Az optikaio hálózatok alapjai (BMEVIHVJV71) Tengeralatti összeköttetés 2014.04 04.17. Gerhátné Dr. Udvary Eszter udvary@mht.bme.hu 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 Washington- Moszkva 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 SEA-ME-WE 3 (South-East Asia - Middle East - Western Europe) PAC (Pan American Crossing) Dátum 1988 1996 2001 1998 2001 Rendszer 1310nm 1550nm 1550 1550nm 1550nm Szál sebesség 278 Mbps 5Gbps WDM 2 pár aktív + 2 pár 16x10Gbps (STM-16) backup szál 2000: 8x2.5Gbps 39000 km 2007: 48x10 Gbps két pár üvegszál 32x10Gbps Megjegyzés 2002-ig 2008-ig 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 & Alcatel-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. Polietilén 2. Mylar szalag (bopet, biaxiálisan orientált PET) 3. Sodort acélkábelek 4. Alumínium vízálló réteg 5. Polikarbonát 6. Réz- vagy alumíniumcső 7. Vazelin 8. Üvegszál
Nagy szálszám 876 fibers Fiber ribbons Dielectric central member Filled buffer tube Outer strength members Water-blocking material 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)
Rendszer felrakodása A kábel lefektetése 2. 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 4% 5% 3% 6% 0-100 Metres 100-200 Metres 200-500 Metres 500-1000 Metres 1000-2000 Metres >2000 Metres 20% 62%
Meghibásodások - kábelszakadás Halászat Gyakori Hatása egyedi kábelekre korlátozódik Horgonyok Ritkább Több kábelt egyszerre is érinthet Természeti katasztrófák (pl. földrengés) Ritka Egyszerre több kábel % Tyco Telecommunications & Global Marine Systems IEEE Journal of Oceanic Engineering, Wood & Carter (2008) 80 60 Halászat 40 Horgonyok 20 1960 1970 1980 1990 2000 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 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 Tyco Telecommunications
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 25 km 25 km EDFA. 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 25 km 25 km EDFA... EDFA Standard SMF fiber 50 km EDFA. 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/km 2 => 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.