Az optikai hálózatok alapjai (BMEVIHVJV71) Tengeralatti összeköttetés 2014.04.17. Gerhátné Dr. Udvary Eszter
[email protected]
Budapest University of Technology and Economics Department of Broadband Infocommunication Systems http://www.mht.bme.hu/omt
since 1782
Történeti áttekintés • Az első tengeralatti távírókábel: – 1850. augusztus (John Watkins Brett, Angol-Francia Távíró Társaság) – Egyszerű rézkábel, guttaperka (Palaquium) szigeteléssel (Charles Wheatstone, Michael Faraday) – Dover és Calais között (1 napig működött)
• Az első transzatlanti távírókábel: – 1858. augusztustól szeptemberig működött – „Glory to God in the highest; on earth, peace and good will toward men.” (Dicsőség Mennyben az Istennek, békesség Földön az embernek…) – Viktória királynő Buchanan elnökkel is „beszélt” rajta – táviratot küldött
Az első transzatlanti telefonkábel: TAT-1 • 1956. szeptember 25 – 1978 • Koaxiális kábelek, polietilén szigetelés, elektroncsövek • Először 36db, egyenként 4 kHZ-es, később 48/3kHz • 69 km-enként elektronikus ismétlők • 1963-tól ezen ment a WashingtonMoszkva forródrót – A kubai rakétaválság után szükségessé vált a gyors kommunikáció – Ez eleinte csupán egy duplex távíróvonalat jelentett
Első transzatlanti optikai összeköttetés • TAT-8 – – – – – –
Első transzatlanti optikai kábel 1988 (2002-ig volt rajta kommunikáció) Amerika, Anglia és Franciaország között 2 pár optikai szál (plusz harmadik tartaléknak) 295.6 Mbps / optikai szál => 40000 telefon kapcsolat 40 km-enként optikai erősítők • EDFA • Az üvegszál körüli fémburokban megy a táp • Az egyik parton pozitív, a másikon negatív feszültség
– A kábelt nem temették el, tengerfenékre fektették • gyakori meghibásodás a hajózás miatt (vasmacska, vonóháló)
– Nem volt elektromágneses interferencia védelem • Optikai szálat nem befolyásolja • Cápákat támadásra ösztönzi • => Későbbi összeköttetések: árnyékolással
Telepített rendszerek - példák Név TAT-8 TAT-12 TAT-14
Dátum 1988 1996 2001
Rendszer 1310nm 1550nm 1550
SEA-ME-WE 3
1998
1550nm
2001
1550nm
(South-East Asia - Middle East - Western Europe)
PAC
Szál sebesség Megjegyzés 278 Mbps 2002-ig 5Gbps 2008-ig 2 pár aktív + 2 pár WDM 16x10Gbps (STM-16) backup szál 2000: 8x2.5Gbps 39000 km 2007: 48x10 Gbps két pár üvegszál 32x10Gbps
(Pan American Crossing)
TAT-14
Vízalatti kábelek fektetése • 2000-es évek eleje – 36 új kábel (17 milliárdos költség)
• 2008-2011 – 47 új kábel (7.9 milliárdos költség)
• 2012-2013 – 24 új kábel
• Eleinte: Európa-Észak-amerika között • Jelenleg: Afrika, Latin-amerika, közel kelet felé jelentős fejlesztések
Jelenlegi helyzet
Internetes térkép: http://www.submarinecablemap.com/
Jelenlegi helyzet • Transzatlanti kapcsolatok: > 95%-a Optikai kommunikáció – 75%-a internetes forgalom – 20% direkt magánhálózat – <5% beszédhívások
http://www.telegeography.com 2011-2013 új kábel költségek
http://www.telegeography.com
Tengeralatti összeköttetés Network Management System
Terminal Equipment
Armoured Cable
Lightweight Cable
Repeater
Cable Station
U.K. Cable Protection Committee & AlcatelAlcatel-Lucent Submarine Networks
Tengeralatti kábel követelményei • • • • • • •
Nagy nyomás (Speciális kábel) A mély víz hideg, stabil környezeti körülmények Sekély vízben páncélzatot igényel Az elektromos energiát a végpontokról kell betáplálni Nyomásnak ellenálló erősítők Regenerálás a végpontokon (3R) Az elejétől a végéig egységként tervezik
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
Polietilén Mylar szalag (boPET, biaxiálisan orientált PET) Sodort acélkábelek Alumínium vízálló réteg Polikarbonát Réz- vagy alumíniumcső Vazelin Üvegszál
Nagy szálszám 876 fibers
Fiber ribbons Dielectric central member
Filled buffer tube Water-blocking material Outer strength members
Kábelek
Ismétlő, kicsatolás
Branching Unit
A kábel lefektetése 1. • Az útvonal vizsgálata – Első útvonalterv kialakítása • Ezen végigmegy egy talajfelmérő hajó – Radarral a tengerfenék-profilt felállítani – Mintavétellel alátámasztani, pontosítani
• Kövek, lejtők elkerülése a fő cél
– Útvonal felmérés diagram készül • meghatározzuk a kábeltípust és –védelmet
• Útvonaltervezés – Több információ alapján • • • • •
Útvonalvizsgálat Tenger alatti építmények (pl. halászhálók) Lefektetőmunka nehézsége Kábelrendszer biztonsága Karbantartási lehetőségek
– Útvonal-pozíció lista (RPL)
A kábel lefektetése 2. • Rendszer felrakodása – RPL alapján egyenes vonal diagram (SLD) • Rendszer beállításai • Kapcsolat a kábelek és az ismétlők közt
– SLD alapján összeszerelik a rendszert • Utolsó teljesítménytesztek
– Felrakodás • Kábeltartályra tekercselik • 1000 km-es rendszer esetén egy hét (0-24)
A kábel lefektetése 3. • Kábelfektetés – Az útvonal megtisztítása • • • • •
Speciális „csáklyával” Halászfelszerelések Kötelek Elsüllyedt hajók Horgonyok
– Part-menti csatlakozás • Kiúsztatják a partra • Bekötik a kábelt a szárazföldi hálózatba • Leengedik a fenékre, erős vízsugárral betemetik (a kábel elé árkot ás) • Tesztelik (OTDR) – Csak akkor indul a fektetés, ha működik az első szakasz
A kábel lefektetése 4. – Kábelfektetés és ásás • 1000m-ig be kell ásni a kábelt – horgonyok, halászhálók elleni védelem – Kábeltemető berendezés » Egyfajta eke, rajta átfűzve a kábel » 65 tonnás daru teszi a vízre » távirányással, vízalatti kamerák segítségével, joystikkal irányítják » 1km/1 óra sebesség » Nem egyenes vonalban fektetik, sziklákat & szakadékokat kikerülik » Folyamatosan mérnek, hogy rendben van-e a lefektetett kábel (optikát és elektromos jelet is) » Pontasan előírt az adagolási sebesség, kábel megfeszítése
• 1000 m-nél mélyebben csak fektetés – Kábeltemető berendezést kiemelik – 5-6 km/óra
Meghibásodások - kábelszakadás • Kis mélységben jelentősebb a meghibásodás Faults by Water Depth 6%
0-100 Metres 100-200 Metres 200-500 Metres 500-1000 Metres 1000-2000 Metres >2000 Metres
3% 5%
4%
20% 62%
Meghibásodások - kábelszakadás %
• Halászat – Gyakori – Hatása egyedi kábelekre korlátozódik
• Horgonyok
Tyco Telecommunications & Global Marine Systems IEEE Journal of Oceanic Engineering, Engineering, Wood & Carter (2008)
80
Halászat
60
– Ritkább – Több kábelt egyszerre is érinthet
40
• Természeti katasztrófák (pl. földrengés)
20
– Ritka – Egyszerre több kábel
Horgonyok
1960
1970
1980
1990
Kábelszakadás - Védekezés •
Halászati tevékenység és horgonyok ellen – Felmérések a legbiztonságosabb útvonal felderítésére – Legjobb/legellenállóbb kábeltípus a kritikus szakaszokon – Kábel beásása a tengerfenéken (ahol lehetséges, sziklás talaj?) – Kábel védelmi zóna létrehozása (pl. Ausztrália kormánya Japán felé 3.7km széles zónát hozott létre, ahol tilos a halászati tevékenység -10 év börtönnel fenyegetnek) – Kábelek útvonalának meghatározásakor a kikötök és horgonyzásra használt területek elkerülése – Automatikus azonosító rendszer – Ismeretterjesztés
