Viļņa garuma dalīšanas multipleksēšana

Joslas platums komunikācijās ir kā skapja telpa jūsu mājās — jums nekad nevar pietikt. Un interneta trafiks liek pieprasījumam pēc saziņas jaudas augt ātrāk nekā pusaudža garderobei ar bezlimita kredītkarti. Joslas platumu apgrūtinoši megabaiti animētas grafikas aizstāj kompaktos e-pasta ziņojumus. Datu, video un balss signāli pārblīvē pārraides sistēmas, kurām tikai pirms dažiem gadiem bija pietiekami daudz vietas. Sakaru nozarei ir vajadzīga vieta, kur elpot.

Tas ir tieši tas, ko jaunās paaudzes optiskās šķiedras tehnoloģija nodrošina tādos tīklos kā trāpīgi nosauktais Project Oxygen. Nīls Tagare, CTR Group dibinātājs Vudklifaleikā, Ņ.J., izvēlējās šo nosaukumu globālajam tīklam, jo ​​uzskatīja, ka milzīgais joslas platums, ko piedāvā jaunā tehnoloģija, ir tikpat svarīgs telekomunikācijām kā skābeklis pašai dzīvībai. Nosūtot signālus 16 dažādos viļņu garumos cauri četriem optisko šķiedru pāriem, Project Oxygen pārraidīs 640 gigabitus sekundē (Gbit/s) pa veseliem okeāniem. Tas ir līdzvērtīgs 10 miljoniem vienlaicīgu telefona sarunu — pietiekami, lai katrs Ungārijā vai Beļģijā dzīvojošs cilvēks vienlaikus piezvanītu uz ASV.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 1999. gada marta numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Tehnoloģiju, kas padara šo jauno joslas platumu iespējamu, sauc par viļņu garuma dalīšanas multipleksēšanu vai WDM, un tā ir otrā lielākā optiskās šķiedras revolūcija telekomunikācijās. Pirmais notika 1980. gados, kad telefonu kompānijas savienoja Amerikas Savienotās Valstis un citas valstis ar šķiedrām, lai izveidotu globālu informācijas cauruļvadu mugurkaulu, kas varētu pārvadāt daudz vairāk datu nekā to aizstātie vara vadi un mikroviļņu saites. WDM izmanto šo priekšrocību milzu soli, vēl vairāk reizinot katras šķiedras potenciālo kapacitāti, piepildot to ar ne tikai vienu, bet daudziem gaismas viļņu garumiem, no kuriem katrs spēj pārnēsāt atsevišķu signālu.

Viļņa garuma dalīšanas multipleksēšana ir kļuvusi diezgan ērta, jo vecāki šķiedru kabeļi tika piepildīti, saka Ričards Maks, KMI Corp. viceprezidents, Ņūportā, R.I. bāzētā tirgus analītiķu firma, kas specializējas optisko šķiedru jomā. Izmantojot WDM priekšrocības, tālsatiksmes operatori, piemēram, AT&T un MCI, ir spējuši izvairīties no dārgu jaunu kabeļu novietošanas; tā vietā viņi vienkārši sūknē papildu viļņu garumus caur esošajām šķiedrām.

WDM revolūcija ir ieradusies ar neparedzētu ātrumu. Pirms desmit gadiem, Mack norāda, cilvēki teica, ka ir pārpilnība šķiedru jaudas. Lai dotu vietu paplašināšanai, tālruņu uzņēmumi bija ielikuši kabeļus, kas satur 24 līdz 36 šķiedras, no kurām daudzas tika turētas rezervē kā tumšās šķiedras. Katra šķiedra pārvadāja simtiem megabitu sekundē vienā viļņa garumā. Kopš tā laika operatori ir palielinājuši datu pārraides ātrumu līdz 2,5 Gbit/s un izgaismojuši lielāko daļu tumšo šķiedru. Taču milzīgais satiksmes pieaugums ir pārpildījis šos kabeļus, kas kādreiz šķita tik apjomīgi. Šķiet, ka skapji tiek ātri sakrauti līdz spārēm – un sīkumi izbirst uz grīdas. Tālruņu izmantošanas iemesls ir zināms pieaugums, tostarp faksa aparātu un mobilo tālruņu izplatība. Taču visdramatiskākais pieaugums ir bijis interneta trafika dēļ, kas katru gadu aptuveni dubultojas.

Skaidrs ir arī tas, ka augošajam pieprasījumam nav beigas, it īpaši, ja, kā uzskata daudzi eksperti, divvirzienu video saziņa kļūst arvien izplatītāka. Sakaru nozare piedzīvo pāreju, kas dažu gadu laikā nodrošinās mums digitālo video ikdienas lietošanai mājās un darbā, saka Šahabs Etemads, kurš vada WDM pārraides izstrādi Moristaunā, N.J. bāzētajā Bell Communications Research jeb Bellcore. (Sākotnēji tas bija vietējo un reģionālo tālruņu kompāniju pētniecības grupa, Bellcore tagad darbojas kā tīkla pārvaldības konsultāciju uzņēmums ar dažādiem korporatīvajiem klientiem.) Etemad sagaida, ka pārejai no balss telefonijas uz digitālajiem datiem, kas ir apgrūtināti ar video, būs jāreizina mugurkaula pārraides jauda ar aptuveni. koeficients 200 — un viņš uzstāj, ka WDM ir jāuzņemas vadošā loma šī paplašinātā pieprasījuma apmierināšanā.

Pateicoties WDM metožu progresam, šķiedra ir paveikusi labu darbu, lai neatpaliktu no šī pieprasījuma pieauguma. Saskaņā ar MIT Datorzinātņu laboratorijas vecākais pētnieks Deivids Klārks norāda, ka spēja izdalīt bitus pa šķiedru pieaug ātrāk nekā Mūra likums, kas paredz skaitļošanas jaudas dubultošanos ik pēc 18 mēnešiem. Šobrīd Klārks atzīmē, ka šķiedras nestspēja dubultojas ik pēc 12 mēnešiem.

Darot to ar Erbium

Termins viļņu garuma dalīšanas multipleksēšana smaržo pēc inženierijas žargona, taču jēdziens ir vienkāršs: vienlaikus sūtīt atsevišķus signālus caur vienu un to pašu šķiedru dažādos viļņu garumos. Būtībā viena un tā pati ideja veido radio un televīzijas apraides pamatu, kur katra stacija raida savu signālu noteiktā viļņa garumā radiofrekvenču spektrā. Protams, lielākā daļa cilvēku tā vietā domā frekvences izteiksmē, taču abas vērtības ir nesaraujami saistītas ar to saistību ar gaismas ātrumu. (Piemēram, 100 megaherci uz FM skalas atbilst aptuveni 3 metru viļņa garumam.)

Tie paši principi darbojas gaismai, kas iet caur optisko šķiedru, kā radioviļņiem, kas tiek pārraidīti pa gaisu. Optiskās šķiedras vislabāk pārraida neredzamās, gandrīz infrasarkanās gaismas viļņu garumā no 1,3 līdz 1,6 mikrometriem, kas ir aptuveni divas reizes lielāks par sarkanās gaismas viļņa garumu.

Ja WDM ir gan vienkārša, gan ideja, kas jau ir bijusi, kāpēc tas tikai nesen ir kļuvis praktisks? Lielākais šķērslis bijis piemērotu pastiprinātāju trūkums. Gaismas signāli, kas virzās cauri pat viscaurspīdīgākajām optiskajām šķiedrām, pēc pāris simtiem kilometru izzūd līdz nenosakāmam līmenim. Lielāko daļu laika šķiedru optika ir bijusi vietā, vienīgais veids, kā aptvert šķiedras, kas ir garākas par šo, bija signāla reģenerācija, izmantojot optoelektronisko procesu: fotodetektors pārveidotu novājinātu gaismas impulsu plūsmu sprieguma signālā, ko varētu pastiprināt elektroniski. ; šis pastiprinātais signāls modulēja lāzera raidītāju.

Problēma ir tā, ka gaismas detektori nešķiro viļņu garumus — tie sajauc signālus dažādās krāsās, līdzīgi kā jūsu ausīm ir grūti noteikt, kas tiek teikts, ja divi cilvēki runā vienlaikus. Lai optoelektroniskās sistēmas darbotos ar vairākiem viļņu garumiem, tām ir jābūt iespējai optiski atdalīt viļņu garumus, izmantojot filtrus vai citus līdzīgus elementus, ļaujot katram signālam iziet cauri savam reģeneratoram. Tomēr vēl nesen tas izrādījās nepraktiski.

