海底電纜是怎麼放到數千公尺海底的?中間如果斷線他們怎麼找到「在哪裡」?

海底電纜是怎麼放到數千公尺海底的?中間如果斷線他們怎麼找到「在哪裡」?

網路串連了整個世界,似乎整個世界只要靠手機就能串連。不過,背後的功臣其實是靠我們看不到的海底電纜。那麼,這些海底電纜又是怎麼建立起來的呢?

網路讓全球都無線連接起來,讓千里之外的人們也能面對面交談,事實真的是這樣的嗎?

實際上,網路世界從來就不是「無線」的,而是靠遍佈深海中的無數海底電纜連接起來。如果哪一條斷了,你可能連LINE都發不出去。

全球共有多少條海底電纜?

我們印象中的網路,往往是看不見摸不著的虛擬世界。而真實的網路世界,大概長這樣:

  圖片來源:he.net

這是分佈在全球的約 380 條海底電纜,總長度超過 120 萬公里,可以繞地球 30 圈。除了南極洲,海底光纜連接起地球上所有大陸的網路。

這些海底電纜承擔著全球超過 95% 的國際數據傳輸,就像是網路的毛細管

我們能在異國他鄉和國內的家人影片通話,能在手機上看NBA 等國際體育賽事的直播,全賴這些深埋海底的電纜。

當你我用手機發送一段影片給紐約的朋友,這段影片的資料被附近的基地台接受後,要先後經過機房、數據中心,接著在海底光纜中跨越太平洋,最後才會被紐約的朋友接收。

整個路程長達 1萬多公里,可耗時只需 1 秒,海底電纜就是網路世界中傳輸數據的高速公路。

目前傳輸速度最快的海底電纜是橫跨大西洋 6600 公里的 Marea,由微軟、Facebook 和電信基礎設施公司 Telxius 聯合開發,理論上每秒最高可傳輸 160 TB 的數據。

海底電纜的故事

160Tbps ?這個數據傳輸速度是一般家庭寬頻的 1600 萬倍,相當於同時傳輸 7100 萬部高清電影。

由於海底電纜要連接幾個大洲的不同國家,長度起步一般都在數千公里以上。其中最長的一條是最長的是亞歐三號海底光纜(SeaMeWe-3),西起德國諾爾登,東至日本沖繩,跨越 3.9 萬公里,連接起四個大洲。

亞歐三號海底光纜共有 39 個登陸點.

 

衛星網路不能取代海底電纜嗎?

你可能會說,為什麼不能像過去電視一樣用衛星傳輸數據,而且馬斯克的 SpaceX 不是還在打造覆蓋全球的衛星網路嗎?

可實際上,衛星傳輸還遠遠不能取代海底電纜。

且不說透過近地軌道的衛星傳輸距離要比海底電纜要長,更無法承載網路龐大的容量,海底電纜通信容量是衛星的 1000 倍以上,而且衛星還更容易受到天氣情況影響。

海底電纜的故事

因此綜合傳輸效率和成本考量,海底電纜是目網路通信最優的選擇。

正因為海底電纜幾乎承擔整個全球網路的通信,一旦出現故障,後果可能不堪設想。

海底電纜的故事

比如 2006 年台灣地震造成該海域的 13 條海底光纜斷裂,直接讓中國一個月無法正常上網,當時中國的網民數量才 1.3 億。

而在 2013 年,一群無聊的人潛入海底切斷了東南亞-中東-西歐 4 號光纜,導致埃及的網速瞬間下降了 60%。

這樣的事情如果發生在今天,無法想像我們的生活會受到怎樣的影響。

 

人類第一條越洋海底電纜是何時建立的?

雖然網路誕生才 50 年,其實早在 100 多年前,在電話還沒誕生的年代,人類就開始透過鋪設海底電纜進行遠距離通信。

人類史上第一條海底電纜在 1850 年鋪設完成,由盎格魯-法國電報公司開發,跨越英吉利海峽連接英法兩國,只能用於發送摩斯電報密碼,由於沒有任何保護措施,還曾被漁民當做大魚打撈上來。

早年的海底電纜採用是銅線材質.

海底電纜在歐洲鋪設成功後,英國人很快就將目光放到了大西洋彼岸的北美大陸。然而兩者的難度卻天差地別,輪船光是要跨越大西洋就要花三週多的時間。更重要的是,連接歐洲和北美所需電纜的重量,遠遠超過當時任何一艘船隻。

1854 年,從紐約到紐芬蘭的海底電纜遭遇資金問題,負責這項工程一位英國工程師到紐約尋求投資,認識了美國企業家塞勒斯‧韋斯特‧菲爾德(Cyrus West Field)

塞勒斯‧韋斯特‧菲爾德.

兩人一拍即合,一個將載入人類史冊的海底電纜工程開始了。

在史蒂芬‧茨威格經典的歷史傳記文集《人類群星閃耀時》中,就專門用了一個章節來講述菲爾德如何鋪設第一條越洋電纜。

1858 年 8 月,第一個單詞透過細細的銅線傳到了美國,首條跨洋海底電纜鋪設完成。

海底電纜的故事

消息一出美國舉國歡慶,菲爾德一夜之間成為和哥倫布相提並論的國家英雄。當時英國《泰晤士報》在社論中所說了這樣的評價:

自哥倫布發現新大陸以來,還沒有哪一種方式在極大的擴展人類活動進程中,可以與此事相提並論。

英女王和美國總統互致賀電.

然而這條電纜只工作了一個月就罷工了,菲爾德也成英雄變成了「騙子」。之後幾年美國內戰爆發、世界經濟蕭條接踵而至,菲爾德的公司也快到倒閉了,他卻始終沒有放棄那條大西洋深處的電纜。

終於在 1866 年 7 月 13 日,歷經十多年、數次失敗後,菲爾德終於成功了,菲爾德也成了公認的「電纜之父」,給今天的全球網路埋下了重要的伏筆。

在菲爾德的越洋海底電纜鋪設鋪設成功 22 年後,中國的首條海底電纜也開始投入使用。全長 117 海裡,耗資 22 萬銀元,用於清朝朝廷與台灣的通信。

這條電纜一直工作到 1931 年,因為福建電信職工不滿南京政府迫於日本壓力簽下的不平等條約,才主動切斷。

直到 1988 年,光纖材料的發展讓海底電纜升級為海底光纜,逐漸成為全球網路重要的基礎設施。

海底電纜的故事

除了電信電信商,為了滿足越來越大的頻寬需求以及減少數據傳輸成本,各大網路巨頭也紛紛花費巨資投入到海底光纜的建設。

Google 高階工程副總裁曾在 2018 年在官方部落格中表示,過去 3 年 Google 在網路基礎設施上的投入已經超過 300 億美元,正在籌建的三條的海底光纜的花費也將破億。

不久前 Google 又宣佈建造一條新的海底光纜 Grace Hopper,用於連接美國,英國和西班牙。據悉該光纜具有 16 對光纖,將會刷新光纜的頻寬記錄,目前的海底光纜使用的光纖一般只有 6-8 對。

屆時,廣大網民的上網速度又將提升。

怎麼將光纜放入數千公尺深的海底

海底電纜的特點除了長,還有深。最深的海底光纜鋪設在 8000 多公尺下的深海,深度相當於一座珠穆朗瑪峰。

那麼怎麼將這些長達數千到數萬公里的光纜,鋪設到幾千公尺深的海底呢?

這是被公認為世界上最複雜且困難的大型工程之一,除了要將重達數千噸的光纜運上船,鋪設過程中還要在幾萬公里的航線上避開暗礁岩石,這在波濤洶湧的海中並不是一件容易的事。

海底電纜的故事

光纜的鋪設任務由鋪纜船來執行,但在出海之前的準備功夫不少。除了對鋪設路線進行調查,規劃適合的路線,光是將上千噸的光纜捲到船上的儲纜盤就要幾週時間

海底電纜的故事

鋪纜船的鋪設過程主要分為淺海區域和深海區域兩個階段。

在淺海區域,鋪纜船載著光纜開到距離登陸點數公里外的海上,再由小型的接駁船將光纜綁在浮標上牽引至岸邊,然後拆除浮標,讓光纜沉入海底,最後由潛水員或遙控機器人將光纜掩埋

海底電纜的故事

更大的挑戰則在深海區域,這十分考驗鋪纜船的駕駛技術。因為要控制好航行速度、光纜釋放速度,以保證光纜的入水角度、敷設張力適宜,才能避免損害光纜中的光纖,順利完成鋪設。

要將光纜鋪設到海底,還離不開埋設犁,其外形和功能和耕田所用的犁沒什麼不同,只不過它是在幾千米深的海床「耕作」。

海底電纜的故事

當埋設犁帶著光纜被下放到海底後,首先透過噴注工具噴出高壓水流,在海底衝出一條深約 2 -3 公尺的溝槽,再透過導纜孔將光纜放入溝槽,最後用泥土覆蓋在光纜上。

鋪設完成之後也並非一勞永逸,故障後的維修難度一點不亞於鋪設。

還記得菲爾德那條越洋電纜嗎?故障後用了 7 年多才維修成功,儘管今天光纜技術已經大大進步,維修過程依然不簡單。

其實為了保證光纜不被海水腐蝕、魚類撕咬,光纜本身就裝備了幾層由聚乙烯、瀝青、鋼線、銅管等材料組成的「鎧甲」,它們要保護的是只有一根頭髮絲大小的光纖。

跟很多人的直覺相反的是,越是在淺海區域,光纜的保護層越多,也更粗大。在深海的光纜則無需這麼多保護,因為在淺海反而更容易因為捕魚、船隻等人類活動遭到破壞。

  圖片來源:nec

 

海底電纜故障了怎麼辦?

海底電纜因為天災人禍而損壞每年都會發生一兩百次,故障發生後,要在數萬公里的電纜中定位損壞的那個位置,是第一個難點。

光纜定位故障一般會先採用光時域反射儀(OTDR)在光纜中發射一段雷射訊號,就可以根據斷裂位置的訊號反彈估算出大概位置。

接著技術人員再給光纜發射特定的電壓和低頻聲波訊號兩個訊號,被維修船上的感測器定位後,可以進一步確認光纜的故障位置。

海底電纜的故事

接下來維修船會駛到故障位置上方,如果在光纜位於 2000 公尺以內的海底,就會派出水下機器人,挖出海底的光纜,切斷故障部分,將剩餘兩端帶回船上修復。

  圖片來源:Wired

如果在 2000 公尺以下的深海,就要出動一個巨型的爪勾,將光纜勾回海面,整個操作過程就像在玩一個超大的娃娃機。

海底電纜的故事

接著就是在船上,用光纖熔接機將光纜切斷的部分與替代光纜拼接到起來,因為光纖比一根頭髮更細,拼接工作就像一場精細的外科手術。測試沒問題後,就會再次將光纜埋入海底。

海底電纜的故事

修復電纜不僅耗時耗力,還燒錢。修復一根電纜的費用從數十萬美元到數百萬歐元不等,但在今天,相比起網路癱瘓造成的損失,這點維修費不算什麼。

這一條條海底電纜連接了我們的網路世界,你在對話框收到的一個單詞、一張圖片或一段影片、在 Netflix、YouTube 上看到的每一幀畫面,都可能在深邃的海底跨越萬里才出現在你的螢幕上。

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