Optické sítě - Optical networking - Wikipedia

Optické sítě je komunikační prostředek, který využívá signály zakódované ve světle k přenosu informací v různých typech telekomunikačních sítí. Patří mezi ně omezený rozsah místní sítě (LAN) nebo rozsáhlé sítě (WAN), které překračují metropolitní a regionální oblasti i dálkové národní, mezinárodní a zaoceánské sítě. Je to forma optická komunikace na které se spoléhá optické zesilovače, lasery nebo LED diody a multiplexování vlnového dělení (WDM) přenášet velké množství dat, obecně napříč kabely z optických vláken. Protože je schopen dosáhnout extrémně vysokých šířka pásma, je to umožňující technologie pro Internet a telekomunikační sítě které přenášejí drtivou většinu všech informací o člověku a ze stroje na stroj.

Typy

Optické sítě

Hlavní článek: Optická komunikace

Nejčastější optické sítě jsou komunikační sítě, síťové sítě nebo vyzváněcí sítě běžně používané v metropolitních, regionálních, národních a mezinárodních systémech. Další variantou sítí z optických vláken je pasivní optická síť, který používá bezmotorové optické rozdělovače k ​​propojení jednoho vlákna s více místy pro poslední míle aplikace.

Optické sítě do volného prostoru

Optické sítě do volného prostoru používají mnoho stejných principů jako síť s optickými vlákny, ale přenášejí své signály přes otevřený prostor bez použití vlákna. Několik plánovaných satelitní konstelace jako Spacelink's Starlink určené pro globální poskytování internetu bude používat bezdrátové připojení laserová komunikace vytvořit optické síťové sítě mezi satelity ve vesmíru.[1] Vzdušné optické sítě mezi výškové plošiny jsou plánovány jako součást Loon projektu Google a Facebook Aquila se stejnou technologií.[2][3]

Volné optické sítě lze také použít k nastavení dočasných pozemních sítí, např. propojit sítě LAN v kampusu.

Součásti

Součásti systému optických vláken zahrnují:

Přenosové médium

Při svém vzniku se telekomunikační síť spoléhala měď nést informace. Šířka pásma mědi je ale omezena fyzikální vlastnosti —Jako se zvyšuje frekvence signálu, aby přenesl více dat, je více energie signálu ztracen jako teplo. Elektrické signály mohou navíc vzájemně interferovat, pokud jsou vodiče umístěny příliš blízko u sebe, což je problém známý jako přeslech. V roce 1940 se spoléhal na první komunikační systém koaxiál které fungovaly na 3 MHz a mohly přenášet 300 telefonních hovorů nebo jeden televizní kanál. Do roku 1975 měl nejpokročilejší koaxiální systém bitovou rychlost 274 Mbit / s, ale takové vysokofrekvenční systémy vyžadují zesilovač signálu přibližně každý kilometr, aby se signál posílil, takže provoz takové sítě byl nákladný.

Bylo jasné, že světelné vlny mohou mít mnohem vyšší bitové rychlosti bez přeslechů. V roce 1957 Gordon Gould nejprve popsal konstrukci optického zesilovače a laser to bylo prokázáno v roce 1960 Theodore Maiman. Laser je zdrojem světelných vln, ale k přenosu světla sítí bylo zapotřebí médium. V roce 1960 se skleněná vlákna používala k přenosu světla do těla pro lékařské zobrazování, ale měla vysokou optickou ztrátu - světlo bylo absorbováno při průchodu sklem rychlostí 1 decibel na metr, což je jev známý jako útlum. V roce 1964 Charles Kao ukázalo, že pro přenos dat na velké vzdálenosti by skleněné vlákno nepotřebovalo ztrátu větší než 20 dB na kilometr. Průlom přišel v roce 1970, kdy Donald B.Keck, Robert D. Maurer, a Peter C. Schultz z Corning Incorporated navrhl skleněné vlákno vyrobené z taveného oxidu křemičitého se ztrátou pouze 16 dB / km. Jejich vlákno dokázalo nést 65 000krát více informací než měď.

