Касательно прокладки компанией Google собственного оптоволоконного кабеля связи по дну Тихого океана, который свяжет дата-центры компании в штате Орегон, США, с Японией. Казалось бы, это огромный проект стоимостью $ 300 млн. и длинной в 10 000 км. Однако, если копнуть немного глубже станет ясно, что данный проект является выдающимся только потому, что это будет делать один медийный гигант для личного использования. Вся планета уже плотно опутана кабелями связи и под водой их намного больше, чем кажется на первый взгляд. Заинтересовавшись этой темой я подготовил общеобразовательный материал для любопытствующих.
Истоки межконтинентальной связи
Практика прокладывания кабеля через океан берет начало еще с XIX века. Как сообщает википедия , первые попытки соединить два континента проводной связью были предприняты еще в 1847 году. Успешно связать Великобританию и США трансатлантическим телеграфным кабелем удалось только к 5 августа 1858 года, однако уже в сентябре связь была утеряна. Предполагается, что причиной стали нарушение гидроизоляции кабеля и последующая его коррозия и обрыв. Стабильная связь между Старым и Новым светом была установлена только в 1866 году. В 1870 году был проложен кабель в Индию, что позволило связать напрямую Лондон и Бомбей. В эти проекты были вовлечены одни из лучших умов и промышленников того времени: Уильям Томсон (будущий великий лорд Кельвин), Чарльз Уитстон, братья Сименсы. Как видно, почти 150 лет назад люди активно занимались созданием по протяженности в тысячи километров линий связи. И на этом прогресс, понятное дело, не остановился. Однако, телефонная связь с Америкой была установлена только в 1956 году, а работы длились почти 10 лет. Подробно об укладке первого трансатлантического телеграфного и телефонного кабеля можно прочитать в книге Артура Кларка «Голос через океан» .Устройство кабеля
Несомненный интерес представляет непосредственное устройство кабеля, который будет работать на глубине в 5-8 километров включительно.Стоит понимать, что глубоководный кабель должен иметь следующий ряд базовых характеристик:
- Долговечность
- Быть водонепроницаемым (внезапно!)
- Выдерживать огромное давление водных масс над собой
- Обладать достаточной прочностью для укладки и эксплуатации
- Материалы кабеля должны быть подобраны так, чтобы при механических изменениях (растяжении кабеля в ходе эксплуатации/укладки, например) не изменялись его рабочие характеристики
Рабочая часть рассматриваемого нами кабеля, по большому случаю, ни чем особым от обычной оптики не отличается. Вся суть глубоководных кабелей заключена в защите этой самой рабочей части и максимального увеличения срока его эксплуатации, что видно из схематического рисунка справа. Давайте по порядку разберем назначение всех элементов конструкции.
Полиэтилен
- внешний традиционный изоляционный слой кабеля. Данный материал является отличным выбором для прямого контакта с водой, так как обладает следующими свойствами:
Устойчив к действию воды, не реагирует со щелочами любой концентрации, с растворами нейтральных, кислых и основных солей, органическими и неорганическими кислотами, даже с концентрированной серной кислотой.
Мировой океан содержит в себе, фактически, все элементы таблицы Менделеева, а вода является универсальным растворителем. Использование такого распространенного в хим. промышленности материала как полиэтилен является логичным и оправданным, так как в первую очередь инженерам было необходимо исключить реакцию кабеля и воды, тем самым избежать его разрушения под воздействием окружающей среды. Полиэтилен использовался в качестве изолирующего материала в ходе прокладки первых межконтинентальных линий телефонной связи в середине XX века.
Однако, в силу своей пористой структуры полиэтилен не может обеспечить полной гидроизоляции кабеля, поэтому мы переходим к следующему слою.
Майларовая пленка
- синтетический материал на основе полиэтилентерефталата . Имеет следующие свойства:
Не имеет запаха, вкуса. Прозрачный, химически неактивный, с высокими барьерными свойствами (в том числе и ко многим агрессивным средам), устойчивый к разрыву (в 10 раз прочнее полиэтилена), износу, удару. Майлар (или в СССР Лавсан) широко используется в промышленности, упаковке, текстиле, космической промышленности. Из него даже шьют палатки. Однако, использование данного материала ограничено многослойными пленками из-за усадки при термосваривании.
После слоя майларовой пленки можно встретить армирование кабеля различной мощности, в зависимости от заявленных характеристик изделия и его целевого назначения. В основном используется мощная стальная оплетка для придания кабелю достаточной жесткости и прочности, а так же для противодействия агрессивным механических воздействиям из вне. По некоторым данным, блуждающим в сети, ЭМИ исходящее от кабелей может приманивать акул, которые перегрызают кабели. Так же на больших глубинах кабель просто укладывается на дно, без копания траншеи и его могут зацепить рыболовецкие суда своими снастями. Для защиты от подобных воздействий кабель и армируется стальной оплеткой. Используемая в армировании стальная проволока предварительно оцинковывается. Усиление кабеля может происходить в несколько слоев. Основной задачей производителя в ходе этой операции является равномерность усилия в ходе намотки стальной проволоки. При двойном армировании намотка происходит в разных направлениях. При не соблюдении баланса в ходе данной операции кабель может самопроизвольно скручиваться в спираль, образуя петли.
В результате этих мероприятий масса погонного километра может достигать нескольких тонн. «Почему не легкий и прочный алюминий?» - спросят многие. Вся проблема в том, что на воздухе алюминий имеет стойкую пленку окисла, но при соприкосновении с морской водой данный металл может вступать в интенсивную химическую реакцию с вытеснением ионов водорода, которые оказывают губительное влияние на ту часть кабеля, ради которой все затевалось - оптоволокно. Поэтому используют сталь.
Алюминиевый водный барьер , или слой алюмополиэтилена используется как очередной слой гидроизоляции и экранирования кабеля. Алюмополиэтилен представляет собой комбинацию из фольги алюминиевой и полиэтиленовой пленки, соединенных между собой клеевым слоем. Проклейка может быть как односторонней, так и двухсторонней. В масштабах всей конструкции алюмополиэтилен выглядит почти незаметным. Толщина пленки может варьироваться от производителя к производителю, но, к примеру, у одного из производителей на территории РФ толщина конечного продукта составляет 0.15-0.2 мм при односторонней проклейке.
Слой поликарбоната вновь используется для усиления конструкции. Легкий, прочный и стойкий к давлению и ударам, материал широко используется в повседневных изделиях, например, в велосипедных и мотоциклетных шлемах, также применяется в качестве материала при изготовлении линз, компакт-дисков и светотехнических изделий, листовой вариант используется в строительстве как светопропускающий материал. Обладает высоким коэффициентом теплового расширения . Применение ему было найдено и в производстве кабелей.
Медная, или алюминиевая трубка входит в состав сердечника кабеля и служит для его экранирования. Непосредственно в эту конструкцию укладываются другие медные трубки с оптоволокном внутри. В зависимости от конструкции кабеля, трубок может быть несколько и они могут быть переплетены между собой различным образом. Ниже четыре примера организации сердечника кабеля:
Укладка оптоволокна в медные трубки которые заполнены гидрофобным тиксотропным гелем, а металлические элементы конструкции используются для организации дистанционного электропитания промежуточных регенераторов - устройств, осуществляющих восстановление формы оптического импульса, который, распространяясь по волокну, претерпевает искажения.
В разрезе получается что-то похожее на это:
Производство кабеля
Особенностью производства оптических глубоководных кабелей является то, что чаще всего оно располагается вблизи портов, как можно ближе к берегу моря. Одной из основных причин подобного размещения является то, что погонный километр кабеля может достигать массы в несколько тонн, а для сокращения необходимого кол-ва сращиваний в процессе укладки производитель стремиться сделать кабель как можно более длинным. Обычной нынче длинной для такого кабеля считается 4 км, что может вылиться в, примерно, 15 тонн массы. Как можно понять из вышеуказанного, транспортировка такой бухты глубоководного ОК не самая простая логистическая задача для сухопутного транспорта. Обычные для намотки кабелей деревянные барабаны не выдерживают описанной ранее массы и для транспортировки ОК на суше, к примеру, приходится выкладывать всю строительную длину «восьмеркой» на спаренных железнодорожных платформах, чтобы не повредить оптоволокно внутри конструкции.Укладка кабеля
Казалось бы, имея такой мощный с виду продукт можно грузить его на корабли и сбрасывать в морскую пучину. Реальность же немного иная. Прокладка маршрута кабеля - это длительный и трудоемкий процесс. Маршрут должен быть, само собой, экономически выгодным и безопасным, так как использование различных способов защиты кабеля приводит к увеличению стоимости проекта и увеличивает срок его окупаемости. В случае прокладки кабеля между разными странами, необходимо получить разрешение на использование прибрежных вод той или иной страны, необходимо получить все необходимые разрешения и лицензии на проведение кабелеукладочных работ. После проводится геологическая разведка, оценка сейсмической активности в регионе, вулканизма, вероятность подводных оползней и других природных катаклизмов в регионе, где будут проводится работы и, в последующем, лежать кабель. Так же важную роль играют прогнозы метеорологов, дабы сроки работ не были сорваны. Во время геологической разведки маршрута учитывается широкий спектр параметров: глубина, топология дна, плотность грунта, наличие посторонних объектов, типа валунов, или затонувших кораблей. Так же оценивается возможное отклонение от первоначального маршрута, т.е. возможное удлинение кабеля и увеличение стоимости и продолжительности работ. Только после проведения всех необходимых подготовительных работ кабель можно загружать на корабли и начинать укладку.
Собственно, из гифки процесс укладки становится предельно ясным.
Прокладка оптоволоконного кабеля по морскому/океаническому дну проходит непрерывно из точки А в точку Б. Кабель укладывается в бухты на корабли и транспортируется к месту спуска на дно. Выглядят эти бухты, например, так:
Если Вам кажется, что она маловата, то обратите внимание на это фото:
После выхода корабля в море остается исключительно техническая сторона процесса. Команда укладчиков при помощи специальных машин разматывает кабель с определенной скоростью и, сохраняя необходимое натяжение кабеля за счет движения корабля продвигается по заранее проложенному маршруту.
Выглядит со стороны это так:
При каких-либо проблемах, обрывах, или повреждениях на кабеле предусмотрены специальные якоря, которые позволяют поднять его к поверхности и отремонтировать проблемный участок линии.
И, в итоге, благодаря всему этому мы можем с комфортом и на высокой скорости смотреть в интернете фото и видео с котиками со всего мира.
В комментариях к статье о проекте Google пользователь
25 сентября 1956 года был введен в эксплуатацию первый трансатлантический телефонный кабель. Перед вами небольшой FAQ на тему того, почему Интернет и по сей день живет не в небе, а под водой.
Почему телекоммуникационные компании не используют спутники вместо кабелей?
Спутники отлично подходят для некоторых целей: их можно использовать для той местности, где ещё нет оптоволоконных кабелей, плюс они могут транслировать информацию из одной точки в несколько других.
Однако для поразрядной передачи данных нет ничего лучше, чем оптоволокно. Такие кабели могут передавать бо льшие объёмы данных с меньшими затратами.
Сложно точно узнать объёмы международного трафика, проходящего через спутники, но можно точно сказать, что эти объёмы крайне малы. Статистика, опубликованная Федеральной комиссией по связи США, указывает, что на спутники приходится лишь 0,37% всех международных мощностей США.
Хорошо, а что насчёт моего смартфона, он же использует беспроводной обмен данных?
Когда вы используете телефон, то передаёте данные беспроводным методом только до первой вышки связи, которая передаёт данные уже наземным или подводным путём.
Сколько всего подводных кабелей?
В начале 2017 года насчитали около 428 рабочих подводных кабелей по всему миру. Число постоянно меняется, так как подключают новые кабели и списывают старые.
Как они работают?
