SAOBRAAJNI FAKULTET U BEOGRADU

PREDMET: Optiki komunikacioni sistemi

Podmorski optiki kablovi

Mirko Topalovi TS080252

B e o g r a d, 2 0 1 2.

AbstractThis paper describes principles of fabrication, implementation and benefits of submarine optical cables. Nowadays many services that we take for granted would not be possible without transoceanic cables. Due to the specific characteristics of transoceanic connections, primarily the long transmission paths between the nodes in the network, it is necessary to introduce some modifications in order to improve transmission system performance. Improved fiber fabrication enables minimal attenuation, and steel wire armourr provides physical protection, which is important as enviroment on the seabed is hostile. Kljune rei: Optiki kabl, sea plough, touchdown point.

2

Sadraj:

SAOBRAAJNI FAKULTET U BEOGRADU............................................................................................1 PREDMET: .....................................................................................................................................................1 OPTIKI KOMUNIKACIONI SISTEMI....................................................................................................1 PODMORSKI OPTIKI KABLOVI............................................................................................................1 ABSTRACT.....................................................................................................................................................2 2. ISTORIJAT.................................................................................................................................................5 3. KONSTRUKCIJA.......................................................................................................................................6 4. POLAGANJE KABLOVA..........................................................................................................................7 5. MOGUI PROBLEMI...............................................................................................................................9 6. KABLOVI I IVOTNA SREDINA..........................................................................................................10 7. ZAKLJUAK............................................................................................................................................10 8. LITERATURA..........................................................................................................................................10

3

1. UvodZa razliku od kablova koji se postavljaju na kopnu, podmorski kablovi moraju imati sposobnost da se izbore sa morskim strujama, da budu konstruisani tako da voda ne nanosi tetu u smislu kvaliteta prenosa, ali se mora misliti i na to da se u sluaju potrebe za popravkama kabl moe izvui na prihvatljivu dubinu radi lakeg odravanja, te da se pri postavljanju kabla isti ne zatee maksimalno. [1] Uobiajeno je miljenje da se podmorski kablovi postavljaju na dno mora, ali je veina kablova ustvari zakopana ispod morskog dna. Ova tehnika omoguava da se kablovi zatite pre svega od ljudskog faktora (ribara, usidrenih brodova i sl.). 1988. godine poloen je prvi transokeanski optiki kabl. Zanimljivo je da su devedesetih godina prolog veka kompanije koje su investirale milione dolara u polaganje optikih kablova, to na kopnu to na moru, bankrotirale jer su kablovi bili neiskorieni. Prve transokeanske veze omoguavale su prenos 36 telefonskih razgovora istovremeno, danas se taj broj kree negde oko 800 miliona.[2] Na slici 1 prikazana je mapa podvodnih optikih kablova.

Slika 1. Mapa podvodnih optikih kablova

4

2. IstorijatZbog specifinosti okruenja u kojem se podmorski kabl nalazi i njegova konstrukcija mora da bude specifina. Kabl mora da bude otporan na vodu, pritisak, talase, morske struje i sve ostale prirodne pojave koje su prisutne na velikim dubinama. Sve ove pojave se menjaju sa promenom dubine, pritisak se poveava, temperatura opada a utisak talasa se smanjuje. Dizajniranje kablova sposobnih da izdre sve ove izazove poelo je jo davne 1842. godine. Naravno, re je o bakarnom kablu namenjenom za prenos telegrafije, ali se sa istim izazovima susreu i proizvoai optikih kablova. Kasnih sedamdesetih, i ranih osamdesetih godina prolog veka istraivanja su usmerena ka optikim kablovima, i tada je poeo njihov razvoj. Ideja je bila da se proizvode staklena vlakna koja e prenositi svetlost po principu unutranje refleksije. Prvi podvodni kabl na velikoj dubini je postavljen 1985. godine u blizini Kanarskih ostrva. Ve 1988. poloen je i prvi trans-atlantski kabl, a samo nekoliko meseci kasnije i prvi trans - pacifiki. Tadanji kablovi su sadrali dva ili vie parova optikih vlakana,i bili su otprilike tri do etiri puta efikasniji od analognih sistema prenosa. Dananji optiki kablovi imaju kapacitet od preko milion telefonskih razgovora istovremeno. Na slici 2 je prikazana evolucija podvodnih kablova.

Slika 2. Evolucija podvodnih kablova

5

3. KonstrukcijaOsim ve navedenih problema izazvanih okruenjem u kojem se kabl nalazi, namee se jo jedna bitna stavka o kojoj treba razmiljati pri proizvodnji kabla, a to je udaljenost. Kako su ovi kablovi namenjeni za prenos podataka izmeu kontinenata, jasno je da slabljenje postaje veoma bitan faktor u planiranju ovih veoma dugih optikih linkova. Cena regeneratora i pojaavaa koje treba postaviti ispod vode je velika, a njihova realizacija znatno komplikovanija u odnosu na obine, kopnene elemente, pa se tei da se broj ovih ureaja svede na minimum. Jedini nain za to je poboljanje karakteristike slabljenja samog vlakna. Ovo se postie dopiranjem stakla razliitim hemijskim elementima, kao i oslobaanje od neeljenih elemenata u cilju poboljanja performansi vlakna. Iako se primenjuju moderni naini fabrikacije, slabljenje se ne moe svesti na nulu, pa su ripiteri neophodni u transokeanskom saobraaju. Zbog ovoga se, osim slojeva koji tite vlakno od fizikih oteenja i ticaja okoline, u kablu nalazi i bakarni provodnik koji slui za napajanje ovih ureaja. Ide se ka tome da se elektro-optike konverzije vre samo na prijemu i predaji, odnosno da svi pojaavai koji se koriste u prenosu budu isto optiki. Optiki pojaava je ustvari staklo dopirano erbijumom, hemijskim elementom koji se pobuuje pomou svetlosti, i ponaa se kao laser koji retransmituje signal koji mu dolazi. to se tie fizike zatite kabla ona zavisi od dubine na koju se kabl postavlja. to je kabl blie povrini potrebna je jaa zatita, pa su samim tim i dimenzije tih kablova vee, kao to se moe videti na slici 3. Kablovi koji se postavljaju na veim dubinama dostiu do 20mm u preniku, dok su oni koji su predvieni za manje dubine glomazniji, i dostiu do 50mm u preniku. U zavisnosti od okruenja mogu se koristiti kablovi razliitih konstrukcija, od neoklopljenih do teko oklopljenih. Oklop se sastoji od elinih ica upletenih oko kabla, i moe biti jednostruki ili dvostruki, s tim to kod dvostrukog ne moraju oba sloja oklopa da budu istih dimenzija, pa se razlikuju DA (double armour) i RA (rock armour) kablovi.

Slika 3. Realizacija podvodnih optikih kablova

6

4. Polaganje kablovaPrvi korak u polaganju kablova je pravilan izbor rute na kojoj e kabl biti postavljen. Kljuni faktor u izboru rute su geopolitika ogranienja, o kojima treba voditi rauna da ne bi dolazilo do pravnih potekoa pri postavljanju i odravanju kablova. Sve vrste ovakvih ogranienja su definisane konvencijom Ujedinjenih nacija pod nazivom Law of the sea (UNCLOS). Zemlje koje nisu ratifikovale UNCLOS vode se sopstvenim pravilnicima kojima se regulie ovo pitanje. Kada se identifikuje potencijalna ruta za polaganje kabla, pomorski geolozi, najee sa iskustvom u polaganju kablova ispituju hidrografske i geoloke karakteristike tog podruja, proverava se da li ve postoje kablovi na toj lokaciji kao i ostale stvari koje bi mogle da predstavljaju prepreku pri samom postavljanju, ili kasnije tokom eksploatacije i odravanja. Nakon ovih istraivanja dobijaju se podaci o dubini, topografiji morskog dna, potencijalnim mestima koja bi mogla biti ekoloki ugroena, ali i o potencijalnim prirodnim hazardima, ili hazardima izazvanim ljudskim faktorom. Merenje dubine se moe vriti pomou konvencionalnih ultrazvunih metoda, ali se tada jednim merenjem dobijaju podaci za irinu od oko 1km. Noviji metod je viezrano mapiranje morskog dna (multibeam mapping). Poto se koristi vie zrakova podaci koji se ovom metodom dobijaju mogu pokriti i do 20km morskog dna. kao rezultat dobijaju se veoma precizni podaci o dubini i topografiji morskog dna. Na slici 4 ilustrovan je postupak prikupljanja ovih informacija.

Slika 4. Princip snimanja morskog dna multibeam sistemom

7

Ukoliko je lokacija takva da je kabl neophodno ukopati potrebno je prikupiti informacije o seizmikim aktivnostima i o sastavu i debljini sedimenta. Ukoliko nema potrebe za ukopavanjem onda je samo snimanje dovoljno. Ovako dobijeni podaci se konstantno osveavaju i tokom izvoenja radova da bi se , u sluaju da je dolo do nekih neoekivanih promena, projektovana ruta mogla korigovati u skladu sa novonastalim stanjem. Tokom samog postavljanja, od trenutka kada kabl napusti brod i ue u vodu, njegova putanja zavisi od tri faktora: brzine sputanja kabla, brzine kretanja broda i dubine na koju se kabl sputa. Na poetku procesa neophodno je kabl sputati sporo dok se brod kree sporo unapred sve dok kabl ne dodirne dno (touch down point). Tada brod moe da ubrza do maksimalne brzine kojom se kabl postavlja a ona se kree izmeu 11 i 15 km/h, dok je brzina odmotavanja kabla vea za dva do tri procenta. Kablovi koji se postavljaju na dubinama izmeu 1000 i 1500m su najee ukopani da bi bili zatieni. Najefikasniji je metod ukopavanja pomou morskog pluga (sea plough). U trenutku kada je kabl sputen plug ga postavlja u usku brazdu na morskom dnu. Ovaj postupak se kontrolie na brodu, a cilj je da se labavost kabla svede na praktini minimum, to jest, da kabl bude to je mogue vie zategnut a opet dovoljno oputen da moe neometano da legne u brazdu. Postoje razliiti tipovi plugova od kojih je svaki namenjen za razliitu strukturu morskog dna, a jedan od njih je prikazan na slici 5.

Slika 5. Plug za postavljanje podvodnih kablova

8

5. Mogui problemiRibarski brodovi, naftne platforme, bageri i ostala mehanizacija su svakodnevna pretnja podmorskim optikim kablovima. Svake godine se otrkije i otkloni izmeu 100 i 150 kvarova, od kojih su neki izazvani prirodnim silama, ali je veina posledica ovekovog delanja. Iako se ini da je interakcija izmeu kablova i ljudi neizbena postoje naini da se ona svede na minimum. I dalje se povremeno deavaju sluajevi da se ribarima kabl zakai za opremu, pa biva izvuen na palubu a zatim preseen, iako kompanije koje polau kablove neprekidno upozoravaju da postoji opasnost od strujnog udara u takvim situacijama. Oteenja kablova mogu dovesti do ozbiljnog zastoja u meunarodnim komunikacijama. Osim ribarenja, najei uzrok oteenja koje izaziva ovek su usidreni brodovi. to se tie prirodnih uticaja najvei efekat ima globalno zagrevanje usled kog se nivo mora podie pa se menja dubina na kojoj se kabl nalazi. Takoe, u situacijama pojaane aktivnosti vetra moe doi do promene morskih struja. Na slici 6 je dat grafiki prikaz uzroka kvarova na podmorskim kablovima u periodu do 2007. godine.

Slika6. Uzroci kvarova na podmorskim kablovima

9

6. Kablovi i ivotna sredinaUkupna duina poloenih podmorskih kablova je oko milion kilometara. Dimenzije dananjih kablova su jako male i iznose od dvadesetak milimetara u preniku kod kablova koji se postavljaju na velikim dubinama, do neto veih (do 50mm) koji se postavljaju u predelima bliim obali, na manjim dubinama. Iako zauzimaju jako mali prostor, ipak postoji interakcija izmeu kablova i ivog sveta u moru. U nekim zemljama je zakonski regulisano da se pre polaganja kabla mora ispitati njegov uticaj na ivotnu sredinu u kojoj je njegovo polaganje planirano. Uticaj kablova na stanovnike morskog dna najbolje se moe odrediti nakon polaganja kabla, i pokazalo se da nema nikakvih negativnih posledica, a ak i ako se dese neke promene one su bezopasne i neprimetne. Glavni razlog tome je injenica da se kablovi proizvode od materijala koji nisu toksini, i iji je sastav stabilan u morskoj vodi. ak je iroko rasprostranjena pojava da se na samom kablu razvijaju neki morski organizmi. U blizini Merilenda veliki broj poloenih kablova je formirao vetaki greben i privukao razne vrste algi i riba, te im obezbedio stanite. Zbog ovog i slinih primera, kabl mora da bude projektovan tako da traje dvadeset do trideset godina, a da u tom periodu ne podlegne uticajima slane morske vode, te da pone da korozira ili na bilo koji drugi nain ugrozi ivi svet pod vodom. [3]

7. ZakljuakSa razvojem tehnologije izrade optikih vlakana otvorila se mogunost da se prenos na velikim udaljenostima uspeno realizuje optikim sistemima. Zbog malog slabljenja usled velike istoe stakla, kao i dodatnih hemijskih elemenata koji se dodaju u procesu fabrikacije smanjen je broj regeneratorskih stanica, to je uinilo isplativim prenos optikim vlaknima u transokeanskim vezama. Danas se preko 90% meunarodnog internet i telefonskog saobraaja prenosi podvodnim optikim kablovima.

8. Literatura[1] International cable protection committee, Submarine cables and the oceans: connecting the world , 2009 [2] Mirko Topalovi, Transokeanske aplikacije, Saobraajni fakultet, 2012 [3] International cable protection committee, About Submarine Telecommunications Cables

10