/ Flickr / Tony Webster / CC BY
Кто установил рекорд
По данным ОЭСР, через три года количество устройств интернета вещей может достигнуть 50 млрд. С ростом числа гаджетов вырастет и объем трафика в мобильных сетях — по некоторым оценкам, примерно в четыре раза. В Deloitte говорят, что существующая оптоволоконная инфраструктура, которая станет основой для 5G-сетей, не справится с подобной нагрузкой.
По этой причине все больше компаний и исследовательских организаций работают над технологиями, повышающими пропускную способность «оптики». Одной из таких организаций является Мюнхенский технологический университет (TUM). Его сотрудники еще пять лет назад разработали алгоритм вероятностного формирования сигнального созвездия — Probabilistic Constellation Shaping, или PCS (подробнее о нем расскажем далее). В 2016 году с её помощью удалось впервые достичь терабитной скорости передачи данных в лаборатории.
В феврале этого года та же группа ученых поставила другой рекорд — они осуществили передачу данных на скорости 500 Гбит/с, но сделали это в «полевых» условиях. Для тестов использовали сигнальный процессор Nokia PSE-3, который внедрили в сеть немецкого оператора M-Net.
Как работает алгоритм
PCS — это метод, который дополняет квадратурную амплитудную модуляцию (QAM) в оптоволоконных сетях. В классическом случае QAM все точки (значения амплитуды сигнала) имеют равные веса и используются с одинаковой частотой.
Алгоритм PCS, разработанный инженерами из TUM, каждый раз выбирает оптимальную группу точек, которая лучше всего подходит для текущего состояния канала. Для каждой из точек созвездия высчитывается вероятность искажения данных и значение требуемой на отправку сигнала энергии. Чем меньше искажение сообщения и энергозатраты, тем чаще используется конкретная амплитуда. То, насколько часто использовать точку созвездия, определяют функции распределения вероятности. Они выводятся опытным путём для каждой конкретной сети на основе данных о среднем уровне шумов в оптическом канале.
Обычно PSC реже задействует сигнальные точки с большой амплитудой. По словам разработчиков, это позволяет повысить устойчивость сигнала к шумам и увеличить скорость передачи. Например, для 16-QAM «прирост» составляет от 15 до 43%.
Применение и потенциал технологии
По словам президента Nokia Bell Lab Маркуса Велдона (Marcus Weldon), в будущем PCS позволит оптоволоконным сетям передавать большие объемы данных и динамически адаптироваться под текущие потребности в трафике (например, в 5G-сетях).
Технологию уже поддерживает провайдер сетевого оборудования Infinera. Компания использует вероятностную модуляцию в цифровых сигнальных процессорах серии ICE. В Infinera заявляют, что устройства смогут увеличить пропускную способность сетей до 800 Гбит/с, но пока их возможности еще не были протестированы. Представители компании говорят, что технология поможет мобильным операторам и интернет-провайдерам сократить расходы на развитие инфраструктуры и строительство новых линий.
Но на популярность вероятностной модуляции может повлиять один недостаток: она плохо оптимизирована для работы с существующими методами прямой коррекции ошибок (FEC) при передаче данных. FEC-методы рассчитаны на то, что все комбинации в канале используются одинаково часто. В случае с PCS некоторые точки созвездия выбираются чаще других, что может сказаться на производительности сети. Для решения этой проблемы разрабатывают более совершенные FEC-методы, например «распараллеливают» схемы коррекции и проводят несколько проверок одновременно.
О чем мы пишем в нашем корпоративном блоге:
/ Flickr / Groman123 / CC BY-SA
Аналог вероятностной модуляции
Есть ещё один вид модуляции сигнального созвездия — геометрический. Он отличается от вероятностного тем, что меняет не частоту использования конкретной точки, а форму созвездия. Для этого к амплитудной модуляции сигнала добавляют фазовую, что позволяет «сдвинуть» точки относительно друг друга. Как и вероятностная модуляция, геометрическая помогает добиться более эффективного использования оптического канала: расположение точек в созвездии выбирается так, чтобы в каждой из них отношение сигнал/шум (SNR) было максимальным.
Преимущество геометрического вида перед вероятностным — меньшее количество возможных значений амплитуды. Эта особенность снижает шанс искажения сигнала. Однако у геометрической модуляции есть недостаток: на практике она оказывается менее эффективной в уменьшении искажений сигнала, чем вероятностная.
Специалисты надеются улучшить геометрическую модуляцию с помощью методов машинного обучения, используя их для определения оптимальной формы сигнального созвездия. Результаты пока не очень впечатляют: в исследовании 2018 года простая однослойная нейросеть помогла повысить значение SNR на один процент. Однако инженеры планируют продолжать работу и поэкспериментировать с рекуррентными нейронными сетями.
Пока что геометрическая модуляция сигнального созвездия проигрывает вероятностной при работе в реальных сетях, и поэтому последнюю считают наиболее перспективным методом увеличения пропускной способности интернет-каналов. Ожидается, что в ближайшем будущем вероятностная модуляция принесёт пользу интернет-провайдерам в создании высокоскоростных линий fiber to the home, а также облачным провайдерам, например при переносе данных между разными дата-центрами.
Дополнительное чтение в нашем блоге на Хабре:
Комментарии (27)
numitus2
02.03.2019 14:42Скажите пожалуйста. По идее чтобы иметь частоту 500Гб/с надо иметь частоту приемника 125Ггц. Неужели есть техника работающая на такой скорости?
a5b
02.03.2019 22:18+2Судя по пресс-релизу www.tum.de/nc/en/about-tum/news/press-releases/detail/article/35240 передали 500 Гбит на одной длине волны, без спектрального уплотнения каналов. Точное созвездие или скорости в данном пресс-релизе не уточняли. Ранее в 2015 г они предлагали математику для 64-qam. В 2016 году писали про 32 гбод.
Широко используется техника на символьных скоростях порядка 56-64 ГБод, где одним символом передается одно из 2^n значений (n бит):
ru.wikipedia.org/wiki/Сигнальное_созвездие
Сравнение эффективности многобитных символов — cdn.extranet.coriant.com/resources/White-Papers/WP_Role_of_Higher_Baud_Rates_74C0176.pdf
Сигнал передается с примененим IQ модуляторов и IQ детекторов (Optical heterodyne detection), с которыми работают несколько 32 ГБод электронных ЦАП на передаче и несколько 32 ГБод фотоприемников + АЦП + DSP на приеме. (см Coherent Optical Systems)
Страницы Nokia про продукт Photonic Service Engine 3 (PSE 3) — networks.nokia.com/technology/pse-super-coherent-technology networks.nokia.com/technology/photonic-service-engine-3
mirwide
03.03.2019 13:14В пресс релизе от nokia указано что использовался 64-QAM и теоритическая пропускная способность на волну 600Гб/с, про ширину полосы то же ничего нет. Частоту модуляции уже можно посчитать, кто умеет, не осилю к сожалению
Nokia and M-net conduct first field trial of probabilistically shaped wavelengths using Nokia Photonic Service Engine 3 super coherent technology
kuza2000
02.03.2019 20:01Недавно установили рекорд передачи без оптоволокна. Удалось осуществить передачу со скоростью 100 терабайт в секунду на расстояние одного метра. Это удалось сделать обычному грузчику — он уронил ящик со ста жесткими дисками.
SergeyMax
03.03.2019 13:02Автор забыл упомянуть ключевой момент: скорость была достигнута без использования спектрального уплотнения.