Šis ierobežojums pazuda, izgudrojot paņēmienu signāla gaismas intensitātes palielināšanai tieši, bez nepieciešamības veikt elektronisku starpposmu. Tehnoloģijas galvenais elements ir ar erbiju leģēts šķiedru pastiprinātājs. Šīs ierīces, kas izstrādātas 80. gadu beigās, padarīja iespējamu WDM revolūciju.

Atšķirībā no reģeneratora, šķiedru pastiprinātājs darbojas tieši ar gaismu. Gaisma vājā ieejas signālā stimulē ierosinātos erbija atomus šķiedras izstarot vairāk gaismas ar tādu pašu viļņa garumu. Optisko pastiprinātāju ķēdes var apvienot, lai pārraidītu signālus pa tūkstošiem kilometru garu optisko šķiedru kabeļu uz zemes vai zem okeāna bez reģeneratoriem. Tā kā erbija šķiedru ierīces saglabā optisko signālu viļņa garumu, tās var vienlaikus pastiprināt vairākus dažādus viļņu garuma kanālus, tos nešifrējot. Erbija pastiprinātāji labi darbojas gandrīz infrasarkanajā spektra reģionā, kurā darbojas optiskās šķiedras sistēmas.

Uz zemes un jūrā

Tālsatiksmes telefonu uzņēmumi bija pirmie, kas saprata, ka viļņu garuma dalīšanas multipleksēšana var samazināt joslas platuma izmaksas. Salīdzinot ar alternatīvu jaunas šķiedras pievienošanu, WDM tehnoloģija nodrošina daudz efektīvāku veidu, kā palielināt jaudu, norāda Dana Kūpersona, RHK Inc. optiskā tīkla analītiķe, tirgus konsultāciju uzņēmums Dienvidsanfrancisko. Jauna kabeļa ievilkšana ir dārga un laikietilpīga. Jauna kabeļa ierakšana tajā pašā maršrutā, ko jau aizņem vecāks kabelis, ir riskanti — jauna rakšana izraisa kabeļa pārtraukumus, kā rezultātā visa sistēma var tikt pārtraukta.

Telekomunikāciju operatoru vēlme ietaupīt laiku un naudu ir veicinājusi strauju WDM metožu attīstību. Deviņdesmito gadu vidū pārvadātāju uzņēmumi sāka izmantot sistēmas, kas raida četros viļņu garumos, un drīz vien palielināja skaitu līdz astoņiem. Izstrādātāji ātri sagrieza spektru vēl smalkāk, lai caur vienu šķiedru izspiestu 16 viļņu garuma kanālus tam, kas ir kļuvis pazīstams kā blīvs WDM.

Kad pārvadātāji redzēja nepieciešamību, ražotāji tikpat ātri sajuta tirgu. Lucent Technologies no Murray Hill, N.J., pielāgoja tehnoloģiju, kas izstrādāta tās Bell Labs meitasuzņēmumā. Ciena, Linthicum, Md., uzņēmums, kas dibināts 1992. gadā, uzlādēja ātrāk, piegādājot savu pirmo komerciālo 16 kanālu sistēmu 1996. gadā — gandrīz tajā pašā laikā, kad AT&T šķipsnas. Tam sekoja citi telekomunikāciju giganti visā pasaulē, tostarp Nortel, Alcatel, Pirelli, NEC, Hitachi, Fujitsu un Ericsson. Pēdējo divu līdz trīs gadu laikā vairāki uzņēmumi, tostarp Ciena, Lucent un Nortel of Saint-Laurent, Que., ir sākuši tirgot sistēmas, kas sadala erbija pastiprinātāja spektru 32 vai 40 šķēlēs, katra tikai 0,8 nanometrus plata. Pagājušā gada septembrī Lucent piegādāja savu pirmo 80 kanālu sistēmu AT&T. Pirelli Cable of Lexington, S.C., kam sekoja 128 kanālu versija, taču līdz janvāra vidum tā nebija piegādājusi aparatūru.