Современные подводные кабели используют, как мы уже сказали выше, оптоволоконные технологии. Электрический сигнал превращается в свет, излучаемый микролазерами, и передается на высоких скоростях по волокну к приемнику на другом конце, который, в свою очередь, преобразует свет обратно в электрический сигнал.
Они толстые?
Сам кабель с учетом обмотки толщиной примерно с поливальный шланг. А толщина внутренних элементов кабелей, через которые передаётся сигнал, сравнима с человеческим волосом.
Внутренние волокна кабеля покрыты несколькими слоями изоляции и защитного материала. Те участки кабелей, которые пролегают в прибрежной зоне, покрывают дополнительными слоями для повышения прочности.
Подводный кабель в разрезе: 1. полиэтилен; 2. «майларовая» лента; 3. скрученная стальная проволока; 4. алюминиевая водоизолирующая перегородка; 5. поликарбонат; 6. медная или алюминиевая труба; 7. гидрофобный заполнитель; 8. оптические волокна. Спасибо Wikipedia
Кабели действительно лежат прямо на дне океанов?
Да. Ближе к береговой линии их укладывают под грунтом, чтобы избежать повреждений, собственно поэтому их и не видно на пляжах.
Разумеется, кабели должны прокладываться в наиболее безопасных зонах морского дна, где нет разломов, мест рыболовного промысла, участков для сброса якорей кораблями и прочих опасностей для кабеля. Компании, занимающиеся прокладкой подводных кабелей, открыто сообщают о том, где расположены кабели, чтобы уменьшить вероятность их непреднамеренного повреждения.
Их едят акулы?
Повреждения кабелей акулами - один из мифов СМИ. Это стало популярной темой для статей после того, как в прошлом акулы пару раз «напали» на кабель. На сегодняшний день они не являются основной угрозой для кабелей. Тем не менее кабели часто повреждаются, в среднем более 100 раз в год. Вы редко слышите о повреждениях из-за того, что многие компании, работающие в этой сфере, используют подход «безопасность в цифрах»: до тех пор, пока кабель не будет восстановлен, тот поток данных, который он должен был обслуживать, будет распределён между другими кабелями.
Какова общая длина всех кабелей?
По состоянию на 2017 год общая длина всех действующих кабелей составляет около 1,1 миллиона километров.
Некоторые кабели очень короткие: кабель компании CeltixConnect, соединяющий Ирландию и Великобританию, протянут всего на 131 километр. Другие же кабели могут быть невероятно длинными, например, кабель Asia America Gateway, длина которого составляет 20 000 километров.
Карту-то дайте
Почему между одними странами много соединений, а между другими их вообще нет?
Давайте для начала обратимся к цитате Генри Дэвида Торо:
Наши изобретения обычно похожи на привлекательные игрушки, которые отвлекают наше внимание от действительно важных вещей. Мы спешим строить магнитный телеграф от штата Мэн до Техаса, однако, возможно, Мэн и Техас не имеют никаких важных данных, которые нужно было бы передавать через этот телеграф.
Европа, Азия и Латинская Америка постоянно обмениваются большим количеством данных с Северной Америкой. Из-за того, что Австралия и Латинская Америка данными в таких количествах не обмениваются, между ними и нет никаких кабелей. Зато если кабели появятся, мы будем знать, что там происходит что-то интересное 🙂
Кому принадлежат кабели?
Традиционно кабели принадлежали телекоммуникационным агентствам, которые формировали консорциум из тех, кто заинтересован в использовании кабелей. В конце 90-х годов прошлого столетия приток новых компаний создал большое количество частных кабелей, мощности которых продавались их пользователям.
На сегодняшний день существуют и частные, и принадлежащие консорциумам кабели. Самое большое изменение в организации передачи данных через кабели произошло в типе компаний, занимающихся этим.
Поставщики контента, такие как Google, Facebook, Microsoft и Amazon - главные инвесторы в кабельный бизнес. Объём мощности, развёрнутый частными операторами вроде поставщиков контента, превысил за последние годы тот объём мощности, который обеспечивали операторы интернет-магистралей.
Кто использует эти кабели?
Вы, например. Пользователи мощностей подводных кабелей - разные люди и компании, правительства, операторы сотовой связи, транснациональные корпорации и поставщики контента. Любой человек, который вышел в Интернет, уже пользуется подводными кабелями, независимо от устройства.
Какие объёмы информации они могут передавать?
Пропускная способность у всех кабелей разная. Новые кабели могут пропускать больший объём данных, чем те, которые были проложены 15 лет назад. Готовящийся к эксплуатации кабель MAREA сможет передавать данные со скоростью 160 терабит в секунду.
Принято думать, что мировая информационная паутина — это нечто неосязаемое. И отчасти это так. Атмосфера планеты за последнюю сотню лет превратилась из банальной смеси азота и кислорода в густой бульон из радиоволн. Но не стоит заблуждаться — каждый бит информации, прежде чем стать эфирным электромагнитным излучением, обязательно проделывает неблизкий путь по проводам, большая часть которых проложена по океанскому дну.
Попытки соединить континенты проводами начались в первые же годы после изобретения самого телеграфа. В 1840 году английский профессор Уитстон представил на рассмотрение парламента проект прокладки подводного кабеля от Дувра к французскому берегу, но не получил согласия законодателей и, соответственно, денег.
Через два года изобретатель наиболее распространенной версии телеграфа Сэмюэл Морзе связал кабелем берега бухты Нью-Йорка и передал по нему сообщение. Тогда же он предсказал, что через недолгое время телеграф свяжет Старый Свет с Новым. Через десятилетие после этого компания братьев Джона и Джекоба Бреттов запустила телеграфное сообщение между Англией и Францией, проложив одножильный медный провод, одетый в гуттаперчу и стальную оплетку, под водами Ла-Манша.
