Os engenheiros da Alemanha conseguiram atingir uma velocidade recorde de transmissão de dados por fibra em condições reais, não laboratoriais - 500 Gbit / s em um canal.
/ Flickr / Tony Webster / CC BYQuem estabeleceu o recorde
Segundo a
OCDE , em três anos o número de dispositivos de Internet das coisas
pode chegar a 50 bilhões.Com o aumento do número de dispositivos, o volume de tráfego nas redes móveis também aumentará - segundo
algumas estimativas , cerca de quatro vezes. A Deloitte diz que a infraestrutura de fibra óptica existente, que se tornará a base para as redes 5G, não suportará essa carga.
Por esse motivo, mais e mais empresas e organizações de pesquisa estão trabalhando em tecnologias que aumentam o rendimento da "ótica". Uma dessas organizações é a Universidade de Tecnologia de Munique (TUM). Há cinco anos, seus funcionários desenvolveram um algoritmo para a formação probabilística de uma
constelação de sinais - Probabilistic Constellation Shaping, ou PCS (falaremos mais sobre isso mais tarde). Em 2016, com sua ajuda, foi possível, pela primeira vez,
atingir uma taxa de transferência de dados de terabit em laboratório.
Em fevereiro deste ano, o mesmo grupo de cientistas estabeleceu outro recorde - eles realizaram a transferência de dados a uma velocidade de 500 Gbit / s, mas o fizeram nas condições de "campo". Para os testes, usamos o processador de sinal Nokia PSE-3, que foi introduzido na rede da operadora alemã M-Net.
Como o algoritmo funciona
PCS é uma técnica que complementa a
modulação em amplitude em quadratura (QAM) em redes de fibra. No caso clássico de QAM, todos os pontos (valores de amplitude do sinal) têm pesos iguais e são usados com a mesma frequência.
O algoritmo PCS, desenvolvido por engenheiros da TUM, sempre seleciona o grupo ideal de pontos que melhor se adequa ao estado atual do canal. Para cada um dos pontos da constelação, são calculadas a probabilidade de distorção dos dados e o valor da energia necessária para enviar o sinal. Quanto menos distorção da mensagem e consumo de energia, mais frequentemente
uma amplitude específica é
usada . A frequência com que usar o ponto de constelação é determinada pelas funções de distribuição de probabilidade. Eles são derivados empiricamente para cada rede específica com base em dados sobre o nível médio de ruído no canal óptico.
/ Wikimedia / Splash / CC BY-SA / Constelação de sinais para 16-QAMNormalmente, é menos provável que o PSC use pontos de sinal de alta amplitude. Segundo os desenvolvedores, isso permite aumentar a imunidade do sinal ao ruído e aumentar a velocidade de transmissão. Por exemplo, para 16-QAM, o "ganho" é de 15 a 43%.
Aplicação tecnológica e potencial
De acordo
com Marcus Weldon, presidente do Nokia Bell Lab, no futuro, o PCS permitirá que redes de fibra ótica transfiram grandes quantidades de dados e se adaptem dinamicamente aos requisitos atuais de tráfego (por exemplo, em redes 5G).
A tecnologia já é suportada pelo provedor de equipamentos de rede Infinera. A empresa utiliza modulação probabilística nos processadores de sinais digitais da série ICE. A Infinera afirma que os dispositivos
podem aumentar a largura de banda da rede em até 800 Gb / s, mas até agora seus recursos não foram testados. Representantes da empresa dizem que a tecnologia ajudará as operadoras de telefonia móvel e os provedores de Internet a reduzir os custos de desenvolvimento de infraestrutura e construção de novas linhas.
Mas a popularidade da modulação probabilística pode ser afetada por uma desvantagem: ela é pouco otimizada para trabalhar com os métodos existentes de
correção direta de erros (FEC) durante a transmissão de dados. Os métodos FEC são
projetados para garantir que todas as combinações em um canal sejam usadas com a mesma frequência. No caso do PCS, alguns pontos de constelação são selecionados com mais frequência do que outros, o que pode afetar o desempenho da rede. Para resolver esse problema
, métodos FEC mais avançados estão
sendo desenvolvidos , por exemplo, “paralelizando” esquemas de correção e realizando várias verificações simultaneamente.
Sobre o que escrevemos em nosso blog corporativo:
/ Flickr / Groman123 / CC BY-SAAnalógico Probabilístico de Modulação
Existe outro tipo de modulação da constelação de sinal - geométrica. Difere do probabilístico por não alterar a frequência de uso de um ponto específico, mas a forma da constelação. Para isso, a modulação de fase é adicionada à modulação de amplitude do sinal, o que permite "mudar" os pontos em relação um ao outro. Como a modulação probabilística, a geométrica ajuda a obter um uso mais eficiente do canal óptico: a localização dos pontos na constelação é escolhida para que a relação
sinal-ruído (SNR) seja máxima em cada um deles.
A vantagem da forma geométrica sobre a probabilística é o menor número de possíveis valores de amplitude. Esse recurso reduz a chance de distorção do sinal. No entanto, a modulação geométrica tem uma desvantagem: na prática, ela
se mostra menos eficaz na redução da distorção do sinal do que na probabilística.
Os especialistas esperam melhorar a modulação geométrica usando métodos de aprendizado de máquina, usando-os para determinar a forma ideal da constelação de sinal. Os resultados não são muito impressionantes até agora: em um estudo de 2018, uma rede neural simples de camada única
ajudou a aumentar o SNR em um por cento. No entanto, os engenheiros planejam continuar trabalhando e experimentando redes neurais recorrentes.
Até o momento, a modulação geométrica da constelação de sinal é menos probabilística quando se trabalha em redes reais e, portanto, a última é considerada o método mais promissor para aumentar a largura de banda dos canais da Internet. Espera-se que, no futuro próximo, a modulação probabilística beneficie os provedores de Internet na criação de
fibra de alta velocidade
para as linhas
domésticas , bem como os provedores de nuvem, por exemplo, ao transferir dados entre diferentes datacenters.
Leitura adicional em nosso blog sobre Habré: