海底ケーブルネットワーク
海底ケーブルネットワーク向けの最先端ソリューション
海底ケーブルは、改定またはその他の水域底に敷設または埋設された通信ケーブルです。海底ケーブルネットワークは、陸上のある場所から別の場所へのデータ転送を集合的に提供するケーブルの統合システムです。このネットワークには、ケーブル自体およびこの大規模な通信を可能にする他のハードウェアコンポーネントやインフラが含まれます。衛星通信の急増にもかかわらず、国際データ転送の 95% 以上は未だ海底ケーブルネットワーク経由で行われています。
これらのケーブルのサイズは、ファイバー芯数、海洋環境（砂または岩）、および水深によって異なります。データを伝送する物理レイヤーのファイバーを湿気や損傷から保護するように特別に構築されています。ケーブルの内部レイヤーの光ファイバーは、保護/潤滑ジェルで満たされた小さなプラスチック/ナイロンチューブ内に保持されています。このチューブは通常、複数の亜鉛メッキ鋼のより線で覆われ、銅またはアルミニウムのチューブに入れられています。このチューブは、ポリカーボネートの層、別のアルミニウムの防水障壁、重量と機械的強度を高めるための鋼より線でさらに保護されているうえ、防水性を高めるためにマイラーとポリエチレンの外層が施されています。ケーブル構造にはさまざまなバリエーションがあり、ネットワークのアーキテクチャ、計画された用法、展開の深さや環境などによって異なります。
海底ケーブルのテストツール
海底ケーブルネットワークの構築、アクティベーション、メンテナンスには、アクセス性、長距離、自然の力への常時露出に関連した特有の課題があります。ネットワークのライフサイクル全体を通じて、適切なテストおよび監視ツールを使用することが非常に重要です。すべての海底ケーブルのテストツールを見る
ネットワーク構築
構築中、端面検査により、ネットワークのパフォーマンスの低下や停止を引き起こす（そして悪いテスト結果が生み出す）可能性のある、汚れの粒子やその他の物理的欠陥を検出できます。おそらく、物理レイヤーのファイバー検証に最も重要なツールは OTDR でしょう。多用途な双方向のドライ（陸上）型プラント OTDR だけでなく、長距離のウェット（海底）型プラント OTDR 用の特殊なタイプも使用できます。
海底ネットワーク構築用ケーブル敷設中に測定および制御する必要があるもう 1 つのパラメータは、実際のファイバーにかかるひずみの量です。これは、海底ファイバーグレード（IEC 60794-3-20）の 0.34% 未満である必要があり、これより大きい値ではファイバーの寿命が短くなります。ひずみの測定は、ポータブル型プルリアン OTDR を使用して実施できます。光分散ツールはまた、光分散のベースラインを設定し、分散補償が必要かどうかを評価するためのネットワークの特性評価にも極めて重要です。
アクティベーション
サービスアクティベーションには、データネットワーク機器のテストに加えて、光パワー測定とスペクトラム解析のためのツールが必要です。光パワーを定量化するには、耐久性の高い光パワーメーターが不可欠なツールです。光信号対雑音比（OSNR）測定用の高品質の光スペクトラムアナライザ（OSA）およびレイテンシ、スループット、ジッター、およびフレーム損失/ビットエラー率の解析用のネットワークテスターも、ネットワークパフォーマンスを検証および認証するこのフェーズで必須です。
監視と保守
監視と保守は、重要なケーブルネットワークの最適なパフォーマンスを維持するための鍵となります。ファイバーの物理的な状態を評価するためには、ONMSi などの効果的な光ネットワーク監視システムによりリアルタイムの障害、劣化、セキュリティ問題の監視ができます。
リンクの継続的なファイバー監視は不可欠な機能です。ONMSi を使用してファイバー劣化を検出し、さまざまなファイバー監視手法を用いて障害に関連する固有の課題に対処できます。例えば、海底ケーブルに固有のひずみ、温度、その他のパラメータの変動を検出するには、光ファイバーセンシングツールが重要な役割を果たします。さらに、サービスパフォーマンスの監視は、データの問題（レイテンシ、スループット、ジッター、フレーム損失/ビットエラー率など）をプロアクティブに特定するための鍵であり、通常はお客様に対する SLA 準拠を証明するために必要となります。
ONMSi
サービスパフォーマンスの監視
海底ネットワークのアーキテクチャ
海底ケーブルシステムの全体的なアーキテクチャは、おそらく、それを構成する個々の End-to-End 要素によって最もよく定義できるでしょう。これらの各コンポーネントは、数千マイルにわたる予測不可能な海洋を通じてデータの完全性を維持する上で不可欠な役割を果たします。
ウェットプラントは、水中に存在するすべてのネットワーク要素を表すために使用される用語です。このウェットプラントの境界は、ケーブルが水に入るのと水から出る 2 つのビーチマンホールです。ウェットプラントの個別部品には、ケーブル、イコライザー、分岐ユニット、海底リピーターが含まれます。
逆に、ドライプラントは、知られているように、ビーチマンホールとケーブル地上局の間の海中ケーブルネットワークセグメントで構成されています。これには、給電装置（PFE）、海底回線端末、陸上ケーブルセグメントが含まれます。
海底ケーブルシステムは、ドライプラントへの接続を提供するバックホールシステムを備えた地上局で、地上ネットワークに接続されます。地上局はヘッドエンドとデータセンターがある場所です。これらの陸揚げ地点は通常、海上交通量が少なく、潮流が穏やかで、海底が緩やかに傾斜している領域に位置しているため、ウェットプラントのケーブルをより簡単に埋設/陸揚げしてドライプラントに接続することができます。
名前が示すように、アンビリカルケーブルは海底と陸上の位置の間のライフラインを提供するものです。このタイプの海洋ケーブルは、海上のケーブルとともに地上位置または浮遊位置から海底ケーブルネットワークに電力を供給するために使用できます。
100万キロメートル（km）以上の海底ケーブルが、現在、世界中の海を横断しています。海底ケーブル地図は、すべての海底ケーブルの配置を正確に表しています。
光信号の到達範囲は減衰により制限されます。これを克服する 1 つの方法は、ケーブル敷設に離散間隔でリピーターを使用することです。海底ネットワークの場合、リピーターはドライプラントの給電装置（PFE）によって直列で電力を供給されます。正しい光パワーレベルを維持し、データ信号の適切な光信号対雑音比（OSNR）を確保するため、電気的に電力を供給される光アンプをこれらの信号の中継に使用できます。海底リンクで使用される増幅器のほとんどは、もともと低ノイズで高（> 15dBm）出力パワーがあるエルビウム添加ファイバー増幅器（EDFA）です。
これらのネットワークの設計上の選択肢は、通常、リピーターを使用するかどうか、使用する場合はその数に関係します。設計上のもう 1 つの考慮事項は、ケーブル敷設が複数の方向に分岐するか、単に点から点へ敷設されるかどうかです。無中継ケーブルシステムには、到達距離が制限されるという欠点が内在し、およそ 400km が限界となります。一方、これらの無中継システムは、リピーターが不要で電力供給がないので複雑さが低いため、敷設と保守のコストは低くなります。
海底ケーブルのテスト – 何を測定し認証するか
これらのネットワークは複雑であるため、ウェットプラント、ドライプラント、および地上局のすべてのセグメント（これらの要素間のインターフェイスを含む）をテストし認証することが極めて重要になります。ウェットプラントの場合、OTDR テストが、ケーブル全長にわたる減衰を測定するために不可欠です。
中継システムの場合、これにはインラインアンプ経由の測定が含まれます。無中継システムの場合、長距離 OTDR が必要になる場合があります。ウェットプラントの認証に必要なその他のテストには、波長分散（CD）や偏波モード分散（PMD）などがあります。
ドライプラントではまた、ウェットプラントへのエラーのないデータ送信の検証を含むテストと認証が必要です。SLTE パッチとマンホールスプライスの完全性を検証する必要があります。ドライプラント接続を介した光スペクトラム解析（OSA）も、もう一つの非常に重要なテストポイントです。地上局のデータネットワーク要素も、ファイバーバックホールとともに精査する必要があります。純粋に陸上ベースのネットワークと同様に、レイテンシ、スループット、ジッター、フレーム損失はパフォーマンスを評価するためのテスト指標となります。保護スイッチのサービス中断に伴う時間も評価する必要があります。
海底ケーブルネットワークの詳細：
現在、非常に多くの世界中のデータがこれらのネットワークを通過しているため、グローバルな通信、商取引、セキュリティに対するその重要性は、どれだけ誇張してもし過ぎることはありません。これは、英国がこの産業を支配し、軍事的、商業的、政治的優位性を生み出した頃のこれらのネットワークの最初期に歴史を遡ることができます。
ネットワークのパフォーマンスが悪いために、顧客向けウェブサイトの速度が遅い場合を考えてください。見込み客はサイトにしびれを切らし、製品やサービスを購入しないことに決めます。あるいは、別の市場への移行を検討するかもしれません。ネットワークが需要を処理できない場合、そうした顧客/見込み客の移行が発生し、あなたの努力は無駄になってしまいます。
現在、各国政府による海底ケーブルの所有権は、これらの巨大なネットワークを構築、監視、保守する複数の通信事業者のコンソーシアムに取って代わられています。近年、多くのインターネットコンテンツプロバイダー（ICP）およびデータセンターの所有者および通信事業者も、この貴重な商品に対する自社の利益を確保するために、海底ケーブルの所有権争いに参入しています。
海底回線の用途には限界がありません。国際的なインターネットや電話通信がこれらのネットワークに大きく依存しているため、コンピュータを所有するほぼすべての企業、政府、個人が日常的なユーザーとなっています。この需要の高まりに応えるため、海底インターネットケーブルの帯域幅は増加し続けています。例えば、バージニアからスペインまでの 6600km の MAREA ケーブルは、160 テラビット/秒（Tbps）でデータを伝送できます。
1850 年に最初の 海底電信ケーブルが、イギリスとフランスの間に構築されました。最新の絶縁材料がまだ存在していなかったので、銅線を保護するためにインドゴムやガッタパーチャなどの物質が使用されましたが、多くの場合失敗に終わりました。初期のネットワークのほとんどは英国が所有しており、当時利用可能な科学により帯域幅が大幅に制限されていました。
電話中継器の技術は 1950 年代までに十分に進化し、最初の大西洋横断海底電話ケーブルが可能になりました。これらのサービスの人気と広範な採用により、初期のネットワークの効率を高めるために追加の増幅器と中継器の開発が行われるようになりました。
1980 年代に始まったインターネット用ケーブル敷設は、大西洋を横断して敷設された最初の海底光ケーブルである TAT-8 で、従来の同軸海底電話ケーブルネットワークに取って代わりました。それは1988年に敷設されました。それ以来、光アンプ、素材、多重化機能は進化し続け、今日の海底ケーブルネットワークは世界規模の通信に最適なオプションになっています。
しかしながら、建設と実際の海底ネットワークの構築と展開におけるこうした進歩にもかかわらず、それらは依然として脆弱です。 漁具、錨、変化する潮流によって生じる危険は常に存在し、最初の海底ネットワークから現在に至るまで続いており、海底ネットワークのデータ容量を減少させたり、完全に機能不全に陥らせたりする可能性があります。
海底ケーブル敷設は新しい概念ではありません。実際に初めて実装されたのは、1858 年で、海面下深くに敷設された電信ケーブルを通じてニューファンドランド島とアイルランドを接続しました。これは当時は革命的でしたが、最初に送信された非テストメッセージは 509 文字のメッセージで、大西洋を越えて配送されるのに 17 時間 40 分かかりました。しかし、その時代以来、使用されるテクノロジーと手法は劇的に変化し（改善され）、より良いものになりました。
海底ケーブルとは
海底ケーブルは、海面下に敷設され、陸上のある場所から陸上の別の場所へのデータ転送を行う通信ケーブルです。ケーブルには、さまざまなサイズがあり、ケーブルが敷設されている水深だけでなく、海中に存在する可能性のあるあらゆる環境要素に耐えられるように備えられています。
歴史的に、海底ケーブルの敷設には約 4 年かかり、過酷な条件により断線するまでにわずか 1 か月しか続きませんでした。海底ケーブルは、最初は電信回線用に建設されたましたが、電話回線や同軸回線へと発展し、現代の海底ケーブルはすべて光ファイバーを使用しています。
現在、光ファイバー技術ではレーザーを使用して、細いグラスファイバー（光ファイバー）を通してケーブルのもう一方の端に高速波を送ります。フィラメント（ファイバー）は人間の髪の毛と同じくらい細く絶縁層で保護されています。浅瀬に敷設されるケーブルは、より過酷な条件に耐える必要があるため、より深いところに敷設されるケーブルよりもはるかに強くかつ太いものとなっています。
海底ケーブル敷設の未来
広大な陸地を横断してデータ信号を送信するには、主に 3 つの方法（電話ケーブル、同軸ケーブル、光ファイバーケーブル）があり、空中または海を通してデータを送信します。海底ケーブルから供給されるインターネットデータの 99% と380 以上のアクティブケーブルが海底に横たわっているため、海底ケーブルの必要性は明らかです。
インターネットとクラウドコンピューティングの需要は拡大しており、より高速で信頼性の高いサービスが求められています。実際、グローバルな帯域幅の需要は毎年最大 40% までもの割合で増加しており、アナリストは光ファイバーケーブルの敷設距離は、2020年には 200 万キロメートルに達すると予測しています。世界の人口の 53.7% （推定 43 億人に等しい）が 2021 年までにインターネットにアクセスできるようになると予想されています。海底インターネットケーブルの帯域幅は増加し続けており、海底ネットワークは、そうした需要に応えるための最も信頼性が高く、コスト効率の高いソリューションです。そのため、バージニアとスペインを結ぶ 6,600 km の MAREA ケーブルは、毎秒 160 テラビットのデータを伝送できるように装備されています。
海底ケーブル敷設は時間と費用がかかるプロジェクトですが、それでも衛星に代わるより安価で高速な代替手段です。いずれのオプションも依然として脆弱性があり、損傷を受けやすいものの、海底ケーブルが脅威的な損傷を受ける可能性ははるかに低いです。1 本のケーブルは毎秒数十テラバイトの情報を伝送できますが、衛星はそれに及ばず、毎秒約 1 テラバイトしか伝送できません。新しい位相変調技術と最新の海底機器の進歩により、その容量は 8000% まで増加し、海底ネットワークがデータとインターネットトラフィックの需要の高まりに十分に対応できるようになりました。
VIAVI テストおよび監視ツールシリーズは、構築段階からアクティベーションと監視に至るまで、海底ケーブルネットワークと海底ケーブルサービスのあらゆる側面に対処できるように特別に設計されています。海底ネットワークでは通常、ケーブルが敷設されている環境や条件に特有の障害が発生するため、適切な計測器を装備することが非常に重要です。そのため、代表的な海底ケーブルネットワークのアーキテクチャ全体は、要素別（ウェットプラント、ドライプラント、地上局、アンビリカルケーブル、長さ/距離、リピーター/アンプ）に分割されます。各要素は、ネットワークシステム全体を通してデータを保護し、配信する上で重要な役割を果たします。VIAVI の End-to-End ソリューションで、海底ネットワークを保護および監視しましょう。
世界の高速通信への依存度はかつてないほど高まっています。緊急の金融取引から無限のビデオライブストリーミングまで、海底ケーブルは私たちが気づいていない可能性のある現代のライフスタイルのさまざまな側面をサポートしており、海底ケーブルはグローバル経済のバックボーンの 1 つとなっています。実際、StableSeas による 2019 年の報告書によると、商用海底ケーブルは世界のインターネットおよび電気通信データの約 97% を伝送しています。
TelTeleGeographyの報告では、2020 年の時点で、世界中で 120 万キロメートルを超える海底ケーブルが稼働しています。これらのケーブルは、10 兆ドルを超える金融取引のほか、大量のウェブデータやインターネットトラフィックを時速数百万マイルという驚異的な速度で世界中に伝送しています。国際銀行業界、商業貿易、防衛データ、日常のインターネット使用などのさまざまな分野が、このクリティカルなインフラに依存しています。懸念すべきは、この重要なグローバルコミュニケーションの完全性は、偶発的および意図的な損傷の著しい危険にさらされていることです。
5Gやその他のテクノロジーが社会を高度に統合されたネットワークに変えるにつれて、光ファイバー海底ケーブルなどのデジタルインフラを保護することがこれまで以上に重要になっています。光ファイバー海底ケーブルに直面している課題とその克服方法をさらに深く掘り下げましょう。
事故が起こりやすい環境
海底ケーブルは、約 25 年間の寿命を維持できるように設計されています。ただし、経済的に老朽化すると、多くの場合、それよりも早く使われなくなります。その長い期間にわたって、環境はケーブルに大きな負担を掛けます。潮流の変化、浸食、嵐、塩水の侵入はすべて、データフローを混乱させる可能性があります。実際、ケーブルの約 6% は、潮流によって岩の多い表面にケーブルがこすれるにつれ、摩耗によって損傷を受けています。環境から生じるこれらの損傷は、多くの場合、軽微な故障や速度の低下から完全な接続の喪失に至るまで、さまざまな問題を引き起こします。
走錨と釣りのアクティビティ
より大規模かつ重大な物理的脅威は、漁船や引きずられた錨による事故によって引き起こされる人為的なものである事実は驚きではありません。TeleGeographyの報告によると、この種の偶発的損傷は海底ケーブルの障害全体の約 60%、つまり 3 分の 2 を占めています。このような事故は、漁船や大型船が指定された停泊場所の外で錨を引きずり、海底ケーブルにぶつかる際に発生します。最近の障害記録によると、商船が短い航路を航行する際に、錨をしっかりと固定し忘れることがあることが示されています。
サメ咬傷による脅威
サメ咬傷によるケーブル障害は非常にまれであり、おそらく報道で引用される最大の作り話です。過去に好奇心旺盛な魚やサメがいくつかのケーブルを噛んで被害をもたらしたことは事実ですが、一般的には主要な脅威ではありません。2009 年の国連環境計画の報告書によると、カマスとサメの両方が過去にケーブル障害を引き起こしたことがわかります。それらの咬傷はケーブルの絶縁体を貫通する傾向があるため、海水が電源導体を損傷させることになります。
激震と気象現象による被害
土砂崩れ、台風、津波、地震などの自然災害も、海底ファイバーにとって大きな脅威です。アジアの海底ネットワークでは、多数のケーブルが主要な地震帯の中央に集中しており、その結果、過去には自然災害により既存の太平洋横断ケーブルの約半分が切断されるという多くの大惨事が発生しています。残念なことに、特に日本や台湾のような地震の多い国では、地震で損傷した海底ケーブルは非常に一般的です。大地震やその他の自然災害の後に海底ケーブルが切断されると、インターネットアクセスや通信トラフィックの混乱を引き起こし、費用と時間的な大損害となる可能性があります。
ソリューション
海底回線の損傷を克服するために、過去 5 年間に開発された海底ネットワークは、物理的セキュリティの強化を念頭に置いて設計されました。光ファイバーケーブルを水環境の危険から保護するために、海底回線は通常、複数のレイヤーの保護コーティングで包まれています。保護特性をさらに高めるために、ケーブルは海岸線から数マイルにわたって延びる保護パイプに包ま込まれています。場合によっては、通信事業者はケーブルハウジングのリピーター内に配置された自動テクノロジーを使用することがあります。この技術は、水中に再展開するだけのために、損傷したケーブルを海から引き上げて修理するコストと時間を回避するのに役立ちます。
極端な地震や気象現象に対処するため、東南アジア日本ケーブル（SJC）コンソーシアムは、北アジアの地震が発生しやすい地域を意図的に避ける海底ファイバーケーブルの敷設経路を設計しました。同様に、NTT コミュニケーションズ株式会社（東京）のアジア海底ケーブルエクスプレス（ASE）のルートも同様のアプローチを採用しています。それらの新しい回線は、両端から最短で真っ直ぐなラインを取るのではなく、損傷ゾーンを迂回するように設計されています。このモデルは、危険度の高いゾーンを迂回し、地震と台風の両方による被害を回避することを目的としています。
最終的な考察
最終的に、海底回線はグローバル経済を適切に機能させ続け、世界中の人々を接続するのに役立ちます。これらのクリティカルなインフラをあらゆる侵害から守ることは、極めて重要な国益です。それを行う 1 つの方法は、海底ケーブルサービスを通じて定期的に修理やメンテナンスを行うことです。そうすることで、ケーブルの完全性が破壊的な損傷によって脅かされることがなくなるようにできます。リスク軽減手順は、監視システムを使用して光ファイバーネットワークをリアルタイムで監視し、問題が発生したときに警報を鳴らすことによって行うことができます。
光ファイバー海底ケーブルの保護と監視の重要性を考慮すると、通信会社は海底ケーブルの保守の課題を克服する努力を続けることが不可欠です。
The wet plant is a term used to describe all the network elements that reside underwater. The boundaries for this wet plant are the two beach manholes where the cable either enters or exits the water. Discrete parts of the wet plant include the cable, equalizers, branching units, and submarine repeaters.
Conversely, the dry plant, as it is known, consists of the subsea cable network segment on land between the beach manhole and the cable landing station. This includes power feeding equipment (PFE), submarine line terminals, and land cable segments.
The subsea cable system is connected to the terrestrial network at the landing station, with the backhaul system providing a connection to the dry plant. The landing station is where the head end and data center is found. These landing sites are usually located in areas with low levels of marine traffic, mild currents, and gently sloping sea floors so that the wet plant cables can be more easily buried/landed for linking to the dry plant.
As the name suggests, umbilical cables provide a lifeline between the seafloor and a land-based position. This type of ocean cable may be used to supply power to a subsea cable network from a ground position or floating position along with the cables in the ocean run.
Over one million kilometers (km) of submarine ocean cables currently transverse the world's oceans. A submarine cable map accurately represents the placement of all submarine cables.
The range of optical signals is limited due to attenuation. One way to overcome this is through the use of repeaters at discrete intervals over the cable run. For subsea networks, the repeaters are powered in series by the power feeding equipment (PFE) of the dry plant. To maintain the correct optical power levels and ensure adequate Optical Signal-to-Noise Ratio (OSNR) for data signals that electrically powered optical amplifiers that can be used to repeat those signals. Most of the amplifiers utilized in submarine links are Erbium-Doped Fiber Amplifiers (EDFA) which have inherently low noise and high (> 15 dBm) output power.
Design choices made for these networks typically relate to whether repeaters will be used, and if so, how many. Another design consideration is whether or not the cable runs will branch in multiple directions or simply travel from point to point. Unrepeated cable systems have the inherent drawback of limited range, with 400km being the approximate limit. On the other hand, these unrepeated systems can be cheaper to deploy and maintain due to their lower complexity as there are no repeaters required and hence no powering.
Subsea Cable Testing – What to Measure and Certify
The complexity of these networks makes it extremely important to test and certify all segments of the wet plant, dry plant, and landing station, including the interfaces between these elements. For the wet plant, OTDR testing is vital to measure attenuation across the entire length of the cable.
For repeated systems, this includes measurement through the in-line amplifiers. For non-repeated systems, long-range OTDR may be required. Other testing required to certify the wet plant includes chromatic dispersion (CD) and polarization mode dispersion (PMD).
The dry plant must also be tested and certified, including verification of error-free data transmission to the wet plant. The integrity of SLTE patching and the manhole splice should be verified. Optical Spectrum Analysis (OSA) through the dry plant connection is another critical test point. The data networking elements of the landing station must also be vetted, along with the fiber backhaul. As with a purely land-based network, latency, throughput, jitter, and frame loss are potential test metrics to assess performance. The time associated with protection switch service disruptions should also be evaluated.
Learn More About Submarine Cable Networks:
With so much worldwide data now traveling through these networks, their importance to global communication, commerce, and security cannot be overstated. This can be traced to the earliest history of these networks when British domination of this industry engendered military, commercial, and political advantages.
Suppose your customer-facing website is slow because of poor network performance. Potential customers lose patience with the site and decide not to buy your products or services. Or, perhaps you're looking to move into a different market. If your network can't handle the demands, such a shift would place on it, your efforts will be in vain.
Submarine cable ownership today by individual governments has given way to consortiums of multiple telecom carriers who build, monitor, and maintain these huge networks. In recent years, many Internet Content Providers (ICP) and data center owner and operators have also entered the fray of submarine cable ownership to ensure their own interests in this valued commodity.
The range of uses for undersea cable knows no boundaries. With international internet and phone communication relying so heavily on these networks, almost any business, government, or individual who owns a computer is a daily user. To meet this growing demand, submarine internet cable bandwidth continues to increase. For example, the 6600 km MAREA cable from Virginia to Spain is capable of carrying 160 terabits per second (Tbps) of data.
In 1850, the first undersea telegraph cable was built between England and France. Since modern insulating materials did not yet exist, substances like India rubber and Gutta-percha were used to protect the copper wires, often unsuccessfully. Most early networks were owned by the British and the available science of that era severely limited bandwidth.
Telephone repeater technology evolved sufficiently by the 1950's to make the first transatlantic submarine phone cables possible. The popularity and widespread adoption of these services spawned additional amplifier and repeater development to increase the efficacy of these early networks.
Originating in the 1980s, internet cabling has supplanted the legacy coaxial submarine phone cable networks with TAT-8, the first submarine optic cable laid across the Atlantic ocean. It was installed in 1988. Optical amplifiers, materials, and multiplexing capabilities have continued to evolve since that time making today's submarine cable networks the preferred option for worldwide communications.
Despite these advancements in construction and actual submarine network build and deployment, they are still vulnerable. The ever-present hazards presented by fishing equipment, anchors, and shifting currents have continued from the first submarine networks through the present day and can diminish the data capacity of a submarine network or even render it inoperative altogether.
Submarine cabling is not a new concept. In fact, it was first implemented in 1858, connecting Newfoundland and Ireland through a telegraph cable that was placed deep beneath the sea's surface. While this was revolutionary at the time, the first non-test message that was sent was a 509-letter message that took 17 hours and 40 minutes to be delivered across the Atlantic ocean. However, since those times, the technology and techniques used have drastically changed (and improved) for the better.
What are Submarine Cables?
A submarine cable is a communications cable that is laid beneath the ocean's surface that provides data transfer from one land-based location to another. Varying in size, the cables are equipped to withhold any environmental elements which may be present within the sea, as well as the depth of water in which they are situated.
Historically, submarine cables took approximately four years to install, lasting only one month before breaking down due to the harsh conditions. First constructed from a telegraph line, submarine cables have progressed to telephone and coaxial lines, with all modern submarine cabling using fiber optics.
Today, fiber-optic technology uses lasers that send rapid waves down through thin glass fibers (optical fibers) to the other end of the cable. The filaments (fibers) are protected by layers of insulation as they are as thin as a strand of human hair. The cables that are laid within shallow water are much stronger and thicker than those located deeper within the ocean as they have to withhold tougher conditions.
Future of Submarine Cabling
There are three main ways to transmit data signals across large spans of land (phone cable, coaxial cable, and fiber optic cables) which either send data through the air or through the sea. With 99% of internet data sourced from submarine cables and more than 380 active cables lying on the bottom of the ocean, the need for submarine cables is evident.
The demand for internet and cloud computing is expanding and the need for faster, more reliable service is here. In fact, the demand for global bandwidth is growing at up to 40% each year, with analysts predicting the installation of fiber optic cables to hit the 2 million kilometer range in 2020. It is expected that 53.7% of the world's population will have access to the Internet by 2021 which equates to an estimated 4.3 billion people. The submarine network is the most reliable and cost-effective solution in keeping up with such demand with submarine internet cable bandwidth continually increasing. As such, the 6600km MAREA cable, which spans between Virginia and Spain, is equipped to carry 160 terabits of data per second.
While submarine cabling is a slow and expensive project, it is still the cheaper and faster alternative to satellites. Although both options are still susceptible to vulnerability and damage, it is far less likely for subsea cables to suffer from threatening damage. A single cable can carry tens of terabytes of information per second where satellites fall short, being able to only carry approximately one terabyte per second. With new phase modulation techniques and the latest advancements in submarine equipment, the capacity has increased to 8000%, ensuring that submarine networks are well prepared for the heightened demand of data and internet traffic.
The range of VIAVI testing and monitoring tools are designed specifically to handle all aspects of the submarine cable network and subsea cable services, from the building stage right through to activation and monitoring. The submarine network typically poses unique obstacles due to the environment and conditions that the cables are situated within which is why it is critical to be equipped with the right instruments. As such, the entire architecture of a typical submarine cable network is divided into elements (wet plant, dry plant, landing station, umbilical cables, lengths/distances, and repeaters/amplifiers). Each element plays a crucial role in protecting and delivering the data throughout the network system. Protect and monitor the submarine network with end-to-end solutions from VIAVI.
Reliance on global high-speed telecommunications is higher than ever before. From urgent financial transactions to endless video live-streaming, undersea cables support numerous aspects of our modern lifestyle that we may not be aware of, making it one of the backbones of the global economy. In fact, commercial undersea cables carry about 97% of the world's internet and telecommunications data, according to a 2019 report by StableSeas.
As of 2020, there are over 1.2 million kilometers of submarine cables in service globally, TeleGeography reported. These cables carry over $10 trillion of financial transactions, as well as massive amounts of web data and internet traffic across the world at the incredible speed of millions of miles per hour. Various sectors, including the international banking industry, commercial trade, defense data, and daily internet usage, relies on this critical infrastructure. Concerningly, the integrity of this vital global communication is significantly at risk from accidental and deliberate damages.
As 5G and other technologies transform our societies into highly integrated networks, protecting our digital infrastructure - such as undersea fiber-optic cables - becomes more important than ever. Let's dive deeper to understand the challenges facing submarine fiber-optic cables and how to overcome them.
Accident-Prone Environment
Submarine cables are engineered to sustain around 25-years of shelf life. However they are often retired earlier than that when they start to become economically obsolete. Over that long period of time, the environment takes its toll on the cable. Shifting tides, erosions, storms, and saltwater intrusion are all potential disruptors of data flow. As a matter of fact, around 6% of cables are damaged through abrasion as the current scrapes cables against rocky surfaces. These damages coming from the environment often cause a variety of issues, starting from minor outages and lowered speeds to a full loss of connectivity.
Anchor Dragging and Fishing Activity
Not surprisingly, the larger and more significant physical threats are man-made, coming from accidents due to fishing vessels and dragged anchors. This type of accidental damage make-up about 60% or two-thirds of all submarine cable faults, TeleGeography reported. This accident occurs when fishing boats and large ships are dragging their anchors outside the designated anchoring areas, thus hitting subsea cables. Recent fault records have indicated that merchant ships sometimes forget to fasten their anchors securely when traveling during short passages.
Threats from Shark Bites
Cable faults due to shark bites are exceedingly rare, and it is perhaps the biggest myth cited in the press. While it is true that in the past, some curious fish and sharks have bitten a few cables and caused damage, in general, they are not a major threat. Both barracuda and sharks have been found to cause cable failure in the past, as reported by the 2009 UN Environmental Program report. Their bites tend to penetrate the cable insulation, thus allowing seawater to compromise the power conductor.
Damages by Extreme Seismic & Weather Events
Natural disasters - such as mudslides, typhoons, tsunamis, and earthquakes - are also major threats to undersea fiber. In Asia's underwater network, a large number of cables is concentrated in the middle of a major seismic belt, which resulted in many catastrophes in the past where natural disasters severed about half of the pre-existing trans-pacific cables. Quake-damaged undersea cables are, unfortunately, quite common, especially in earthquake-prone countries like Japan and Taiwan. When submarine cables are severed following a major earthquake or other natural disaster, it can cause disruptions in internet access and communications traffic that could cost both money and time.
The Solution
To overcome damages to undersea cables, the subsea networks developed over the past five years were designed with enhanced physical security in mind. In order to protect the fiber-optic cable from water environmental hazards, the undersea cables are typically wrapped in multiple layers of protective coating. To further increase its protective property, the cable is encased in a protective pipe that extends for several miles from the shoreline. In some cases, operators may use automated technologies that are placed inside the cable housing's repeaters. This technique can help to avoid the cost and time of pulling the damaged cable out of the sea to fix it, only to redeploy it underwater.
To deal with extreme seismic and weather events, the Southeast Asia-Japan Cable (SJC) consortium designed an underwater fiber cable deployment path that intentionally avoids the earthquake-prone zone in North Asia. Similarly, the route of NTT Communications Corporation's (Tokyo) Asian Submarine-cable Express (ASE) has taken a similar approach. Their new line is designed to go around the damage zone, rather than taking the shortest, straightest line from both ends. This model is intended to bypass high-risk zones and avoid the damage caused by both earthquakes and typhoons.
Final Thoughts
Ultimately, undersea cables help keep the global economy well-functioning and connect people around the world. Protecting these critical infrastructures from any compromise is a vital national interest of a country. One way of doing so is by performing regular repairs and maintenance through submarine cable services. Doing so will ensure the cables' integrity is not being threatened by any disruptive damages. Risk-mitigation steps can be done by using a monitoring system to supervise the fiber-optic network in real-time and sound alerts when problems arise.
Considering the importance of protecting and monitoring undersea fiber optic cables, it is essential for telecommunication companies to continue their effort in overcoming the challenges of submarine cable maintenance.
Reference Guide to Fiber Optic Testing: Volume 2
The industry standard for understanding fiber test challenges, standards, and processes
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