Optikai hálózat - Optical networking

Az optikai hálózatok olyan kommunikációs eszközök, amelyek fényben kódolt jeleket használnak az információ továbbítására különböző típusú távközlési hálózatokban. Ide tartoznak a nagy hatótávolságú helyi hálózatok (LAN) vagy a nagy kiterjedésű hálózatok (WAN) , amelyek metropolitan és regionális területeken haladnak át, valamint a távolsági nemzeti, nemzetközi és tengerentúli hálózatok. Ez az optikai kommunikáció egyik formája, amely optikai erősítőkön , lézereken vagy LED-eken és hullámosztásos multiplexelésen (WDM) alapul, hogy nagy mennyiségű adatot továbbítson, általában száloptikai kábeleken keresztül . Mivel rendkívül nagy sávszélességet képes elérni , lehetővé tevő technológia az internet és a távközlési hálózatok számára , amelyek az emberi és a gépek közötti információk túlnyomó részét továbbítják.

Típusok

Száloptikai hálózatok

Fő cikk: Száloptikai kommunikáció

A leggyakoribb üvegszálas hálózatok vannak a kommunikációs hálózatok , mesh hálózatok vagy gyűrűs hálózatok általánosan használt nagyvárosi, regionális, nemzeti és nemzetközi rendszerekben. A száloptikai hálózatok egy másik változata a passzív optikai hálózat , amely áramtalanított optikai elosztókat használ egy szál összekapcsolásához több telephellyel az utolsó mérföldes alkalmazásokhoz.

Szabad térben működő optikai hálózatok

A szabad térben működő optikai hálózatok ugyanazokat az elveket használják, mint a száloptikai hálózatok, de jeleiket a nyílt térben szál használata nélkül továbbítják. Számos tervezett műhold konstelláció , mint a SpaceX a Starlink szánt globális internetes feltöltési fogja használni a vezeték nélküli lézeres kommunikáció létrehozására optikai mesh hálózatok között műholdak a világűrben. A Google Project Loon és a Facebook Aquila részeként ugyanezzel a technológiával terveznek levegős optikai hálózatokat a magaslati platformok között .

A szabad térben működő optikai hálózatok ideiglenes földi hálózatok létrehozására is használhatók, például LAN-ok összekapcsolására az egyetemen.

Alkatrészek

A száloptikai hálózati rendszer elemei a következők:

Átviteli közeg

Kezdetben a távközlési hálózat rézre támaszkodott az információk továbbítására. A réz sávszélességét azonban fizikai jellemzői korlátozzák - mivel a jel gyakorisága növekszik, hogy több adatot vigyen át, a jel energiájának nagyobb része elveszik hőként . Ezenkívül az elektromos jelek zavarhatják egymást, ha a vezetékek túl közel vannak egymáshoz, ez a probléma áthallás. 1940 -ben az első kommunikációs rendszer koaxiális kábelen alapult, amely 3 MHz -en működött, és 300 telefonbeszélgetést vagy egy televíziós csatornát tudott továbbítani. 1975-re a legfejlettebb koaxiális rendszer 274 Mbit/s bitsebességgel rendelkezett, de az ilyen nagyfrekvenciás rendszerekhez kb.

Világos volt, hogy a fényhullámok átviteli nélkül sokkal nagyobb bitsebességűek lehetnek. Gordon Gould 1957 -ben írta le először az optikai erősítő és a lézer tervezését, amelyet Theodore Maiman mutatott be 1960 -ban . A lézer a fényhullámok forrása, de közegre volt szükség a fény hálózaton keresztüli átviteléhez. 1960 -ban üvegszálakat használtak a fény átvitelére a szervezetbe orvosi képalkotáshoz, de nagy volt az optikai veszteségük - a fény elnyelt, amikor áthaladt az üvegen 1 decibel / méter sebességgel, ezt a jelenséget csillapításnak nevezik . 1964 -ben Charles Kao kimutatta, hogy az adatok nagy távolságra történő továbbításához az üvegszál kilométerenként legfeljebb 20 dB veszteséget igényel. Az áttörés 1970 -ben következett be, amikor Donald B. Keck , Robert D. Maurer és Peter C. Schultz, a Corning Incorporated cég egy üvegszálat tervezett, olvasztott szilícium -dioxidból, mindössze 16 dB/km veszteséggel. Szálaik 65 000 -szer több információt tudtak szállítani, mint a réz.

Az első száloptikai rendszer az élő telefonforgalomhoz 1977-ben volt a kaliforniai Long Beach-en, a General Telephone and Electronics által , 6 Mbit/s adatátviteli sebességgel. A korai rendszerek infravörös fényt használtak 800 nm hullámhosszon, és akár 45 Mbit/s sebességgel tudtak továbbítani, körülbelül 10 km -re lévő ismétlőkkel. A nyolcvanas évek elejére bevezettek olyan lézereket és érzékelőket, amelyek 1300 nm -en működtek, ahol az optikai veszteség 1 dB/km. 1987 -ig 1,7 Gbit/s sebességgel működtek, és az ismétlők távolsága körülbelül 50 km.

Optikai erősítés

A száloptikai hálózatok kapacitása részben megnövekedett az olyan komponensek fejlesztésének köszönhetően, mint például az optikai erősítők és az optikai szűrők, amelyek 50 GHz -nél kisebb különbséggel képesek szétválasztani a fényhullámokat, és több csatornát illesztenek egy szálba. A erbiummal szennyezett optikai erősítő (EDFA) fejlesztette ki David Payne a University of Southampton 1986 használatával atomok a ritkaföldfém erbium elosztott keresztül az optikai szál hossza. A szivattyús lézer izgatja az atomokat, amelyek fényt bocsátanak ki, ezáltal növelve az optikai jelet. Ahogy a paradigmaváltás folytatódott a hálózattervezésben, az erősítők széles skálája jelent meg, mivel a legtöbb optikai kommunikációs rendszer optikai szál erősítőt használt. Az erbiummal adalékolt erősítők voltak a leggyakrabban használt eszközök a sűrű hullámhosszú osztású multiplexelő rendszerek támogatására. Valójában az EDFA -k annyira elterjedtek voltak, hogy amint a WDM az optikai hálózatok választott technológiájává vált, az erbium -erősítő "a WDM -alkalmazásokhoz választott optikai erősítővé" vált. Ma az EDFA -kat és a hibrid optikai erősítőket tekintik a hullámosztásos multiplexelő rendszerek és hálózatok legfontosabb összetevőinek.  

Hullámhossz -osztási multiplexelés

Az optikai erősítők használatával a szálak információátviteli képessége drámaian megnőtt a hullámhossz-osztásos multiplexelés (WDM) bevezetésével a kilencvenes évek elején. Az AT&T Bell Labs kifejlesztett egy WDM folyamatot, amelyben egy prizma különböző hullámhosszúságokra osztja a fényt, amelyek egyidejűleg áthaladhatnak egy szálon. Minden sugár csúcshullámhossza elég távol van egymástól, hogy a gerendák megkülönböztethetők legyenek egymástól, és több csatornát hoznak létre egyetlen szálon belül. A legkorábbi WDM rendszereknek csak két vagy négy csatornája volt-például az AT & T 1995-ben egy óceáni 4 csatornás távolsági rendszert telepített. Az erbiummal adalékolt erősítők azonban, amelyektől függenek, nem erősítették egyenletesen a jeleket a spektrális nyereségükben. vidék. A jelregenerálás során a különböző frekvenciák enyhe eltérései elviselhetetlen zajszintet eredményeztek, így a több mint 4 csatornás WDM nem volt praktikus a nagy kapacitású szálkommunikációhoz.

Ennek megoldására korlátozás Optelecom , Inc. és a General Instruments Corp. . alkatrészeket fejlesztett ki a szál sávszélességének növelésére sokkal több csatornával. Az Optelecom és a Light Optics vezetője, David Huber mérnök és Kevin Kimberlin 1992 -ben társalapították a Ciena Corp-t az optikai távközlési rendszerek tervezése és forgalmazása céljából, amelynek célja a kábelrendszerek kapacitásának 50 000 csatornára történő bővítése. A Ciena kifejlesztette a kétlépcsős optikai erősítőt, amely több hullámhosszon egyenletes erősítéssel képes adatokat továbbítani, és ezzel 1996 júniusában bemutatta az első kereskedelmi forgalomban kapható sűrű WDM rendszert. Ezt a 16 csatornás rendszert, amelynek összkapacitása 40 Gbit/s, telepítették a Sprint hálózatra, amely akkoriban a világ legnagyobb internetforgalmi szolgáltatója volt. A teljes optikai erősítésnek ezt az első alkalmazását a nyilvános hálózatokban az elemzők úgy tekintették, mint a hálózat kialakításában véglegesen bekövetkező változások előhírnökei, amelyekért a Sprint és a Ciena jelentős elismerést kapna. A fejlett optikai kommunikációs szakértők a WDM bevezetését említik az optikai hálózatok valódi kezdetének.

Kapacitás

A WDM fényáramának sűrűsége volt a kulcsa a száloptikai kapacitás hatalmas bővülésének, amely lehetővé tette az internet növekedését a kilencvenes években. Az 1990 -es évek óta a sűrű WDM rendszerek csatornaszáma és kapacitása jelentősen megnőtt, a kereskedelmi rendszerek közel 1 Tbit/s forgalmat tudnak továbbítani 100 Gbit/s sebességgel minden hullámhosszon. 2010 -ben az AT&T kutatói egy kísérleti rendszerről számoltak be, amely 640 csatornával, 107 Gbit/s sebességgel működik, összesen 64 Tbit/s sebességgel. 2018 -ban az ausztrál Telstra olyan élő rendszert telepített, amely lehetővé teszi 30,4 Tbit/s átvitelét szálpáronként 61,5 GHz -es spektrumon keresztül, ami 1,2 millió 4K Ultra HD videó egyidejű sugárzását jelenti. Ennek a nagy forgalomszállítási képességnek köszönhetően a WDM szinte minden globális kommunikációs hálózat közös alapjává vált, és így napjaink internetének alapja. A sávszélesség iránti keresletet elsősorban a videoszolgáltatásokból, a telemedicinából, a közösségi hálózatokból, a mobiltelefon-használatból és a felhőalapú számítástechnikából származó Internet Protocol (IP) forgalom vezérli . Ugyanakkor a gépek közötti, az IoT és a tudományos közösség forgalma támogatást igényel az adatfájlok nagyszabású cseréjéhez. A Cisco Visual Networking Index szerint a globális IP -forgalom 2022 -ben több mint 150 700 Gbit / s lesz. Ebből a videotartalom az összes IP -forgalom 82% -át teszi ki, minden optikai hálózaton keresztül.

Szabványok és protokollok

A szinkron optikai hálózatok (SONET) és a szinkron digitális hierarchia (SDH) az optikai hálózatok leggyakrabban használt protokolljai. Az Optikai Közlekedési Hálózat (OTN) protokollt a Nemzetközi Távközlési Unió fejlesztette ki utódként, és lehetővé teszi az interoperabilitást a hálózaton keresztül, a G.709 ajánlás szerint . Mindkét protokoll lehetővé teszi számos protokoll szállítását, például aszinkron átviteli módot (ATM) , Ethernetet , TCP/IP -t és másokat.

Hivatkozások