Беспрецедентная скорость, пропускная способность и надежность новой технологии оптоволоконного широкополосного доступа, изобретенной исследователями Калифорнийского университета, могут обеспечить подключение, необходимое для приложений будущего, таких как автомобили без водителя и беспилотные летательные аппараты.
В исследовании, опубликованном 28 августа в Nature Electronics, описывается, как новая телекоммуникационная технология, называемая частотно-зависимым мультиплексированием, может обеспечить пропускную способность, более чем в 20 раз превышающую пропускную способность лучших доступных сетей широкополосного доступа по оптоволокну, и в 65 раз скорость типичного домашнего широкополосного доступа в Великобритании, наряду с почти гарантированным подключением и низкой задержкой.
Телекоммуникационные сети имеют решающее значение для функционирования Интернета — они являются цифровым эквивалентом дорог, по которым передаются данные, соединяющие нас с облаком. Лучшие сети используют волоконно-оптические кабели для передачи и приема информации. Для новой оптоволоконной широкополосной связи, которая внедряется по всей Великобритании, мультиплексирование с временным разделением (TDM) является наиболее распространенной технологией, используемой для управления трафиком, которая объединяет данные нескольких пользователей в один сигнал. Каждому пользователю назначаются короткие временные интервалы, в течение которых его данные могут передаваться небольшими порциями, прежде чем данные будут повторно собраны в пункте назначения.
Ключевая проблема с TDM заключается в том, что данные каждого пользователя должны ждать определенного промежутка времени, прежде чем они смогут быть переданы по оптоволокну, подобно автомобилям, ожидающим, пока они смогут проехать дальше на светофоре. При современных технологиях такой подход был необходим для координации передачи по оптоволокну, но это также ограничивает доступную емкость передачи данных и увеличивает время, затрачиваемое на отправку данных по сети.
Самые быстрые услуги широкополосного доступа по оптоволокну, доступные в Великобритании, обеспечивают скорость загрузки более одного гигабита в секунду (Гб/с), обычно при гораздо более низкой скорости загрузки. Использование оптоволоконной широкополосной связи в полном объеме резко возросло в последние годы с внедрением волоконно-оптических подключений к домам и предприятиям по всей стране, но для большинства пользователей широкополосной связи в Великобритании конечная часть линии, которая проходит в их дома, остается старой и медленной медной проводкой.
Следовательно, средняя скорость широкополосного доступа в Великобритании в сентябре 2022 года составляла всего 65,3 мегабита в секунду (Мб/с).
Спрос на более высокие скорости и более надежные соединения также значительно возрос – от роста потоковой передачи развлекательных программ по запросу до увеличения использования видеоконференций людьми, работающими из дома, после пандемии COVID-19. Но некоторые приложения будущего, такие как автомобильные сети без водителя, потребуют еще более высоких скоростей и почти гарантированных подключений для безопасной и эффективной работы.
В этом исследовании исследователи из Калифорнийского университета разработали частотно-привязанное мультиплексирование, чтобы преодолеть задержки и ограничения полосы пропускания, присущие современным подходам, таким как TDM.
Они использовали оптическую синхронизацию и синхронизацию тактовой частоты, обеспечиваемую методами частотной гребенки и обработки сигналов, чтобы предоставить каждому пользователю выделенный оптический канал. Благодаря этому новому подходу каждый пользователь получает цифровой эквивалент своей собственной выделенной полосы движения для связи с облаком без необходимости стоять на светофоре. В качестве доказательства концепции они создали систему мультиплексирования с привязкой к частоте, обеспечивающую до 64 пользователей скоростью до 4,3 Гбит/с на пользователя (или совокупную скорость 240 Гбит/с для всех пользователей).
Авторы надеются, что частотно-привязанное мультиплексирование сможет обеспечить более чем в 20 раз большую пропускную способность и более чем в 65 раз большую скорость, чем в настоящее время в типичной широкополосной сети Великобритании. Поскольку пользовательские данные передаются и принимаются параллельно, это уменьшает задержку, энергопотребление и проблемы с пропускной способностью, возникающие при других подходах. Это потенциально может снизить стоимость будущего широкополосного доступа по оптоволокну, а также повысить доступность и скорость сети для каждого пользователя облака.
Доцент Чжиксин Лю (UCL Electronic & Electrical Engineering), старший автор исследования, сказал: “Некоторые комментаторы технологий предсказывают появление в недалеком будущем сетей беспилотных автомобилей и парков беспилотных летательных аппаратов, управляемых из облака. Наша нынешняя телекоммуникационная инфраструктура не приспособлена для таких достижений, которые требуют гарантированного подключения, минимальной задержки, синхронизированных часов и значительно улучшенных скоростей. Наши исследования показывают, что подход к мультиплексированию с привязкой к частоте может модернизировать нашу оптоволоконную инфраструктуру в соответствии с этими техническими требованиями”.
“В краткосрочной перспективе технология обладает потенциалом для обеспечения гораздо более качественного домашнего широкополосного обслуживания при низких затратах на инфраструктуру”.