500 Гбит/с — рекорд скорости в оптоволоконных сетях

    Инженерам из Германии удалось добиться рекордной скорости передачи данных по оптоволокну в реальных, не лабораторных, условиях — 500 Гбит/с в одном канале.


    / Flickr / Tony Webster / CC BY

    Кто установил рекорд


    По данным ОЭСР, через три года количество устройств интернета вещей может достигнуть 50 млрд. С ростом числа гаджетов вырастет и объем трафика в мобильных сетях — по некоторым оценкам, примерно в четыре раза. В Deloitte говорят, что существующая оптоволоконная инфраструктура, которая станет основой для 5G-сетей, не справится с подобной нагрузкой.

    По этой причине все больше компаний и исследовательских организаций работают над технологиями, повышающими пропускную способность «оптики». Одной из таких организаций является Мюнхенский технологический университет (TUM). Его сотрудники еще пять лет назад разработали алгоритм вероятностного формирования сигнального созвездия — Probabilistic Constellation Shaping, или PCS (подробнее о нем расскажем далее). В 2016 году с её помощью удалось впервые достичь терабитной скорости передачи данных в лаборатории.

    В феврале этого года та же группа ученых поставила другой рекорд — они осуществили передачу данных на скорости 500 Гбит/с, но сделали это в «полевых» условиях. Для тестов использовали сигнальный процессор Nokia PSE-3, который внедрили в сеть немецкого оператора M-Net.

    Как работает алгоритм


    PCS — это метод, который дополняет квадратурную амплитудную модуляцию (QAM) в оптоволоконных сетях. В классическом случае QAM все точки (значения амплитуды сигнала) имеют равные веса и используются с одинаковой частотой.

    Алгоритм PCS, разработанный инженерами из TUM, каждый раз выбирает оптимальную группу точек, которая лучше всего подходит для текущего состояния канала. Для каждой из точек созвездия высчитывается вероятность искажения данных и значение требуемой на отправку сигнала энергии. Чем меньше искажение сообщения и энергозатраты, тем чаще используется конкретная амплитуда. То, насколько часто использовать точку созвездия, определяют функции распределения вероятности. Они выводятся опытным путём для каждой конкретной сети на основе данных о среднем уровне шумов в оптическом канале.

    / Wikimedia / Splash / CC BY-SA / Сигнальное созвездие для 16-QAM

    Обычно PSC реже задействует сигнальные точки с большой амплитудой. По словам разработчиков, это позволяет повысить устойчивость сигнала к шумам и увеличить скорость передачи. Например, для 16-QAM «прирост» составляет от 15 до 43%.

    Применение и потенциал технологии


    По словам президента Nokia Bell Lab Маркуса Велдона (Marcus Weldon), в будущем PCS позволит оптоволоконным сетям передавать большие объемы данных и динамически адаптироваться под текущие потребности в трафике (например, в 5G-сетях).

    Технологию уже поддерживает провайдер сетевого оборудования Infinera. Компания использует вероятностную модуляцию в цифровых сигнальных процессорах серии ICE. В Infinera заявляют, что устройства смогут увеличить пропускную способность сетей до 800 Гбит/с, но пока их возможности еще не были протестированы. Представители компании говорят, что технология поможет мобильным операторам и интернет-провайдерам сократить расходы на развитие инфраструктуры и строительство новых линий.

    Но на популярность вероятностной модуляции может повлиять один недостаток: она плохо оптимизирована для работы с существующими методами прямой коррекции ошибок (FEC) при передаче данных. FEC-методы рассчитаны на то, что все комбинации в канале используются одинаково часто. В случае с PCS некоторые точки созвездия выбираются чаще других, что может сказаться на производительности сети. Для решения этой проблемы разрабатывают более совершенные FEC-методы, например «распараллеливают» схемы коррекции и проводят несколько проверок одновременно.

    О чем мы пишем в нашем корпоративном блоге:



    / Flickr / Groman123 / CC BY-SA

    Аналог вероятностной модуляции


    Есть ещё один вид модуляции сигнального созвездия — геометрический. Он отличается от вероятностного тем, что меняет не частоту использования конкретной точки, а форму созвездия. Для этого к амплитудной модуляции сигнала добавляют фазовую, что позволяет «сдвинуть» точки относительно друг друга. Как и вероятностная модуляция, геометрическая помогает добиться более эффективного использования оптического канала: расположение точек в созвездии выбирается так, чтобы в каждой из них отношение сигнал/шум (SNR) было максимальным.

    Преимущество геометрического вида перед вероятностным — меньшее количество возможных значений амплитуды. Эта особенность снижает шанс искажения сигнала. Однако у геометрической модуляции есть недостаток: на практике она оказывается менее эффективной в уменьшении искажений сигнала, чем вероятностная.

    Специалисты надеются улучшить геометрическую модуляцию с помощью методов машинного обучения, используя их для определения оптимальной формы сигнального созвездия. Результаты пока не очень впечатляют: в исследовании 2018 года простая однослойная нейросеть помогла повысить значение SNR на один процент. Однако инженеры планируют продолжать работу и поэкспериментировать с рекуррентными нейронными сетями.