Nexans Skaggerak — специализированное судно, построенное в 1976 году новрежской компанией Øgreys Mekaniske Verksted для подводной прокладки силовых кабелей и шлангопроводов. В марте 2010 года модернизирован в ремонтных доках Cammell Laird в Биркенхеде, Англия. Судно было распилено поперек, и между двумя его половинками была вварена дополнительная секция длиной 12.5 метра. Также на Skagerrak установили новую поворотную платформу. Справа на фото — силовой кабель, предназначенный для укладки в море, поступает с берега по специальному транспортеру, исключающему слишком резкие перегибы, и складируется в специальном отсеке, цилиндрической формы. Современный подводный силовой кабель может иметь диаметр порядка 100 мм. Метр такой «ниточки» вполне может потянуть на пару десятков килограмм, поэтому немудрено, что для контроля укладки требуются несколько дюжих рабочих. Снизу на фото — поворотная платформа, установленная на Skagerrak, имеет диаметр 29 метров и полезную нагрузку 7000 тонн, при объеме 2000 кубометров.
Человеком, соединившим мгновенной связью Старый и Новый Свет, стал американский предприниматель Сайрус Филд, основавший в 1854 году «Нью-Йоркско-Ньюфаундлендскую и Лондонскую телеграфную компанию». Вице-президентом стал известный нам Сэмюэл Морзе. Укладка кабеля началась в 1857 году при содействии правительств США и Великобритании, предоставивших для использования в роли кабелеукладчиков военные корабли: пароходофрегат «Ниагара» и парусно-паровой линкор «Агамемнон». На дно Атлантики было уложено 620 км кабеля, после чего он оборвался.
Следующая попытка была предпринята через год — «Ниагара» и «Агамемнон», соединив концы кабеля посередине океана, отправились в разные стороны. После нескольких обрывов корабли вернулись в Ирландию для пополнения запасов. Следующий старт — в июле того же года — принес успех, на который уже мало кто надеялся. Но… телеграф проработал около месяца и замолчал.
Неутомимый Филд вернулся к своей затее в 1865 году, зафрахтовав в качестве кабелеукладчика крупнейшее судно той поры — «Грейт Истерн». С него на дно было уложено три четверти линии, когда 2 августа кабель вновь оборвался и ушел на дно. Наконец, в 1866 году телеграфная линия пересекла Атлантику, а в самом начале прошлого века — безбрежный Тихий океан.
Вплоть до 30-х годов XX века главной проблемой межконтинентальных коммуникаций было низкое качество изоляции. Основными материалами для ее изготовления служили натуральные полимеры каучук и гуттаперча, сверху кабель обвивался броней из стальной проволоки, а на прибрежных участках броня иногда делалась двухслойной для защиты от якорей и рыбацких снастей.
Возможность мгновенной передачи данных на тысячи километров сейчас воспринимается как должное — уже полторы сотни лет никто не удивляется. Но за очевидностью стоят немаленькие технологические ухищрения.
Всемирная Сеть — это не только пропускная способность и протяженность, но еще масса и объем. Чтобы убедится в этом достаточно поглядеть на барабан, в котором хранится свернутый кабель. Размеры этой «катушки» вполне соответствуют масштабам решаемых задач. Современный кабельный барабан на специализированном судне — это тысячи тонн и кубометров плюс специальные системы для укладки кабеля и его размотки. А барабанов таких на флагманах «проводного флота» — по три-четыре.
Конструкция должна обеспечить намотку, размотку и хранение кабеля без перегибов, сильных нагрузок и прочего экстрима. Именно с этим связан большой диаметр «катушки» — современные подводные провода не рассчитаны на сколь-нибудь серьезный изгиб, поэтому сворачивать моток слишком туго нельзя — сломается.
Сегодняшние оптоволоконные кабели имеют многоуровневую защиту от едкой морской воды и механических повреждений. Пучок передающих волокон «плавает» в гелевом гидрофобном наполнителе внутри медной или алюминиевой трубки, покрытой слоем эластичного поликарбоната и алюминиевым экраном. Следующий слой- скрученная стальная проволока, обернутая майларовой лентой. Снаружи кабель одет в полиэтиленовую «рубашку». Другой вариант — кабель с профилированным несущим сердечником. В такой схеме до восьми оптических пар помещаются внутри каждого из шести экструдированных в полиэтиленовом шнуре каналов, заполненных гелем. Пары защищены навитой майларовой лентой, медным экраном и толстой полиэтиленовой оплеткой. В центре шнура проложена толстая стальная проволока для придания кабелю жесткости. Гарантия на подводные кабели связи — не менее 25 лет.
Откуда разматывают интернет
Первая попытка использовать подводный кабель для передачи сигнала — тогда еще не телеграфного — была предпринята в России в 1812 году П. Шиллингом для подрыва с берега морских мин, снабженных электрическим запалом.
Первая попытка проложить телеграфный кабель под водой была предпринята в 1839 году в Индии. Восточно-Индийская телеграфная компания проложила кабель по дну реки Хугли, неподалеку от Калькутты. К сожалению, данные об использовании линии до нас не дошли.
Первый трансатлантический кабель, проложенный между в 1858 году, прослужил всего около месяца. Кабели 1865−66 гг служили без ремонта около пяти лет, а ряд секций кабеля 1873 года (Ирландия — Ньюфаундленд) — около девяноста лет.
К 1900 году в мире было проложено 1750 подводных телеграфных линий общей протяженностью около 300 тысяч километров. Первая телефонная линия через Атлантику была уложена в 1956 году.
Самый длинный подводный силовой кабель проложен по дну Северного моря между г. Эемсхавен (Нидерланды) и Феда (Норвегия). Длина линии NorNed — 580 км, она рассчитана на 700 МВт. Эксплуатация началась в мае 2008 года.
Длина линии Unity, соединившей в 2010 году Японию (город Чикура) с западным побережьем США (Лос-Анжелес) по дну Тихого океана, составляет 10 тыс. км, пропускная способность — 7.68 Тбит/с.
Высоковольтные магистрали, связывающие с Большой землей острова, нефтяные платформы и ветряные электростанции, защищены еще лучше коммуникационных. Проводниками обычно служат три медные жилы, каждая из которых экранирована полупроводниковой лентой и толстым слоем изолятора из сшитого полиэтилена. Поверх изолятора проложен еще один экран, навита водонепроницаемая лента. Снаружи каждая токопроводящая жила закрыта герметичной свинцовой оболочкой и антикоррозионной полиэтиленовой оплеткой. Если в качестве основного изолятора используется этиленпропиленовая резина (ЭПР), свинцовый слой зачастую не используется в целях облегчения конструкции. В состав современного силового кабеля обязательно включается как минимум одна оптоволоконная пара для передачи данных. Проводники и оптоволокно заливаются полипропиленом или полиэтиленом, покрываются лентой-усилителем, полимерной оплеткой, броней из стальной проволоки и еще одним слоем из полиэтиленовой пряжи толщиной не менее 4 мм. Как правило, такие кабели служат верой и правдой десятки лет. Быстрое развитие морской ветроэнергетики и нефтегазодобычи привело к тому, что в настоящее время все имеющиеся на планете восемь заводов по производству подводного силового кабеля работают на пределе мощности. И спрос на их продукцию только растет.
Итальянский кабелеукладчик Gliulio Verne
Дело техники
Итак, мировой спрос на трафик просто сумасшедший — по данным агентства Telegeography, с 2007 года он растет на 100% в год. Подводные линии электропередач разрастаются вместе с альтернативной энергетикой. Отличный кабель у нас имеется. Остается только соединить им острова и континенты.
Создание подводной кабельной системы — сложнейшая операция, выполняемая профессионалами экстра-класса в экстремальных условиях с хирургической точностью. Первым делом выявляется оптимальный маршрут. С помощью специальных судов, оснащенных гидролокаторами бокового обзора, подводными аппаратами с дистанционным управлением и акустическими профилометрами Доплера, океанологи исследуют участки дна, на которые вскоре ляжет нить. Тщательно фиксируются и анализируются высотный профиль маршрута, состав донного грунта, сейсмическая активность зоны, наличие и характер течений, естественных и искусственных препятствий в коридоре прокладки. По полученным данным составляется конфигурация линии и технологическая карта прокладки. На критически важные точки маршрута выставляются бакены, оснащенные GPS-передатчиками и радиомаяками. Лишь после этого в дело вступают суда-кабелеукладчики.
Cable Innovator водоизмещением 10557 тонн — самое большое в мире судно, созданное для прокладки оптического кабеля. Построено в 1995 году на финских верфях Kvaerner Masa, принадлежит компании Global Marine Systems. Три 17-метровых барабана могут вместить по 2333 тонны кабеля каждый. 60 дней корабль с экипажем в восемь десятков человек может функционировать в режиме полной автономности, разматывая кабельную линию на скорости до 6.6 узлов (чуть больше 12 км/ч).
Серьезных различий между кабельными судами для прокладки силовых и коммуникационных линий нет. Разница лишь в специфической оснастке. Кроме того, «силовики» обычно работают в прибрежных районах, а оптику тянут на тысячи километров в открытом море. Самые большие и производительные в мире суда, специализирующиеся на высоковольтных магистралях, — норвежский укладчик Skagerrak, принадлежащий компании Nexans, и Giulio Verne итальянской корпорации Prysmian Group. Cable Innovator из флотилии Global Marine Systems водоизмещением 10557 т не имеет равных среди «связистов» — он может взять на борт 8500 км оптического кабеля. Крупнейшие флотилии кабельных судов базируются в Тихом океане — восемь судов трудятся на американскую компанию SubCom и столько же на ее японского конкурента NEC. Характерные особенности кабелеукладчиков — малая рабочая осадка, не превышающая 10 м, обязательное оснащение системами динамического позиционирования и гидроакустической ориентации, а также чрезвычайно чувствительные движители, позволяющие регулировать скорость с аптекарской точностью. Современный кабелеукладчик оснащен многошкивной кабельной машиной-лебедкой, развивающей тягу до 50 т, спускающей кабель в воду со скоростью порядка 1,5 км/ч. Кроме того, на борту имеются краны для погружения и подъема подводных аппаратов, устройства для сращивания и резки, водолазное оборудование и многое другое.
Схематическая карта первого трансатлантического кабеля, проложенного по дну летом 1858 года. Из-за несовершенства конструкции, плохой изоляции и использования слишком большого напряжения для передачи, линия связи тогда проработала всего около месяца, причем качество и, соответственно, скорость связи все время были ниже всякой критики. 1 сентября 1858 года через Атлантику было передано последнее сообщение, после чего континенты вновь оказались разъединенными.
К 1861 году в различных частях света были проложены около 20 тысяч километров подводного кабеля, но в рабочем состоянии было не более четверти из них.
Америка и Европа были окончательно соединены телеграфом 27 июля 1866 года, после чего связь уже никогда не прерывалась более, чем на несколько часов.
Аренда такого чуда техники тянет примерно на $100000 в сутки, тем не менее спрос превышает предложение. К примеру, кабелеукладчик Tyco Resolute компании SubCom, цилиндрические ангары которого вмещают 2500 км оптического кабеля, обеспечен работой на несколько лет вперед. То же можно сказать и о Skagerrak. Да и остальные не сидят без работы: рыболовные снасти, корабельные якоря, оползни и землетрясения, повреждающие подводные магистрали, держат эскадру кабельных судов в постоянной боевой готовности. Зафиксированы случаи разрыва кабеля из-за укусов акул и даже хищения десятков километров силовых линий пиратами. Только в Атлантике выполняется до 50 ремонтных операций в год. Но это дело техники…
На дно
Укладка любого кабеля начинается с суши. Эту ювелирную операцию обычно проводит команда опытных водолазов. Кабелеукладчик подходит к берегу поближе, встает по заданному курсу и стравливает на воду требуемый отрезок «нитки», соединенный с вытяжным тросом, предварительно заведенным с берега через врытую в грунт длинную трубу. В ходе этой операции вытравленный кабель висит на поплавках во избежание критических перегибов и спутывания. Процесс вывода троса и кабеля на соединительный щиток контролируется визуально посредством телекамер — починить этот отрезок линии впоследствии будет гораздо сложнее, чем какой-либо другой. Проверка целостности кабеля подачей сигнала (или напряжения, если он силовой) происходит во время укладки в постоянном режиме. Если все в норме — труба замуровывается со стороны моря, из нее откачивается вода, а вместо нее внутрь подается антикоррозийная смесь ингибиторов, биоцидов, убивающих водные бактерии, и раскислителя, поглощающего кислород. Береговая укладка, несмотря на кажущуюся простоту, — самый долгий этап работ. Команде Бьорна Ладегаарда, инженера компании Nexans, понадобилось целых три недели, чтобы в январе этого года подцепить к сети силовую ветку на пляжах Майорки на участке всего около 500 м!
В открытом море все проще, но и там свои трудности. Рельеф морского дна редко бывает достаточно удобным для так называемой свободной укладки, когда «нитка» опускается прямо на грунт. Так, силовую магистраль между Испанией и Балеарами пришлось зарывать на участке 283 км, в том числе на глубинах более километра. Еще 23 км были вырублены в скале!
В подводных дебрях незаменимые помощники инженеров — глубоководные аппараты с дистанционным управлением через шланг-кабель. Специалисты компании Nexans имеют в своем распоряжении три машины. Маленький и юркий CapTrack с комплексом датчиков, трансмиттером GPS, мощными прожекторами и телекамерами предназначен для оперативного мониторинга и точной укладки «нитки» на дно. На участках с экстремально сложным рельефом используется подводный бульдозер Spider с дополнительным «вооружением» в виде буровой головки, водометов и мощного насоса. Рука-манипулятор Spider может оснащаться целой кучей жутких инструментов, предназначенных для разрушения. Большую же часть работы на маршрутах выполняет траншейная машина Capjet со своим плугом-водометом. Вскрытый грунт постоянно откачивается насосом из полутораметровой траншеи и подается за корму Capjet, засыпая уложенный кабель.
Когда на пути прокладки оказываются более серьезные препятствия, инженеры используют арочные системы перехода. Кабель в специальном рукаве подвешивается на заякоренных герметичных стальных баллонах, наполненных воздухом. При наличии «попутных» трубопроводов кабель закрепляется на них специальными клипсами. Если через трубы приходится «перешагивать», применяются бетонные мостики или защитные рукава, укладываемые в нужном месте подводными аппаратами. В зонах с устойчивыми донными течениями кабель, как и любое цилиндрическое тело, подвергается разрушительному воздействию вихревых вибраций. Постепенно эти незаметные глазу высокочастотные колебания разрушают даже железобетонные балки. Для борьбы с этой бедой «нитка» одевается в пластиковое спиралевидное «оперение». Чтобы предотвратить перетирание изоляции о скалистый грунт, используются мягкие полиуретановые маты или ленточные протекторы. Все операции по удлинению, разветвлению кабеля, установке на него усилителей и контрольной аппаратуры производятся на судне непосредственно перед укладкой данного участка на дно. На финише маршрута кабелеукладчик повторяет операцию по выводу магистрали на берег. После этого линия тестируется и запускается в эксплуатацию.
А не проще ли запустить на орбиту пару спутников, спросите вы? Не проще. Скорости не те — мегабиты в секунду для XXI века уже не годятся. Да и гигабиты — тоже. Подводные терабиты совсем другое дело…
Получил от королевы Виктории поздравительную телеграмму и отправил ей ответное послание. Первый официальный обмен сообщениями по недавно проложенному трансатлантическому телеграфному кабелю был отмечен парадом и фейерверком над нью-йоркской ратушей. Празднества были омрачены случившимся по этой причине пожаром, а через 6 недель кабель вышел из строя. Правда, и до этого работал он не очень хорошо - послание королевы передавалось в течение 16,5 часа.
От идеи до проекта
Первое предложение, касающееся телеграфа и Атлантического океана, представляло собой ретрансляционную схему, в которой сообщения, доставляемые кораблями, должны были рассылаться телеграфом из Ньюфаундленда в остальную часть Северной Америки. Проблемой являлось строительство телеграфной линии по сложному рельефу острова.
Обращение за помощью инженера, отвечающего за проект, привлекло впоследствии ставшего незаменимым для проекта трансатлантического кабеля американского бизнесмена и финансиста Сайруса Филда. В ходе работы он пересек океан более 30 раз. Несмотря на неудачи, с которыми столкнулся Филд, его энтузиазм привел к успеху.
Бизнесмен немедленно ухватился за идею трансатлантической телеграфной передачи. В отличие от наземных систем, в которых импульсы регенерировались реле, трансокеанская линия должна была обойтись одним кабелем. Филд получил заверения в возможности передачи сигнала на большие расстояния от и Майкла Фарадея.
Уильям Томпсон дал этому теоретическое обоснование, в 1855 г. опубликовав закон обратных квадратов. Время нарастания импульса, проходящего через кабель без индуктивной нагрузки, определяется постоянной времени RC проводника длиной L, равной rcL 2 , где r и с - сопротивление и емкость на единицу длины соответственно. Томсон также внес вклад в технологию работы подводного кабеля. Он усовершенствовал зеркальный гальванометр, в котором малейшие отклонения зеркала, вызванные током, усиливались проекцией на экран. Позже он изобрел устройство, регистрирующее сигналы чернилами на бумаге.
Технология подводных кабелей была усовершенствована после появления в 1843 году в Англии смола дерева, произрастающего на Малайском полуострове, представляла собой идеальный изолятор, поскольку была термопластичной, смягчалась при нагреве и возвращалась в твердую форму после охлаждения, облегчая изоляцию проводников. В условиях давления и температуры на дне океана ее изоляционные свойства улучшались. Гуттаперча оставалась основным материалом изоляции подводных кабелей до открытия полиэтилена в 1933 году.
