Ingenieros de Alemania lograron alcanzar una velocidad récord de transmisión de datos a través de fibra en condiciones reales, no de laboratorio: 500 Gbit / s en un canal.
/ Flickr / Tony Webster / CC BYQuien marcó el récord
Según la
OCDE , en tres años la cantidad de dispositivos de Internet de las cosas
puede llegar a 50 mil millones. Con el aumento en la cantidad de dispositivos, el volumen de tráfico en las redes móviles también crecerá, según
algunas estimaciones , aproximadamente cuatro veces. Deloitte dice que la infraestructura de fibra óptica existente, que será la base de las redes 5G, no hará frente a esta carga.
Por esta razón, cada vez más empresas y organizaciones de investigación están trabajando en tecnologías que aumentan el rendimiento de la "óptica". Una de esas organizaciones es la Universidad Tecnológica de Munich (TUM). Hace cinco años, sus empleados desarrollaron un algoritmo para la formación probabilística de una
constelación de señal : Probabilistic Constellation Shaping, o PCS (hablaremos más sobre esto más adelante). En 2016, con su ayuda, fue posible por primera vez
lograr una tasa de transferencia de datos de terabit en el laboratorio.
En febrero de este año, el mismo grupo de científicos estableció otro récord: llevaron a cabo la transferencia de datos a una velocidad de 500 Gbit / s, pero lo hicieron en condiciones de "campo". Para las pruebas, utilizamos el procesador de señal Nokia PSE-3, que se introdujo en la red del operador alemán M-Net.
Como funciona el algoritmo
PCS es una técnica que complementa la
modulación de amplitud en
cuadratura (QAM) en redes de fibra. En el caso clásico de QAM, todos los puntos (valores de amplitud de señal) tienen pesos iguales y se usan con la misma frecuencia.
El algoritmo PCS, desarrollado por ingenieros de TUM, selecciona cada vez el grupo óptimo de puntos que mejor se adapta al estado actual del canal. Para cada uno de los puntos de constelación, se calculan la probabilidad de distorsión de datos y el valor de la energía requerida para enviar la señal. Cuanto menos distorsión del mensaje y consumo de energía, más a menudo se
usa una amplitud particular. La frecuencia con la que se usa el punto de constelación está determinada por las funciones de distribución de probabilidad. Se derivan empíricamente para cada red específica en función de los datos sobre el nivel de ruido promedio en el canal óptico.
/ Wikimedia / Splash / CC BY-SA / Constelación de señales para 16-QAMPor lo general, es menos probable que PSC use puntos de señal de alta amplitud. Según los desarrolladores, esto permite aumentar la inmunidad de la señal al ruido y aumentar la velocidad de transmisión. Por ejemplo, para 16-QAM, la "ganancia" es del 15 al 43%.
Aplicación de tecnología y potencial
Según Marcus Weldon, presidente de Nokia Bell Lab, en el futuro, PCS permitirá que las redes de fibra óptica transfieran grandes cantidades de datos y se adapten dinámicamente a los requisitos de tráfico actuales (por ejemplo, redes 5G).
La tecnología ya es compatible con el proveedor de equipos de red Infinera. La compañía utiliza la modulación probabilística en los procesadores de señal digital de la serie ICE. Infinera afirma que los dispositivos
pueden aumentar el ancho de banda de la red hasta 800 Gb / s, pero hasta ahora sus capacidades no han sido probadas. Los representantes de la compañía dicen que la tecnología ayudará a los operadores móviles y proveedores de Internet a reducir los costos para el desarrollo de infraestructura y la construcción de nuevas líneas.
Pero la popularidad de la modulación probabilística puede verse afectada por un inconveniente: está poco optimizada para trabajar con los métodos existentes de
corrección directa de errores (FEC) durante la transmisión de datos. Los métodos FEC están
diseñados para garantizar que todas las combinaciones en un canal se usen con la misma frecuencia. En el caso de PCS, algunos puntos de constelación se seleccionan con más frecuencia que otros, lo que puede afectar el rendimiento de la red. Para resolver este problema
, se
están desarrollando métodos FEC más avanzados, por ejemplo, esquemas de corrección de "paralelización" y realizar varias comprobaciones simultáneamente.
Sobre qué escribimos en nuestro blog corporativo:
/ Flickr / Groman123 / CC BY-SAModulación Probabilística Analógica
Hay otro tipo de modulación de la constelación de señal: geométrica. Difiere del probabilístico en que no cambia la frecuencia de uso de un punto en particular, sino la forma de la constelación. Para esto, la modulación de fase se agrega a la modulación de amplitud de la señal, lo que le permite "desplazar" los puntos entre sí. Al igual que la modulación probabilística, la geometría ayuda a lograr un uso más eficiente del canal óptico: la ubicación de los puntos en la constelación se elige de modo que en cada uno de ellos
la relación señal / ruido (SNR) sea máxima.
La ventaja de la forma geométrica sobre la probabilística es el menor número de posibles valores de amplitud. Esta característica reduce la posibilidad de distorsión de la señal. Sin embargo, la modulación geométrica tiene un inconveniente: en la práctica,
resulta menos efectiva para reducir la distorsión de la señal que la probabilidad.
Los expertos esperan mejorar la modulación geométrica utilizando métodos de aprendizaje automático, utilizándolos para determinar la forma óptima de la constelación de señales. Los resultados no son muy impresionantes hasta ahora: en un estudio de 2018, una red neuronal simple de una sola capa
ayudó a aumentar la SNR en un uno por ciento. Sin embargo, los ingenieros planean continuar trabajando y experimentando con redes neuronales recurrentes.
Hasta ahora, la modulación geométrica de la constelación de señales es menos probabilística cuando se trabaja en redes reales y, por lo tanto, este último se considera el método más prometedor para aumentar el ancho de banda de los canales de Internet. Se espera que en el futuro cercano, la modulación probabilística beneficie a los proveedores de Internet en la creación de
fibra de alta velocidad
a las líneas
domésticas , así como a los proveedores de la nube, por ejemplo, al transferir datos entre diferentes centros de datos.
Lectura adicional en nuestro blog sobre Habré: