Оптическая сеть
Оптическая сеть — это средство связи, которое использует сигналы, закодированные в свету, для передачи информации в различных типах телекоммуникационных сетей . ограниченного радиуса действия К ним относятся локальные сети (LAN) или глобальные сети (WAN), которые пересекают городские и региональные территории, а также междугородные национальные, международные и трансокеанские сети. Это форма оптической связи , которая использует оптические усилители , лазеры или светодиоды и мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM) для передачи больших объемов данных, как правило, по оптоволоконным кабелям . Поскольку он способен обеспечить чрезвычайно высокую пропускную способность , это технология, позволяющая использовать Интернет и телекоммуникационные сети , которые передают подавляющее большинство всей человеческой и межмашинной информации.
Типы [ править ]
Волоконно-оптические сети [ править ]
Наиболее распространенными оптоволоконными сетями являются сети связи , ячеистые сети или кольцевые сети, обычно используемые в городских, региональных, национальных и международных системах. Другим вариантом волоконно-оптических сетей является пассивная оптическая сеть , в которой используются оптические разветвители без питания для подключения одного волокна к нескольким помещениям для приложений «последней мили» .
Оптические сети в свободном пространстве [ править ]
Оптические сети в свободном пространстве используют во многом те же принципы, что и оптоволоконные сети, но передают сигналы через открытое пространство без использования оптоволокна. Несколько планируемых спутниковых группировок, таких как Starlink компании SpaceX, предназначенных для глобального интернет-обеспечения, будут использовать беспроводную лазерную связь для создания оптических ячеистых сетей между спутниками в космическом пространстве. [1] Воздушные оптические сети между высотными платформами планируются в рамках проекта Google Loon и Facebook Aquila с использованием той же технологии. [2] [3]
Оптические сети в свободном пространстве также можно использовать для создания временных наземных сетей, например, для соединения локальных сетей в кампусе.
Компоненты [ править ]
Компоненты волоконно-оптической сетевой системы включают в себя:
- Волокно. Многомодовый или одномодовый.
- Лазерный или светодиодный источник света.
- Мультиплексор/демультиплексор , также называемый мультиплексором/демультиплексором, фильтром или призмой. К ним могут относиться оптический мультиплексор ввода-вывода (OADM) и реконфигурируемый оптический мультиплексор ввода-вывода (ROADM).
- Оптический переключатель для направления света между портами без опто-электро-оптического преобразования.
- Оптический разветвитель для передачи сигнала по разным оптоволоконным путям.
- Circulator для подключения других компонентов, таких как OADM.
- Оптический усилитель .
- Мультиплексор с волновым разделением .
Средство передачи [ править ]
На момент своего создания телекоммуникационная сеть для передачи информации полагалась на медь . Но полоса пропускания меди ограничена ее физическими характеристиками : по мере того, как частота сигнала увеличивается для передачи большего количества данных, большая часть энергии сигнала теряется в виде тепла . Кроме того, электрические сигналы могут создавать помехи друг другу, когда провода расположены слишком близко друг к другу. Эта проблема известна как перекрестные помехи. В 1940 году первая система связи использовала коаксиальный кабель , работавший на частоте 3 МГц и способный передавать 300 телефонных разговоров или один телевизионный канал. К 1975 году самая совершенная коаксиальная система имела скорость передачи данных 274 Мбит/с, но такие высокочастотные системы требуют ретранслятора примерно на каждом километре для усиления сигнала, что делает эксплуатацию такой сети дорогой.
Было ясно, что световые волны могут иметь гораздо более высокую скорость передачи данных без перекрестных помех. В 1957 году Гордон Гулд впервые описал конструкцию оптического усилителя и лазера , который был продемонстрирован в 1960 году Теодором Мейманом . Лазер является источником световых волн, но для передачи света по сети требовалась среда. В 1960 году стеклянные волокна использовались для передачи света в тело для получения медицинских изображений, но они имели высокие оптические потери — свет поглощался при прохождении через стекло со скоростью 1 децибел на метр — явление, известное как затухание . В 1964 году Чарльз Као показал, что для передачи данных на большие расстояния по стекловолокну потребуются потери не более 20 дБ на километр. Прорыв произошел в 1970 году, когда Дональд Б. Кек , Роберт Д. Маурер и Питер К. Шульц из Corning Incorporated разработали стекловолокно из плавленого кварца с потерями всего 16 дБ/км. Их волокно могло передавать в 65 000 раз больше информации, чем медь.
