На глубине

В начале этого года я был на встрече новозеландской группы сетевых операторов (New Zealand Network Operators’ Group, NZNOG’20). И лично для меня одним из самых интересных докладов было выступление Беатти Лейн-Дэвис (Beatty Lane-Davis) из Cisco о современном состоянии технологии подводных кабелей. Есть что-то особенное в проектировании суперсовременного технологического продукта, который сбрасывают с корабля за борт и который потом без сучка и
задоринки работает в морской пучине следующие двадцать пять лет, а то и больше! В создании такого инфраструктурного чуда задействованы и современная физика, и технологии кораблестроения, и интересные инженерные решения.

Краткий экскурс в историю подводных кабелей глазами австралийца

Рис. 1. Пароход Great Eastern Исамбарда Кингдома Брунела: с него в 1866 году проложили первый «долгоиграющий» трансатлантический кабель.

После нескольких неудачных попыток, 5 августа 1856 года, американская компания «Атлантик Телеграф» завершила прокладку первого в истории трансатлантического телеграфного кабеля (см. рис. 1). С конструктивной точки зрения он был прост и незамысловат: семижильный медный проводящий сердечник в обмотке из трех слоев новомодного чудо-материала под названием гуттаперча (резина по-нынешнему). Поверх гуттаперчи шла обмотка из просмоленной пеньки, а потом еще спиральная обмотка из 18-жильных стальных тросов.


Прослужил этот кабель недолго, так как главный инженер-электрик компании, доктор Уилдмен Уайтхауз (Wildman Whitehouse), предпочитал бороться с затуханием сигнала повышением напряжения (в противоположность методу Уильяма Томпсона (William Thompson), будущего лорда Кельвина, который увеличивал чувствительность зеркальных гальванометров, служивших записывающими устройствами). Двух киловольт постоянного тока кабель не пережил: изоляцию пробило, и все было кончено.

В последующие годы технология шагнула вперед: появились релейные усилители, позволявшие передавать сигнал на более дальние расстояния, а технология обработки сигналов непрерывно совершенствовалась, расширяя возможности подобных систем. Телеграф уступил место телефонии, электронные лампы – транзисторам, а полимеры вытеснили резину, но по сути конструкция осталась той же самой: медный сердечник, герметичная изоляция и стальная обмотка для защиты кабеля на мелководье.

Рис. 2. Установка первого столба трансконтинентальной австралийской наземной телеграфной линии в Дарвине, 1870 г.

В Австралии первая телеграфная система, введенная в строй в 1872 году, состояла из 3200-километровой наземной линии, которая шла с юга на север через весь континент, от Аделаиды до Дарвина (см. рис. 2). Потом она короткими подводными сегментами соединялась с Сингапуром и дальше с Великобританией через Индию.

Такие кабели передавали только телеграфный сигнал. Трансокеанские телефонные системы поначалу использовали радиосвязь, и лишь через много десятилетий развитие электроники дошло до такого уровня, чтобы можно было передавать по кабелю речь.

В Австралии одна из первых таких систем появилась в 1962 году. COMPAC поддерживала 80 голосовых каналов по 3 кГц и соединяла Австралию через Новую Зеландию, острова Фиджи и Гавайские острова с западным побережьем Канады, дальше сигнал передавался по радиорелейной связи на восточное побережье, а оттуда в Великобританию шел кабель CANTAT. Для усиления сигнала использовались подводные ламповые реле. COMPAC проработал до 1984 года, когда вступил в строй кабель ANZCAN.

ANZCAN был проложен через Тихий океан примерно тем же маршрутом: «мокрые» сегменты шли от Сиднея до острова Норфолк, дальше на Фиджи, оттуда на Гавайи и дальше в Канаду. Это уже была аналоговая система на 14 МГц, с твердотельными релейными усилителями через каждые 13,5 км.

В 1995 году ей на смену пришла система кабелей PACRIM – опять аналоговая, но уже на 2×560 МГц. COMPAC прослужила 22 года, ANZCAN – 11 лет. PACRIM не проработала и двух, после чего ее срочно пришлось менять на оптоволоконные подводные кабели пропускной способностью 2,5 ГГц: с появлением Интернета возможности PACRIM стали просто смешны.

