O progresso da sociedade humana está intimamente relacionado aos avanços tecnológicos dos meios de comunicação. Desde a invenção da tecnologia de fibra óptica na década de 1960, a comunicação por fibras ópticas tornou-se o principal meio de transmissão e os cabos ópticos submarinos desempenham um papel-chave nas atuais redes globais, transportando cerca de 99% do tráfego de comunicações internacionais e diferentes partes do mundo estão conectadas entre si por cabos ópticos submarinos (Figura 1).
Figura 1 – Mapa da Rede Mundial de Cabos Submarinos – Reprodução / TeleGeography
Esses cabos estão concentrados nos mares mais ao sul do globo, e os terminais para conexão em terra estão localizados em áreas onde é relativamente fácil construir estações, incluindo a chegada de cabos terrestres e sistemas de energia.
Redes Ópticas Submarinas
Redes de cabos submarinos abrangem distâncias consideráveis, conectando fisicamente diferentes países e continentes, em grandes extensões de litoral, sendo vitais para o desenvolvimento de diferentes atividades.
Neste ano de 2021, o Ministério de Ciência, Tecnologia e Inovações do Brasil anunciou a entrada em operação do primeiro cabo submarino de alta capacidade ligando o Brasil diretamente a Europa e que possui 6 mil quilômetros de extensão. O cabo conecta Fortaleza, no Brasil a Sines, em Portugal, com passagens pela Guiana Francesa, Ilha da Madeira, Ilhas Canárias e Cabo Verde. Porém, no Brasil já existem outros seis cabos submarinos em funcionamento, ligando os Estados Unidos e daí até a Europa e Ásia.
A História começa bem antes…
A era da operação de cabos submarinos começou na meados do século XIX, no ano de 1850, com a primeira conexão internacional entre a França e a Inglaterra realizada via cabo telegráfico de cobre, que foi lançado através do Canal da Mancha (Figura 2).
Em 1858, foi estabelecida a primeira conexão transatlântica estável por cabo submarino e, em 1870, o primeiro telégrafo submarino entra em operação ligando Carcavelos, em Portugal com a Inglaterra. Após a sua inauguração as primeiras mensagens foram trocadas entre o Rei D. Luís I, de Portugal e a Rainha Vitória.
Entre os anos de 1866 e 1868, outro cabo transatlântico foi construído pelos ingleses passando pela costa européia e, a partir dos anos 1870, a rede submarina foi expandida para o oriente, onde estava localizada uma colônia britânica na Índia e os cabos submarinos usados pelos telégrafos começaram a se espalhar pelo mundo.
Cerca de 100 anos depois, em meados da década de 1970, a fibra óptica começou a ser usada para comunicações telefônicas terrestres entre grandes cidades e, no início dos anos 1980, a infraestrutura de um grande número de operadoras já incluía milhares de quilômetros de redes de fibra óptica.
Em 1988, o primeiro sistema de cabo submarino óptico transatlântico do mundo (TAT-8) foi construído, marcando um novo período histórico nas comunicações internacionais. Este cabo tinha uma capacidade de comunicação dez vezes superior a proporcionada pelos cabos de cobre na época, permitindo cerca de 40.000 comunicações simultâneas. Na Figura 3, temos o exemplo de um cabo óptico submarino.
Em 2019, o mundo contava com mais de 350 cabos submarinos em serviço, atravessando cerca de 1,2 milhão de quilômetros.
Hoje, mais de dois milhões de quilômetros de cabos de fibra óptica submarinos de última geração atravessam os oceanos, conectando continentes, ilhas e países ao redor do mundo. Indiscutivelmente, a rede internacional de cabos submarinos fornece uma das infraestruturas de telecomunicações mais importantes para o desenvolvimento da sociedade humana em uma economia verdadeiramente global.
Sistemas Ópticos
A invenção e o desenvolvimento da comunicação submarina, especialmente a aplicação da tecnologia de comunicação óptica, levaram a grandes mudanças no campo da comunicação e da informação. A comunicação por cabo óptico submarino tem a vantagem de fornecer grande capacidade de transmissão de sinal, de forma segura e confiável, de alta qualidade e com baixo custo quando comaprao a outras tecnologias com a mesma finalidade. Os cabos ópticos submarinos não apenas poderão substituir completamente os cabos coaxiais atualmente em operação, mas também substituir boa parte das comunicações via satélite e se tornar o meio de comunicação mais importante do mundo.
Quanto ao ciclo de vida dos sistemas ópticos, presenciamos uma evolução na tecnologia de telecomunicações ópticas que levam em consideração as características dos parâmetros de sistemas para os cabos ópticos submarinos. É necessária mais capacidade para as fibras, algo conseguido com a introdução de uma nova banda de sinal óptico, a banda L. As bandas C e L formam uma banda básica das redes ópticas de longa distância, conforme o ITU-T Manual (2009). Na banda C, existem 80 canais ópticos e também na banda L temos 80 canais ópticos. Se transmitirmos 100 Gbps em um comprimento de onda, isso significa, por exemplo, que teríamos uma capacidade de 80 X 100 Gbps em uso neste tipo de rede. Isso representa um novo desafio para os projetistas de rede encontrarem repetidores e amplificadores ópticos capazes de lidar com essa largura de banda eficientemente. Em 2015, já haviam equipamentos com capacidade de 100 Gbps por comprimento de onda óptico.
O desenvolvimento contínuo dos sistemas ópticos possibilitou novas soluções e redes de 200 Mbps e 400 Mbps estão comercialmente disponíveis. Entretanto, para obter taxas de transmissão de 100 Mbps ou mais em cabos ópticos submarinos, torna-se necessário instalar amplificadores ópticos em intervalos de cerca de 50 km. Essa distribuição proporcionaria qualidade de serviço suficiente em todos os continentes.
Os elementos principais de um sistema de cabos ópticos submarinos incluem os Repetidores submersíveis (REP), as Unidades de Ramificação Submarinas (BU) e as Unidades de Equalização Passiva submarinas (PEU), como mostrado na Figura 4.
O throughput da rede varia com a tecnologia óptica usada, mas hoje a maioria dos links de fibra avançados são capazes de transmitir mais de 200 Tbps. A capacidade realmente usada, ou seja, a “capacidade iluminada”, geralmente é muito menor, permitindo que os proprietários de cabos tenham flexibilidade para atender à demanda crescente ao longo do tempo, ou para acomodar grandes mudanças no tráfego da rede em caso de incidentes com outros cabos, como uma forma de proteção da rede.
Redes Ópticas Submarinas
Os cabos submarinos são propriedade predominantemente de consórcios de operadoras de telecomunicações que se unem para custear esses projetos. Todavia, nos últimos anos, grandes empresas da web, como Google, Facebook, Microsoft e a Amazon, por exemplo, têm investido em seus próprios cabos submarinos, ultrapassando os investimentos de provedores de backbone de Internet tradicionais.
A Figura 5, apresenta a seção transversal típica de cabo submarino que consta de: (1) polietileno, (2) fita de mylar, (3) fios trançados de metal (aço), (4) barreira de alumínio à água, (5) policarbonato, (6) cobre ou tubo de alumínio, (7) geléia de petróleo (vaselina) e (8) fibras ópticas.
Perto da costa, os cabos são blindados e enterrados para proteção contra possíveis incidentes com âncoras, animais, traineiras de pesca etc. Já no fundo do mar, os cabos ópticos submarinos podem ser enterrados ou assentados.
Cabo Óptico Enterrado
Três métodos são usados para enterrar os cabos submarinos. O primeiro método envolve o uso de uma espécie de arado para cortar o fundo do mar e enterrar o cabo. O segundo método prevê o uso de jato de água com a finalidade de cortar o fundo do mar. O terceiro método é a combinação de arado e o jato de água para cortar o fundo do mar. O ponto comum para todos os três métodos é o seu princípio de funcionamento.
Os cabos são enterrados em uma trincheira submarina por meio de corte mecânico. A prática de operação provou que essas três técnicas são adequadas em condições de solo macio do fundo do mar. A Figura 6, apresenta o método de abertura de valas a jato de água.
Cabo Óptico Assentado
Nas partes mais profundas do oceano, onde os danos são menos prováveis, os cabos correm ao longo da superfície do fundo do oceano. Um cabo de comunicação submarino típico tem um diâmetro de 17 mm para cabos de águas profundas, até 70 mm para cabo blindado em águas mais rasas.
Antes da operação de assentamento do cabo óptico, os dados relevantes como tipo de terreno, a profundidade da água, rota marítmas etc., são usados para calcular os dados de folga correspondentes ao terreno e à profundidade da água, resultando em informações precisas para um plano de assentamento detalhado. Ao mesmo tempo, o navio que fará o lançamento do cabo irá inserir os parâmetros de posicionamento no sistema de navegação automática para garantir que o navio seja sempre mantido na rota conforme o projeto.
Na instalação do cabo submarino, o navio conduz o cabo pelo fundo do mar de acordo com os requisitos de projeto (Figura 7). A instalação de assentamento é usada principalmente em alto mar com uma profundidade superior a 1000 m, porque a pesca e outras atividades de desenvolvimento marinho em águas profundas têm menor ocorrência e a probabilidade de danos ao cabo por forças externas é baixa. Ao mesmo tempo, o uso da tecnologia de instalação de assentamento é favorável à redução dos custos de projeto e operacionais.
Entretanto, o fundo do mar apresenta uma superfície irregular e ocorre uma diferença entre a distância da curva dos dois pontos no fundo do mar e a distância em linha reta do cabo dos dois pontos correspondentes, então o comprimento do cabo submarino deve ser maior que o comprimento da rota. Portanto, o controle da folga de assentamento é o aspecto técnico mais crítico na operação de assentamento de cabos ópticos.
Requisitos de Instalação
Não só o cabo, mas também as emendas e terminações precisam resistir à colocação, enterramento, recuperação e possível reutilização e manuseio normal do cabo sem degradação de suas propriedades mecânicas ou ópticas. O cabo deve resistir a qualquer tensão permanente, transitória ou oscilatória esperada no fundo do mar devido às correntes marítmas, declives, suspensão, enterramento, assentamento ou recuperação.
Todos os elementos envolvidos na instalação de cabos submarinos precisam ser compatíveis com o equipamento e a infraestrutura presentes nos navios lançadores de cabos que são usados para instalá-los ou mantê-los.
A fim de atingir os requisitos de usabilidade e qualidade exigidos para cabos ópticos submarinos em conexõs de longa distância, alguns fatores que afetam a qualidade das conexões de fibra devem ser levados em consideração:
- Atenuação – os valores de atenuação variam entre as diferentes bandas de comprimento de onda e devem ser menores na banda de 1550 nm, onde é cerca de 0,2 db / km ou menos;
- Dispersão – temos a dispersão de Rayleigh, dispersão cromática e dispersão do modo de polarização. A relação sinal-ruído óptico, OSNR, também deve ser levada em consideração como limita a distância entre amplificadores ópticos;
- Impacto da não linearidade – As fibras ópticas também possuem características não lineares como modulação de fase automática (SPM), modulação de fase cruzada (XPM), mistura de quatro ondas (FWM), espalhamento Raman estimulado (SRS) e espalhamento Brillouin estimulado (SBS). Essas características devem receber atenção especial, pois os fenômenos que causam podem ser o resultado da ação de um ciberataque não detectado pelos sistemas normais de gerenciamento e controle dos cabos ópticos submarinos.
Como mencionado, fatores como vandalismo, acidentes, animais marinhos e ações da natureza influenciam na disponibilidade e na qualidade dos serviços ofertados pelas redes ópticas submarinas. Levantamentos realizados pelas empresas que operam as redes submarinas apontam que a cada ano ocorrem mais de 100 falhas de cabo em média, exigem reparos em virtude de danos causados por diferentes motivos que incluem ataques de tubarões, terremotos e a própria pressão da água em grandes profundidades. Estatisticamente, a ameaça mais frequente, algo como 60% dos incidentes com cabos submarinos, decorre de âncoras de navios e redes de pesca.
Conclusões
Desde o primeiro cabo submarino, as comunicações submarinas mundiais passaram por mais de 170 anos de história de desenvolvimento. Os sistemas de comunicação que utilizam cabos ópticos submarinos desempenham um papel vital nas telecomunicações internacionais, graças à sua superioridade sobre os sistemas de cabos metálicos ou de satélite em termos de estabilidade, latência e capacidade de transmissão e atualização.
Uma tendência emergente é que os países tratem os cabos internacionais em zonas marítimas nacionais como uma infraestrutura crítica que merece proteção para complementar a legislação internacional tradicional sobre cabos. O negócio de construção e manutenção e venda de capacidade sobre cabos submarinos de fibra óptica é fundamental para as comunicações modernas. São sistemas complexos, que exigem investimentos contínuos e novas soluções técnicas para atender às taxas de transmissão exigidas e aos parâmetros de usabilidade e qualidade dos sistemas atuais. Isso coloca demandas consideráveis na gestão e controle das redes ópticas submarinas, bem como na organização de sua manutenção.
Até o próximo artigo!
