Les réseaux de communication sous-marins, au cœur du monde digital de demain

UNE EMPRISE CROISSANTE AU FIL DES DEUX DERNIERS SIÈCLES

Depuis un siècle et demi, les télé­com­mu­ni­ca­tions inter­con­ti­nen­tales se sont déve­lop­pées grâce aux câbles sous-marins. L’essor des échanges com­mer­ciaux mon­dia­li­sés a dopé la den­si­fi­ca­tion de ces réseaux, évo­luant de la paire de cuivre à la tech­no­lo­gie coaxiale et enfin à la fibre optique, avec un essor consi­dé­rable ces der­nières années. 

Aujourd’hui, loin devant le satel­lite (réser­vé aux solu­tions d’accès ou de dif­fu­sion télé­vi­suelle), plus de 99 % du tra­fic inter­con­ti­nen­tal voix et don­nées confon­dues s’effectue via des câbles sous-marins. 

Plus de 350 liai­sons, tota­li­sant près d’un mil­lion de km assurent les trans­mis­sions du monde entier, avec des capa­ci­tés de l’ordre de 200 Tbit/s par liai­son pour les plus récentes (soit 20 000 fois la capa­ci­té du pre­mier câble trans­at­lan­tique optique) avec un niveau de fia­bi­li­té per­met­tant une durée d’exploitation de plus de 25 ans. 

LES RÉSEAUX SOUS-MARINS AU CŒUR DE LA RÉVOLUTION NUMÉRIQUE

Conçus ini­tia­le­ment pour trans­mettre des signaux télé­gra­phiques, les réseaux sous-marins véhi­culent désor­mais des don­nées numé­riques à très haut débit, depuis les simples échanges de cour­riels jusqu’à la vidéo haute défi­ni­tion. La supé­rio­ri­té tech­no­lo­gique des réseaux sous-marins à fibre optique a atti­ré l’attention des acteurs « Over The Top » tels que Face­book, Google, Ama­zon ou Microsoft. 

D’un mar­ché his­to­ri­que­ment domi­né par les grands opé­ra­teurs télé­coms pour com­mer­cia­li­ser du trans­port de don­nées, le sec­teur des réseaux sous-marins sert aujourd’hui les besoins propres des OTT. En effet, si la crois­sance inter­na­tio­nale du tra­fic IP conti­nue de croître à des taux plus qu’enviables (+22 % par an), le déve­lop­pe­ment du tra­fic entre centres de don­nées (+44 % par an) a défi­ni­ti­ve­ment pris le pas sur les échanges « d’homme à homme ». 

En effet, du fait de l’implantation conti­nen­tale des « méga data­cen­ters », la sécu­ri­sa­tion des don­nées exige des sto­ckages simul­ta­nés en dif­fé­rents endroits de la pla­nète et un trans­fert per­ma­nent de don­nées afin de mini­mi­ser le coût d’exploitation de ces datacenters. 

Pour répondre aux besoins crois­sants de capa­ci­té, de connec­ti­vi­té et de flexi­bi­li­té, les routes sous-marines se mul­ti­plient afin d’offrir une rési­lience accrue. 

De 1998 à 2009, grâce au mul­ti­plexage en lon­gueur d’onde, la capa­ci­té de trans­mis­sion d’une fibre sous-marine est pas­sée de 20 Gbit/s (8 lon­gueurs d’onde modu­lées cha­cune en inten­si­té à 2,5 Gbit/s) à 1 Tbit/s (100 lon­gueurs d’onde à 10 Gbit/s).

Avec l’arrivée de la tech­no­lo­gie de détec­tion cohé­rente en 2010 qui per­met de détec­ter désor­mais, en plus de l’intensité, la phase et la pola­ri­sa­tion du champ élec­tro­ma­gné­tique, il est pos­sible d’utiliser des for­mats de modu­la­tion — com­bi­nant codage en phase et en inten­si­té au mul­ti­plexage en pola­ri­sa­tion — por­tant cette capa­ci­té à 20 Tbit/s par fibre, soit 200 Tbit/s pour un câble com­por­tant 10 fibres optiques par sens de transmission. 

Par ailleurs, les liai­sons sont équi­pées d’unités de rac­cor­de­ment en mer capables de redi­ri­ger à la demande tout ou par­tie du tra­fic entre les dif­fé­rentes sta­tions d’extrémité connec­tées au réseau terrestre. 

Outre les appli­ca­tions de télé­com­mu­ni­ca­tions, l’introduction de la fibre au sein des réseaux sous-marins per­met d’offrir de nou­velles fonc­tion­na­li­tés en connec­tant des sen­seurs externes à la liai­son (hydro­phones, accé­lé­ro­mètres…) ou en uti­li­sant la fibre elle-même en tant que cap­teur intrin­sèque, sen­sible aux ondes acous­tiques, vibra­toires, etc. 

Les réseaux sous-marins ne connectent plus seule­ment le monde de conti­nent à conti­nent, ils per­mettent éga­le­ment de son­der les fonds en recherche sis­mique et d’assurer la sécu­ri­té des infra­struc­tures cri­tiques mili­taires ou civiles. 

DES GRANDS PROJETS D’INGÉNIERIE COMPLEXES

L’industrie de ces réseaux s’est struc­tu­rée autour de sys­té­miers inté­grés ver­ti­ca­le­ment qui pro­posent des solu­tions clés en main, incluant à la fois la concep­tion, la fabri­ca­tion, l’installation ter­restre et marine, ain­si que l’exploitation et la main­te­nance du sys­tème com­plet pen­dant sa durée de vie. 

Un sys­tème sous-marin est consti­tué de dif­fé­rents éléments : 

• une sec­tion ter­restre (« Dry Plant ») com­po­sée de l’alimentation haute ten­sion (15 kV) de la liai­son sous-marine, des ter­mi­naux et des réseaux de trans­mis­sion ter­restres connec­tant les centres de don­nées (points de pré­sence « PoP ») aux sta­tions d’atterrage des câbles.
  Le cœur des ter­mi­naux est consti­tué du mul­ti­plexage de plu­sieurs lon­gueurs d’onde modu­lées à très haut débit. Grâce à la com­bi­nai­son de la détec­tion optique cohé­rente et du trai­te­ment numé­rique du signal, il est pos­sible de coder à la fois l’amplitude et la phase de cha­cun des deux axes de pola­ri­sa­tion de chaque lon­gueur d’onde optique. Comme en radio, il est pos­sible de trans­mettre plu­sieurs bits par sym­bole émis et le codage est adap­té à la dis­tance de transmission.
  Plus récem­ment, des tech­niques dites « Pro­ba­bi­lis­tic Constel­la­tion Sha­ping » per­mettent d’imaginer que d’ici deux à trois ans, la capa­ci­té de trans­mis­sion sur une fibre optique aura atteint la limite théo­rique énon­cée par Shan­non en 1948. 
• une sec­tion sous-marine (« Wet Plant ») com­pre­nant le câble sous-marin inté­grant la liai­son optique et les dif­fé­rents équi­pe­ments opto­élec­tro­niques immer­gés (répé­teurs, uni­tés de rac­cor­de­ment, sen­seurs…). En effet, pour com­pen­ser l’atténuation de la fibre, le signal optique est pério­di­que­ment ampli­fié par des ampli­fi­ca­teurs optiques à fibre dopée Erbium (« EDFA ») dont l’espacement varie entre 60 et 130 km sui­vant la lon­gueur du réseau et la capa­ci­té trans­mise. Ces répé­teurs sont conçus pour fonc­tion­ner durant 25 ans sans défaut, car toute panne entraî­ne­rait l’arrêt du trafic.
  Un répé­teur peut conte­nir jusqu’à 32 EDFAs et doit pos­sé­der les pro­prié­tés de résis­tance à la pres­sion (800 bar cor­res­pon­dant à 8000 m d’immersion), de tenue à la ten­sion élec­trique (15 kV) et d’étanchéité à l’eau ain­si qu’à l’hydrogène.
  Le câble à pro­pre­ment par­ler est com­po­sé d’un tube d’acier inoxy­dable de 2 mm de dia­mètre conte­nant les 32 fibres optiques pro­té­gées par un gel, une voûte consti­tuée d’une tor­sade de fils d’acier des­ti­nés à garan­tir la résis­tance à la pres­sion et à la tor­sion lors du lovage en usine ou sur le navire, d’un conduc­teur de 0,5 mm d’épaisseur et d’1,0 ohm/km de résis­ti­vi­té qui per­met d’alimenter en cou­rant conti­nu (1 A) les répé­teurs depuis les sta­tions d’atterrage, d’un enro­bage de poly­éthy­lène des­ti­né à assu­rer l’isolation élec­trique entre le conduc­teur et l’eau de mer, et enfin d’une armure pro­tec­trice com­po­sée de torons d’aciers d’un dia­mètre de 3 mm main­te­nus par un com­po­site de gou­dron et de fibres polypropylène. 

