)

2.3 Необходимость организации подводной системы связи на Дальнем Востоке

В 2012 году было подписано соглашение о намерениях по совместному строительству ПВОЛС «Сахалин-Магадан-Камчатка» между министерством связи и массовых коммуникаций России, компанией Ростелеком и операторами «Большой тройки». Не прошло и года, как сотовые операторы МТС, «Билайн», «Мегафон» вышли из проекта. «Ростелеком» был вынужден все расходы взять на себя. По итогам открытого запроса предложений на выбор производителя оборудования, поставщика услуг в рамках проекта ПВОЛС «Сахалин-Магадан-Камчатка» победителем была признана фирма ООО «Техкомпания Хуавей», которая получает право заключения договора на поставку оборудования, вспомогательного оборудования и материалов, а также выполнения работ и оказания услуг.

Сейчас оптоволокном охвачено только 20,5% населенных пунктов, в которых проживает 75,1% населения всего Дальнего востока. Остальные 25% населения обеспечены Интернетом только через спутники. Это значит, что жители Дальнего Востока не могут получить высокоскоростные безлимитные тарифы, новейшие услуги и сервисы. Таким образом, необходимо обеспечить всех дальневосточников современными услугами связи.

«Новая подводная ВОЛС имеет огромное значение в решении вопросов устранения цифрового неравенства для Дальневосточного региона, - сказал Сергей Калугин.

- Данная ВОЛС значительно повысит уровень проникновения телекоммуникационных услуг в Магадане, области и Камчатском крае. Реализация проекта позволит предоставить жителям этих городов и ближайших населенных пунктов спектр инновационных сервисов, требующих высоких скоростей передачи данных: безлимитные тарифы на Интернет, телевидение высокого качества с возможностью просмотра каналов в формате HD, услуги на основе облачных технологий, услуги ЦОД, доступ к контент-порталам, а также услуги мобильного Интернета, мобильного ТВ и финансовые сервисы».

По проекту предстоит строительство ПВОЛС общей протяженностью около 1 тыс. 855 км и емкостью кабельной системы 4 оптических волокна, а также выполнение всего необходимого перечня работ по подводной и наземной части. Максимальная пропускная способность ПВОЛС составит 8Тбит/с.

Волоконно-оптический кабель будет проложен по дну Охотского моря, что позволит в четыре раза сократить путь до Петропавловска-Камчатского по сравнению с наземным маршрутом, который проходит по безлюдным землям в зоне вечной мерзлоты и сложнейших климатических условий.



Рис. 8. Сеть связи Дальневосточного региона

2.4 О компаниях Ростелеком и Хуавей

«Ростелеком» - российская телекоммуникационная компания. Предоставляет услуги местной и дальней телефонной связи, широкополосного доступа в Интернет (первое место в России по количеству абонентов), интерактивного телевидения, сотовой связи и др. По данным компании, её услугами пользуются более 100 млн жителей России.

«Ростелеком» выступает исполнителем мероприятий различных государственных программ в области информационных технологий: создание и развитие инфраструктуры электронного правительства (включая портал государственных услуг), телекоммуникационное обеспечение избирательного процесса (функционирование ГАС «Выборы», организация системы видеонаблюдения за выборами), другие мероприятия. Обладает крупнейшей магистральной сетью связи в стране общей протяженностью около 500 тысяч км.

Huawei является мировым лидером в области разработки ИКТ-решений. Инновационная политика, отвечающая запросам клиентов, и тесное сотрудничество позволили компании добиться высоких результатов в разработке телекоммуникационных сетей, корпоративных и клиентских решений. Мы стремимся создать максимально выгодные условия для операторов, предприятий и клиентов, предоставляя им конкурентоспособные решения и услуги. Наше оборудование для сетей связи, продукты и решения IT, a также смарт-устройства используются в 170 странах мира. Объем продаж Huawei в 2013 году составил 39,6 млрд. долл., и компания заняла 285 место в списке Global Fortune 500.

Huawei инвестирует более 10% дохода от продаж в НИОКР, а более 45% сотрудников компании, общая численность которых составляет 150000 человек, вовлечены в процесс исследований и разработок. Используя свои знания и опыт в области ИКТ, мы помогаем преодолеть цифровое неравенство, предоставляя возможность использовать преимущества широкополосных услуг независимо от географического положения. Компания вносит свой вклад в устойчивое развитие общества, экономики и защиту окружающей среды, создает экологичные решения, позволяющие сократить потребление энергии, природных ресурсов и выброс углекислого газа. Посредством локализации наших операций и создания глобальной цепочки поставок, мы способствуем оптимизации локальных инновационных инициатив и укреплению взаимовыгодного сотрудничества.

Глобализация связи и телекомунникаций становится все более выраженной. В тесном сотрудничестве с нашими партнерами мы стремимся к созданию эффективной и интегрированной цифровой логистической системы, которая позволит усилить взаимосвязанность и взаимодействие между разными людьми, разными вещами, вещами и людьми. Данные процессы будут способствовать развитию безграничных возможностей и потенциала для каждого в каждой точке земного шара.

2.5 Этапы строительства ПВОЛС «Сахалин-Магадан-Камчатка»

Осенью 2014 года «Ростелеком» завершил обследование и подготовительные работы на берегу охотского моря в районе поселка Усть-Большерецк. Во втором квартале 2015 года там подготовят площадку и оборудование для приема ПВОЛС, для этого будет выполнено горизонтально-управляемое бурение основных скважин. Электричеством новый объект инфраструктуры связи обеспечит компания «Камчатскэнерго». До зимы береговые станции должны быть полностью оборудованы основным и вспомогательным оборудованием.

До ноября 2015 года продолжится прокладка наземных участков линии на Сахалине ив Магаданской области. Параллельно в Петропавловске, Елизове, Вилючинске уже начались и будет продолжена замена медных кабелей внутригородской зоны на оптические, пропускная способность которых на порядок выше.

С июня по сентябрь 2015 года пройдет самый главный этап работ. Первую линю подводной волоконно-оптической линии связи проложат по дну Охотского моря от города Оха на Сахалине до поселка Ола Магаданской области и оттуда до Магадана. Вторая линия пройдет от Охи до Усть-Большерецка, далее по земле в Петропавловск-Камчатский.

Уже сейчас на заводах Huawei изготавливают подводный кабель. Он будет содержать 4 оптических модуля вокруг сердечника и иметь мощную защиту от внешних воздействий.

«Подразделение компании, Huawei Marine, имеет большой опыт прокладки подводных кабелей. Но у Охотского моря есть свои особенности. Это глубины, доходящие до двух километров, высокий риск повреждения кабелей рыбацкими сетями и якорями судов. Поэтому для строительства ПВОЛС уже построены специальные роботы, задача которых на дне моря выкопать траншею под кабель, уложить его и заилить», - рассказал директор камчатского филиала ОАО «Ростелеком» Андрей Сунн.

Строительство должно завершиться к декабрю 2015 года. Всю следующую зиму и часть весны специалисты «Ростелеком» будут налаживать оборудование. Заработать оптоволокно должно в июне 2016 года. (Рис. 8)



Рис. 8. Плановые этапы строительства подводной линии «Сахалин - Магадан - Камчатка»

2.6 Планирование, проработка и прокладка подводных волоконно-оптических 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.

Следующим этапом является исследование потенциальных рисков при укладке кабеля. Проводится предварительный анализ маршрута, исследуется морфология и геология морского дна (сейсмическая активность, подводный вулканизм, поля песочных волн, выход скальных пород, подводные оползни и обвалы), океанография и метеорология.

Метеорология важна при прокладке кабеля, особенно в высоких широтах и открытом океане, так как неблагоприятные погодные условия могут существенно задержать сроки прокладки кабеля.

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 донных отложений. Также, может возникнуть необходимость проведения глубоководного бурения, с целью предоставления более полной информации о морском дне.

Исследование маршрута прокладки включает в себя геофизические (измерение глубины моря, сканирование поверхности дна гидролокатором бокового обзора (Рис. 9), профилирование дна) и геотехнические (возможность и способы бурения) исследования. Также проводится определение плотности грунта.

Рис. 9. Пример сканирования поверхности океана гидролокатором бокового обзора. На грунте, на расстоянии 100 м от предполагаемого маршрута прокладки кабеля, видны останки погибшего корабля и крупные валуны

Для обеспечения стабильной работы кабеля в мелководных районах проводится определение средней температуры морского дна в месте прокладки кабеля.