Telekomunikāciju operatoriem šodien nav vajadzīgi visi šie kanāli, un, pateicoties WDM raksturīgajai modularitātei, viņiem nav jāiegādājas vairāk kanālu, kamēr tie nav gatavi. Pārvadātājs, kas uzstāda WDM sistēmu, var sākt tikai ar raidītājiem un uztvērējiem, kas nepieciešami dažiem sākotnējiem kanāliem. Vēlāk, pieaugot pieprasījumam pēc jaudas, var pievienot papildu aprīkojumu, lai atvērtu jaunus viļņu garumus.

Lai pilnībā izmantotu WDM priekšrocības, bieži ir jājaunina vecāki kabeļi, pievienojot komponentus, kas kompensē traucējošo efektu, ko sauc par hromatisko dispersiju. Tas attiecas uz īsa gaismas impulsa tendenci izstiepties, kad tas pārvietojas pa šķiedru, jo daži viļņu garumi pārvietojas ātrāk nekā citi. Izkliede sasmērē gaismas impulsus un tādējādi ierobežo pārraides ātrumu. Izvairīšanās no šīs parādības ir īpaši svarīga zemūdens kabeļos, kur gaismas signāliem jāpārvietojas pa vairākiem tūkstošiem kilometru šķiedru no krasta uz krastu. Jaunās instalācijas var izmantot šķiedras, kas paredzētas optimālai WDM veiktspējai, ko nesen izstrādāja gan Lucent, gan Corning (Corning, N.Y.).

Pagājušajā gadā pirmais lielais zemūdens kabelis, kas paredzēts daudzviļņu darbībai ar nosaukumu Atlantic Crossing 1, sāka sūtīt 2,5 Gbit/s četros viļņu garuma kanālos katrā no četriem šķiedru pāriem. Šīs sistēmas jaudu var palielināt līdz 16 viļņu garumiem uz vienu šķiedru ar šādu ātrumu, saka Patriks R. Trišita, Tyco Submarine Systems Laboratories tehniskā mārketinga direktors Holmdelā, Ņūdžersijā. Tas sola kopā 160 Gbit/s caur kabeli. cilpa, kas savieno ASV ar Lielbritāniju, Nīderlandi un Vāciju.

Project Oxygen paaugstina latiņu. Jaunāka WDM tehnoloģija nodrošinās 10 Gbit/s katrā no 16 viļņu garumiem pāri okeānam četros šķiedru pāros, ar kopējo jaudu 640 Gbit/s uz vienu kabeli. Tas ir vairāk nekā 1000 reižu vairāk nekā pirmā transatlantiskā optiskās šķiedras kabeļa jauda, ​​kas tika uzsākta tikai pirms desmit gadiem. Visa sistēma galu galā ietvers 168 000 kilometrus kabeļa, kas ir pietiekami, lai četras reizes apbrauktu zemeslodi. Citas grupas plāno vairāk zemūdens kabeļu sistēmu, lai gan neviena no tām nav tik ambicioza. Nav brīnums, ka MIT Klārks prognozē: mēs noslīksim šķiedrās.

Uz sauszemes reģionālās telefonu kompānijas ir tikko sākušas pieņemt viļņu garuma multipleksēšanu. Pagājušajā gadā Bell Atlantic sāka testēt WDM uz 35 kilometru gara kabeļa starp Brunsviku un Frīholdu, N.J., saka Roberts A. Gallo, Bell Atlantic inženieris, kas ir atbildīgs par izmēģinājumu. Katrs no četriem kanāliem pārraidīja signālus ar ātrumu līdz 2,5 Gbit/s — augstākais ātrums starp uzņēmuma komutācijas birojiem — un Ciena izveidotajā sistēmā ir sloti līdz 16 viļņu garuma kanāliem. Bell South pārbaudīja trīs no 16 kanāliem līdzīgā sistēmā uz kabeļa, kas stiepjas 80 kilometrus starp Grenādu un Grīnvudu, Miss. Ekonomika ir skaidra: ir lētāk pievienot WDM jaudu, nevis pievienot jaunu šķiedru, saka RHK analītiķis Kūpersons.

