Ingenieure aus Deutschland haben es geschafft, eine Rekordgeschwindigkeit der Datenübertragung über Glasfaser unter realen Bedingungen außerhalb des Labors zu erreichen - 500 Gbit / s in einem Kanal.
/ Flickr / Tony Webster / CC BYWer hat den Rekord aufgestellt?
Nach Angaben der
OECD kann die Zahl der Geräte im Internet der Dinge in drei Jahren 50 Milliarden erreichen. Mit der Zunahme der Anzahl der Geräte wird auch das Verkehrsaufkommen in Mobilfunknetzen zunehmen - nach
einigen Schätzungen etwa um das Vierfache. Laut Deloitte wird die vorhandene Glasfaserinfrastruktur, die die Grundlage für 5G-Netze bilden wird, diese Belastung nicht bewältigen.
Aus diesem Grund arbeiten immer mehr Unternehmen und Forschungseinrichtungen an Technologien, die den Durchsatz der „Optik“ erhöhen. Eine solche Organisation ist die Technische Universität München (TUM). Vor fünf Jahren entwickelten die Mitarbeiter einen Algorithmus zur probabilistischen Bildung einer
Signalkonstellation - Probabilistic Constellation Shaping (PCS) (wir werden später mehr darüber sprechen). Mit seiner Hilfe konnte 2016 erstmals
eine Terabit-Datenübertragungsrate im Labor erreicht werden.
Im Februar dieses Jahres stellte dieselbe Gruppe von Wissenschaftlern einen weiteren Rekord auf - sie führten eine Datenübertragung mit einer Geschwindigkeit von 500 Gbit / s durch, jedoch unter "Feld" -Bedingungen. Für Tests verwendeten wir den Nokia PSE-3 Signalprozessor, der in das Netzwerk des deutschen Betreibers M-Net eingeführt wurde.
Wie der Algorithmus funktioniert
PCS ist eine Technik, die die Quadraturamplitudenmodulation (QAM) in Glasfasernetzwerken ergänzt. Im klassischen QAM-Fall haben alle Punkte (Signalamplitudenwerte) gleiche Gewichte und werden mit derselben Frequenz verwendet.
Der von Ingenieuren der TUM entwickelte PCS-Algorithmus wählt jedes Mal die optimale Punktgruppe aus, die für den aktuellen Status des Kanals am besten geeignet ist. Für jeden der Konstellationspunkte werden die Wahrscheinlichkeit einer Datenverzerrung und der Wert der zum Senden des Signals erforderlichen Energie berechnet. Je geringer die Nachrichtenverzerrung und der Stromverbrauch sind, desto häufiger wird
eine bestimmte Amplitude
verwendet . Wie oft der Konstellationspunkt verwendet werden soll, wird durch die Wahrscheinlichkeitsverteilungsfunktionen bestimmt. Sie werden empirisch für jedes spezifische Netzwerk basierend auf Daten zum durchschnittlichen Rauschpegel im optischen Kanal abgeleitet.
/ Wikimedia / Splash / CC BY-SA / Signalkonstellation für 16-QAMTypischerweise verwendet PSC weniger wahrscheinlich Signalpunkte mit hoher Amplitude. Dies ermöglicht laut den Entwicklern, die Signalimmunität gegen Rauschen zu erhöhen und die Übertragungsgeschwindigkeit zu erhöhen. Für 16-QAM beträgt der „Gewinn“ beispielsweise 15 bis 43%.
Technologieanwendung und Potenzial
Laut Marcus Weldon, Präsident von Nokia Bell Lab, wird PCS künftig Glasfasernetzwerken ermöglichen, große Datenmengen zu übertragen und sich dynamisch an die aktuellen Verkehrsanforderungen anzupassen (z. B. 5G-Netze).
Die Technologie wird bereits vom Infinera-Netzwerkausrüster unterstützt. Das Unternehmen verwendet probabilistische Modulation in den digitalen Signalprozessoren der ICE-Serie. Infinera behauptet, dass Geräte
die Netzwerkbandbreite auf bis zu 800 Gbit / s
erhöhen können , ihre Fähigkeiten wurden jedoch bisher nicht getestet. Vertreter des Unternehmens sagen, dass die Technologie Mobilfunkbetreibern und Internetanbietern helfen wird, die Kosten für die Infrastrukturentwicklung und den Bau neuer Leitungen zu senken.
Die Popularität der probabilistischen Modulation kann jedoch durch einen Nachteil beeinträchtigt werden: Sie ist schlecht für die Arbeit mit vorhandenen Methoden der
direkten Fehlerkorrektur (FEC) während der Datenübertragung optimiert. FEC-Methoden sollen sicherstellen, dass alle Kombinationen in einem Kanal gleich häufig verwendet werden. Bei PCS werden einige Konstellationspunkte häufiger ausgewählt als andere, was die Netzwerkleistung beeinträchtigen kann. Um dieses Problem zu lösen
, werden fortgeschrittenere FEC-Methoden
entwickelt , beispielsweise die Korrektur von Korrekturschemata und die gleichzeitige Durchführung mehrerer Überprüfungen.
Worüber wir in unserem Unternehmensblog schreiben:
/ Flickr / Groman123 / CC BY-SAProbabilistische Modulation analog
Es gibt eine andere Art der Modulation der Signalkonstellation - die geometrische. Es unterscheidet sich vom probabilistischen darin, dass es nicht die Verwendungshäufigkeit eines bestimmten Punktes ändert, sondern die Form der Konstellation. Zu diesem Zweck wird der Amplitudenmodulation des Signals eine Phasenmodulation hinzugefügt, mit der Sie die Punkte relativ zueinander "verschieben" können. Wie die probabilistische Modulation trägt auch die Geometrie dazu bei, den optischen Kanal effizienter zu nutzen: Die Position der Punkte in der Konstellation wird so gewählt, dass in jedem von ihnen
das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) maximal ist.
Der Vorteil der geometrischen Form gegenüber der probabilistischen ist die geringere Anzahl möglicher Amplitudenwerte. Diese Funktion verringert die Wahrscheinlichkeit von Signalverzerrungen. Die geometrische Modulation hat jedoch einen Nachteil: In der Praxis
erweist sie sich als weniger wirksam bei der Reduzierung von Signalverzerrungen als als probabilistisch.
Experten hoffen, die geometrische Modulation mithilfe von Methoden des maschinellen Lernens zu verbessern und damit die optimale Form der Signalkonstellation zu bestimmen. Die Ergebnisse sind bislang nicht sehr beeindruckend: In einer Studie aus dem Jahr 2018 hat ein einfaches einschichtiges neuronales Netzwerk dazu
beigetragen, das SNR um ein Prozent
zu erhöhen . Die Ingenieure planen jedoch, weiter mit wiederkehrenden neuronalen Netzen zu arbeiten und zu experimentieren.
Bisher ist die geometrische Modulation der Signalkonstellation beim Arbeiten in realen Netzwerken weniger wahrscheinlich, und daher wird letztere als die vielversprechendste Methode zur Erhöhung der Bandbreite von Internetkanälen angesehen. Es wird erwartet, dass in naher Zukunft die probabilistische Modulation Internetanbietern bei der Erstellung von Hochgeschwindigkeitsfasern
zu den Heimleitungen sowie Cloud-Anbietern zugute kommen wird, beispielsweise bei der Datenübertragung zwischen verschiedenen Rechenzentren.
Zusätzliche Lektüre in unserem Blog über Habré: