On peut dire au figuré qu'aujourd'hui presque chaque appel téléphonique, chaque SMS envoyé, chaque vidéo téléchargée sur YouTube est converti à un moment donné en particules élémentaires de lumière (photons) et se précipite à une vitesse effrénée (plus de 200 mille km / s) même au fond de l'océan le long de fils de verre ultra-fins. Plus de deux milliards de kilomètres de tels fils sont impliqués aujourd'hui, ils peuvent envelopper le globe plus de 50 000 fois.
Maintenant, si nous parlons de réseaux optiques dans un langage plus sérieux, nous pouvons noter ce qui suit. Jusqu'à récemment, le potentiel des fibres monomodes standard dépassait le potentiel nécessaire pour résoudre le problème de la croissance du trafic par la bande passante des réseaux optiques. Par rapport à essayer de développer une plate-forme de fibre fondamentalement nouvelle, il y a longtemps eu des moyens beaucoup plus rentables d'augmenter le débit. Ces méthodes ont longtemps suivi le rythme de la croissance du trafic mondial et ont été mises en œuvre, par exemple, par une simple mise à jour des équipements terminaux afin d'utiliser plus efficacement la bande passante disponible. Cependant, les temps changent et les expériences de laboratoire d'aujourd'hui liées à la transmission de données via des fibres monomodes standard se rapprochent des limites fondamentales de bande passante des fibres monomodes. Selon la théorie de l'information, cette limite pour les fibres actuelles est estimée à environ 100-200 Tbit / s. Ce fait est préoccupant en raison de l'impossibilité à l'avenir d'une augmentation systématique de la bande passante du réseau à plusieurs reprises et a été appelée la «crise de capacité» des réseaux optiques. Divers symposiums sont déjà organisés pour discuter de la situation et essayer de trouver des solutions. Essayons d'expliquer davantage l'essence de ce fait. Pour une meilleure compréhension, nous considérons d'abord comment la chronologie des taux de croissance des taux de transfert de données sur le globe ainsi que l'évolution des vitesses des interfaces linéaires.
Caractéristiques de l'évolution des vitesses des systèmes de communication et des interfaces linéaires
Le graphique ci-dessous montre les valeurs des indicateurs caractérisant la capacité des systèmes de télécommunications au cours des 500 dernières années. En général, un système de communication peut être quantifié par le débit de symboles et la quantité d'informations pour 1 symbole (nombre de bits par symbole). Marqueurs verts sur la fig. 1 affiche la valeur de la vitesse du système de communication en bit / s à un moment ou à un autre.
Valeurs des indicateurs caractérisant la capacité des systèmes de télécommunications au cours des 500 dernières années.
Fig. 1
Ces résultats reflètent le développement historique des capacités des systèmes de transmission d'informations, à commencer par les premiers systèmes de communication, tels qu'un ensemble de tours relais, dans lesquelles des signaux sous forme de lumières allumées étaient utilisés pour transmettre des messages d'une station à l'autre. Comme vous le savez, dans ces premiers systèmes de communication, la messagerie était lente et ils servaient généralement à transmettre une alarme. Pour transmettre des messages plus complexes, il était nécessaire d'augmenter significativement la productivité en augmentant le contenu informationnel de chaque signal.
Les croix sur la figure caractérisent la vitesse des systèmes de communication sans fil, y compris les antédiluviens tels que le télégraphe optique Murray et le sémaphore des frères Schapp. Comme le montre la figure, une augmentation exponentielle du taux de transmission a été observée au cours de cette première période, bien que le taux de croissance annuel moyen soit inférieur à 10%.
Au XIXe siècle. a commencé à utiliser des signaux électriques pour transmettre des messages, un télégraphe est apparu. Le taux de croissance des performances des systèmes de communication est passé à environ 20% par an. L'utilisation de signaux électriques a considérablement réduit le coût de fonctionnement des lignes de communication grâce à l'introduction d'amplificateurs électroniques au lieu de tours relais contrôlées par l'homme. Au cours des 50 années suivantes, des câbles transatlantiques ont déjà été construits et bientôt des lignes de communication ont traversé le monde, atteignant la ville d'Adélaïde en Australie en 1872.
Tout au long du siècle suivant, les câbles de communication à noyau de cuivre ont permis d'augmenter les capacités du réseau; des câbles coaxiaux sont apparus. Dans les systèmes de communication, divers schémas de multiplexage, de modulation, etc. ont commencé à apparaître. Cependant, la limite de capacité pour ces lignes de communication était d'environ 1 Gbit / s. De plus, la combinaison d'un coefficient d'atténuation élevé et d'une bande passante de canal très limitée a fortement limité le déploiement de systèmes à haut débit. Une nouvelle technologie pour le transfert de données était nécessaire - la fibre optique est apparue. Poursuite du développement des réseaux, je pense que vous ne pouvez pas décrire. Si quelqu'un n'est pas familiarisé avec l'histoire du développement de FOCL, mais veut le savoir, vous pouvez lire à ce sujet, par exemple, ici.
Dans les livres d'histoire scolaire, on peut noter que les vitesses des interfaces linéaires commerciales dans les systèmes de transport optique, depuis le milieu des années 80, ont régulièrement augmenté d'environ 20% par an. En raison de ces taux, le volume de transmission de données sur une seule fibre au milieu des années 90 était déjà de l'ordre de dizaines de gigabits, ce qui a nécessité le développement de nouvelles technologies qui augmentent la bande passante globale des réseaux. La solution était un système WDM. Actuellement, le trafic réseau augmente également rapidement, chaque année il augmente de 30% à 90%, selon le type de trafic.
On peut noter les points intéressants suivants. Au cours des dernières décennies, la croissance des performances des routeurs (due à l'évolution des microprocesseurs et autres appareils informatiques conformément à la loi de Moore) a coïncidé avec le taux d'augmentation du trafic (voir Fig.2). Dans le même temps, le taux de croissance des interfaces optiques à haute vitesse n'était que de 20%. Ainsi, le fait suivant peut être noté: le taux de croissance des performances du routeur s'est avéré être plus rapide par rapport au taux de croissance de leurs vitesses d'interface d'environ 40 à 60%.
Au cours des dernières décennies, la croissance des performances des routeurs (due à l'évolution des microprocesseurs et autres appareils informatiques conformément à la loi de Moore) a coïncidé avec le taux d'augmentation du trafic.
Fig. 2 - Comparaison des vitesses des systèmes optiques et des vitesses des interfaces linéaires
Comme le montre la figure 2, vers 2005, les capacités des interfaces optiques linéaires ont commencé à limiter l'augmentation de la vitesse des interfaces de routeur. La standardisation de l'interface Ethernet 100G et du module de transport OTN 100 Gbit / s n'a été réalisée qu'en 2010, et la standardisation de l'interface Ethernet 400G uniquement en 2017. Une autre conséquence qui découle de la croissance disproportionnée des interfaces électriques et optiques est la diminution du niveau futur d'agrégation des flux Ethernet en un seul canal optique. Autrement dit, si auparavant un seul canal optique 100G comprenait dix flux 10GE composants, alors avec la standardisation de l'interface Ethernet 100G, ce niveau d'agrégation ne sera plus.
Aujourd'hui, le taux de débit des systèmes de transmission WDM est passé de 100% de croissance annuelle dans les années 90 à seulement 20% par an. En 2010, les réseaux commerciaux avec des systèmes WDM pourraient prendre en charge environ 100 canaux optiques à 100 Gb / s chacun. Ainsi, le débit d'une fibre a atteint 10 Tbit / s. Avec un taux de croissance annuel du trafic de 40%, il faut s'attendre à ce que les systèmes commerciaux devront maintenir une capacité d'environ 1 Pbit / s en 2024. Cela ne signifie pas du tout que d'ici là, ces systèmes seront pleinement opérationnels, ce qui n'était pas le cas avec les systèmes de 2010, cependant, le besoin commercial de commencer à installer de tels systèmes existera probablement.