Проекты Филда
Сайрус Филд возглавлял 2 проекта, первый из которых потерпел неудачу, а второй завершился успехом. В обоих случаях кабели состояли из одного 7-жильного провода, окруженного гуттаперчей и бронированного стальной проволокой. Защиту от коррозии обеспечивала просмоленная пенька. Морская миля кабеля образца 1858 г. весила 907 кг. Трансатлантический кабель 1866 г. был тяжелее, 1622 кг/миля, но поскольку его объем был больше, то в воде он весил меньше. Прочность на растяжение составляла 3 т и 7,5 т соответственно.
Все кабели имели один проводник с возвратом по воде. Хотя у морской воды сопротивление меньше, она подвержена блуждающим токам. Питание осуществлялось с помощью химических источников тока. Например, проект 1858 г. имел 70 элементов по 1,1 В каждый. Эти уровни напряжения в сочетании с неправильным и неосторожным хранением привели к выходу глубоководного трансатлантического кабеля из строя. Применение зеркального гальванометра позволило в последующих линиях использовать более низкие напряжения. Поскольку сопротивление составляло приблизительно 3 Ом на морскую милю, при расстоянии 2000 миль могли проводиться токи порядка миллиампера, достаточные для зеркального гальванометра. В 1860 годах был введен биполярный телеграфный код. Точки и штрихи кода Морзе были заменены импульсами противоположной полярности. Со временем были разработаны более сложные схемы.
Экспедиции 1857-58 и 65-66 гг.
Для прокладки первого трансатлантического кабеля путем выпуска акций было собрано 350 000 фунтов стерлингов. Американское и британское правительства гарантировали возврат инвестиций. Первая попытка была предпринята в 1857 г. Для перевозки кабеля потребовались 2 парохода, «Агамемнон» и «Ниагара». Электрики одобрили способ, при котором один корабль укладывал линию с береговой станции с последующим соединением второго конца с кабелем на другом судне. Преимущество заключалось в том, что при этом сохранялась непрерывная электрическая связь с берегом. Первая попытка закончилась неудачей, когда на расстоянии 200 миль от берега вышло из строя оборудование для укладки кабеля. Он был потерян на глубине 3,7 км.
В 1857 году главным инженером «Ниагары» Уильямом Эвереттом было разработано новое оборудование для укладки кабеля. Заметным улучшением стал автоматический тормоз, который срабатывал, когда натяжение достигало определенного порога.
После сильного шторма, который чуть не потопил «Агамемнон», корабли встретились посреди океана и 25 июня 1858 г. начали прокладывать трансатлантический кабель снова. «Ниагара» двигалась на запад, а «Агамемнон» - на восток. Было сделано 2 попытки, прерванные повреждением кабеля. Корабли вернулись в Ирландию за его заменой.
17 июля флот снова отправился на встречу друг с другом. После незначительных сбоев операция прошла успешно. Идя с постоянной скоростью в 5-6 узлов, 4 августа «Ниагара» вошла в Тринити-Бэй о. Ньюфаундленд. В тот же день «Агамемнон» прибыл в Бухту Валентия в Ирландии. Королева Виктория отправила описанное выше первое приветственное сообщение.
Экспедиция 1865 г. завершилась неудачей в 600 милях от Ньюфаундленда, и только попытка в 1866 г. была успешной. Первое сообщение по новой линии было отправлено из Ванкувера в Лондон 31 июля 1866 г. Кроме того, был найден конец кабеля, потерянного в 1865 г., и линия была также успешно завершена. Скорость передачи составила 6-8 слов в минуту при стоимости 10$/слово.
Телефонная связь
В 1919 г. американская компания AT&T инициировала исследование возможности прокладки трансатлантического телефонного кабеля. В 1921 г. была проложена глубоководная телефонная линия между Ки-Уэстом и Гаваной.
В 1928 г. было предложено проложить кабель без повторителей с единственным голосовым каналом через Атлантический океан. Высокая стоимость проекта (15 млн $) в разгар Великой депрессии, а также усовершенствования в области радиотехнологий прервали проект.
К началу 1930 годов развитие электроники позволило создать подводную кабельную систему с повторителями. Требования к конструкции промежуточных усилителей линии связи были беспрецедентными, поскольку устройства должны были бесперебойно работать на дне океана в течение 20 лет. К надежности компонентов, в частности электронных ламп, предъявлялись строгие требования. В 1932 г. уже были электролампы, которые успешно прошли испытание в течение 18 лет. Использовавшиеся радиотехнические элементы значительно уступали лучшим образцам, но были очень надежными. В итоге ТАТ-1 проработала 22 года, и ни одна лампа не вышла из строя.
Еще одну проблему представляла укладка усилителей в открытом море на глубине до 4 км. При остановке корабля для сброса повторителя на кабеле со спиральной броней могут появиться перегибы. В итоге был использован гибкий усилитель, который мог укладываться оборудованием, предназначенным для телеграфного кабеля. Однако физические ограничения гибкого ретранслятора ограничивали его пропускную способность 4-проводной системой.
Почта Британии разработала альтернативный подход с жесткими ретрансляторами гораздо большего диаметра и пропускной способностью.
Реализация TAT-1
Проект был возобновлен после Второй мировой войны. В 1950 году гибкая технология усилителя была протестирована системой, связывающей Ки-Уэст и Гавану. Летом 1955 и 1956 г. первый трансатлантический был проложен между Обаном в Шотландии и Кларенвиллем на о. Ньюфаундленд, значительно севернее существующих телеграфных линий. Каждый кабель имел длину около 1950 морских миль и насчитывал 51 повторитель. Их число определялось максимальным напряжением на клеммах, которое могло бы использоваться для питания, не влияя на надежность высоковольтных компонентов. Напряжение составляло +2000 В на одном конце и -2000 В на другом. Полоса пропускания системы, в свою очередь, определялась количеством повторителей.
В дополнение к повторителям было установлено 8 подводных уравнителей на восточно-западной линии и 6 на западно-восточной. Они корректировали накопленные сдвиги в полосе частот. Хотя общие потери в полосе пропускания 144 кГц составляла 2100 дБ, использование уравнителей и повторителей сократило это значение до менее 1 дБ.
Начало работы TAT-1
В первые 24 ч после запуска 25 сентября 1956 г. было сделано 588 звонков из Лондона и США и 119 из Лондона в Канаду. ТАТ-1 сразу утроила пропускную способность трансатлантической сети. Полоса частот кабеля составляла 20-164 кГц что позволяло иметь 36 голосовых каналов (по 4 кГц), 6 из которых были разделены между Лондоном и Монреалем и 29 - между Лондоном и Нью-Йорком. Один канал предназначался для телеграфа и сервисного обслуживания.
Система также включала наземную связь через Ньюфаундленд и подводную с Новой Шотландией. Эти две линии состояли из одного кабеля длиной 271 морских миль с 14 жесткими репитерами, спроектированными почтой Великобритании. Общая емкость составила 60 голосовых каналов, 24 из которых связывали Ньюфаундленд и Новую Шотландию.
Дальнейшие усовершенствования TAT-1
Линия TAT-1 обошлась в 42 млн долларов США. Цена в 1 млн $ за канал стимулировала разработку терминального оборудования, которое бы использовало пропускную способность более эффективно. Количество голосовых каналов в стандартном диапазоне частот 48 кГц было увеличено с 12 до 16 путем сокращения их ширины с 4 до 3 кГц. Другой инновацией была временная интерполяция речи (TASI), разработанная в Bell Labs. TASI позволила удвоить количество голосовых цепей благодаря паузам в речи.
Оптические системы
Первый трансокеанский оптический кабель ТАТ-8 вступил в строй в 1988 г. Повторители регенерировали импульсы путем преобразования оптических сигналов в электрические и обратно. Две рабочие пары волокон работали со скоростью 280 Мбит/с. В 1989 г. благодаря этому трансатлантическому интернет-кабелю компания IBM согласилась финансировать линию уровня Т1 между Корнуэльским университетом и ЦЕРН, что значительно улучшило связь между американской и европейской частями раннего Интернета.
К 1993 г. во всем мире эксплуатировалось более 125 тыс. км TAT-8. Эта цифра почти соответствовала общей длине аналоговых подводных кабелей. В 1992 г. вступила в строй TAT-9. Скорость на волокно была увеличена до 580 Мбит/с.
Технологический прорыв
В конце 1990 годов развитие оптических усилителей, легированных эрбием, привело к квантовому скачку в качестве подводных кабельных систем. Световые сигналы с длиной волны около 1,55 мкм стало возможным усиливать напрямую, и пропускная способность перестала ограничиваться скоростью электроники. Первой оптически усиленной системой, проведенной через Атлантический океан, была TAT 12/13 в 1996 году. Скорость передачи на каждой из двух пар волокон составила 5 Гбит/с.
Современные оптические системы позволяют передавать такие большие объемы данных, что избыточность имеет решающее значение. Как правило, современные волоконно-оптические кабели, такие как TAT-14, состоят из 2-х отдельных трансатлантических кабелей, которые являются частью кольцевой топологии. Две другие линии соединяют береговые станции с каждой стороны Атлантического океана. Данные направляются по кольцу в обоих направлениях. В случае обрыва кольцо самовосстанавливается. Трафик переводится на запасные пары волокон в рабочих кабелях.
Оптоволоконный кабель под названием Marea через Атлантический океан: из американской Вирджинии в испанский Бильбао. Пропускная способность Marea - 160 Тбит/с. Это самый высокопроизводительный трансатлантический кабель на сегодняшний день.
Длина кабеля равняется 6600 километрам, а средняя глубина пролегания составляет 3,35 километра. Marea проложили меньше чем за два года, тогда как стандартный срок для подобных проектов составляет около пяти лет.
Первый провод, который люди проложили через океан, - трансатлантический телеграфный кабель . Первую попытку предприняли в 1857 году, но кабель порвался.
5 августа 1858 года был проложен кабель между островами Валентия и Ньюфаундленд, но уже в сентябре он вышел из строя. Долговременную связь между Европой и Америкой обеспечил лишь кабель, проложенный в 1866 году.
В 2016 году группа компаний, среди которых была Google, закончила прокладывать кабель FASTER из США в Японию. По нему можно передавать до 60 Тбит данных в секунду - на момент запуска он был самым быстрым .
Формально FASTER остается самым быстрым кабелем и сейчас - использовать Marea начнут только в начале 2018 года. Полностью свой потенциал он раскроет в 2025 году. Ожидается, что к этому времени общемировое потребление трафика вырастет в восемь раз.
В условиях такого роста новый кабель нужен Microsoft и Facebook, чтобы обеспечивать стабильную работу своих сервисов. Президент Microsoft Брэд Смит (Brad Smith) уже высказался о важности Marea:
«Marea проложили вовремя. Через трансатлантические кабели проходит на 55% больше данных, чем через кабели Тихого океана. И на 40% больше, чем по кабелям, соединяющим США и Латинскую Америку.Безусловно, поток данных через Атлантический океан будет расти, а Marea обеспечит необходимое качество соединения для США, Испании и других стран».
Еще одна причина , по которой компании инициировали проект, - природные катаклизмы. В 2006 году на острове Тайвань произошло семибалльное землетрясение, из-за чего были повреждены восемь кабелей, соединяющих остров с Китаем. Чтобы их восстановить, понадобилось 11 кораблей и 49 дней. А ураган Сэнди в 2012 году оставил без связи Восточное побережье США. С этого момента в Microsoft решили повысить отказоустойчивость трансатлантических соединений. Получается, что как раз Сэнди объединил Facebook и Microsoft.
«Мы постоянно встречались с представителями Facebook на различных мероприятиях и поняли, что пытаемся решить одну и ту же проблему. Поэтому мы объединились и улучшили трансатлантическую сеть, спроектировав новый кабель», - рассказал Фрэнк Рей (Frank Ray), руководитель инфраструктурного направления облачных решений.
Marea состоит из восьми пар оптоволоконных кабелей, защищенных медью, пластиком и водонепроницаемым покрытием. На большей части пути кабель лежит на дне океана, а рядом с берегами закопан под землю, чтобы его не порвали корабли. Так