Первая волоконно-оптическая система для прямого телефонного трафика была создана в 1977 году в Лонг-Бич, Калифорния, компанией General Telephone and Electronics , со скоростью передачи данных 6 Мбит/с. Ранние системы использовали инфракрасный свет с длиной волны 800 нм и могли передавать со скоростью до 45 Мбит/с с ретрансляторами, расположенными на расстоянии примерно 10 км друг от друга. К началу 1980-х годов были представлены лазеры и детекторы, работающие на длине волны 1300 нм, где оптические потери составляют 1 дБ/км. К 1987 году они работали на скорости 1,7 Гбит/с с расстоянием между ретрансляторами около 50 км. [4]
усиление Оптическое
Пропускная способность оптоволоконных сетей увеличилась отчасти за счет усовершенствований таких компонентов, как оптические усилители и оптические фильтры, которые могут разделять световые волны на частоты с разницей менее 50 ГГц, помещая в волокно больше каналов. ( Оптический усилитель, легированный эрбием EDFA), был разработан Дэвидом Пейном из Университета Саутгемптона в 1986 году с использованием атомов редкоземельного эрбия, которые распределяются по длине оптического волокна. Лазер накачки возбуждает атомы, которые излучают свет, тем самым усиливая оптический сигнал. По мере того как происходила смена парадигмы проектирования сетей, появился широкий спектр усилителей, поскольку в большинстве систем оптической связи использовались оптоволоконные усилители. [5] Усилители, легированные эрбием, были наиболее часто используемым средством поддержки систем плотного мультиплексирования с разделением по длине волны. [6] Фактически, EDFA были настолько распространены, что, когда WDM стала предпочтительной технологией в оптических сетях, эрбиевый усилитель стал «лучшим оптическим усилителем для приложений WDM». [7] Сегодня EDFA и гибридные оптические усилители считаются наиболее важными компонентами систем и сетей волнового мультиплексирования. [8]
волны по длине Мультиплексирование с разделением
При использовании оптических усилителей способность волокон передавать информацию была резко увеличена с появлением мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM) в начале 1990-х годов. компании AT&T Лаборатория Bell Labs разработала процесс WDM, в котором призма разделяет свет на волны разной длины, которые могут проходить по волокну одновременно. Пиковая длина волны каждого луча разнесена достаточно далеко друг от друга, чтобы лучи можно было отличить друг от друга, создавая несколько каналов в одном волокне. Самые ранние системы WDM имели только два или четыре канала — например, компания AT&T в 1995 году развернула океаническую 4-канальную систему дальней связи. [9] Однако усилители, легированные эрбием, от которых они зависят, не усиливали сигналы равномерно во всей области спектрального усиления. Во время регенерации сигнала небольшие расхождения на различных частотах приводили к недопустимому уровню шума, что делало WDM с числом каналов более 4 непрактичным для оптоволоконной связи с высокой пропускной способностью.
Чтобы устранить это ограничение, Optelecom , Inc. и General Instruments Corp. разработала компоненты для увеличения пропускной способности оптоволокна за счет гораздо большего количества каналов. Компания Optelecom и ее глава подразделения Light Optics, инженер Дэвид Хубер и Кевин Кимберлин в 1992 году основали Ciena Corp для разработки и коммерциализации оптических телекоммуникационных систем, целью которых было расширение пропускной способности кабельных систем до 50 000 каналов. [10] [11] Компания Ciena разработала двухкаскадный оптический усилитель, способный передавать данные с равномерным усилением на нескольких длинах волн, и вместе с этим в июне 1996 года представила первую коммерческую систему WDM с высокой плотностью передачи. Эта 16-канальная система общей пропускной способностью 40 Гбит/с. [12] был развернут в сети Sprint , крупнейшем в мире операторе интернет-трафика на тот момент. [13] Это первое применение полностью оптического усиления в сетях общего пользования. [14] было воспринято аналитиками как предвестник постоянных изменений в конструкции сети, за которые Sprint и Ciena получат большую заслугу. [15] Передовые эксперты в области оптической связи называют внедрение WDM настоящим началом оптических сетей. [16]
Вместимость [ править ]
Плотность световых путей от WDM стала ключом к массовому расширению пропускной способности оптоволокна , что способствовало росту Интернета в 1990-х годах. С 1990-х годов количество каналов и пропускная способность плотных систем WDM существенно увеличились: коммерческие системы способны передавать трафик со скоростью около 1 Тбит/с со скоростью 100 Гбит/с на каждой длине волны. [17] В 2010 году исследователи из AT&T сообщили об экспериментальной системе с 640 каналами, работающими со скоростью 107 Гбит/с, с общей скоростью передачи 64 Тбит/с. [18] В 2018 году австралийская компания Telstra развернула живую систему, которая обеспечивает передачу со скоростью 30,4 Тбит/с на каждую пару волокон в диапазоне 61,5 ГГц, что соответствует одновременной потоковой передаче 1,2 миллиона видео 4K Ultra HD. [19] В результате этой способности передавать большие объемы трафика WDM стал общей основой почти каждой глобальной сети связи и, таким образом, основой современного Интернета. [20] [21] Спрос на пропускную способность обусловлен в первую очередь трафиком Интернет-протокола (IP) от видеоуслуг, телемедицины, социальных сетей, использования мобильных телефонов и облачных вычислений. В то же время межмашинный трафик, Интернет вещей и трафик научного сообщества требуют поддержки крупномасштабного обмена файлами данных. Согласно индексу Cisco Visual Networking, глобальный IP-трафик в 2022 году превысит 150 700 Гбит в секунду. Из них видеоконтент составит 82% всего IP-трафика, передаваемого по оптическим сетям. [22]
Стандарты и протоколы [ править ]
Синхронная оптическая сеть (SONET) и синхронная цифровая иерархия (SDH) превратились в наиболее часто используемые протоколы для оптических сетей. Протокол оптической транспортной сети (OTN) был разработан Международным союзом электросвязи в качестве преемника и обеспечивает взаимодействие в сети, как описано в Рекомендации G.709 . Оба протокола допускают доставку различных протоколов, таких как асинхронный режим передачи (ATM) , Ethernet , TCP/IP и другие.