Сейчас в эксплуатации по всему миру находится почти 400 подводных кабелей общей протяженностью 1,2 млн км. На сайте Telegeography есть карта кабелей, показывающая все это богатство (см. рис. 3).

Рис. 3. Карта подводных кабелей с сайта Telegeography.com.

Владельцы

Первые кабельные системы были чудовищно дорогими по сравнению с размерами обслуживаемых экономик – и в строительстве, и в обслуживании. Поэтому для большинства потенциальных пользователей цена услуги оказывалась запредельно высока. Например, отправка телеграммы из 30 слов в Великобританию по только-только построенной трансконтинентальной линии стоила столько, сколько средний австралиец зарабатывал за три недели. Потому и пользовались телеграфом в основном власти и пресса.

Вдобавок к дороговизне телеграф изобиловал ошибками. Дело в том, что на наземном телеграфе имелись «промежуточные станции», где операторы вручную записывали поступающие сообщения и дальше вбивали их, опять же вручную, для передачи по следующему кабельному сегменту. С учетом того, сколько телеграфистов в Азии
знало английский, неудивительно, что перевиралось едва ли не каждое третье слово в сообщении.

Удивительно, пожалуй, то, что несмотря на все трудности система прижилась – и со временем становилась все надежнее и дешевле.

Большинство подобных проектов финансировалось государствами, а каждый кабель прокладывала и обслуживала своя компания. В конце XIX века их существовала масса: British Indian Submarine Telegraph Company, Eastern Extension Australasia and China Telegraph Company, British Australia Telegraph Company и так далее и тому подобное. Связь с государством была очевидна, особенно в те моменты, когда оно заявляло свои права: например, подчинив себе во время Первой мировой войны все кабельные линии, ведущие из Британии. Появление модели национальных телефонных операторов в первой половине прошлого века было зеркалом государственной принадлежности кабельных систем.

В таких рамках была разработана модель владения кабелем через консорциум: для прокладки кабеля образовывалось частное акционерное общество, которое собирало деньги на прокладку, залезая в долги к традиционным банковским учреждениям. Фактически компания принадлежала национальным операторам связи, которые покупали пропускную способность кабеля в пропорции, соответствующей их долевому участию в компании.

Как правило, покупка пропускной способности кабеля принимает форму неотъемлемого права пользования (англ. indefeasible right of use, IRU), которое дает владельцу IRU исключительный доступ к пропускной способности кабеля в течение фиксированного времени (обычно 15-25 лет, в зависимости от ожидаемого срока службы кабеля). Типовое IRU включает в себя и обязательство оплачивать соответствующую долю эксплуатационных расходов.

В годы, когда крупнейшими заказчиками подводных кабельных систем были национальные операторы связи, затраты по каждому IRU обычно делились поровну между двумя операторами на концах сегмента IRU. (Это было частью сбалансированного режима денежных расчетов между национальными операторами, при котором затраты на общую инфраструктуру, предназначенную для соединения национальных служб связи, делились поровну между соединяемыми сторонами.) Эта модель возникла в эпоху национальных монополий, но постепенное дерегулирование индустрии связи далеко не сразу подорвало систему консорциумов, и она оставалась неизменной еще не один десяток лет. В частности, модель деления расходов пополам между совладельцами одного IRU обосновывалась тем, что операторы сотрудничают в плане капитальных и текущих расходов на строительство и эксплуатацию оборудования – и при этом конкурируют в плане услуг.

Одним из важных элементов такого бюрократического стиля владения было то, что консорциум устанавливал цену пропускной способности кабеля по своему усмотрению. Делалось это для того, чтобы не допустить демпинга и сохранить высокую рыночную стоимость кабеля. В результате же получалась классическая ситуация ценового сговора с рационированием товара, при которой пропускная способность кабеля выводилась на рынок мелкими порциями, так, чтобы спрос всегда превышал доступное предложение в течение срока службы кабеля и цены оставались раздутыми.

Интернет-бум в начале девяностых совпал по времени с крупномасштабным дерегулированием на многих телекоммуникационных рынках. Поэтому права на прокладку кабелей во многих странах получили сторонние компании, а на рынке подводных кабелей появились «оптовики». Тогда же возник такой феномен как кабельная система в чьем-то единоличном владении. Поначалу на этих рынках доминировали оптовики, обслуживающие зародившийся сектор ISP, такие как Global Crossing, но относительно быстро к ним присоединились крупные провайдеры контента, такие как Google, Facebook и другие. Главным отличием такой модели является то, что цены теперь никто не диктует и они
могут отражать реальный баланс спроса и предложения.