La concep­tion de la liai­son implique de trou­ver les meilleurs com­pro­mis de route et d’ensouillage en fonc­tion des contraintes bathy­mé­triques et des menaces sous-marines (sis­miques, cha­lu­tage, ancrage…) tout en gar­dant le meilleur ratio vitesse/contraintes de pose par le navire câblier. 

Le tout est recet­té sur la base d’une per­for­mance optique de bout en bout : capa­ci­té, latence, traitement/reconnaissance du signal trans­mis… Les sys­té­miers doivent alors maî­tri­ser plu­sieurs dizaines de corps de métiers dif­fé­rents, depuis l’ingénierie sys­tème jusqu’aux com­pé­tences élec­tro­niques, optiques, méca­niques, ther­miques, élec­triques, fia­bi­li­té, en pas­sant par l’ingénierie marine ou la conduite de grands pro­jets d’infrastructures.

La maî­trise de ce très grand éven­tail de com­pé­tences a don­né lieu à une concen­tra­tion autour de trois grands acteurs : Alca­tel Sub­ma­rine Net­works, TE Sub­com et NEC. Ils dis­posent de capa­ci­tés de R&D impor­tantes (entre 5 et 8 % du CA), de moyens indus­triels consé­quents et de flottes de navires avec leurs équi­pe­ments spé­cia­li­sés (drônes, engins sous-marins télé­gui­dés) néces­saires à la pose ain­si qu’à la main­te­nance des sys­tèmes déployés. 

DES INFRASTRUCTURES SOUTENANT LES APPLICATIONS TEMPS-RÉEL DE DEMAIN

La per­for­mance tech­no­lo­gique des sys­tèmes à fibre optique aug­mente de façon conti­nue, afin de ser­vir des appli­ca­tions de plus en plus gour­mandes en bande pas­sante : réseaux mobiles 4G/5G, strea­ming vidéo ultra-haute défi­ni­tion (8K), objets connectés/M2M, tran­sac­tions finan­cières à haute fréquence. 

La ten­dance devrait conti­nuer à s’accélérer : de nou­velles appli­ca­tions temps-réel, comme la réa­li­té vir­tuelle, la réa­li­té aug­men­tée ou encore les véhi­cules auto­nomes, exi­ge­ront des futurs réseaux inter­na­tio­naux un bond impor­tant en matière de capa­ci­té et de réduc­tion des temps de latence. Par exemple, les appli­ca­tions de réa­li­té vir­tuelle et de réa­li­té aug­men­tée (si pos­sible en 360° inter­ac­tive !) exigent une bande pas­sante 25 fois plus éle­vée que le strea­ming vidéo en HD, ain­si qu’un temps de latence réduit à moins de 0,1 ms afin d’offrir flui­di­té et réalisme. 

D’autres appli­ca­tions dyna­miques tendent à cou­vrir des besoins socié­taux appor­tant aux ter­ri­toires les plus iso­lés les bien­faits du e‑learning inter­ac­tif, de la télé­mé­de­cine ou de la tra­duc­tion simul­ta­née automatisée. 

Le volume de don­nées trans­por­té d’ici 2025 devrait ain­si être mul­ti­plié par 60, tout en amé­lio­rant le niveau de sécu­ri­sa­tion (redon­dance et chif­frage des don­nées) et de rési­lience des réseaux. 

Après plus d’un siècle, il est pour le moins fas­ci­nant que ce sec­teur, à la croi­sée des indus­tries méca­niques, navales, élec­tro­niques et optiques, soit tou­jours au cœur des évo­lu­tions tech­no­lo­giques les plus avancées. 

Les réseaux sous-marins ont su pré­emp­ter des tech­no­lo­gies d’avant-garde, tout en pré­ser­vant leur ADN d’infrastructures à très haute fia­bi­li­té. Car la bonne marche du monde entier en dépend !

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