Высокоскоростное оптическое волокно будущего

Запланированное массовое объединение машин и людей в единую беспроводную сеть поднимает не только вопросы технической осуществимости подобного проекта. Производительность базовой сети также должна соответствовать возросшим требованиям. Это касается кабельного соединения на больших расстояниях, как, например, для локального подведения сети 5G.

Какой же объем данных будет передаваться по оптоволокну? По прогнозам Cisco, к 2018 году объемы данных увеличатся втрое, и только 40% из них будут приходиться на долю компьютеров и рабочих станций, подключенных к Сети по кабелю. Остальную часть будут потреблять новые абоненты сети 5G: смартфоны, планшеты и сетевые устройства. Мечта о 5G лопнет, как мыльный пузырь, если не усовершенствовать волоконно-оптическую сеть.

В отличие от беспроводного соединения, проблем с пропускной способностью канала при передаче данных световыми волнами с высокой частотой не возникает. В настоящее время уже используются оптоволоконные кабели, позволяющие передавать данные на большие расстояния с пропускной способностью до 100 Гбит/с и с шириной частотных каналов, соответственно, в 100 ГГц, в которых используются волны длиной между 1 260 и 1 675 нанометров. Поскольку оптоволоконный кабель со спектральным уплотнением каналов (WDM, подробнее далее), как правило, может передавать данные одновременно по 96 каналам, максимальная пропускная способность достигает 9,6 Тбит/с.

Преодоление ограничений световых волн

Европейская комиссия планирует к 2020 году достичь скорости передачи данных в 1 000 Тбит/с, чтобы суметь покрыть потребности широкополосного доступа. Эта довольно амбициозная цель существенно превосходит возможности современных сетевых технологий, особенно когда речь заходит о передаче данных на расстояния в несколько километров и более.

На таких расстояниях передавать сигнал без искажений может только одножильный оптоволоконный кабель (Single-core fiber, см. ниже), причем он обеспечивает передачу только одного светового сигнала, то есть ровно те же 9,6 Тбит/с. Хотя уже используются многомодовые и многожильные волокна, в которых несколько световых сигналов проходят параллельно, их можно использовать тольно на расстояниях в несколько метров. Чем больше расстояние, тем сильнее перекрестные помехи, возникающие между сигналами.

В многомодовых волокнах световые волны распространяются каждая под своим углом, из-за чего по-разному отражаются от оболочки и по-разному поступают на приемник (см. справа). В одном многомодовом оптоволоконном кабеле может быть 80-100 мод. При этом диаметр сердечника, проводящего свет, увеличивается от 50 до 100 мкм.

В многожильных оптоволоконных кабелях возможно использование нескольких отдельных волокон, диаметр которых — от 8 до 10 мкм — соответствует диаметру одножильных кабелей. Однако пропускную способность многожильных кабелей нельзя увеличивать бесконечно: оптоволокно диаметром более 0,2 мм оказалось слишком хрупким.

В итоге получается, что небольшой диаметр и интерференция сигналов ограничивают возможное количество волокон в многожильном и многомодном соединениях. Правда, эксперименты с 12 или 19 волокнами в одном кабеле уже проводились, но для оптимальной дальности действия подходят в первую очередь многожильные кабели с семью волокнами.

Кабель-рекордсмен

Ученые и инженеры предпринимают попытки оптимизировать многожильные и многомодовые волокна для использования на больших расстояниях, что сразу увеличило бы пропускную способность в разы.

Летом 2014 года международная рабочая группа High-Speed Optical Communications Group на типе кабеля, предложенной японской компанией Telekom NTT, установила новый рекорд скорости в 43 Тбит/с. Сигнал в многожильном кабеле с семью волокнами создавал единственный лазер. Несколько месяцев спустя международная исследовательская команда из Нидерландов и США объявила о новом достижении в 255 Тбит/с. Такой скачок стал возможным благодаря тому, что каждое из семи волокон передавало одновременно по три моды. Небольшие отверстия, проделанные вокруг этих маломодовых волокон, эффективно экранировали световые волны друг от друга. Подобный кабель способен передавать 21 сигнал на расстоянии до одного километра без искажений.

 

Технология MIMO для оптического волокна

Такая одновременная передача нескольких сигналов на одинаковых частотах по многомодным и многожильным кабелям называется пространственным уплотнением каналов (Spatial division multiplexing, SDM) и является аналогом технологии MIMO, использующейся в WLAN и LTE. SDM заменяет два устаревших метода: временно́го (TDM) и спектрального (WDM) уплотнения каналов.

Технология TDM позволяет передавать низкоскоростные сигналы из нескольких источников один за другим по высокоскоростному оптоволоконному соединению и разделять сигналы одной высокоскоростной линии на несколько низкоскоростных.

При помощи WDM можно разделить частотный спектр на несколько каналов (цветов) для одновременной передачи данных на разных частотах. Сигнал для каждого канала излучает отдельный лазер. Каждый канал передает на своей длине волны, и каждый лазер отвечает за свой цвет.

Чтобы сигналы не интерферировали, между ними должен сохраняться определенный интервал. Как правило, интервал между пиками составляет 100 или 50 ГГц: когда был поставлен рекорд скорости в 255 Тбит/с, сигналы передавались на 50 каналах, а интервал составлял 50 ГГц.

Успешно завершившиеся в прошлом году тестовые испытания отправки данных по оптоволокну на несколько сотен километров доказали, что даже для передачи на большие расстояния можно располагать несколько WDM-каналов на одних и тех же частотах. Поставщику оборудования для сетей связи Alcatel-Lucent совместно с British Telecom удалось при проведении полевых испытаниях уменьшить интервал между пиками с 50 до 35 ГГц. Таким образом, рекордная скорость передачи данных уже в ближайшее время может увеличиться с 255 Тбит/с до 365 Тбит/с.

Однако для реализации проекта 5G недостаточно обеспечить базовую сеть большей пропускной способностью. Нужно также оптимизировать доставку данных. За это распределение до сих пор отвечали пассивные оптические сети (Gigabit Passive Optical Network, GPON). Одна такая сеть распределяет входящие сигналы по принципу TDM и передает дальше на терминал.

Поскольку применяется только TDM, отдельным абонентским линиям нередко остается всего до 10 Гбит/с. Эту скорость можно в значительной степени повысить, дополнительно используя WDM, при помощи которого на линию можно передавать несколько параллельных цветовых каналов. В зависимости от устройства вывода, кроме того, можно определить, в каком частотном диапазоне находятся эти каналы. Чем выше частота, тем выше скорость и меньше дальность передачи данных.

Такую WDM-PON, интегрированную в LTE-сеть, в феврале протестировала компания Huawei. Она использовала 32 канала по 10 Гбит/с для передачи на конечное устройство. При объединении нескольких каналов скорость у конечных пользователей сразу увеличивалась в несколько раз — и это тоже важно. Иначе не избежать замедления 5G еще в базовой сети, и тогда быстрые беспроводные сети к 2020 году не появятся.

Фото: Groman123/Flickr.com; Lund University (MIMO); Audi AG (Auto); David Öhmann/5G Lab Germany (taktiles Internet); Wikipedia/Srleffler/CC BY-SA 3.0 (Kabel o.); CREOL/UCF (Kabel u.)