Подводные ВОЛС. Типы и конструкции оптических кабелей. Силовые элементы, армировка, защитные оболочки оптических кабелей. Особенности. Современное состояние и перспективы

Размещено на http://www.allbest.ru/

3

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Омский государственный технический университет»

Радиотехнический факультет

Кафедра «Средства связи и информационная безопасность»

Реферат по дисциплине

«Направляющие среды»

Тема: «Подводные ВОЛС. Типы и конструкции оптических кабелей. Силовые элементы, армировка, защитные оболочки оптических кабелей. Особенности. Современное состояние и перспективы»

Выполнил:

Студент группы ИСС-161

Филатов В.В.

Проверил:

Доцент, к. техн. н.,

Богачков И.В.

Омск 2020



ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 Общие сведения и особенности ПВОЛС

2 Разновидности ПВОЛС

3 Энергетическое оборудование ПВОЛС

4 Подводные волокно-оптические кабели

5 Подводные оптические усилители

6 Современное состояние и перспективы

Список используемой литературы

Приложение №1

ВВЕДЕНИЕ

С начала развития компьютерной техники прошло уже немного немало 60 лет. За это время мы получили такие скорости вычислений, такие скорости передачи данных, о которых шестьдесят лет тому назад нельзя было и мечтать. Получив настолько быструю обработку данных, люди пришли к выводу, что можно перестать терять время и деньги, также на передачу этих данных, а также увеличить скорость доступа, и скорость передачу данных. Это стало возможным благодаря использованию новых видов связи, таких как оптическое волокно, пришедших на замену банальным алюминиевым и медным проводам [1].

Сейчас активно распространяется необычный способ соединения целых стран - подводные оптоволоконные кабеля. Следует уточнить, что подводной связью называют виды связи, позволяющие осуществлять проводную (кабельную) и беспроводную коммуникацию в водной среде. Первый подводный оптический кабель, соединяющий Европу и Американский континент, был проложен в 1988 г. В настоящее время, благодаря развитию оптоволоконной передачи, стало возможно передать сообщение с одного конца планеты на другой за доли секунды. При этом 99% всего мирового Интернет-трафика между континентами осуществляется главным образом именно через подводные волоконно-оптические кабели, а не через спутниковую связь. Эти кабели проложены по дну Тихого и Атлантического океанов, различных морей и водоёмов, и из количество продолжает стремительно расти. Практически весь мир уже "опутан" сетью волоконных систем связи.

оптоволоконная линия подводный кабель трафик



1. Общие сведения и особенности ПВОЛС

Подводный волокно-оптический кабель - кабель, проложенный по морскому дну между наземными станциями для передачи широкого спектра цифровых данных через океаны и моря.

Прокладывание подводных ВОЛС - проведение подводных линий связи - это трудоемкий, дорогостоящий и сложный процесс, ведь малейшая недоработка или брак на данном этапе может стоить сотен миллионов потерянных долларов на этапе эксплуатации. Сам процесс поэтапно прокладывания подводных ВОЛС можно разделить на несколько важных этапов:

· длительное и тщательное планирование (измерение глубин, прокладывание наиболее эффективных маршрутов, сравнение линии сети с судоходными маршрутами);

· подбор оптоволоконного кабеля (проведение множества тестов, зачастую также проведение тендера между производителями);

· закапывание кабеля (для чего также есть целый ряд способов);

· установка оборудования для энергоснабжения;

· установка усилителей, терминальных станций и проч.;

· налаживание бесперебойной работы сети;

· введение в эксплуатацию.

Особые проблемы прокладки ВОЛС через водные препятствия (под водой) связаны с ремонтом морских линий связи. Ведь, лежа долгое время на морском дне, кабель становится практически невидимым. Кроме того, течения могут отнести оптоволоконный кабель от места его первоначальной прокладки (даже на многие километры), а рельеф дна сложен и разнообразен. Существует также множество дестабилизирующих факторов, которые могут вызвать повреждения кабеля, например: якоря кораблей, представители морской фауны. Помимо этого, отрицательное воздействие на подводный кабель возможно при дноуглубительных работах, установке труб и бурении и при подводных землетрясениях и оползнях.

Еще одна проблема, связанная с прокладкой подводных ВОЛС - различные условия их пролегания, требующие различных решений. Так, по береговой линии прокладываются одни кабели и используются одни технологии и материалы, а между материками - несколько другие. Все это объясняется и глубиной прокладывания линий, и расстоянием между терминальными станциями, и давлением, и напряжением питания, и многими другими переменными.

Прокладка ВОЛС через водные препятствия возможна и способом горизонтально-направленного бурения, которое осуществляется в три этапа: бурение пилотной скважины, последовательное ее расширение и протягивание трубопровода для оптоволоконного кабеля. При использовании этого метода длина прокола может достигать 1500 м. без выхода на поверхность.

Помимо этого, так как среда прокладки ВОЛС меняется (была земля, а стала вода и наоборот), то тип кабеля тоже соответственно должен измениться. Для этого, на береговых станциях устанавливается оптическая муфта, в которой сращивается бронированный оптический кабель для прокладки в открытом грунте и подводный, для прокладки ВОЛС по дну водных препятствий. В местах расположения соединительных муфт организовываются технологические запасы кабеля.

2. Разновидности ПВОЛС

Подводные оптоволоконные линий связи можно разделить на несколько типовых линий [2]:

· репитерные (с применением подводных оптических усилителей);

· безрепитерные.

Следует также отметить, что существуют линии связи с применением удалённой оптической накачки. Рассмотрим подробнее каждую такую линию связи:

Репитерные линии разделяются на магистральные трансокеанские (межконтинентальные) и прибрежные линии связи. Для таких линий расстояние между терминальными станциями может составлять от 2000 до 20000 км, а число оптических усилителей на данной линии достигать несколько сотен. Они пригодны для прокладки на глубину до 7500-8000 м. Структурное изображение межконтинентальной линии указано
на рисунке №1.

Рисунок 1 - Структурное изображение межконтинентальной ПВОЛС.

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). Как правило, они используются для передачи информации на расстояние не более, чем
200 км. Возможно применение безрепитерных линий связи как с разветвителями, так и без них (рис. 2а, 2в). Для снижения стоимости применяются линии без использования подводных разветвителей. 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.

Рисунок 2 - Структурное изображение прибрежной ВОЛС с применением разветвителей (а) и без них (в).

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

Если же в линии имеются подводные усилители и/или разветвители, то тогда на береговых терминальных станциях обязательно должно иметься оборудование для их энергоснабжения.

3. Энергетическое оборудование ПВОЛС

Как было сказано выше, для построения подводной ВОЛС необходимо обязательно наличие береговых терминальных станций на приёмной и передающей сторонах [3]. На береговых терминальных данных станциях располагается:

· оборудование контроля состояния линии;

· приёмо-передающее оборудование оптической линий связи;

· соединение с береговым центром сбора и распределения данных;

· оборудование энергоснабжения подводной линии связи (при наличии в линии связи усилителей).

Рисунок 3 - Структурное строение береговой терминальной станции

Обеспечение подводных усилителей необходимым питанием происходит по следующей схеме:

На каждой станции энергоснабжения имеется источник высокого напряжения. На одной станции плюс источника подключается к токоведущей жиле подводного кабеля, а минус идет на землю. На второй станции к токоведущей жиле подводного кабеля подсоединяется минус и плюс, соответственно, заземляется. Таким простым образом создаётся цепь постоянного электрического тока, в которой ток от одной станции идёт к другой через подводный кабель.

Рисунок 4 - Пример питания подводным током подводной ВОЛС.



Напряжение и мощность источников питания рассчитываются исходя из параметров линии. В зависимости от протяжённости линии, удельного сопротивления токоведущей жилы, количества узлов (подводных усилителей) и мощности, потребляемой каждым узлом, на береговых терминальных станциях подаётся различное напряжение:

· до 2000 км - до 5 кВ;

· от 2000 до 6000 км - от 5 до 10 кВ;

· более 6000 км - свыше 10 кВ.

Согласно критериям надёжности и условий эксплуатации, системы энергоснабжения должны обладать высокой надёжностью. Для того чтобы соответствовать данным требованиям, на передающих станциях присутствуют специальные системы, используемые для локализации ошибок и неисправностей в любой части подводной ВОЛС. Также системы энергоснабжения нуждаются в специальных системах контроля тока и напряжения для предотвращения скачков, которые могут вывести из строя не только подводный усилитель, но и всю линию. Для повышения надёжности система энергоснабжения резервируется.

4. Подводные волоконно-оптические кабели

Как уже было сказано выше, нагрузка на оптоволоконные кабели очень высока в наше время. Для прокладки ВОЛС под водным препятствием используют специальные подводные кабели, которые изготавливаются по различным технологиям. К эксплуатационным характеристикам данных кабелей предъявляют повышенные требования, что естественно, вследствие очень специфических условий эксплуатации. Вследствие этого, можно сформировать ряд требований, предъявляемый к данным кабелям [4]. Среди них:

· Выдерживание высокого гидростатического давления на больших глубинах;

· Целостность по всей своей длине или высококачественное соединение отдельных частей;

· Абсолютная герметичность;

· Особые температурные условия хранения, транспортировки и использования:

1) Температура транспортировки и хранения от -25°С до +70°С;

2) Температура монтажа от -5°С до +50°С;

3) Температура при эксплуатации от -20°С до +60°С.

Сам волоконно-оптический кабель состоит из:

· центрального силового элемента (ЦСЭ);

· оптических модулей (ОМ) - полимерные трубки со свободно размещёнными в них оптическими волокнами (ОВ);

· силовых элементов;

· брони;

· защитных оболочек;

· внешней оболочки кабеля.

Чтобы выдерживать гидростатическое давление и обеспечить герметичность от молекулярного водорода, центральная трубка изготавливается из меди или алюминия и заполняется гидрофобным гелем. Токоведущая жила репитерной линии связи выполняет отдельную
функцию - по ней пускают постоянный ток для обеспечения питания подводных усилителей. Непосредственно внутри трубчатого сердечника уже располагаются оптические волокна. Их количество варьируется от 4 до 12 штук, в зависимости от участка, где прокладывают данную подводную ВОЛС.

Внешние покровы предназначены для защиты оптического кабеля от внешних воздействий, однако сами подвергается растяжению и вибрации. Они состоят из нескольких (до трёх) слоёв высокопрочных стальных оцинкованных или свинцовых проволок.



Рисунок 5 - Пример подводного оптического кабеля для репитерной линии.

Слои отделяются друг от друга полиэтиленовой прослойкой. Наружная оболочка состоит из полиэтилена. Прочность такого кабеля обычно повышают при помощи "протектора", состоящего из двух стальных тросов, покрытых защитной полиэтиленовой оболочкой и прикреплённых к оптическому кабелю.

Рисунок 6 - Строение безрепитерного подводного оптического кабеля.



На рисунке 6 указаны следующие обозначения:

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.

При прокладке такого кабеля необходимо выполнять определённые рекомендации:

· выбирать берега, не подверженные размывам;

· применять петли компенсации по 10-30 метров в местах закладки кабелей в береговых шахтах;

· на границе суши с водой кабель углублять в почву на 0,5-1,0 м;

· обходить или проходить сквозь любое препятствие, которое находится под толщей воды;

· применять оптическую муфту, установленную на берегу, для сращивания в ней наземного бронированного оптического кабеля с самонесущим подводным оптическим кабелем.

Пропускная способность и надежность таких линий связи должны быть высокими, поскольку через один кабель может проходить весь Интернет-трафик 50-миллионной страны и больше.

В зависимости от глубины и особенностей рельефа дна существует несколько видов конструктивной защиты подводного кабеля от внешних воздействий. Различные типы оптоволоконных кабелей представлены в таблице №1.



Таблица 1 - Типы подводных оптоволоконных кабелей.

Тип кабеля	Характеристики	Глубина укладки
Лёгкий кабель (Light weight) LW	Глубоководный кабель для областей, где отсутствует риск значительных повреждений	до 8000 м
Защищённый лёгкий кабель (Light weight protected) LWP	Лёгкий кабель с защитой от механических повреждений. Подходит для областей с пересечённой местностью.	до 3500 м
Бронированный лёгкий кабель (Single armour light) SLA	Относительно лёгкий кабель для областей, где возможно зарывание кабеля в траншею и риск внешних повреждений минимален.	до 1500 м
Бронированный кабель Single armour (SA)	Для областей, где возможно ограниченное зарывание кабеля.	до 1500 м
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.	до 500 м
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.	до 200 м

Следует помнить, что каким бы качественным ни был монтаж оптоволоконного подводного кабеля, и какой бы хорошей ни была его защита, воздействие негативных факторов может иметь последствия. Не исключено повреждение кабелей корабельными якорями, подводными землетрясениями, бурением нефтяных скважин или даже морскими жителями. При правильном выполнении всех рекомендаций при прокладке срок службы данного кабеля рассчитан на 20-25 лет. Данный процесс требует очень больших трудозатрат и финансовых вложений, но все они себя окупают полученным качеством связи и передачи информации, а также большим сроком эксплуатации.



5. Подводные оптические усилители

Подводные оптические усилители предназначены для усиления оптических сигналов, распространяющихся в подводном оптоволоконном кабеле на глубине моря до 8000 метров. Обычно в межконтинентальных линиях используются низкошумные EDFA-усилители оптических сигналов, то есть волоконно-оптический усилитель на оптическом волокне, легированном ионами эрбия, однако на подводных ВОЛС, протяжённостью до 2000 км возможно использование полупроводниковых и рамановских оптических усилителей [5]. Расстояние между усилителями оптических сигналов составляет от 30 до 100 км. Типовой подводный EDFA-усилитель отображён на рисунке №7.

Рисунок 7 - Внешний вид типового подводного EDFA-усилителя.

Размеры оптических усилителей сильно варьируются. Для транс-тихоокеанской линии связи, например, длина усилителя составляла 6 метров, однако обычно длина оптического усилителя составляет не более трёх метров. Такие размеры применяются для того, чтобы поместить максимальное количество усилителей на борту корабля-кабелеукладчика.

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. При этом во время проектирования такого усилителя следует помнить, что он должен иметь низкий шум-фактор, чтобы минимально искажать усиливаемый сигнал.

Электропитание усилителя, как уже было сказано в пункте 2, осуществляется постоянным током от берегового устройства дистанционного питания с использованием токоведущей жилы подводного кабеля. Сила тока может варьироваться от 100 мА до 1 А.

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. Остановим своё внимание на каждой из них:

1. В системах типа «команда-отклик» береговой терминал посылает сигнал, который принимается усилителем и анализируется. После чего генерируется исполняемая команда и отправляется ответный сигнал обратно на терминал.

2. 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. Принципиальная схема данного усилителя изображена на рисунке №8.



Рисунок 8 - Принципиальная схема усилителя с цепью обратной связи.

Корпус усилителя выполняется из медно-бериллиевого сплава, обладающего высокими антикоррозийными и механическими свойствами в морской воде. Так как рабочая глубина установки усилителя может достигать 8000 метров, то особенно жёсткие требования предъявляются герметизации корпуса усилителя, который подвергается внешнему огромному гидростатическому давлению. Помимо этого, к нему также предъявляются следующие 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.

Внутренний отсек, в котором располагается электронное оборудование усилителя, изолирован от внешнего металлического корпуса посредством специальной высоковольтной изоляции (как правило, полиэтиленовой). Данный тип изоляции обеспечивает защиту от пробоя напряжением вплоть до ±15кВ.

Перед установкой усилителя на океанское дно заключительный раз проводится мониторинг того, как они могут противостоять излучению, высыханию, магнитным воздействиям, воздействию барометрического давления и водорода, растяжению волокна, а также внутренним коррозийным газам.

Процесс установки подводного усилителя производит со стандартной линейной кабелеукладочной машины с корабля кабелеукладчика. Срок службы усилителя аналогичен сроку службы подводного оптического кабеля, и составляет, как правило, 20-25 лет.

6. Современное состояние и перспективы

На сегодняшний день все материки нашей планеты обвивает глобальная подводная волоконно-оптическая сеть. Общая протяженность таких линий связи в мире составляет более 1 млн. км. Весь масштаб происходящего в данной отрасли представлен в приложении №1. Как можно заметить, больше всего в мире проложено трансатлантических подводных магистралей, соединяющих Северную Америку и Европу. Важность этих ПВОЛС для развития Интернет-технологий и предоставления доступа в Интернет для простых людей сложно переоценить.

По мере того, как совершенствуются способы передачи данных по оптоволокну, развивается и область подводных оптических линий связи. Чтобы сделать процесс проведения подводных магистралей менее затратным и длительным, изобретаются новые технологии передачи данных, новые оптические кабели (более надежные и мощные), новое оборудование для очистки и усиления сигнала.

Так, в самых первых подводных ВОЛС, проложенных на дальние расстояния, примерно каждые 40-80 км на кабелях требовалось устанавливать специальные регенераторы, которые усиливали и восстанавливали форму сигнала. Без этого данные невозможно было передавать на тысячи километров по океанскому дну. Однако, за годы существования оптоволокна были найдены способы не только уменьшить количество вспомогательного оборудования на линиях связи, в том числе и регенераторов, но и увеличить пропускную способность данных подводных волокно-оптических линий связи.

Благодаря усилителям сигнала и прочему специализированному оборудованию, подводные регенераторы в настоящее время практически не используются. Но, тем не менее, такой скачок в развитии технологий волокно-оптических линий связи дал развитие новой отрасли производства - рынку усилителей сигналов для подводных ВОЛС, который по-прежнему развивается и по сей день.

Помимо оптических усилителей требуется другое специализированное оборудование, начиная от судов-кабелеукладчиков и заканчивая каждым элементом линии. Это и кабеля, и муфты, и защитные оболочки для кабеля, и многое другое. Поскольку данный процесс дорогостоящий, на сегодняшний день в мире есть лишь несколько компаний, занимающихся производством оборудования и комплектующих для подводных оптоволоконных сетей.

Среди таких компаний можно выделить: Huawei Marine Networks, Google, Nexans, Hibernia Atlantic и некоторые другие.

Учитывая стоимость проведения подводных ВОЛС, а также уровень их востребованности в наше время, данное направление деятельности является чрезвычайно перспективным и многообещающим. В целом это очень инвестиционно-емкая деятельность, так что и за проектирование таких ВОЛС, и за их прокладку по дну морей и океанов зачастую берутся целые группы заинтересованных государств.

Интернет - главная движущая сила развития подводных волоконно-оптических линий связи. При этом его потребности в подобных системах с всё большими скоростями передачи информации пока не удовлетворены. Вот почему прокладываются все новые и новые подводные сети, пропускная способность которых с каждым следующим проектом увеличивается.



Список используемой литературы

1.Авдулов А.Н. Классификация информационных технологий / А.Н. Авдулов, А.М. Кулькин // Вестник Российского фонда фундаментальных исследований. - 2009. - № 1. - С. 36-45.

2.Денисов С.Л. Общее рассмотрение подводных оптоволоконных линий связи / С.Л. Денисов, И.Э. Самарцев // Спецвыпуск Т-Comm. - 2009. - №6. - С. 170-174.

3.Расчет усилительного участка подводной волоконно-оптической линии связи специального назначения Санкт-Петербург - г. Калининград / Брыдченко А.В. [и др.]. - СПб.: СПб ГУТ, 2018. - С. 102-105.

4.Г. Мальке, Волоконно-оптические кабели / Г. Мальке, П.Гёссинг // Издательский дом «Вояж» - Новосибирск, 2001. - С. 179 2001.

5.Особенности конструкции подводных оптических усилителей [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.cabeltov.ru/



Приложение №1

Рисунок 9 - Местоположение всех ПВОЛС на 2020 год.

Размещено на Allbest.ru

...