První systém z optických vláken pro živý telefonní provoz byl v roce 1977 v Long Beach v Kalifornii Obecný telefon a elektronika s přenosovou rychlostí 6 Mbit / s. První systémy používaly infračervené světlo o vlnové délce 800 nm a mohly přenášet rychlostí až 45 Mbit / s s opakovači vzdálenými přibližně 10 km. Na začátku 80. let byly zavedeny lasery a detektory pracující při 1300 nm, kde je optická ztráta 1 dB / km. Do roku 1987 fungovaly rychlostí 1,7 Gbit / s s odstupem opakovačů asi 50 km.[4]

Optické zesílení

Kapacita sítí s optickými vlákny se částečně zvýšila díky zdokonalení komponent, jako jsou optické zesilovače a optické filtry, které mohou oddělit světelné vlny na frekvence s rozdílem menším než 50 GHz, čímž se do vlákna vejde více kanálů. The erbiem dopovaný optický zesilovač (EDFA) vyvinula David Payne na University of Southampton v roce 1986 s použitím atomů erbia vzácných zemin, které jsou distribuovány po délce optického vlákna. Laser pomocí pumpy excituje atomy, které emitují světlo, čímž zvyšuje optický signál. Jak postupoval posun paradigmatu v návrhu sítě, objevila se široká škála zesilovačů, protože většina optických komunikačních systémů používala zesilovače optických vláken.[5] Erbiem dopované zesilovače byly nejčastěji používaným prostředkem podpory systémů multiplexování s hustým dělením vlnových délek.[6] Ve skutečnosti byly EDFA tak rozšířené, že jakmile se WDM stala technologií volby v optických sítích, stal se erbiový zesilovač „optickým zesilovačem volby pro aplikace WDM“.[7] Dnes jsou EDFA a hybridní optické zesilovače považovány za nejdůležitější součásti multiplexních systémů a sítí s vlnovým dělením.[8]  

Multiplexování s vlnovou délkou

Použitím optických zesilovačů se kapacita vláken přenášet informace dramaticky zvýšila zavedením multiplexování s dělením vlnových délek (WDM) na počátku 90. let. AT&T Bell Labs vyvinul WDM proces, při kterém hranol rozděluje světlo na různé vlnové délky, které by mohly cestovat vláknem současně. Špičková vlnová délka každého paprsku je rozmístěna dostatečně daleko od sebe, aby paprsky byly od sebe navzájem odlišitelné, čímž se v jednom vlákně vytvoří více kanálů. Nejstarší systémy WDM měly pouze dva nebo čtyři kanály - například AT & T nasadila v roce 1995 oceánský čtyřkanálový dálkový systém.[9] Zesilovače dopované erbiem, na kterých jsou závislé, však nezesilovaly signály rovnoměrně napříč oblastí jejich spektrálního zisku. Během regenerace signálu způsobily nepatrné nesrovnalosti na různých frekvencích nesnesitelnou úroveň šumu, což způsobilo, že WDM s více než 4 kanály je nepraktické pro vysokokapacitní vláknovou komunikaci.

Chcete-li řešit toto omezení, Optelecom, Inc. a General Instruments Corp. vyvinul komponenty pro zvýšení šířky pásma vlákna s mnohem více kanály. Optelecom a její vedoucí světelné optiky, inženýr David Huber a Kevin Kimberlin spoluzalozeny Ciena Corp v roce 1992 navrhnout a uvést na trh optické telekomunikační systémy, cílem je rozšíření kapacity kabelových systémů na 50 000 kanálů.[10] [11] Společnost Ciena vyvinula dvoustupňový optický zesilovač schopný přenášet data s rovnoměrným ziskem na více vlnových délkách as tím v červnu 1996 představila první komerční hustý systém WDM. Ten 16kanálový systém s celkovou kapacitou 40 Gbit / s,[12] byl nasazen na Sprint network, největší světový operátor internetového provozu v té době.[13] Tato první aplikace plně optického zesílení ve veřejných sítích[14] analytici považovali za předzvěst trvalé změny v designu sítě, pro kterou Sprint a Ciena by získal velkou část kreditu.[15] Pokročilí odborníci na optickou komunikaci uvádějí zavedení WDM jako skutečný začátek optické sítě.[16]

Kapacita

Hustota světelných cest z WDM byla klíčem k masivní expanzi optické vlákno kapacita, která umožnila růst internetu v 90. letech. Od 90. let se počet kanálů a kapacita hustých systémů WDM podstatně zvýšil, přičemž komerční systémy jsou schopné přenášet téměř 1 Tbit / s provozu při rychlosti 100 Gbit / s na každou vlnovou délku.[17] V roce 2010 uvedli vědci z AT&T experimentální systém s 640 kanály pracující při 107 Gbit / s, s celkovým přenosem 64 Tbit / s.[18] V roce 2018 nasadila australská Telstra živý systém, který umožňuje přenos 30,4 Tbit / s na optický pár přes 61,5 GHz spektrum, což odpovídá 1,2 milionu 4K Ultra HD videí streamovaných současně.[19] Díky této schopnosti přenášet velké objemy provozu se WDM stalo běžným základem téměř každé globální komunikační sítě, a tedy základem dnešního internetu.[20] [21] Poptávku po šířce pásma řídí především internetový protokol (IP) provoz z video služeb, telemedicíny, sociálních sítí, používání mobilních telefonů a cloudových výpočtů. Současně provoz mezi stroji, IoT a provoz vědecké komunity vyžadují podporu pro rozsáhlou výměnu datových souborů. Podle indexu Cisco Visual Networking Index bude celosvětový provoz IP v roce 2022 více než 150 700 Gbitů za sekundu. Z toho bude obsah videa roven 82% veškerého provozu IP, vše přenášeno optickými sítěmi.[22]

Standardy a protokoly

Synchronní optické sítě (SONET) a synchronní digitální hierarchie (SDH) se vyvinuly jako nejčastěji používané protokoly pro optické sítě. The Optická transportní síť (OTN) protokol byl vyvinut Mezinárodní telekomunikační unie jako nástupce a umožňuje interoperabilitu v celé síti, jak je popsáno v Doporučení G.709. Oba protokoly umožňují doručování různých protokolů, jako jsou Asynchronous Transfer Mode (ATM), Ethernet, TCP / IP a další.

Reference

  1. ^ „Elon Musk se chystá vypustit první z 11 925 navrhovaných internetových satelitů SpaceX - více než všechny kosmické lodě, které dnes obíhají kolem Země“. Business Insider. Citováno 15. dubna 2018.
  2. ^ „Google Laser-Beams the Film Real Genius 60 Miles Between Balloons“. WIRED. Citováno 16. dubna 2018.
  3. ^ Newton, Casey (21. července 2016). „Uvnitř testovacího letu prvního internetového dronu Facebooku“. TheVerge.com.
  4. ^ Argawal, G.P., Fiber-Optic Communications Systems, čtvrté vydání, 2010, Wiley, Hoboken, NJ, ISBN  978-0-470-50511-3.
  5. ^ Dutta, Niloy, K. (2014). Vláknové zesilovače a vláknové lasery. World Scientific. str. vi.
  6. ^ Chadha, Devi (2019). Optické sítě WDM. p. 8.
  7. ^ Agrawal, Govind P. (2002). Optické komunikační systémy. John Wiley & Sons, Inc.
  8. ^ Nemova, Galina (2002). Optický zesilovač. p. 139.
  9. ^ Ramaswami, R. a Sivarajan, K., Optical Networks: A Practical Perspective, Second Edition, 2001, Elsevier, Philadelphia, PA, ISBN  0080513212, 9780080513218
  10. ^ Aurweek, Steve (17. května 1993). ""Optelecom a HydraLite se stávají partnery"". Baltimorské slunce.
  11. ^ Hecht, Jeff. ""Centennial Snapshoty OSA. Boom, Bubble, Bust: The Fiber Optic Mania ". Zprávy o optické společnosti a optice a fotonice (OPN).
  12. ^ Markoff, John (3. března 1997). „Technologie optických vláken čerpá rekordní hodnotu zásob“. New York Times.
  13. ^ Sprint (12. června 1996). ""Nová technologie umožňuje zvýšení kapacity o 1600 procent"". PR Newswire. Kansas City, MO.
  14. ^ Gilder, George (4. prosince 1995). ""Angst and Awe na internetu"". Forbes ASAP.
  15. ^ Goldman Sachs (30. července 1997). „Ciena Corporation: Breaking the Bandwidth Barrier“. Technologie: Telecom Equipment, US Research Report.
  16. ^ Cvijetic, Milorad a Djordjevic, Ivan B. (2013). Pokročilé optické komunikační systémy a sítě. Artech House.
  17. ^ Winzer, P.J. (duben 2012). "Optické sítě nad rámec WDM". IEEE Photonics Journal. 4, č. 2: 647–651.
  18. ^ Zhou, X., et al., „64-Tb / s (640 × 107-Gb / s) přenos PDM-36QAM na 320 km s využitím digitálního vyrovnání před a po přenosu,“ Konference o komunikaci optickými vlákny / národní konference 2010 Konference inženýrů o optických vláknech, březen 2010, San Diego, CA.
  19. ^ Rohan, Pierce (24. ledna 2018). „Světová rekordní rychlost dosažená v přenosové síti Telstra“. Počítačový svět.
  20. ^ Grobe, Klaus; Eiselt, Michael (2013). Multiplexování s dělením vlnové délky: Praktický průvodce inženýrstvím. John T. Wiley & Sons. p. 2.
  21. ^ Cvijetic, M. a Djordjevic, I.B., Advanced Optical Communication Systems and Networks, 2013, Arctech House, Newton, MA, ISBN  978-1-60807-555-3
  22. ^ Cisco Visual Networking Index: Forecast and Methodology, 2013-2018, https://www.cisco.com/c/en/us/solutions/collateral/service-provider/visual-networking-index-vni/white-paper-c11 -741490.html