MikhailShpak
05.03.2019 06:08Спасибо за статью. Есть ощущение, что WDM — нуждается в популяризации. НО… В наше время рекорды очень часто живут не долго, есть уже коммерческие реализации 600 Гбит/с — см пресс-релиз — www.huawei.com/en/press-events/news/2019/2/huawei-citic-network-single-wavelength-600g-networks
khim
Вот как-то? Мюнхенский университет разрабатывает передачу связи на 500 ГБит/с, а половина домов в городе подключена через ADSL без какой-либо альтернативы…
Yastreb1332
а вторая половина не имеет даже этой возможности. 21 век.
Stiver
А вторая половина сидит на кабеле. Многие дома подключены к кабельному телевидению и получают интернет (100-150 Mbit) тоже через него. Это одна из причин, почему оптика сравнительно медленно распространяется.
Yastreb1332
угу, вот только страна не заканчивается на крупных городах. Например Краснодар. да новые многоэтажки с этим проблем не испытывают (не все). старые многоэтажки этим похвастаться не могут. а уж частный сектор вообще перебивается как может.
лично я себе подключил в частный дом оптику 100 мегабит, но вот абонплата 1300р совсем не радует.
tvr
Только что были в Мюнхене, вжух, и уже в Краснодаре.
Воистину интернет творит чудеса с расстояниями.
Yastreb1332
чего? где это я писал что я в Мюнхене?
khim
Вы нигде — а я таки писал. Разумеется если речь идёт про «Мюнхенский университет», то и обсуждаемых город — таки «Мюнхен».
Yastreb1332
а по мне никак не разумеется.
ledascho
Вообще говоря, даже если рассматривать только M-Net, то они покрывают оптикой до 2/3 города уже сейчас и строят дальше. И предлагают до гигабита вниз и 50 мбит вверх. А что стоит это невменяемых денег, так вы ж не на цены вроде жалуетесь…
khim
Они могут покрывать что угодно, но если в дом их не пускают (а во многих домах даже в тех местах, где они как бы есть их не пускают), то получается один ADSL — и хорошо если ADSL есть.
При этом заставить всех балконы в одном стиле оформлять — это запросто. А сделать так, чтобы что-то быстрее ADSL было доступно — фиг.
ledascho
Уточним для неместных жителей: балконы в одном стиле и провайдера в дом не пустить — это собственники дома решают (собрание жильцов, фирма и т.д.), а не провайдеры. Предложение провайдера на рынке есть, да и не одного — тот же Водафон до 250 МБит вниз предлагает. Что я могу сказать, если вам 50 Мбит ADSL слишком мало — переезжайте или пишите петиции собственникам здания…
tvr
Как, как — старый добрый принцип «работает — не трожь» + перевод на новые рельсы потребует нехилых вложений, что вполне может быть не очень оправданно экономически.
khim
То есть в «нищей России» деньги на подобные влохения нашлись, а в «богатой Германии» — нет? Вам не смешно?
А вот «работает — не трожь», это да… интересно как это сработает через несколько лет, после того, как мировая финансовая система, наконец, крякнет… успеют ли подобного рода динозавры, свято уверенные, что любое решение любого вопроса может ждать 3-5-10 лет, условно говоря, «почесаться за ухом» — или нет.
tvr
Вот не хочу ввязываться в политоту, но с моей точки зрения, преимущества «нищей России» (термин ваш) в отдельных сферах (обсуждаемый инет. относительно дешёвая мобильная связь, местами очень продвинутые банковские инет-порталы, etc) частенько связаны именно с тем, что из-за общего отставания, такие направления строились с ноля СРАЗУ на уже более продвинутых и новых технологиях, а не требовали перехода с работающих (и скорее всего устраивающих 95% пользователей) устаревших платформ/технологий/решений.
khim
Это можно (и то с натяжкой) отнести к банкам. Но вот к интернету и мобильной связи — вряд ли.