    Пока что геометрическая модуляция сигнального созвездия проигрывает вероятностной при работе в реальных сетях, и поэтому последнюю считают наиболее перспективным методом увеличения пропускной способности интернет-каналов. Ожидается, что в ближайшем будущем вероятностная модуляция принесёт пользу интернет-провайдерам в создании высокоскоростных линий fiber to the home, а также облачным провайдерам, например при переносе данных между разными дата-центрами.

    Дополнительное чтение в нашем блоге на Хабре:

    VAS Experts
    187,00
    Российский разработчик DPI-системы СКАТ
    Поделиться публикацией

    Комментарии 29

      0
      Вот как-то? Мюнхенский университет разрабатывает передачу связи на 500 ГБит/с, а половина домов в городе подключена через ADSL без какой-либо альтернативы…
        +3
        а вторая половина не имеет даже этой возможности. 21 век.
          0
          А вторая половина сидит на кабеле. Многие дома подключены к кабельному телевидению и получают интернет (100-150 Mbit) тоже через него. Это одна из причин, почему оптика сравнительно медленно распространяется.
            –1
            угу, вот только страна не заканчивается на крупных городах. Например Краснодар. да новые многоэтажки с этим проблем не испытывают (не все). старые многоэтажки этим похвастаться не могут. а уж частный сектор вообще перебивается как может.

            лично я себе подключил в частный дом оптику 100 мегабит, но вот абонплата 1300р совсем не радует.
              +2
              Только что были в Мюнхене, вжух, и уже в Краснодаре.
              Воистину интернет творит чудеса с расстояниями.
                0
                чего? где это я писал что я в Мюнхене?
                  0
                  Вы нигде — а я таки писал. Разумеется если речь идёт про «Мюнхенский университет», то и обсуждаемых город — таки «Мюнхен».
                    –1
                    а по мне никак не разумеется.
                0
                а 20$ в России большие деньги?
                  0
                  для вас это может и копейки, для меня сумма существенная.

                  особенно когда средняя зарплата в городе меньше 400 баксов (в реале, а не то что говорит наш не сменный президент).
            +1
            Вообще говоря, даже если рассматривать только M-Net, то они покрывают оптикой до 2/3 города уже сейчас и строят дальше. И предлагают до гигабита вниз и 50 мбит вверх. А что стоит это невменяемых денег, так вы ж не на цены вроде жалуетесь…
              0
              Они могут покрывать что угодно, но если в дом их не пускают (а во многих домах даже в тех местах, где они как бы есть их не пускают), то получается один ADSL — и хорошо если ADSL есть.

              При этом заставить всех балконы в одном стиле оформлять — это запросто. А сделать так, чтобы что-то быстрее ADSL было доступно — фиг.
                +4
                Уточним для неместных жителей: балконы в одном стиле и провайдера в дом не пустить — это собственники дома решают (собрание жильцов, фирма и т.д.), а не провайдеры. Предложение провайдера на рынке есть, да и не одного — тот же Водафон до 250 МБит вниз предлагает. Что я могу сказать, если вам 50 Мбит ADSL слишком мало — переезжайте или пишите петиции собственникам здания…
              0
              Вот как-то?

              Как, как — старый добрый принцип «работает — не трожь» + перевод на новые рельсы потребует нехилых вложений, что вполне может быть не очень оправданно экономически.
                –2
                То есть в «нищей России» деньги на подобные влохения нашлись, а в «богатой Германии» — нет? Вам не смешно?

                А вот «работает — не трожь», это да… интересно как это сработает через несколько лет, после того, как мировая финансовая система, наконец, крякнет… успеют ли подобного рода динозавры, свято уверенные, что любое решение любого вопроса может ждать 3-5-10 лет, условно говоря, «почесаться за ухом» — или нет.
                  +2
                  То есть в «нищей России» деньги на подобные влохения нашлись, а в «богатой Германии» — нет? Вам не смешно?

                  Вот не хочу ввязываться в политоту, но с моей точки зрения, преимущества «нищей России» (термин ваш) в отдельных сферах (обсуждаемый инет. относительно дешёвая мобильная связь, местами очень продвинутые банковские инет-порталы, etc) частенько связаны именно с тем, что из-за общего отставания, такие направления строились с ноля СРАЗУ на уже более продвинутых и новых технологиях, а не требовали перехода с работающих (и скорее всего устраивающих 95% пользователей) устаревших платформ/технологий/решений.
                    –1
                    Это можно (и то с натяжкой) отнести к банкам. Но вот к интернету и мобильной связи — вряд ли.

                    Все эти технологии замещали другие, через которые и в России и в Германии тоже прошли: 2G, 56K модемы, ADSL… вот это вот всё…
                      +1
                      Все эти технологии замещали другие, через которые и в России и в Германии тоже прошли: 2G, 56K модемы, ADSL… вот это вот всё…

                      Вы упускаете принципиальные детали. Советские стандарты телефонии не давали возможности нормально использовать телефонную «лапшу» в качестве высокоскоростной среды передачи данных. Не 56К было, а, дай Бог, на 24000 или 21600 соединиться через вечно полузатопленные колодцы и гнилые закрашенные краской поверх контактов советские телефонные кроссы в подъездах.
                      image
                      Вот первая попавшаяся картинка из Гугла, это ещё всё очень хорошо.

                      Пропустили вы и ISDN, которого практически не было в ex-USSR, потому что не по чему его было пускать.

                      Ещё больше разница в кабельном телевидении — DOCSIS3 даёт очень хорошие скорости по кабелю, но в пост-советских реалиях для него надо прокладывать кабель с нуля — советская кабельная система «коллективных антенн» практически не годится для DOCSIS, а во многих западных странах кабельное телевидение заведено в каждый дом.

                      Таким образом, в пост-советских странах был один вариант — строить всё с нуля. Во многих городах он ещё и облегчался наличием доступной коммунальной канализации между домами — затопление оптике не помеха, а в целом были очень неплохие трубы заложены повсюду. Во многих западных странах оптику приходится вешать на столбах в лучшем случае (местами добавляя «второй этаж» столбу), а в худшем — закапывать прямо в клумбы front yard по всей улице, предварительно получив разрешение каждого домовладельца. США, насколько я помню, мировой лидер в использовании радиорелейных каналов связи — вся земля частная, арендовать её у каждого землевладельца на всём протяжении трассы, да ещё чтоб он не передумал потом — задача, порой, невыполнимая.

                      Кстати о front yard — плотность населения в некоторых западных городах очень низкая — «одноэтажная Америка». Провести при такой плотности первый кабель — ещё более-менее выгодно, улучшать — уже нет.

                      Запросы среднего не-geek пользователя очень низки. До недавнего времени, например, в Канаде большинство пользователей проводной связи довольствовалось тарифами с ограничением в 30 Гбайт в месяц, это 40 минут скачивания в месяц на скорости 100Мбит/с.

                      Таким образом, при наличии стабильных каналов связи 10-100Мбит/с, очень мало причин вкладывать огромные деньги в замену этой инфраструктуры на оптику, особенно при низкой плотности населения в городах. Также стоит учитывать высокую стоимость рабочей силы во многих западных странах, из-за которой исчезают целые отрасли, такие как ремонт.
                    0
                    Опять же не во всей России все так хорошо:
                    1) в моем родном городе (г. Нарьян-Мар) до сих пор у родителей старый добрый ADSL модем
                    2) в СПб год назад я жил недалеко от м. Чкаловская и в квартиру заходил старый добрый коаксиал (ситуация никак не изменилась за год, как я знаю)
                    Так что заявления в духе «у нас смогли, а у них нет» — немного голословны, кмк
                      0
                      1) А в городе Нарьян-Мар — тоже больше миллиона жителей и Университет, устанавливающий рекорды скорости в оптоволоконных сетях, извините?

                      Да, я знаю, что в России, особенно где-нибудь в глубинке, с Интернетом всё не так хорошо, как хочется.

                      Но в данном-то случае речь идёт, всё-таки, о столице одного из регионов. И не самой бедной и, теоретически, не самой отсталой.

                      2) А вы спрашивали у других провайдеров — они могут предоставить вам более быстрый интернет или нет? Речь ведь идёт не о том, чтобы загнать всех железной рукой в счастье (СССР с законами о тунеядстве уже много лет, как почил в бозе), а возможности получения услуги…

                      У моего знакомого, арендовавшего в Японии квартиру 10 лет назад, тоже всё было негладко — интернета изначально в квартире не было вообще, только телефон (это в Японии, да), и из 8 или 10 компаний, которые он обзвонил согласились протянуть к нему оптику, кажется, две… но в сухом остатке: он свои 100Мбит таки получил… а в Мюнхене — это и сегодня проблема.
                +1
                Скажите пожалуйста. По идее чтобы иметь частоту 500Гб/с надо иметь частоту приемника 125Ггц. Неужели есть техника работающая на такой скорости?
                –12
                Недавно установили рекорд передачи без оптоволокна. Удалось осуществить передачу со скоростью 100 терабайт в секунду на расстояние одного метра. Это удалось сделать обычному грузчику — он уронил ящик со ста жесткими дисками.
                  +2

                  Вот оказывается на что Nokia променяла этот ваш мобильный рынок :)

                    +4
                    Автор забыл упомянуть ключевой момент: скорость была достигнута без использования спектрального уплотнения.
                      +1
                      Спасибо за статью. Есть ощущение, что WDM — нуждается в популяризации. НО… В наше время рекорды очень часто живут не долго, есть уже коммерческие реализации 600 Гбит/с — см пресс-релиз — www.huawei.com/en/press-events/news/2019/2/huawei-citic-network-single-wavelength-600g-networks

                      Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                      Самое читаемое