Кабели

Базовая физическая конструкция подводного кабеля до сих пор практически не изменилась. Разве что носитель из медного стал оптоволоконным, в центральной части добавился стальной элемент жесткости, а вокруг носителя появилась гелевая обмотка для борьбы с истиранием. Получившийся сигнальный комплект заключен в медную оплетку, осуществляющую электропередачу, затем идет водонепроницаемый изоляционный слой (полиэтиленовая смола), затем защитные слои, подбор которых зависит от конкретного сегмента кабеля. Чем меньше глубина, на которой будет прокладываться кабель, и чем больше интенсивность судоходства в районе, тем больше количество защитных элементов, призванных защитить его от повреждения, если его кто-то случайно зацепит (см. рис. 4).

Рис. 4. Кабель в разрезе.

Как правило, кабель прокладывается прямо на донный грунт, но иногда на участках с оживленным судоходством кабель в стальной оплетке укладывается в специально прокопанную траншею, а если дно представляет собой каменный монолит, в некоторых случаях в нем вырубают канаву.

Рис. 5. Погрузка кабеля на судно.

Техника укладки кабелей ничуть не изменилась. Весь «мокрый» сегмент погружается на судно-кабелеукладчик, проверяется с начала до конца, а затем судно выходит в море и укладывает весь кабель в один проход. Скорость и местоположение судна определяется со всей тщательностью, чтобы не подвергнуть кабель чрезмерным нагрузкам при укладке. Корабль проходит весь маршрут прокладки кабеля за один прием, не останавливаясь, и по пути укладывает кабель на дно – в среднем на глубине 3600 м, но иногда она доходит и до 8 км. Кабель находится под натяжением вплоть до 8 км за кораблем.

Рис. 6. Судно-кабелеукладчик.

Ремонт кабелей тоже проблематичен. На шестикилометровой глубине требуется около 20 часов, чтобы сбросить вниз захват, подцепить кабель и подтянуть один его конец к поверхности. Глубже 6 км такая операция вообще невозможна, поэтому в более глубоких впадинах кабели не ремонтируют, а просто делают врезку по обе стороны впадины. Так или иначе, неисправность кабеля на очень большой глубине устранять долго, дорого и сложно.

Рис. 7. Релейный усилитель.

В ранних кабелях были только соединения «точка-точка», но коммерческие перспективы использования одной кабельной системы для соединения множества оконечных точек были так велики, что появились разветвители. Простейший вариант оптического разветвителя – разделение физических волокон в сердечнике. В наши дни чаще используются реконфигурируемые оптические мультиплексоры с вводом-выводом (ROADM). Эти устройства позволяют добавлять и/или удалять отдельные или несколько длин волн, несущих каналы данных, из транспортного волокна без необходимости преобразовывать сигналы по всем каналам WDM в электронные сигналы и обратно в оптические сигналы. Основные преимущества использования ROADM – не нужно планировать распределение всей полосы пропускания заранее, так как ROADM позволяют перенастраивать полосу по мере надобности. Такая перенастройка выполняется в любой момент и никак не влияет на трафик, уже проходящий через ROADM.

Рис. 8. Кабельный разветвитель.

Подводная система обычно называется «мокрым» (wet) сегментом, и эти системы соединяются с поверхностными на кабельных станциях. На станциях находится оборудование, обеспечивающее электропитание кабеля. Используется постоянный ток, причем в системах питания кабелей большой длины как правило подается 10 кВ постоянного тока с обоих концов. Кроме того, на кабельной станции обычно устанавливается оконечное оборудование для длины волны и оборудование контроля линии.

Оптические повторители

Название «оптические повторители», пожалуй, сейчас не совсем точно отражает суть дела. Ранние электрические повторители работали в режиме обычного повторения сигнала: ресивер преобразовывал аналоговый сигнал на входе в цифровой, затем опять в аналоговый — и пускал его по следующему сегменту кабеля.

Современные оптические повторители представляют собой фотонные усилители, которые работают на полной мощности на дне морском и рассчитаны на 25-летний срок службы. Световой поток накачки (с длиной волны 980 нм или 1480 нм) поступает в относительно короткий сегмент волокна, легированного эрбием, смешиваясь с входным сигналом. Ионы эрбия вызывают усиление входящего потока света с длинами волн порядка 1550 нм. Энергия накачки заставляет ионы эрбия перейти в возбужденное состояние (с повышенной энергией), и когда в систему входит фотон полезного сигнала, ион возвращается в исходное состояние и испускает квант избыточной энергии – еще один фотон, частота которого равна частоте исходного фотона. Усиленный таким образом сигнал по направлению и фазе совпадает с исходным. Подобные устройства называются EDFA-усилителями (см. рис. 9) (англ. Erbium Doped Fibre
Amplifiers – усилители на оптоволокне, легированном эрбием). Технология EDFA произвела настоящую революцию в конструкции подводных кабелей. Весь «мокрый» сегмент, включая повторители, как будто выносит передаваемый сигнал за скобки. Число используемых лямбд, кодирование-декодирование сигнала, полная пропускная способность кабеля – все это теперь регулируется на берегу: на кабельных станциях по оба конца кабеля. Таким образом удалось продлить срок службы оптических систем, так как можно извлечь дополнительную пропускную способность из существующих кабелей, просто заменив оборудование на концах кабеля, а сам кабель не трогать: он как лежал себе под водой, так и лежит, просто теперь по нему передается больше информации.

Рис. 9. EDFA-усиление.

Подводные оптические повторители рассчитаны на весь срок службы кабеля и не требуют последующего вмешательства. Их конструкция включает в себя элемент резервирования: если повторитель выходит из строя, пропускная способность кабеля несколько проседает, но
некритично.

Устройства EDFA отличаются ошибкой усиления по всему диапазону рабочих частот, поэтому необходимо добавлять пассивный фильтр к усиленному сигналу, чтобы получить более плоский спектр мощностей. Благодаря этому совокупная сумма линейных усилителей дает максимальную производительность сигнала по всему диапазону частот в кабеле. На значительном расстоянии и этого оказывается мало, потому в кабелях могут использоваться активные элементы, так называемые корректоры уровня усиления (англ. Gain Equalisation Unit) (см. рис. 10). Количество таких корректоров, расстояние между ними и параметры коррекции настраиваются для каждой кабельной системы отдельно.

Рис. 10. Коррекция уровня усиления EDFA.

В наземных системах управлять усилением можно динамически, и по мере добавления или удаления каналов усилители перенастраиваются так, чтобы выдавать оптимальный уровень. В подводных усилителях такого динамического управления нет, и они настраиваются на насыщение, т.е. всегда «на максимум». Чтобы избежать перегрузки подсвеченных каналов, все неиспользуемые каналы в спектре заняты сигналом «простой».

На повторители приходится значительная часть общей стоимости кабельной системы, поэтому приходится решать, разместить ли повторители поближе друг к другу – например, через каждые 60 км или около того – или же растянуть их до 100 км, чтобы сэкономить на общем числе повторителей в системе. Оборотная сторона медали в том, что чем больше вы готовы потратить на кабельную систему, тем выше будет ее пропускная способность.

Главная мысль здесь в том, что подводная кабельная система – это не конструктор, где все компоненты стандартны и соединяются между собой по единым конструкторским правилам, а индивидуальный продукт, где каждый компонент настраивается так, чтобы вся система в целом давала оптимальные показатели для конкретной среды применения. В сущности, каждый проект, связанный с прокладкой подводных кабелей, во многом разрабатывается с нуля.

Пропускная способность кабеля и кодирование сигнала

Самые ранние подводные оптоволоконные кабельные системы были разработаны в 80-х годах прошлого века и введены в строй в конце того же десятилетия. Эти первые кабельные системы были коаксиальными, и для регенерации и усиления сигнала в них использовалось электрооборудование. Усилители, как правило, располагались через каждые 40 км кабеля. Первое, что сделали для повышения пропускной способности кабеля, – это применили систему, которая давно и прочно прижилась в радиосвязи: частотное разделение каналов, или мультиплексирование с разделением по частоте (англ. frequency division multiplexing, FDM). Первые оптические кабели с электроусилением использовали FDM для создания нескольких голосовых контуров в одном и том же несущем коаксиальном кабеле. Такие кабели поддерживали 560 Мб/с всего, разделенные примерно на 80 тысяч голосовых контуров.