Возможны отклонения от географического маршрута прокладки кабеля. Эти отклонения приводят к увеличению длины кабеля при рассчитанных географических расстояниях и проявляются при обходе волнообразных образований морского дна и при небольших отклонениях от реального маршрута прокладки кабеля. Для относительно плоского дна степень отклонения принимается равной 0,35% для кабеля, укладываемого в траншею. Эта степень отклонения возрастает до 0,8% в областях, где кабель укладывается непосредственно на поверхность.

При проведении работ в прибрежных областях необходимо принимать во внимание глубины, на которых может работать корабль-кабелеукладчик. Эти глубины обычно составляют 15-20 м.

После анализа всех факторов, влияющих на возможность повреждения кабеля происходит выработка рекомендаций для безопасного маршрута прокладки и проводится выбор способов защиты кабеля от внешних воздействий.

Всего существует два основных способа защиты кабеля: бронирование 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).

Закапывание кабеля в траншею обеспечивает высокий уровень защиты, но значительно снижает доступность к кабелю. Также закапывание кабеля приводит к снижению уровня защиты при движении донных отложений. При прокладке кабеля с берега практикуется укладка кабеля в специальные трубы

На континентальном шельфе наиболее надёжная защита может обеспечиваться посредством зарывания кабеля в траншею, глубина которой находится ниже проникновения какой-либо внешней опасности.

Однако, несмотря на достоинства, зарывание кабеля также приводит к проведению дополнительных исследований морского дна с целью определения оптимальной глубины закладки кабеля, методов рытья траншеи, условий и состояния грунта.

Разрабатывать маршрут прокладки кабеля желательно таким образом, чтобы требовалась минимальная длина участков с применением бронированного кабеля и зарывания кабеля в траншею. Это связано с высокой стоимостью, как производства кабеля, так и укладки кабеля, а также возможностью последующих ремонтно-восстановительных работ.

Также важно сделать правильный выбор при определении места для береговой станции энергоснабжения и выбор маршрута прокладки кабеля от станции энергоснабжения до берега.

Бухта, где будет проводиться укладка кабеля с берега в море, должна обеспечивать возможность применения тяжёлой техники и иметь удобную топографию морского дна. Также нужно принимать во внимание и метеоусловия. Необходимо учесть близость расположения других кабелей или трубопроводов, возможность пересечения с ними. Так же следует рассмотреть возможность параллельной укладки кабеля (параллельно уже существующему кабелю).

Особенно важно, чтобы корабль-кабелеукладчик (рис. 10) мог легко подойти к берегу, потому что в противном случае придётся использовать буксиры и прочие вспомогательные средства, мало подготовленные для проведения работ по укладке подводного оптоволоконного кабеля.

При проведении работ на берегу необходимо получить разрешение владельца прибрежной зоны.

Параллельно с проработкой маршрута необходимо проведение разработки надёжных методов извлечения, ремонта и восстановления кабеля в случае поломки.

Рис. 10. Пример корабля-кабелеукладчика

Прокладка кабеля в прибрежной части Охотского моря осуществляется следующим образом.

При работе на мелководье и в прибрежной части возможно привлечение водолазов.

После водолазного обследования проводится расчистка дна морского участка трассы на протяженность выполняемых работ.

Во избежание повреждения пляжа бухты, на земной поверхности методом горизонтального бурения по направлению к морю пробуривается скважина (Рис. 11).

Рис. 11. Горизонтальное бурение

Выходная точка скважины находится приблизительно на 15-20 метровой глубине, предоставляя кораблю-кабелеукладчику необходимую свободу для работы и маневрирования.

Для повышения надежности и безопасности эксплуатации подводной волоконно-оптической линии связи, прокладка кабеля с берега в море осуществляется в защитных пластиковых трубах полиэтилена высокого давления (ПЭВД) диаметром 90 - 110 мм.

С корабля-кабелеукладчика подаётся стальной трос и соединяется с капроновым проводником, уложенным в кабельном канале, к другому концу стального троса крепится кабель. С помощью троса кабель затягивается в защитную ПЭВД трубу. Конец кабеля, вытянутый на берег, укладывается на береговом креплении.

После этого у выхода из кабельного канала на грунт опускается подводный буксируемый кабелеукладчик (плуг) (Рис. 12). Оптоволоконный кабель заправляется в кабельный канал кабелеукладчика и к плугу крепится буксирный трос корабля-кабелеукладчика. После чего начинается укладка кабеля с заглублением в грунт на глубину от 1 до 3 метров от окончания защитного ПЭВД кожуха до выхода из бухты. После укладки кабеля траншея зарывается.

В процессе прокладки постоянно контролируется величина заглубления кабеля в грунт, оптические и электрические параметры кабеля.



Рис. 12. Подводный буксируемый кабелеукладчик

По завершении прокладки проводятся оптические и электрические измерения проложенных участков кабеля для подтверждения постоянности его свойств.

Прокладка подводного оптоволоконного кабеля в открытом море.

При укладке оптоволоконного кабеля используется специальная кабелеукладочная машина (Рис. 13), размещённая на корабле-кабелеукладчике. Эта машина с высокой точностью контролирует скорость укладки кабеля. Она представляет собой линейную машину по укладке кабеля, которая включает в себя последовательность пар резиновых колёс, которые удерживают кабель, контролируют его натяжение и укладывают его с определённой скоростью.



Рис. 13. Линейная колёсная машина по укладке кабеля

В мелководных областях машина физически кладёт кабель на дно, в то время как в глубоководных районах кабель необходимо удерживать.

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.

Также при прокладке кабеля нужно избегать «срезания углов» и уклонения от выбранного маршрута прокладки. Иначе это может привести к укладке кабеля в область, исследование которой не проводилось. В свою очередь, эта область может представлять собой зону потенциального риска для кабеля. Также нужно особенно внимательно укладывать кабель в областях, где уже ранее проложены кабели. По возможности, надо избегать таких областей ещё на стадии предварительной проработки маршрута.

Наиболее экономичный способ укладки кабеля - укладка его непосредственно на морское дно. Однако при этом существуют внешние угрозы, которые могут привести к повреждению кабеля. Следовательно, оптимальным методом защиты кабеля будет зарывание кабеля в грунт. Это можно сделать, как и после укладки кабеля на грунт, так и во время укладки.

2.7. Энергетическое оборудование для ПВОЛС

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. 14).

Рис. 14. Береговая терминальная станция

На каждой станции энергоснабжения имеется источник высокого напряжения. На станции «А» плюс источника подключается к токо-ведущей жиле подводного кабеля, а минус идет на землю. На станции «Б» к токоведущей 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. 15).



Рис. 15. Пример питания постоянным током подводной оптоволоконной линии связи

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 неисправностей. Также системы энергоснабжения нуждаются в специальных системах контроля тока и напряжения для предотвращения скачков, которые могут вывести из строя подводный усилитель или всю линию. Для повышения надёжности система энергоснабжения резервируется.

2.8 Подводные волоконно-оптические кабели

Оптоволоконные кабели для подводных межконтинентальных линий связи, как правило, состоят из оптического сердечника, токо-ведущей жилы и внешних покровов. 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 подводных усилителей. (Рис. 16)

Рис. 16. Базовая схема устройства глубоководного оптического кабеля

Существует несколько видов конструктивной защиты подводного кабеля от внешних воздействий, в соответствии с этим промышленностью предлагаются кабели различных типов (табл. 2).

Таблица 2. Типы подводных оптоволоконных кабелей

Тип кабеля	Характеристики	Глубина укладки, м
Лёгкий кабель (Light weight) LW	Глубоководный кабель для областей, где отсутствует риск значительных повреждений	< 8000
Защищённый лёгкий кабель (Light weight protected) LWP	Лёгкий кабель с защитой от механических повреждений. Подходит для областей с пересечённой местностью.	< 3500
Бронированный лёгкий кабель (Single armour light) SLA	Относительно лёгкий кабель для областей, где возможно зарывание кабеля в траншею и риск внешних повреждений минимален.	< 1500
Бронированный кабель Single armour (SA)	Для областей, где возможно ограниченное зарывание кабеля.	< 1500
Дважды бронированный кабель Double armour (DA)	Сильно защищённый кабель для применения в прибрежных областях и местах, где зарывание кабеля невозможно и большой риск повреждения кабеля тралами и сетями рыболовных судов.	< 500
Кабель для прокладки в скалах Rock armour (RA)	По свойствам схож с дважды бронированным кабелем, но с повышенным сопротивлением и более гибкий, предназначен для укладки на волнистом каменном дне и в областях с высокой рыболовной активностью.	< 200

2.9 Подводные оптические усилители

Подводные оптические усилители предназначены для усиления оптических сигналов, распространяющихся в подводном оптоволоконном кабеле. Обычно в межконтинентальных линиях используются EDFA-усилители (Рис. 17).

Рис. 17. Общий вид подводного оптического усилителя

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 две 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 чего 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 (Рис. 18).

Рис. 18. Архитектура усилителя с цепью обратной связи для пассивного контроля характеристик

Система с цепью обратной связи позволяет использовать оптические рефлектометры (OTDR) для исследования передающей линии для определения мест поломок кабеля между усилителями.

К конструкции корпуса усилителя предъявляются следующие основные требования:

* 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;

* высокая надёжность компонентов, входящих в конструкцию усилителя;

* уверенная эксплуатация в диапазоне рабочих температур.

Корпус усилителя выполняется из медно-бериллиевого сплава, обладающего высокими антикоррозийными и механическими свойствами. 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.

Для защиты подводного усилителя от внезапных перепадов высокого напряжения в цепи питания применяется специальная предохранительная цепь. Электропитание усилителя осуществляется постоянным током с использованием токоведущей жилы подводного кабеля. Сила тока может достигать 1,6 А.

3. Технологии, используемые в ПВОСП

3.1 Пропускная способность подводной сети связи «Сахалин-Магадан-Камчатка»

Пропускная способность подводной системы связи «Сахалин-Магадан-Камчатка» составит 8 Тбит/с.

Для того чтобы достичь такой пропускной способности организуется две пары оптического волокна. Емкость кабельной системы - 100 потоков со скоростью передачи в линиях 40 Гбит/с.

Потоки будут сформированы с помощью аппаратуры SDH уровня STM-256 и технологии DWDM.

Технология SDH

Основные элементы системы передачи данных на основе SDH, или функциональные модули SDH могут быть связаны между собой в сеть SDH. Логика работы или взаимодействия модулей в сети определяет необходимые функциональные связи модулей - топологию, или архитектуру сети SDH.

Сеть SDH, как и любая сеть, строиться из отдельных функциональных модулей ограниченного набора: мультиплексоров, коммутаторов, концентраторов, регенераторов и терминального оборудования. Этот набор определяется основными функциональными задачами, решаемыми сетью:

· сбор входных потоков через каналы доступа в агрегатный блок, пригодный для транспортировки в сети SDH - задача мультиплексирования, решаемая терминальными мультиплексорами сети доступа;

· транспортировка агрегатных блоков по сети с возможностью ввода / вывода входных / выходных потоков - задача транспортирования, решаемая мультиплексорами ввода / вывода, логически управляющими информационным потоком в сети, а физически - потоком в физической среде, формирующей в этой сети транспортный канал;

· перегрузка виртуальных контейнеров в соответствии со схемой маршрутизации из одного семента сети в другой, осуществляемая в выделенных узлах сети, - задача коммутации, или кросс-коммутации, решаемая с помощью цифровых коммутаторов или кросс-коммутаторов;

· объединение нескольких однотипных потоков в распределительный узел - концентратор - задача концентрации, решаемая концентраторами;

· восстановление (регенерация) формы и амплитуды сигнала, передаваемого на большие расстояния, для компенсации его затухания - задача регенерации, решаемая с помощью регенераторов;

· сопряжение сети пользователя с сетью SDH - задача сопряжения, решаемая с помощью оконечного оборудования - различных согласующих, устройств, например, конверторов интерфейсов, конверторов скоростей, конверторов импедансов и т.д.

Структура сигналов SDH. Это синхронный транспортный модуль STM-N, где N определяется уровнем SDH. В настоящее время широко используются системы STM-1, STM-4, STM-16 и STM-64, STM-264. Системы построены с кратностью 4. Таким образом, сформировалась следующая иерархия скоростей. (Рис. 19)

Базовым уровнем SDH является STM-1. Он характеризуется своим циклом с периодом повторения 125 мкс. Общепринято рассматривать цикл в виде прямоугольной таблицы, хотя данные передаются по линии последовательно. Цикл STM-1 содержит 9 строк по 270 байт (2430 байт). Первые 9 байт в каждой строке образуют заголовок цикла. (Рис. 20)

Рис. 20. Цикл STM-1

К преимуществам SDH следует отнести модульную структуру сигнала, когда скорость уплотненного сигнала получается путем умножения базовой скорости на целое число. При этом структура цикла не меняется и не требуется формирование нового цикла. Это позволяет выделять требуемые каналы из уплотненного сигнала без демультиплексирования всего сигнала.

Технология WDM

WDM (частотное разделение каналов) - технология, позволяющая одновременно передавать несколько информационных каналов по одному оптическому волокну на разных несущих частотах. В российском телекоме системы передачи, созданные с помощью технологии WDM, называют «системы уплотнения».

На данный момент существуют три типа WDM-систем:

1. CWDM (грубое частотное разделение каналов) - системы с разносом оптических несущих на 20 нм (2500 ГГц). Рабочий диапазон 1261-1611 нм, в котором можно реализовать до 18 симплексных каналов. Стандарт МСЭ G.694.2.

2. DWDM (плотное частотное разделение каналов) - системы с разносом оптических несущих на 0,8 нм (100 ГГц). Существуют два рабочих диапазона - 1525-1565 нм и 1570-1610 нм, в которых можно реализовать до 44 симплексных каналов. Стандарт МСЭ G.694.1.

3. HDWDM (высокоплотное частотное разделение каналов) - системы с разносом оптических несущих на 0,4 нм (50 ГГц) и менее. Возможна реализация до 80 симплексных каналов.

Технология DWDM

Системы спектрального уплотнения DWDM могут использовать один из двух диапазонов несущих длин волн: С-диапазон - 1525-1565 нм и L-диапазон - 1570-1610 нм. (Рис. 21)

Рис. 21. Диапазоны несущих длин волн

Деление на два диапазона обосновано использованием разных оптических усилителей с различными рабочими диапазонами усиления. Ширина полосы усиления для традиционной конфигурации усилителя составляет примерно 30 нм, 1530-1560 нм, что является С-диапазоном. Для усиления в длинноволновом диапазоне (L-диапазон) конфигурация эрбиевого усилителя меняется путем удлинения эрбиевого волокна, что приводит к смещению диапазона усиления в длины волн 1560-1600 нм.

На данный момент в российском телекоме большое признание получило оборудование DWDM C-диапазона. Связано это с обилием различного оборудования, поддерживающего данный диапазон. Производителями оборудования выступают как отечественные компании и ведущие мировые бренды, так и многочисленные азиатские производители.

Компоненты DWDM-системы (Рис. 22):

1) Транспондер

2) Мультиплексор/демультиплексор

3) Оптический усилитель

4) Компенсатор хроматической дисперсии

Рис. 22. Компоненты DWDM-системы

Транспондер производит 3R-регенерацию (восстановление формы, мощности и синхронизации сигнала) приходящего клиентского оптического сигнала. Транспондер может производить также конвертацию клиентского трафика из одного протокола передачи (зачастую Ethernet) в другой, более помехозащищенный (например, OTN) и передавать сигнал в линейный порт.

В более простых системах в роли транспондера может выступать OEO-преобразователь, который производит 2R-регенерацию (восстановление формы и мощности сигнала) и без изменения протокола передачи передает клиентский сигнал в линейный порт.

Каждый лазерный передатчик в системе WDM выдает сигнал на одной из заданных частот. Все эти сигналы необходимо объединить друг с другом в единый составной сигнал. Устройство, которое выполняет эту функцию, называется оптическим мультиплексором MUX. Аналогичное устройство на другом конце линии связи разделяет составной сигнал на отдельные каналы и называется оптическим демультиплексором DEMUX. (Рис. 23)

Рис. 23. Оптический мультиплексор и демультиплексор

В современных системах уплотнения, функции мультиплексирования и демультиплексирования выполняет одно устройство - мультиплексор / демультиплексор (MUX/DEMUX).

Оптические усилители на волокне, легированном эрбием EDFA за последние несколько лет произвели революцию в телекоммуникационной промышленности. Усилители EDFA обеспечивают непосредственное усиление оптических сигналов, без их преобразования в электрические сигналы и обратно, обладают низким уровнем шумов, а их рабочий диапазон длин волн практически точно соответствует окну прозрачности кварцевого оптического волокна (Рис. 24)



Рис. 24. Рабочий диапазон длин волн усилителей EDFA

Усилитель EDFA состоит из двух активных элементов: активного волокна, легированного Ег3+ и подходящей накачки.