Ссылки [ править ]
- ^ «Илон Маск собирается запустить первый из 11 925 предложенных SpaceX интернет-спутников — больше, чем все космические корабли, которые сегодня вращаются вокруг Земли» . Бизнес-инсайдер . Проверено 15 апреля 2018 г.
- ^ «Google лазерным лучом излучает настоящий гений фильма на расстоянии 60 миль между воздушными шарами» . ПРОВОДНОЙ . Проверено 16 апреля 2018 г.
- ^ Ньютон, Кейси (21 июля 2016 г.). «Внутри испытательного полета первого интернет-дрона Facebook» . TheVerge.com .
- ^ Аргавал, GP, Системы волоконно-оптической связи, четвертое издание, 2010 г., Уайли, Хобокен, Нью-Джерси, ISBN 978-0-470-50511-3 .
- ^ Датта, Нилой, К. (2014). Волоконные усилители и волоконные лазеры . Всемирная научная. стр. VI.
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Чадха, Деви (2019). Оптические сети WDM . п. 8.
- ^ Агравал, Говинд П. (2002). Волоконно-оптические системы связи . Джон Уайли и сыновья, Inc.
- ^ Немова, Галина (2002). Оптический усилитель . п. 139.
- ^ Рамасвами Р. и Сивараджан К., Оптические сети: практическая перспектива, второе издание, 2001 г., Elsevier, Филадельфия, Пенсильвания, ISBN 0080513212 , 9780080513218
- ^ Аурвик, Стив (17 мая 1993 г.). « Оптелеком и HydraLite становятся партнерами » . Балтимор Сан .
- ^ Хехт, Джефф. « Снимки столетия OSA. Бум, пузырь, крах: оптоволоконная мания». Оптическое общество и Новости оптики и фотоники. Октябрь 2016 г.
- ^ Маркофф, Джон (3 марта 1997 г.). «Волоконно-оптические технологии приносят рекордную стоимость акций» . Нью-Йорк Таймс .
- ^ Спринт (12 июня 1996 г.). " "Новая технология позволяет увеличить производительность на 1600 процентов" ". Пиар-новости . Канзас-Сити, Миссури.
- ^ Гилдер, Джордж (4 декабря 1995 г.). « Тоска и трепет в Интернете» . Форбс как можно скорее .
- ^ Goldman Sachs (30 июля 1997 г.). «Корпорация Ciena: преодолевая барьер пропускной способности». Технология: телекоммуникационное оборудование, отчет об исследованиях в США .
- ^ Цвиетич, Милорад и Джорджевич, Иван Б. (2013). Передовые оптические системы и сети связи . Артех Хаус.
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Винзер, П.Дж. (апрель 2012 г.). «Оптическая сеть за пределами WDM». Журнал IEEE Photonics . 4 (2): 647–651. Бибкод : 2012IPhoJ...4..647W . дои : 10.1109/JPHOT.2012.2189379 . S2CID 20600739 .
- ^ Чжоу, X. и др., «Передача PDM-36QAM 64 Тбит/с (640×107 Гбит/с) на расстояние 320 км с использованием цифровой коррекции как до, так и после передачи», Конференция по оптоволоконной связи 2010 г./ Национальная конференция инженеров по оптическому волокну, март 2010 г., Сан-Диего, Калифорния.
- ^ Рохан, Пирс (24 января 2018 г.). «В сети передачи данных Telstra достигнут мировой рекорд скорости» . Компьютерный мир .
- ^ Гроуб, Клаус; Эйзельт, Майкл (2013). Мультиплексирование с разделением по длине волны: Практическое инженерное руководство . Джон Т. Уайли и сыновья. п. 2.
- ^ Цвиетич М. и Джорджевич И.Б., Передовые системы и сети оптической связи, 2013, Arctech House, Ньютон, Массачусетс, ISBN 978-1-60807-555-3
- ^ Индекс визуальных сетей Cisco: прогноз и методология, 2013–2018 гг., https://www.cisco.com/c/en/us/solutions/col Lateral/service-provider/visual-networking-index-vni/white-paper- c11-741490.html