Несущую способность коаксиального кабеля в таких гибридных оптоэлектрических системах планировалось удвоить, но в этот момент появились полностью оптические системы EDFA, которые впервые были применены под водой в 1994 году. Такие кабели использовали тот же самый тип оптического мультиплексирования с разделением по частоте: каждый оптический кабель делился на несколько каналов с той или иной длиной волны (или «лямбд», по буквенному обозначению длины волны) в аналоговой общей структуре, получившей название WDM (Wave Division Multiplexing – мультиплексирование по длине волны, или спектральное уплотнение каналов).

С повышением несущей частоты сигнала на больших расстояниях стало играть заметную роль такое явление как хроматическая дисперсия. Дело в том, что на разных частотах свет в оптическом волокне движется чуть-чуть с разной скоростью. В результате этого прямоугольный импульс на входе превращается на выходе в сглаженный, а в какой-то момент искажения становятся столь велики, что цифровой процессор обработки сигналов (ЦПОС или DSP – digital signal processor) на выходе уже не может надежно декодировать сигнал. Для борьбы с хроматической дисперсией используются сегменты волокна с отрицательной дисперсией, легированные диоксидом германия для компенсации хроматической дисперсии. Идеальным, правда, такое решение не назовешь: хотя и можно спроектировать систему компенсации дисперсии на средней частоте полосы, по краям на длинных расстояниях дисперсия все равно будет значительной.

В полностью оптических системах первого поколения использовалась простейшая технология цифровой модуляции «включение-выключение» (one/off keying, OOK). Техника кодирования сигнала OOK применялась в системах WDM для скоростей сигнала до 10 Гбит/с на лямбду (этот потолок был достигнут в 2000 году), но для кабелей большей пропускной способности на длинных дистанциях этот метод непригоден из-за сочетания хроматической и поляризационной дисперсии.

В этот момент в цифровых процессорах обработки сигналов стали использовать методы модуляции когерентных радиочастот в сочетании со спектральным уплотнением каналов. Это стало возможно благодаря появлению усовершенствованных методов цифровой обработки сигналов, обогащенных наработками из мира радио, где приемник может обнаруживать быстрые изменения фазы
несущего сигнала на входе в дополнение к изменениям амплитуды и поляризации.

С помощью таких DSP становится возможно модулировать сигнал в каждой лямбде путем фазовой модуляции сигнала. Метод квадратурной фазовой манипуляции (Quadrature Phase Shift Keying, QPSK) определяет четыре точки сигнала, отделенные друг от друга 90-градусным фазовым смещением (см. рис. 11), что позволяет закодировать 2 бита в одном символе. Сочетание QPSK и кодирования по 2-точечной поляризации позволяет иметь по 2 бита на символ. На практике получается, что в C-диапазоне система на оптическом носителе на 5 ТГц, использующая QPSK и DWDM, может быть настроена так, чтобы иметь общую пропускную способность примерно в 25 Тбит/с, в предположении, что соотношение сигнал/
шум будет приемлемым. Еще одно преимущество – столь высоких скоростей можно достичь с помощью гораздо более скромных компонентов. Канал на 100G состоит из восьми носителей по 12,5G.

Рис. 11. Фазово-амплитудное созвездие для QPSK.

Амплитудная модуляция позволяет еще больше доработать этот метод кодирования. Возможности QPSK расширяет 8QAM, добавляя к кодированию QPSK еще четыре точки, так как появляются дополнительные фазы по 45 градусов с половинной амплитудой. 8QAM позволяет кодировать группы по 3 бита на символ, но предъявляет более высокие требования к отношению сигнал/шум – 4 дБ. 16QAM, как можно заключить из названия, определяет 16 отдельных точек в фазово-амплитудном пространстве, позволяя
кодировать по 4 бита на символ, ценой повышения минимально приемлемого соотношения сигнал/шум еще на 3 дБ (см. рис. 12). Практическим лимитом количества точек кодирования в фазово-амплитудном пространстве является показатель отношения сигнал/шум для самого кабеля, так как чем сложнее кодирование, тем выше требования к декодеру.

Рис. 12. Созвездия адаптивной модуляции для QPSK, 8PSK, 16QAM и 64QAM.

Еще одна методика, которая помогает извлечь плотный сигнал из шумного аналогового носителя, – использование кодов прямой коррекции ошибок (Forward Error Correcting, FEC) в цифровом сигнале. Коды FEC позволяют обнаруживать и исправлять небольшое число ошибок на кадр FEC, жертвуя для этого частью пропускной способности.

В области FEC сейчас вершиной является полярный код, позволяющий каналу практически достичь предела Шеннона – теоретического максимума скорости передачи при заданной пропускной способности и заданном отношении сигнал/шум.

Сейчас можно и выгодно развертывать кабельные системы средней и большой дальности пропускной способностью под 50 Тбит/с в одном оптическом волокне. Но это не тот предел, которого можно достичь в плане пропускной способности таких систем.

Проектировщикам кабельных систем доступны два диапазона частот. Самый распространенный – это С-диапазон, охватывающий длины волн с 1530 нм по 1565 нм. Соседний с ним L-диапазон простирается от 1570 нм до 1610 нм. В аналоговых терминах каждый диапазон составляет примерно от 4,0 до 4,8 ТГц. Если задействовать оба диапазона с кодированием DWDM и QPSK, получатся кабельные системы, которые смогут передавать где-то 70 Тбит/с на волокно на расстояниях до 7500 км.

Подобная пропускная способность дается немалой ценой, так как устройства EDFA работают либо в C-диапазоне, либо в L-диапазоне – поэтому, если нам нужны оба, потребуется вдвое больше EDFA-усилителей (а значит, и вдвое больше мощности на кабельных станциях). Возможно, в какой-то момент конструкторы кабельных систем обнаружат, что дешевле увеличить число пар волокон в кабеле, чем использовать все более сложные механизмы кодирования – хотя имеются и ограничения общей мощности, которую можно «вкачать» в дальние подводные кабели, так что, как правило, подобные системы большой дальности содержат не более восьми пар волокон.

Совершенно другой принцип оптического усиления используют т.н. рамановские, или ВКР-усилители (англ. Fibre Raman Amplifier, FRA). В них используется вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР), известное также как эффект Рамана (Stimulated Raman Scattering, SRS). Активной средой является нелегированное оптоволокно, а мощность
преобразуется в оптический сигнал за счет нелинейного оптического процесса – комбинационного рассеяния света, открытого индийским физиком Ч. Раманом (и независимо от него Л. И. Мандельштамом и Г. С. Ландсбергом в МГУ. Поскольку Нобелевскую премию за это открытие получил один Раман, термин «эффект Рамана» весьма непопулярен среди физиков на постсоветском пространстве: у нас это называют просто «комбинационным рассеянием света» – прим. редакции). При столкновении фотона с молекулой стекла, сопровождающемся обменом энергией, электрон в молекуле возбуждается до виртуального состояния, а при обратном переходе в вибрационное состояние происходит вынужденная эмиссия. К преимуществам FRA относятся переменное усиление длин волн, совместимость с установленным одномодовым волокном и пригодность для продления EDFA. Для FRA-усиления требуются лазеры с очень высокой мощностью накачки и сложное регулирование усиления, но сочетание EDFA и FRA может дать снижение средних требований к мощности на сегменте. FRA-усилители работают в очень широком диапазоне сигналов (1280 нм – 1650 нм).

Однако все это верно лишь в предположении, что стекло является пассивной средой, подверженной лишь линейным искажениям (или шумам): если увеличить длину кабеля вдвое, то затухание сигнала, уровень хроматической дисперсии и т.д. вырастут тоже вдвое. Но если вкачать в стекло большой объем энергии в виде фотонов, оно начинает вести себя нелинейно, и чем выше уровень энергии, тем более выраженной становится эта нелинейность.

При накачке оптических систем лазером возникает оптический эффект Керра: высокая интенсивность света вызывает изменение показателя преломления стекла, что в свою очередь может привести к нестабильности модуляции оптических систем, особенно фазовой. Прохождение сильных потоков света сквозь стекло может вызвать в нем акустические вибрации, приводящие к возникновению крупных фононов низкой частоты, а эти фононы вызывают рассеяние Мандельштама-Бриллюэна. В результате возникает ремодуляция светового луча, а кроме того, изменяются характеристики усиления и поглощения света.

Что получается? Для передачи сигнала высокой плотности по кабелю требуется большая мощность, а большая мощность приводит к нелинейному искажению сигнала (см. рис. 13), особенно фазовому. Приходится балансировать энергобюджет, хроматическое и фазовое искажение, а также пропускную способность кабеля. В современных кабельных системах иногда для оптимизации общей пропускной способности кабеля применяются разные алгоритмы кодирования для разных лямбд.

Рис. 13. Нелинейное искажение сигнала, модулированного по QPSK.

Начиная с 2010 года конструкторы кабельных систем по большому счету предоставляют DSP разбираться с дисперсией и отказываются от использования сегментов компенсации дисперсии в самом кабеле. DSP теперь выполняет компенсацию обратной связи. Благодаря этому повышается когерентность сигнала, пусть и ценой повышения сложности DSP. Кроме того, конструкторы наращивают диаметр стеклянного сердечника в SPF-волокне. Увеличение эффективного размера стеклянного сердечника снижает выраженность нелинейных эффектов в стекле, накачанном энергией, что позволяет увеличить полезную пропускную способность оптоволоконных систем с толстым сердечником в десять раз. Кроме того, разрабатываются более мощные DSP, которые могут выполнять больше функций. В определенной степени конструкторы при этом опираются на закон Мура. Наращивание числа элементов в микросхеме позволяет загрузить в чип DSP больший функционал, не выходя за рамки требований к мощности и охлаждению. DSP могут не только работать с компенсацией обратной связи, но и выполнять адаптивное кодирование и декодирование. Например, DSP может переключаться между двумя кодировками PSK для каждой пары символов. Пусть, например, каждый следующий символ был закодирован попеременно по 8QAM и 16QAM: тогда в результате мы получим по 7 бит на символ, что сократит значительное приращение между различными уровнями кодирования PSK. DSP также может тестировать различные фазово-амплитудные точки и сокращать их использование для символов с высокой вероятностью ошибки. Это так называемое вероятностное формирование созвездий (англ. Probabilistic Constellation Shaping, PCS). Если добавить к нему прямую коррекцию ошибок, отведя на нее примерно 30% полосы, можно получить в системе большой диапазон пригодных для использования уровней пропускной способности.

Кстати о пропускной способности современных кабельных систем: мощнейшим на сегодняшний момент является кабель MAREA, идущий от испанского Бильбоа до Вирджиния-Бич в США. Его рабочая пропускная способность составляет 208 Тбит/с.

Что дальше?

Эволюция подводных кабельных систем ни в коем случае не близится к концу, и все время возникают новые идеи о том, как сделать их мощнее и дешевле. В последние тридцать лет пропускная способность оптики каждое десятилетие увеличивалась примерно в сотню раз, и было бы глупо полагать, что такой бурный рост вдруг резко остановится – но нельзя и не признать, что поддержание его на прежнем уровне потребует немалого технологического новаторства в дальнейшем.

Замечу, что до сих пор основные усилия были сосредоточены на том, чтобы выжать максимум из одной оптоволоконной пары. Проблема здесь в том, что для этой цели мы загоняем систему в крайне неэффективный энергетически режим, поскольку значительная часть затрачиваемой энергии уходит в оптический шум, который потом еще и приходится отфильтровывать. Альтернативным вариантом является использование нескольких волокон в составе одного сердечника при гораздо более низкой мощности. Так можно повысить и пропускную способность системы, и ее энергоэффективность.

Будут продолжать совершенствоваться и DSP, но следует ожидать изменений в системах, отправляющих сигнал в кабель. Точно так же, как в векторных системах DSL используется предварительная компенсация запускаемого сигнала для того, чтобы скомпенсировать искажения в медном контуре, возможно, удастся использовать предварительное искажение в возбудителях лазеров – или, возможно, даже в сегментах EDFA – для того, чтобы вывести подводные
кабели еще на более высокий уровень производительности.

Источник: Internet Economics

  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •