Se puede decir en sentido figurado que hoy en día casi todas las llamadas telefónicas, todos los mensajes SMS enviados, cada video cargado a YouTube se convierte en algún momento en partículas elementales de luz (fotones) y se precipita a una velocidad frenética (más de 200 mil km / s) incluso a lo largo del fondo del océano a lo largo de hilos de vidrio ultradelgados. Más de dos mil millones de kilómetros de tales hilos están involucrados hoy, pueden envolver el mundo más de 50,000 veces.
Ahora, si hablamos de redes ópticas en un lenguaje más serio, podemos notar lo siguiente. Hasta hace poco, el potencial de las fibras monomodo estándar excedía el potencial necesario para resolver el problema del crecimiento del tráfico por el ancho de banda de las redes ópticas. En comparación con el intento de desarrollar una plataforma de fibra fundamentalmente nueva, durante mucho tiempo hubo formas mucho más rentables de aumentar el rendimiento. Estos métodos han mantenido durante mucho tiempo el ritmo de las tasas de crecimiento del tráfico mundial y se han implementado, por ejemplo, a través de una simple actualización del equipo terminal para utilizar de manera más eficiente el ancho de banda disponible. Sin embargo, los tiempos están cambiando y los experimentos de laboratorio actuales relacionados con la transmisión de datos a través de fibras monomodo estándar se están acercando a los límites fundamentales de ancho de banda de las fibras monomodo. Según la teoría de la información, este límite para las fibras actuales se estima en aproximadamente 100-200 Tbit / s. Este hecho causa preocupación en relación con la imposibilidad en el futuro de un aumento sistemático en el ancho de banda de la red en varias ocasiones y se llamó la "crisis de capacidad" de las redes ópticas. Ya se están celebrando varios simposios para discutir la situación, tratando de encontrar soluciones. Tratemos de explicar más a fondo la esencia de este hecho. Para una mejor comprensión, primero consideramos cómo la cronología de las tasas de crecimiento de las tasas de transferencia de datos en el mundo junto con la evolución de las velocidades de las interfaces lineales.
Características de la evolución de las velocidades de los sistemas de comunicación e interfaces lineales.
El siguiente cuadro muestra los valores de los indicadores que caracterizan la capacidad de los sistemas de telecomunicaciones en los últimos 500 años. En general, un sistema de comunicación puede cuantificarse por la velocidad del símbolo y la cantidad de información por 1 símbolo (número de bits por símbolo). Marcadores verdes en la fig. 1 muestra el valor de la velocidad del sistema de comunicación en bit / s en un momento u otro.
Valores de los indicadores que caracterizan la capacidad de los sistemas de telecomunicaciones en los últimos 500 años.
Fig. 1
Estos resultados reflejan el desarrollo histórico de las capacidades de los sistemas de transmisión de información, comenzando con los primeros sistemas de comunicación, como un conjunto de torres de retransmisión, en las que se utilizaron señales en forma de luces encendidas para transmitir mensajes de estación en estación. Como saben, en estos primeros sistemas de comunicación, los mensajes eran lentos y generalmente servían para transmitir una alarma. Para transmitir mensajes más complejos, era necesario aumentar significativamente la productividad al aumentar el contenido de información de cada señal.
Las cruces en la figura caracterizan la velocidad de los sistemas de comunicación inalámbricos, incluidos los antediluvianos como el telégrafo óptico Murray y el semáforo de los hermanos Schapp. Como se puede ver en la figura, se observó un aumento exponencial en la tasa de transmisión en ese período temprano, aunque la tasa de crecimiento anual promedio fue inferior al 10%.
En el siglo XIX. comenzó a usar señales eléctricas para transmitir mensajes, apareció un telégrafo. La tasa de crecimiento del rendimiento de los sistemas de comunicación ha aumentado a aproximadamente un 20% por año. El uso de señales eléctricas ha reducido significativamente el costo de operar líneas de comunicación a través de la introducción de amplificadores electrónicos en lugar de torres de relé controladas por humanos. En los siguientes 50 años, ya se construyeron cables transatlánticos y pronto las líneas de comunicación atravesaron el mundo, llegando a la ciudad de Adelaida en Australia en 1872.
A lo largo del siglo siguiente, los cables de comunicación con núcleo de cobre permitieron aumentar las capacidades de la red; aparecieron cables coaxiales. En los sistemas de comunicación, comenzaron a aparecer diversos esquemas de multiplexación, modulación, etc. Sin embargo, el límite de capacidad para tales líneas de comunicación era de aproximadamente 1 Gbit / s. Además, la combinación de un coeficiente de atenuación grande y un ancho de banda de canal muy limitado ha limitado severamente el despliegue de sistemas de alto rendimiento. Se requería una nueva tecnología para la transferencia de datos: apareció la fibra óptica. Desarrollo adicional de redes, creo que no puede describir. Si alguien no está familiarizado con la historia del desarrollo de FOCL, pero quiere averiguarlo, puede leer sobre esto, por ejemplo, aquí.
En los libros de historia de la escuela, se puede observar que las velocidades de las interfaces lineales comerciales en los sistemas de transporte óptico, desde mediados de los años 80, han aumentado constantemente en aproximadamente un 20% por año. Debido a estas tasas, el volumen de transmisión de datos a través de una sola fibra a mediados de los 90 ya era del orden de decenas de gigabits, lo que requería el desarrollo de nuevas tecnologías que aumentaran el ancho de banda general de las redes. La solución fue un sistema WDM. Actualmente, el tráfico de red también está creciendo rápidamente, cada año aumenta en el rango de 30% a 90%, dependiendo del tipo de tráfico.
Se pueden observar los siguientes puntos interesantes. En las últimas décadas, el crecimiento del rendimiento del enrutador (debido a la evolución de los microprocesadores y otros dispositivos informáticos de acuerdo con la ley de Moore) ha coincidido con la tasa de aumento del tráfico (ver Fig. 2). Al mismo tiempo, la tasa de crecimiento de las interfaces ópticas de alta velocidad fue solo del 20%. Por lo tanto, se puede observar el siguiente hecho: la tasa de crecimiento del rendimiento del enrutador resultó ser más rápida en comparación con la tasa de crecimiento de sus velocidades de interfaz en aproximadamente un 40-60%.
En las últimas décadas, el crecimiento en el rendimiento del enrutador (debido a la evolución de los microprocesadores y otros dispositivos informáticos de acuerdo con la ley de Moore) ha coincidido con la tasa de aumento del tráfico.
Fig. 2 - Comparación de velocidades de sistemas ópticos y velocidades de interfaces lineales
Como se puede ver en la Figura 2, alrededor de 2005, las capacidades de las interfaces lineales ópticas comenzaron a limitar el aumento en la velocidad de las interfaces del enrutador. La estandarización de la interfaz Ethernet 100G y el módulo de transporte OTN a 100 Gbit / s se llevó a cabo solo en 2010, y la estandarización de la interfaz Ethernet 400G solo en 2017. Una consecuencia más que se desprende del crecimiento desproporcionado de las interfaces eléctricas y ópticas es la disminución en el nivel futuro de agregación de flujos de Ethernet en un canal óptico. Es decir, si anteriormente un solo canal óptico de 100G incluía diez secuencias 10GE de componentes, entonces con la estandarización de la interfaz Ethernet de 100G, este nivel de agregación ya no será.
Hoy, la tasa de rendimiento de los sistemas de transmisión WDM se ha desacelerado del crecimiento anual del 100% en la década de 1990 a solo el 20% por año. En 2010, las redes comerciales con sistemas WDM podrían admitir aproximadamente 100 canales ópticos a 100 Gb / s cada uno. Por lo tanto, el rendimiento de una fibra alcanzó 10 Tbit / s. Con una tasa anual de crecimiento del tráfico del 40%, se debe esperar que los sistemas comerciales tengan que mantener una capacidad de aproximadamente 1 Pbit / s en 2024. Esto no significa en absoluto que para entonces dichos sistemas estarán completamente operativos, lo que no fue el caso con los sistemas de 2010, sin embargo, es probable que exista la necesidad comercial de comenzar a instalar dichos sistemas.
¿Qué se deduce de todos los hechos presentados? Imagine que en su infancia a los 6 años podría comer una manzana y un plato pequeño de gachas. A los 10, necesitábamos el doble: dos manzanas más una porción de gachas crecieron 2 veces. A los 14 años, ya comemos manzanas, un tazón de gachas, un tazón de sopa, y aún necesitamos compota. Nuestro apetito crece exponencialmente con el tiempo, y a los 20 comemos como sumoist, y a los 32, como Robin Bobin Barabek (como en el poema de Marshak). Por lo tanto, si al principio nuestro apetito era completamente tradicional y real para una persona común, en el futuro, las tasas de crecimiento múltiples nos llevaron a volúmenes inimaginables que son difíciles de poner en práctica. La misma situación ocurre en las redes ópticas modernas.
Un aumento constante en el valor de la eficiencia espectral en las redes existentes no puede continuar indefinidamente; existen limitaciones en forma de límites fundamentales para la capacidad del canal. Las limitaciones son causadas tanto por imperfecciones tecnológicas de transmisores, módulos receptores, multiplexores y amplificadores ópticos (ruido interno de amplificadores ópticos), como por las propiedades de la fibra misma (efectos no lineales). Todo esto conduce a varias distorsiones de señal y, en consecuencia, a limitaciones prácticas de la velocidad de transmisión. Recuerde que la limitación fundamental de la velocidad máxima de transmisión en un canal se llama límite de Shannon, la limitación física que subyace a la "crisis de capacidad" en sí misma.
Hoy en día, los conceptos de una crisis en la capacidad de las redes ópticas y el límite de Shannon se utilizan ampliamente en la comunidad científica como justificación de la urgente necesidad de desarrollar soluciones innovadoras. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que este término puede entenderse e interpretarse de diferentes maneras. Por ejemplo, en la industria de exploración y producción de petróleo, la frase "crisis de capacidad" o "crisis de capacidad" apareció mucho antes e implicaba un agotamiento inminente de los recursos disponibles. Una interpretación generalizada de esta frase significa un suministro limitado, pero aún continuo, de una cantidad finita de recursos. En el mismo contexto, uno puede referirse a la "crisis de capacidad" que se aplica a las redes ópticas. Es decir, en el futuro, una crisis de capacidad significará la existencia continua de redes de comunicación óptica que respaldan a la mayoría de la sociedad moderna, desde un punto de vista económico, administrativo y social, pero con restricciones en el acceso a los servicios de red.
Se puede suponer que la "crisis de capacidad" puede conducir a cambios en el orden de pago de los proveedores de servicios de red. Por ejemplo, los consumidores de servicios pagarán a los operadores por el ancho de banda real utilizado. También se puede suponer que siglos después de la creación de redes con mayor ancho de banda, los recursos de red finalmente cumplirán nuestros deseos finales, y las tasas de crecimiento del tráfico superiores al 10% se notarán en la historia simplemente como una característica del período comprendido entre finales del siglo XX y la primera mitad del siglo XXI. . Sin embargo, a juzgar por la aparición de más y más aplicaciones de información, no hay evidencia suficiente de que la demanda esté comenzando a saturarse. Ahora, básicamente, prevalece el enfoque de "construir y vendrá", es decir primero se crean nuevas tecnologías, y luego ya se están volviendo populares entre las personas. Hay otros defensores del enfoque de "necesidad de desarrollar nuevos según sea necesario". Los últimos creen que solo con ese pensamiento la humanidad se desarrollará completamente y no se conducirá, en última instancia, a un callejón sin salida. Por qué enfoque debería desarrollarse la sociedad, y con ella las redes de telecomunicaciones, el tema es discutible, las discusiones sobre este tema ya no son jóvenes.
Preparado por Dmitry Kusaykin