Tyco Telecommunications
• Figyelemfelkeltő előadások/események • Halászok képzése • 24 órás telefonos „segélyvonal” a hajók legénységének, ha kábelt „fognak”
– A forgalmat meg kell osztani, ezzel minimalizálva a kiesést Tyco Telecommunications
2000
Meghibásodás –kábel javítása •A kábel tulajdonosok egy speciális flottát tartanak fent a hibák elhárítására •Javítás: 24 órán belül
Alcatel-Lucent Submarine Networks
Kábel javítása • Hibák felderítése: távirányítású jármű (tengeralattjáró propellerrel és lánctalppal) – pl. fektetés után fedetlen kábelek felderítése • Elvágandó kábelt áramtalanítják, a forgalmat átterelik • Tengerfenéken elvágják • Felhozzák a kábelvégeket egy speciális horoggal • „Lemeztelenítik” a kábelt és izolálják a szálakat, szálhegesztés, fröccsöntött ház védi a csatlakozót (nyomás ellen) • Visszaengedik és kipróbálják
Összeköttetés típusok • Erősítővel – Víz alatti pumpáló lézerek – Nagy távolságú, 5000 km – Rövidebb szakaszok, 200-300 km
• Erősítő nélkül – Max. 300 km összeköttetés – nem tartalmaz erősítőt
• Erősítővel (pumpálás szárazföldről) – Nincs víz alatti pumpáló lézer – A víz alatti erősítőket távolról pumpálják (partról extra szálon keresztül) – 300-400 km összeköttetés
Diszperzió kezelés 1. EDFA
LCF fiber
NZ-DSF fiber
EDFA
….
…. 25 km
25 km
• LCF (Large core fiber) – – – – –
Kromatikus diszperzió: -2 ps/km.nm Nagy effektív terület 75 ~ 80 um^2 Nagyobb diszperziós meredekség Kisebb nemlineáris hatás A nagyobb teljesítmény miatt az első szakaszon használjuk
• NZ-DSF fiber (eltolt diszperziójú szál) – – – –
Kromatikus diszperzió: -2 ps/km.nm kisebb diszperziós meredekség A kisebb teljesítményű második szakaszon használják Csökkenti a felhalmozott kromatikus diszperzió szintjét
Diszperzió kezelés 2. EDFA
LCF fiber
NZ-DSF fiber EDFA
EDFA
Standard SMF fiber
EDFA
..…. 25 km
25 km
…. 50 km
10 span 500 km
• 500km (10 szakasz) után beiktatnak egy Standard egymódusú szálszakaszt (SMF), hogy a negatív kromatikus diszperzió hatását kompenzálják • 500km*(-0.2 ps/nm*km)=- 100 ps/nm*km • 50km*20 ps/nm*km=100 ps/nm*km • Az eltérő diszperzió meredekség miatt elő és utótorzításra van szükség az adó és a vevő oldalon
Polarizációs mód diszperzió kezelés • PMD felhalmozódik a hosszú szálszakaszokon és az egyéb optikai elemeken való áthaladás során • Az alkalmazott szálnak alacsony a PMD-ja ▫ 0.008ps/km2 => 7500 km után PMD=6.9ps • Az alkalmazott optikai elemeknek alacsony a PMD-ja ▫ Pl. EDFA: 0.1ps, WDM MUX/DEMUX: 0.1ps
Szárazföldi és tenger alatti összeköttetés Adódik a kérdés: Tengeralatti rendszereknél miért tudnak akár 7500km távolságú összeköttetést is megvalósítani (több, mint 100 szakasz, erősítők, 10 Gbit/s), míg szárazföldi összeköttetésnél korlátozott a táv (5 szakasz, 400km)? • A tengeralatti rendszerek előre definiáltak, amely hasonlít egy jól kontrollált laboratóriumi kísérleti rendszerre. • A szárazföldi rendszerekben a földalatti kábelek jellemzői nem ismertek (pl. PMD). A rendszer tervezőjének figyelembe kell vennie a különböző statisztikus eseteket.