Atšķirīgi noteikumi attiecas uz īsākiem kabeļiem, kas savieno birojus ar galvenajiem biznesa klientiem. Šeit, tā sauktajā metro tirgū, izmaksas, kas saistītas ar šķiedru skaita palielināšanu, nav tik liela problēma, jo braucieni ir daudz īsāki, skaidro Cooperson. Tomēr WDM uzlabo signāla pārraidi citos svarīgos veidos. Viens no tiem ir signālu pārnešana to oriģinālajos digitālajos formātos, nevis pārveidojot tos tālruņu tīklā izmantotajā ciparu kodēšanā. Tā kā šādai pārveidei ir nepieciešama dārga elektronika, var būt lētāk, ja oriģinālajā formātā tiek paredzēts viļņa garums no gala līdz galam.

Iespējai kārtot signālus pēc viļņa garuma vajadzētu racionalizēt nākotnes optisko šķiedru tīklu darbību. Tradicionāli tālruņu uzņēmumi organizē digitālos signālus bitu pārraides ātruma hierarhijā, apvienojot daudzas zema bitu pārraides ātruma pietekas varenās digitālajās upēs, kas pārvadā gigabitus sekundē. Tas efektīvi iesaiņo bitus pārvades līnijās, taču, lai iegūtu atsevišķus signālus, ir jāizpako visa bitu plūsma. Tomēr, ja signāli tiek sakārtoti pēc viļņa garuma, vienkārša optika var izdalīt vēlamo viļņa garuma kanālu, netraucējot citiem. Inženieri runā par jauna optiskā slāņa pievienošanu telekomunikāciju sistēmai. Klienti var iznomāt viļņa garumu šajā optiskajā slānī, nevis iznomāt tiesības pārraidīt ar noteiktu datu pārraides ātrumu. Piemēram, televīzijas stacija varētu rezervēt vienu viļņa garumu no savas studijas savam raidītājam un otru vietējam kabeļtelevīzijas uzņēmumam un pārraidīt abus signālus ciparu video formātos, kas netiek izmantoti tālruņu tīklā.

Ultimate Squeeze

Tā kā pieprasījums pēc joslas platuma neliecina par palēnināšanos, WDM sistēmu izstrādātāji jau domā par to, kā vienā un tajā pašā šķiedrā ievietot vairāk viļņu garumu. Pašlaik tiek pētītas divas pamata pieejas, un abām ir acīmredzamas robežas.

Viena pieeja ir samazināt atstarpi starp viļņu garumiem, izvēloties viļņu garumus, kas ir tuvāk viens otram, lai pārraidītu signālu daudzveidību. Viļņu garumu tuvināšana darbojas labi līdz noteiktam punktam, taču galu galā tas ir pretrunā ar pamata fiziku. Palielinoties bitu pārraides ātrumam, optiskie impulsi kļūst īsāki, un, ievērojot Heizenberga nenoteiktības principa diktātu, šis saīsinājums liek gaismas signālam izplatīties plašākā viļņu garumu diapazonā. Šī izplatīšanās var izraisīt traucējumus starp cieši izvietotiem kanāliem. Lucent lielākās ietilpības sistēma apstrādā 10 Gbit/s viļņa garuma kanālos, kas atdalīti ar 0,8 nanometriem, bet tikai 2,5 Gbit/s, kad kanālu atstatums tiek samazināts uz pusi. Un daži eksperti domā, ka kanālus var saspiest daudz ciešāk. No lielākajiem pārdevējiem tikai Hitachi Telecom no Norcross, Ga., runā par atsevišķu kanālu modulēšanu ar ātrumu 40 Gbit/s un atzīst, ka šie signāli varētu aptvert tikai ierobežotus attālumus.

Izredzes izskatās labākas otrajai iespējai: pārraides viļņu garuma diapazona paplašināšanai. Piemēram, Pirelli izmanto trīs erbija šķiedru pastiprinātājus, kas optimizēti atsevišķām joslām no 1525 līdz 1605 nanometriem, lai vienā šķiedrā saspiestu 128 viļņu garuma kanālus ar ātrumu 10 Gbit/s. Lucents laboratorijā ir demonstrējis erbija pastiprinātājus, kas aptver līdzīgu diapazonu, un pagājušajā gadā ieviesa jaunu optisko šķiedru, kas atver ilgi novārtā atstātu spektra bloku aptuveni 1400 nanometru garumā. Labi optiskie pastiprinātāji citiem viļņu garumiem vēl nav pieejami.

Tomēr, lai WDM pilnībā izmantotu savu potenciālu, būs nepieciešams vairāk nekā vienkārši papildu viļņu garumi. Būs arī jāizstrādā labāks aprīkojums dažādu viļņu garumu pārslēgšanai un manipulēšanai pēc tam, kad signāls izplūst no optiskās caurules. Optiskie slēdži tuvojas praktiskiem komerciāliem lietojumiem, saka KMI analītiķis Maks. Tomēr viņš piebilst, ka, lai pilnībā atdarinātu to, kas notiek digitālajos šķērssavienojumos, jums ir jāpārdala un jāpiešķir viļņu garumi. Nav iespējams piešķirt vienu un to pašu viļņa garumu vienam klientam visā sistēmā, jo milzīgajam tīklam ir daudz vairāk klientu, nekā tam ir viļņu garumi.

Tālāk redzamajā ilustrācijā parādīts, kā signāli no Sanfrancisko un Kupertino nonāk Palo Alto vienā viļņa garumā, abi virzoties uz Sanhosē. Palo Alto mezglam ir jāpārvērš viens signāls uz citu viļņa garumu sava brauciena pēdējā posmā, lai ziņojumi, ko tie nes, netiktu bezcerīgi sajaukti. Viļņa garuma pārveidošanai tagad ir jāizmanto tāda pati brutālā spēka pieeja kā reģeneratoriem, pārveidojot optisko signālu elektroniskā, kas var vadīt raidītāju izejas viļņa garumā. Pilnīgi optiskās konversijas pieejas, lai gan tās ir demonstrētas laboratorijā, vēl nav sasniegušas komerciālu praktiskumu.

Pat ja šīs tehniskās problēmas tiks atrisinātas, tomēr ar to nepietiks, lai tehnoloģija patiešām izplestu savus spārnus. Lai to izdarītu, cenai būs arī jāsamazinās — trajektorija, kas, pēc iekšējās informācijas, jau ir kļuvusi acīmredzama. Adels Salehs, AT&T Labs platjoslas piekļuves izpētes nodaļas vadītājs Redbankā, Ņūdžersijā, projektu izmaksas par vienu tīkla mezglu ik pēc pieciem gadiem samazināsies par 10 reizēm, sākot no USD 1 miljona 1995. gadā. Nākamā gada vai divu laikā viņš saka, WDM būs ekonomisks tikai mugurkaula tīkliem. Kad izmaksas samazināsies līdz 100 000 USD par mezglu, tehnoloģija būs jēgpilna lielpilsētu un reģionālajiem tīkliem, sākot ar apkalpošanu lieliem uzņēmumiem. Salehs sagaida, ka piekļuve dzīvojamām ēkām lielās daudzdzīvokļu ēkās sekos pēc tam, kad izmaksas samazināsies līdz 10 000 USD par mezglu aptuveni 2005. gadā, un WDM sasniegs atsevišķas mājas, tiklīdz izmaksas samazināsies līdz aptuveni USD 1000 2010. gadā.

WDM patiesais spēks slēpjas tajā, kā tas paplašina optiskos elpceļus, lai ikviens varētu ieelpot vairāk informācijas skābekļa. Radio ēras rītausmā katrs raidītājs kliedza visā radio spektrā, bloķējot citus signālus uz tā pārraides laiku. Tad inženieri iemācījās izveidot shēmas, kas noregulēja katru raidītāju uz savu frekvenci, atverot radio spektru daudzajām stacijām, kuras mēs varam dzirdēt šodien. Tādā pašā veidā WDM aizvieto vienu melnbalto bitu plūsmu ar daudzām dažādu krāsu signāliem.

WDM veido milzīgus jaunus informācijas cauruļvadus, kas nodrošinās labākus pakalpojumus par zemākām izmaksām. Taču īstā informācijas revolūcija nenotiks, kamēr lēti WDM cauruļvadi nesasniegs atsevišķas dzīvesvietas. Mūsdienu modema savienojumi joprojām ir vājās vietas, liekot mums malkot datu straumi, izmantojot elektronisku plāna plastmasas salmiņa ekvivalentu. Bet sagatavojieties: kad šķiedra sasniedz māju, jūsu pašu viļņa garums var radīt burbuļojošu bitu strūklaku.

paslēpties