Technologia

Wyczuwanie światłowodem

Wyczuwanie światłowodem

Gdzieś w Pasie Okołopacyficznym dnem oceanu wstrząsa potężne trzęsienie ziemi. Wywołuje ono gigantyczne tsunami, które nabiera prędkości i uderza w zaludnione wyspy, przybrzeżne miasta i miasteczka. Wyobraźmy sobie teraz, że wstrząsy są wykrywane w ciągu milisekund, a alarm przekazywany jest do centrum monitoringu na lądzie z prędkością światła. Alarm zostaje podniesiony i władze wkraczają do akcji, ewakuując ludzi z zagrożonych miejsc w odpowiednim czasie. W takim scenariuszu można by pochwalić sejsmometry oceaniczne (OBS) za uratowanie życia, ale co jeśli byłby to zupełnie inny system?

W miarę jak świat wchodzi w erę cyfrową, a Internet w zasadzie jest już wszechobecny, kluczowy czynnik ułatwiający tę transformacyjną zmianę pozostaje ukryty przed naszymi oczami. Zakopana w dnie morza, w rowach lub ułożona w kanałach pod ulicami miast i budynkami, przy drogach i torach kolejowych, sieć kabli światłowodowych łączy się w super autostrady danych, przetwarzając ponad 95 procent globalnej łączności.

Istnieje około 486 czynnych lub będących w budowie kabli podmorskich (określanych czasem jako „szkielet internetu”), z ponad 1300 miejscami wyjścia na ląd, rozciągających się na ponad milion kilometrów. W przypadku ich lądowych odpowiedników, możemy mówić o jeszcze większych odległościach.

Światłowody stanowią rdzeń Internetu i umożliwiają błyskawiczną komunikację między ludźmi, urządzeń i komputerów oddalonych zaledwie o kilka metrów od siebie, jak w centrach danych i kampusach, po ogromne odległości obejmujące całe kontynenty i oceany. To jednak nie wszystko. Kable podmorskie i lądowe pojawiają się w nowej odsłonie, znajdując wiele zastosowań przynoszących ogromne korzyści.

Wyczuwanie światłowodem

Sektor telekomunikacyjny szybko porzuca miedziane przewody na rzecz światłowodów - cienkich pasm czystego szkła, z których żadne nie jest grubsze od ludzkiego włosa, co ułatwia transmisję światła na duże odległości. Każdy kawałek danych wysyłanych lub odbieranych przez komputery i prawie każda rozmowa telefoniczna, którą wykonujemy, jest przesyłana za pomocą światłowodów. Nawet komunikacja w telefonii komórkowej opiera się właśnie na nich. Tylko ostatnie kilka kilometrów jest przenoszone "przez powietrze". Przez ostatnie 60 lat inżynierowie badali możliwość wykorzystania włókien jako czujników. 

"Inżynierowie i naukowcy już od wczesnych lat rozumieli niezwykłe możliwości sensoryki światłowodowej. Pierwszy patent dotyczący wyczuwania światłowodem datuje się na 1960 rok, a przez dziesiątki lat najbardziej twórcze umysły badały wiele interesujących możliwości, jakie ma on do zaoferowania" - mówi Matteo Lonardi, inżynier ds. badań w Nokia Bell Labs.

Najważniejszą technologią, która napędza rozwój czujników jest Distributed Acoustic Sensing (DAS), która pozwala na pomiary w czasie rzeczywistym na całej długości kabla. W przeciwieństwie do konwencjonalnych instrumentów, które zależą od czujników działających w określonych punktach, czujniki rozproszone wykorzystują sam kabel do wyczuwania otoczenia. 

Mówiąc prościej, podłączony do jednego końca kabla czujnik DAS wysyła impulsy optyczne i patrzy na światło, które powraca z każdego mikroskopijnego fragmentu kabla (proces znany jako Rayleigh Backscatter). Zbierając te drobne fragmenty światła i obserwując, jak zmieniają się tysiące razy na sekundę w wyniku wibracji w pobliżu, urządzenie wykrywa i widzi unikalne sygnatury wydarzeń, które następnie odpowiednio identyfikuje i przypisuje.

DAS to specjalistyczny czujnik, który wykrywa zdarzenia akustyczne wokół włókna. Potrzebuje dedykowanego włókna - nieużywanego do przesyłu danych. "DAS nie odgrywa aktywnej roli w transmisji danych lub komunikacji per se, ale może być umieszczony wzdłuż linii komunikacyjnej lub sieci w celu ochrony zasobu światłowodowego lub lokalizacji przecięć" - mówi Dan Danskin, Commercial Manager - DAS w Alcatel Submarine Networks (ASN).

Oprócz DAS istnieją jeszcze czujniki realizujące inne zadania ale zachowujące zdolność inteligentnego wykrywania. W połączeniu ze światłowodem transpondery stanowią podstawowy blok każdej nowoczesnej transmisji optycznej. Przetwarzają one sygnały elektryczne na światło i odwrotnie, nadając i odbierając setki gigabitów na sekundę, dzięki zwartej modulacji i cyfrowemu przetwarzaniu sygnału. Podczas odbierania sygnałów świetlnych transpondery przeprowadzają kilka zaawansowanych algorytmów w celu usunięcia wszystkich zakłóceń sygnału dodanych podczas transmisji przez światłowód, aby zrekonstruować oryginalnie wysłaną wiadomość. 

Co więcej, w obecnych i przyszłych generacjach transponderów w produktach Nokia 1830 PSS, oprócz nadawania i odbierania setek gigabitów na sekundę, transponder będzie prowadził zaawansowane monitorowanie, wykrywanie i analizę na podstawie wszystkich informacji o rozchodzeniu się światła, pobranych podczas cyfrowego przetwarzania sygnału. Nie jest to ich główne zadanie jednak dzięki zaawansowanemu przetwarzaniu sygnału, umożliwiają uzyskiwanie takich informacji bez konieczności stosowania dedykowanego sprzętu lub światłowodów.

Zastosowania czujników

Sieć światłowodów telekomunikacyjnych jest zarówno krytyczną infrastrukturą, która musi być stale monitorowana, jak i potencjalnie globalnie rozproszonym czujnikiem. Zbieranie o informacji o otoczeniu może pomóc nie tylko w identyfikacji możliwych zagrożeń lub zakłóceń sieci ale też dostarczyć informacji o obszarze, w którym inne czujniki są niewystarczające. 

Godną uwagi zaletą czujników światłowodowych jest monitorowanie kabla, który dość często biegnie przez trudny teren i zmieniające się dno morskie. Na przykład spójne transpondery mogą pomóc w monitorowaniu całej infrastruktury kablowej, zabezpieczając ją przed wszelkimi oznakami awarii i optymalizując przepustowość. Niekorzystne zjawiska pogodowe, takie jak sztorm, trzęsienie ziemi czy prace budowlane, które mogą zakłócić pracę włókien, mogą być wykrywane za pomocą specjalnych narzędzi lub bezpośrednio na transponderze. Efektem jest szybsze przywracanie sprawności, dłuższy czas pracy i wyższa jakość usług.

Naprawa kabli podmorskich jest niebezpieczna i kosztowna. Wczesne i dokładne wykrycie zakłóceń, usterek lub uszkodzeń jest kluczowe dla zapewnienia ciągłości usług. Zaawansowane systemy monitorowania kabli mogą pomóc w skierowaniu personelu do dokładnej lokalizacji zdarzenia w celu podjęcia interwencji w odpowiednim czasie.

Kable muszą być również chronione przed działalnością człowieka, taką jak trałowanie, kotwiczenie czy pogłębianie. Czujniki mogą wykrywać drgania sieci rybackich ciągniętych po dnie morza. Sieci trałowe stanowią duże zagrożenie dla kabli podmorskich, powodując około 70 procent wszystkich uszkodzeń sieci. Wczesne ostrzeżenie da operatorowi kabla czas na nawiązanie łączności radiowej ze statkiem i poproszenie go o odsunięcie się od kabla.

Światłowody mogą być nawet wykorzystywane do środowiskowego i naukowego monitorowania trzęsień ziemi i tsunami. Istniejąca siatka kabli podmorskich może zostać skutecznie przekształcona w gigantyczną sieć czujników, które po połączeniu z sieciami opartymi na sejsmometrach mogą znacznie usprawnić globalne monitorowanie trzęsień ziemi po przystępnych kosztach. Ponadto światłowody mogą monitorować różne warunki oceanograficzne, takie jak prądy oceaniczne i osuwiska skalne, a także pomóc w śledzeniu ssaków.

Jeśli chodzi o naziemne czujniki kablowe, DAS jest szeroko stosowany do monitorowania rurociągów lądowych, w tym wykrywania wycieków, zakłóceń zewnętrznych i monitorowania ruchu gruntu. Może być stosowany do ochrony perymetrycznej krytycznych aktywów, a także przy kontroli granicznej. 

Wykorzystując istniejące optyczne sieci kablowe w obszarach miejskich, DAS może zapewnić siatki detekcji dla monitorowania ruchu i stanu dróg. Monitoring kolei to inny rozwijający się obszar, w którym można zastosować DAS. Dzięki zastosowaniu kabla optycznego wzdłuż torów, DAS może dostarczać informacje o poruszających się pociągach, wykrywać aktywność osób trzecich oraz lokalizować skały i osuwiska.

Możliwości i wyzwania

Po oszacowaniu ogromnych możliwości, jakie daje wykorzystanie światłowodu, jednym z głównych wyzwań, z którymi branża będzie musiała się zmierzyć, jest zarządzanie danymi. Monitorowanie i wykrywanie w nowoczesnych sieciach optycznych może generować niespotykaną dotąd ilość informacji. Problemem byłoby przetworzenie tego zalewu danych w celu odfiltrowania właściwych sygnałów. 

Odpowiednie narzędzia, na przykład sztuczna inteligencja i uczenie maszynowe, mogłyby zostać wykorzystane do usunięcia zakłóceń w nieprzetworzonych danych sensorycznych oraz do automatycznego wykrywania i śledzenia interesujących nas zdarzeń. Muszą one działać dynamicznie w miarę pojawiania się nowych zagrożeń i zapewniać ścisłe przestrzeganie ustalonych reguł rządzących procesem decyzyjnym.

Ze względu na masowe rozpowszechnienie sieci optycznych, możliwość monitorowanie i detekcji może okazać się niezwykle potrzebna. To technologia, która ma pozytywny i znaczący wpływ, pomagając w ograniczaniu i powstrzymywaniu ryzyka poprzez wczesne wykrywanie pożarów, burz i trzęsień ziemi. Może nawet odgrywać aktywną rolę w zwalczaniu skutków zmian klimatycznych, czyniąc świat bardziej bezpiecznym.

 

NOKIA