Рекорд швидкості в оптоволоконних мережах – 500 Гбіт/с

За даними ОЕСР , через три роки кількість пристроїв інтернету речей може досягти 50 млрд. Зі зростанням числа гаджетів зросте і обсяг трафіку в мобільних мережах. За деякими оцінками, приблизно вчетверо. 

У Deloitte кажуть, що існуюча оптоволоконна інфраструктура, яка стане основою для 5G-мереж, не впорається з таким навантаженням.

З цієї причини все більше компаній та дослідницьких організацій працюють над технологіями, що підвищують пропускну спроможність оптики. Однією з таких організацій є Мюнхенський технологічний університет ( TUM ).

Його співробітники ще п'ять років тому розробили алгоритм ймовірнісного формування сигнального сузір'я – Probabilistic Constellation Shaping , або PCS . У 2016 році з її допомогою вдалося вперше досягти терабітної швидкості передачі в лабораторії.

У лютому цього року та сама група вчених поставила інший рекорд. Вони здійснили передачу даних на швидкості 500 Гбіт/с, але зробили це в польових умовах.

Для тестів використали сигнальний процесор Nokia PSE-3 , який впровадили в мережу німецького оператора M-Net .

ЯК ПРАЦЮЄ АЛГОРИТМ

PCS - це метод, який доповнює квадратурну амплітудну модуляцію ( QAM ) в оптоволоконних мережах. У класичному випадку QAM всі точки (значення амплітуди сигналу) мають рівні ваги та використовуються з однаковою частотою.

Алгоритм PCS , розроблений інженерами з TUM , щоразу вибирає оптимальну групу точок. Ця група найкраще підходить для поточного стану каналу. Для кожної з точок сузір'я вираховується ймовірність спотворення даних та значення необхідної відправки сигналу енергії.

Що менше спотворення повідомлення та енерговитрати, то частіше використовується конкретна амплітуда. Те, як часто використовувати точку сузір'я, визначають функції розподілу ймовірності. Вони виводяться досвідченим шляхом кожної конкретної мережі з урахуванням даних про середній рівень шумів в оптичному каналі.

Рекорд швидкості в оптоволоконних мережах – 500 Гбіт/с

Зазвичай PSC рідше використовує сигнальні точки з великою амплітудою. За словами розробників, це дозволяє підвищити стійкість сигналу до шумів та збільшити швидкість передачі. Наприклад, для 16-QAM "приріст" становить від 15 до 43%.

ЗАСТОСУВАННЯ ТА ПОТЕНЦІАЛ ТЕХНОЛОГІЇ

За словами президента Nokia Bell Lab Маркуса Велдона (Marcus Weldon) , у майбутньому PCS дозволить оптоволоконним мережам передавати великі обсяги даних та динамічно адаптуватися під поточні потреби у трафіку (наприклад, у 5G-мережах).

Технологію вже підтримує провайдер мережного обладнання Infinera . Компанія використовує ймовірнісну модуляцію в цифрових сигнальних процесорах серії ICE . У Infinera заявляють, що пристрої зможуть збільшити пропускну спроможність мереж щонайменше до 800 Гбіт/с. Поки що такі можливості ще не були протестовані.

Представники компанії кажуть, що технологія допоможе мобільним операторам та інтернет-провайдерам скоротити витрати на розвиток інфраструктури та будівництво нових ліній.

Але на популярність імовірнісної модуляції може вплинути один недолік: вона погано оптимізована для роботи з існуючими методами прямої корекції помилок ( FEC ) під час передачі даних.

FEC -методи розраховані те що, що це комбінації у каналі використовуються однаково часто. У випадку PCS деякі точки сузір'я вибираються частіше за інших. Це може позначитися на продуктивності мережі.

Для вирішення цієї проблеми розробляють більш досконалі FEC-методи , наприклад, «розпаралелюють» схеми корекції та проводять кілька перевірок одночасно.

Рекорд швидкості в оптоволоконних мережах – 500 Гбіт/с

АНАЛОГ ІМОВІРНІСНОЇ МОДУЛЯЦІЇ

Є ще один вид модуляції сигнального сузір'я – геометричний. Він відрізняється від імовірнісного тим, що змінює частоту використання конкретної точки, а форму сузір'я. Для цього до амплітудної модуляції сигналу додають фазову. Такий метод дозволяє "зрушити" точки щодо один одного.

Як і ймовірнісна модуляція, геометрична допомагає досягти більш ефективного використання оптичного каналу. Розташування точок у сузір'ї вибирається так, щоб у кожній з них відношення сигнал/шум ( SNR ) було максимальним.

Перевага геометричного вигляду перед імовірнісним - менша кількість можливих значень амплітуди. Ця особливість знижує шанс спотворення сигналу. Однак геометрична модуляція має недолік. Насправді вона виявляється менш ефективної у зменшенні спотворень сигналу, ніж вероятностная.

Фахівці сподіваються покращити геометричну модуляцію за допомогою методів машинного навчання. І тому використовують їх визначення оптимальної форми сигнального сузір'я.   

Результати поки що не дуже вражають. У дослідженні 2018 року проста одношарова нейромережа допомогла підвищити значення SNR на один відсоток. Проте інженери планують продовжувати роботу та поекспериментувати з рекурентними нейронними мережами.

Поки що геометрична модуляція сигнального сузір'я програє імовірнісною під час роботи у реальних мережах. І тому останню вважають найперспективнішим методом збільшення пропускної спроможності інтернет-каналів.

Очікується, що у найближчому майбутньому імовірнісна модуляція принесе користь інтернет-провайдерам. І дозволить створювати високошвидкісні лінії fiber to the home . Ще це буде цікаво хмарним провайдерам, наприклад, при перенесенні даних між різними дата-центрами.

Щоб залишатися в курсі подій, підписуйтесь  на нашу електронну адресу .

Більше новин та відео дайджестів на  нашому Youtube каналі . Підписуйтесь на наш Ютуб канал, щоб не пропустити новини.