Все эти технологии замещали другие, через которые и в России и в Германии тоже прошли: 2G, 56K модемы, ADSL… вот это вот всё…
VitalKoshalew
Вы упускаете принципиальные детали. Советские стандарты телефонии не давали возможности нормально использовать телефонную «лапшу» в качестве высокоскоростной среды передачи данных. Не 56К было, а, дай Бог, на 24000 или 21600 соединиться через вечно полузатопленные колодцы и гнилые закрашенные краской поверх контактов советские телефонные кроссы в подъездах.
Вот первая попавшаяся картинка из Гугла, это ещё всё очень хорошо.
Пропустили вы и ISDN, которого практически не было в ex-USSR, потому что не по чему его было пускать.
Ещё больше разница в кабельном телевидении — DOCSIS3 даёт очень хорошие скорости по кабелю, но в пост-советских реалиях для него надо прокладывать кабель с нуля — советская кабельная система «коллективных антенн» практически не годится для DOCSIS, а во многих западных странах кабельное телевидение заведено в каждый дом.
Таким образом, в пост-советских странах был один вариант — строить всё с нуля. Во многих городах он ещё и облегчался наличием доступной коммунальной канализации между домами — затопление оптике не помеха, а в целом были очень неплохие трубы заложены повсюду. Во многих западных странах оптику приходится вешать на столбах в лучшем случае (местами добавляя «второй этаж» столбу), а в худшем — закапывать прямо в клумбы front yard по всей улице, предварительно получив разрешение каждого домовладельца. США, насколько я помню, мировой лидер в использовании радиорелейных каналов связи — вся земля частная, арендовать её у каждого землевладельца на всём протяжении трассы, да ещё чтоб он не передумал потом — задача, порой, невыполнимая.
Кстати о front yard — плотность населения в некоторых западных городах очень низкая — «одноэтажная Америка». Провести при такой плотности первый кабель — ещё более-менее выгодно, улучшать — уже нет.
Запросы среднего не-geek пользователя очень низки. До недавнего времени, например, в Канаде большинство пользователей проводной связи довольствовалось тарифами с ограничением в 30 Гбайт в месяц, это 40 минут скачивания в месяц на скорости 100Мбит/с.
Таким образом, при наличии стабильных каналов связи 10-100Мбит/с, очень мало причин вкладывать огромные деньги в замену этой инфраструктуры на оптику, особенно при низкой плотности населения в городах. Также стоит учитывать высокую стоимость рабочей силы во многих западных странах, из-за которой исчезают целые отрасли, такие как ремонт.
dkDer3k
Опять же не во всей России все так хорошо:
1) в моем родном городе (г. Нарьян-Мар) до сих пор у родителей старый добрый ADSL модем
2) в СПб год назад я жил недалеко от м. Чкаловская и в квартиру заходил старый добрый коаксиал (ситуация никак не изменилась за год, как я знаю)
Так что заявления в духе «у нас смогли, а у них нет» — немного голословны, кмк
khim
1) А в городе Нарьян-Мар — тоже больше миллиона жителей и Университет, устанавливающий рекорды скорости в оптоволоконных сетях, извините?
Да, я знаю, что в России, особенно где-нибудь в глубинке, с Интернетом всё не так хорошо, как хочется.
Но в данном-то случае речь идёт, всё-таки, о столице одного из регионов. И не самой бедной и, теоретически, не самой отсталой.
2) А вы спрашивали у других провайдеров — они могут предоставить вам более быстрый интернет или нет? Речь ведь идёт не о том, чтобы загнать всех железной рукой в счастье (СССР с законами о тунеядстве уже много лет, как почил в бозе), а возможности получения услуги…
У моего знакомого, арендовавшего в Японии квартиру 10 лет назад, тоже всё было негладко — интернета изначально в квартире не было вообще, только телефон (это в Японии, да), и из 8 или 10 компаний, которые он обзвонил согласились протянуть к нему оптику, кажется, две… но в сухом остатке: он свои 100Мбит таки получил… а в Мюнхене — это и сегодня проблема.