Que découle de tous les faits présentés? Imaginez que dans votre enfance à 6 ans, vous puissiez manger une pomme et une petite assiette de bouillie. À 10 ans, nous en avions besoin deux fois plus: deux pommes plus une portion de bouillie ont poussé 2 fois. À 14 ans, nous mangeons déjà des pommes, un bol de bouillie, un bol de soupe, et nous avons encore besoin de compote. Notre appétit croît de façon exponentielle avec le temps, et à 20 ans nous mangeons en tant que sumoiste, et à 32 ans, comme Robin Bobin Barabek (comme dans le poème de Marshak). Ainsi, si au tout début notre appétit était tout à fait traditionnel et réel pour une personne ordinaire, alors à l'avenir, des taux de croissance multiples nous ont conduits à des volumes inimaginables difficiles à mettre en pratique. La même situation se produit dans les réseaux optiques modernes.
Une augmentation constante de la valeur de l'efficacité spectrale dans les réseaux existants ne peut pas se poursuivre indéfiniment - il existe des limitations sous la forme de limites fondamentales pour la capacité des canaux. Les limitations sont dues à la fois aux imperfections technologiques des émetteurs, des modules de réception, des multiplexeurs et des amplificateurs optiques (bruit interne des amplificateurs optiques) et aux propriétés de la fibre elle-même (effets non linéaires). Tout cela conduit à diverses distorsions du signal et, par conséquent, à des limitations pratiques de la vitesse de transmission. Rappelons que la limitation fondamentale de la vitesse de transmission maximale dans un canal est appelée la limite de Shannon - la limitation physique qui sous-tend la «crise de capacité» elle-même.
Aujourd'hui, les concepts de crise de capacité des réseaux optiques et de limite de Shannon sont largement utilisés dans la communauté scientifique pour justifier l'urgence de développer des solutions innovantes. Cependant, il convient de noter que ce terme peut être compris et interprété de différentes manières. Par exemple, dans l'industrie de l'exploration et de la production pétrolières, l'expression «crise de capacité» ou «crise de capacité» est apparue beaucoup plus tôt et impliquait un épuisement imminent des ressources disponibles. Une interprétation répandue de cette expression signifie un approvisionnement limité, mais toujours continu d'une quantité limitée de ressources. Dans le même contexte, on peut se référer à la «crise de capacité» telle qu’appliquée aux réseaux optiques. C'est-à-dire qu'à l'avenir, une crise de capacité signifiera la persistance de réseaux de communication optiques qui soutiennent la majeure partie de la société moderne, d'un point de vue économique, administratif et social, mais avec des restrictions d'accès aux services de réseau.
On peut supposer que la «crise de capacité» peut entraîner des changements dans l'ordre de paiement des fournisseurs de services de réseau. Par exemple, les consommateurs de services paieront aux opérateurs la bande passante réellement utilisée. On peut également supposer que des siècles après la création de réseaux avec une bande passante plus élevée, les ressources du réseau répondront enfin à nos désirs finaux, et des taux de croissance du trafic supérieurs à 10% seront notés dans l'histoire simplement comme une caractéristique de la période allant de la fin du 20e siècle à la première moitié du 21e . Cependant, à en juger par l'apparition de plus en plus d'applications d'informations, il n'y a pas de preuves suffisantes que la demande commence à saturer. Maintenant, fondamentalement, l'approche «construire et cela viendra» prévaut, c'est-à-dire les premières nouvelles technologies sont créées, puis elles deviennent déjà populaires parmi les gens. Il existe d'autres partisans de la «nécessité d'élaborer une nouvelle approche au besoin». Ces derniers croient que ce n'est qu'avec une telle pensée que l'humanité se développera pleinement et ne se conduira pas, finalement, dans une impasse. Par quelle approche la société devrait-elle se développer, et avec elle les réseaux de télécommunications, la question est discutable, les discussions sur cette question ne sont plus jeunes.
Préparé par Dmitry Kusaykin