Darni optinė sistema tinka ilgų nuotolių tinklams

 

Suderintos optinės sistemos leidžia perduoti duomenis didesniais nei 1000 kilometrų atstumais, moduliuodamos šviesos amplitudę, fazę ir poliarizaciją. Šios sistemos naudoja skaitmeninius signalų procesorius, kad kompensuotų skaidulų pažeidimus ir palaiko perdavimo spartą nuo 100 G iki 1,6 Tbps vienam bangos ilgiui.

 

Kaip veikia koherentinės optinės sistemos

 

 

Tradicinės optinės sistemos priklauso nuo intensyvumo moduliavimo, įjungiant ir išjungiant šviesą, kad būtų pateikti dvejetainiai duomenys. Šis metodas apriboja perdavimą iki maždaug 10 gigabitų per sekundę ir kovoja su atstumais, viršijančiais kelis šimtus kilometrų. Darni optinė sistema peržengia šiuos apribojimus, vienu metu manipuliuodama keliomis šviesos bangų savybėmis.

Ši technologija koduoja informaciją per tris dimensijas: amplitudę (signalo stiprumą), fazę (bangos padėtį) ir poliarizaciją (elektromagnetinio lauko orientaciją). Keičiant visas tris savybes, nuoseklios sistemos supakuoja žymiai daugiau duomenų kiekvienam šviesos impulsui. Vienas bangos ilgis naudojant 16-QAM moduliaciją gali užkoduoti 4 bitus vienam simboliui, palyginti su tik 1 bitu vienam simboliui naudojant tradicinį įjungimo ir išjungimo raktą.

Skaitmeniniai signalų procesoriai sudaro elektroninę šių sistemų širdį. DSP atlieka keletą svarbių funkcijų: konvertuoja tarp elektrinių ir optinių signalų, kompensuoja chromatinio ir poliarizacijos režimų sklaidą, taiso perdavimo klaidas taikant tiesioginių klaidų taisymo algoritmus ir nuolat stebi ryšio veikimą. Naujausi DSP diegimai, naudojant 3-nanometrų CMOS technologiją, įgalino 800G nuoseklius prijungiamus modulius, kurie atitinka QSFP-DD formos koeficientą ir sunaudoja mažiau nei 25 vatus.

Ryškus aptikimas imtuve naudoja vietinį osciliatorių lazerį, suderintą tokiu pačiu dažniu kaip ir gaunamas signalas. Šis vietinis generatorius susimaišo su gautu signalu optiniu hibridu, sukurdamas tarpinio dažnio signalą, kuris išsaugo visą užkoduotą informaciją. Tada fotodetektoriai konvertuoja šį mišrų signalą į elektrinį domeną, kur DSP atkuria pradinius duomenis naudodamas sudėtingus algoritmus, kurie apverčia kodavimo procesą ir kompensuoja susikaupusius iškraipymus.

 

Kodėl tolimojo susisiekimo tinklams reikia nuoseklių sistemų

 

Tolimų{0}} nuotolių tinklai susiduria su unikaliais iššūkiais, dėl kurių nuoseklios technologijos yra būtinos. Šios jungtys paprastai apima 1000–10 000 kilometrų, jungiančios miestus, šalis ir žemynus antžeminio pluošto maršrutais ir povandeniniais kabeliais.

Signalo slopinimas didėja tiesiškai didėjant atstumui. Netgi naudojant šiuolaikinį itin-mažų-nuostolių skaidulą, pasiekiantį 0,18 dB vienam kilometrui, 2000{8}}kilometrų atstumas sukaupia 360 dB nuostolių. Kas 50-100 kilometrų dedami erbio legiruoto skaidulinio pluošto stiprintuvai sustiprina signalą, tačiau kiekviena stiprinimo pakopa padidina triukšmą, kuris sumažina signalo{14}}ir{15}}triukšmo santykį. Nuosekli optinė sistema pasiekia 20 dB didesnį imtuvo jautrumą, palyginti su tiesioginio aptikimo sistemomis, todėl signalai gali toleruoti daugiau sukaupto triukšmo prieš reikalaujant brangaus optinio-elektrinio-optinio regeneravimo.

Dėl chromatinės dispersijos skaidulu sklinda skirtingo bangos ilgio šviesa šiek tiek skirtingu greičiu. Dideliais atstumais šis efektas sukelia impulsų plitimą, kuris sulieja gretimus bitus. Poliarizacijos režimo dispersija sukuria panašias problemas, kai dvi šviesos poliarizacijos būsenos sklinda skirtingu greičiu. Pasenusioms sistemoms reikėjo fizinės sklaidos kompensavimo modulių kas keletą tarpų, todėl padidėjo sąnaudos ir sudėtingumas. Nuosekli DSP tvarko abiejų tipų sklaidą tik elektroninėje srityje, todėl nebereikia šių optinių komponentų ir leidžia diegti per šviesolaidį, kuris anksčiau buvo netinkamas.

Ekonominis argumentas už nuoseklią technologiją tampa įtikinamas, kai atstumai viršija 200 kilometrų. 400G ZR nuoseklus prijungiamas modulis kainuoja daugiau nei lygiavertis PAM4 modulis, tačiau jis pašalina daugybę stiprinimo ir regeneravimo vietų, kurių reikia tiesioginio aptikimo sistemoms. Tinklo operatoriai praneša, kad nuoseklios sistemos sumažina integruotų regeneratorių skaičių 40-60 % tolimojo susisiekimo maršrutuose, o kiekviena išvengta regeneravimo vieta sutaupo 500 000–2 mln. USD įrangos ir nekilnojamojo turto išlaidų.

Šiuolaikinės tolimųjų{0}}svečių sistemos vienu metu veikia kelių bangų ilgiais, naudodamos tankų bangos ilgio padalijimą. Įprastoje C-bandos DWDM sistemoje yra 80–96 kanalai, išdėstyti 50 GHz atstumu. Dėl nuoseklios technologijos išskirtinio spektrinio efektyvumo galima suartinti kanalus be trukdžių. Tinklai, naudojantys lanksčią tinklo architektūrą, gali paskirstyti tiksliai kiekvienam kanalui reikalingą spektro plotį, suspausti kanalus net 37,5 GHz atstumu vienas nuo kito ir padidinti bendrą skaidulų pajėgumą 25–30 %, palyginti su fiksuoto tinklo sistemomis.

 

Techninė koherentinės optinės sistemos architektūra

 

Visą tolimojo{0}}nuosekliojo ryšio jungtį sudaro siųstuvas, skaidulų ilgis, integruoti stiprintuvai ir imtuvo komponentai, veikiantys kartu.

Siųstuvas prasideda derinamu išorinės ertmės lazeriu, sukuriančiu siauros{0}}linijos pločio koherentinę šviesą, paprastai 1550-nanometro C- juostoje. Linijos plotis mažesnis nei 100 kHz užtikrina fazės stabilumą perdavimo atstumu. IQ moduliatorius-iš tikrųjų du įdėtieji Mach-Zehnder moduliatoriai-atskirai valdo fazės ir kvadratūros optinio signalo komponentus. DSP valdo šį moduliatorių su kruopščiai suformuotomis elektros bangų formomis, kurios koduoja duomenis naudojant moduliavimo formatus, tokius kaip DP-QPSK, 16-QAM arba 64-QAM, priklausomai nuo ryšio biudžeto.

Antžeminių tinklų šviesolaidžio atstumas tarp stiprintuvų vietų paprastai yra 80{5}}100 kilometrų, ribojamas sukauptų nuostolių ir galimo stiprintuvo stiprinimo. Povandeninės sistemos pasiekia šiek tiek ilgesnį – 100{6}}120 kilometrų atstumą, nes geriau valdo šviesolaidžio maršrutą ir sumažėja jungčių nuostoliai. Pats pluoštas labai patobulėjo – G.654.E specifikacijose apibrėžiamas didelio efektyvaus ploto pluoštas, kuris sumažina netiesinius efektus, o itin mažo nuostolio pluoštas pasiekia 0,16 dB vienam kilometrui.

Inline stiprintuvai sustiprina signalą kiekvieną intervalą, nekonvertuodami į elektros sritį. C-juostinėse sistemose dominuoja erbium-legiruoti skaiduliniai stiprintuvai, užtikrinantys 20-30 dB stiprinimą. L-juostos EDFA praplečia pajėgumą iki 1565-1625 nanometrų diapazono, o paskirstytas Ramano stiprinimas pumpuoja energiją atgal per patį perdavimo skaidulą, kad būtų užtikrintas stiprinimas ir mažesnis triukšmo rodikliai. Išplėstinės sistemos naudoja hibridines EDFA{10}}Raman konfigūracijas, kad optimizuotų signalo ir triukšmo santykį visoje nuorodoje.

Imtuvas atspindi siųstuvo sudėtingumą. Integruotas koherentinis imtuvas apima vietinį osciliatorių lazerį, 90-laipsnio optinį hibridą, subalansuotus fotodetektorius ir transimpedanso stiprintuvus. Didelės spartos-analoginis-skaitmeninis keitikliai aptiktus signalus atrenka didesniu nei 100 gigasampl. per sekundę greičiu. Tada DSP atlieka laikrodžio atkūrimą, aklų išlyginimą, kad kompensuotų chromatinę ir poliarizacijos režimo sklaidą, nešiklio fazės atkūrimą ir išankstinės klaidų taisymo dekodavimą.

Išankstinis klaidų taisymas tapo vis sudėtingesnis. Švelnūs -sprendimo FEC algoritmai, tokie kaip tikimybinis žvaigždyno formavimas, pasiekia grynąjį kodavimo padidėjimą, viršijantį 11 dB, todėl signalai gali veikti esant mažesniems nei 10^-15 bitų klaidų dažniams, net kai klaidų dažnis prieš FEC viršija 10^-2. Šie pažangūs kodai kainuoja papildomai, paprastai 20–27%, tačiau našumo padidėjimas pateisina šį pajėgumo auką ilguose maršrutuose.

 

Nuoseklios optinės sistemos veikimo specifikacijos

 

Šiuolaikinės nuoseklios sistemos pasiekia įspūdingas specifikacijas, kurios vis tobulėja su kiekviena technologijų karta.

Perdavimo pajėgumai smarkiai sumažėjo. Rinka perėjo nuo 100 G nuoseklių sistemų apie 2010 m. į 200 G iki 2015 m. ir 400 G iki 2020 m. Dabartiniai šeštosios kartos nuoseklūs DSP palaiko 800 G vienam bangos ilgiui, o pirmaujantys pardavėjai demonstruoja 1,2 Tb/s ir 1,6 Tb/s D4 sistemomis su 2 lauko 2als. 96 kanalai, esant 400 G, perduoda 38,4 terabito per sekundę per vieną skaidulų porą. Povandeniniai kabeliai su 8 skaidulų poromis pasiekia bendrą pajėgumą, viršijantį 300 Tbps.

Pasiekiamumas priklauso nuo moduliacijos formato ir perdavimo spartos. 400G ZR modulis, kuriame naudojamas DP-16QAM, pasiekia 120 kilometrų be vidinio stiprinimo, tinkamas metropoliteno regioniniams tinklams. 400G ZR+ specifikacija praplečia tai iki 500 kilometrų su sustiprinimu. Optimizuotos tolimojo{10}}sistemos, naudojant DP-QPSK mažesniu duomenų perdavimo greičiu, pasiekia neatnaujintus 2 000–3 000 kilometrų atstumus. Povandeninės sistemos tarp nusileidimo stočių paprastai nutiesia 6 000–10 000 kilometrų, o ilgiausios kabelių sistemos viršija 20 000 kilometrų, įskaitant kelis nusileidimo taškus.

Spektrinis efektyvumas matuoja, kiek duomenų turi kiekvienas spektro vienetas. Ankstyvosios koherentinės sistemos pasiekė 2–3 bitus per sekundę per Hertzą. Šiuolaikinės sistemos, naudojančios pažangų moduliavimą, tikimybinį formavimą ir siaurus kanalų tarpus, antžeminiuose maršrutuose pasiekia 5–7 bitus/sek./Hz. Šis efektyvumo didinimas reiškia, kad tinklai gali padidinti pajėgumą neįdiegę papildomo šviesolaidžio, o tai yra esminis pranašumas, kai šviesolaidžio įrengimas mieste kainuoja 50 000–150 000 USD už kilometrą.

Energijos sąnaudos smarkiai sumažėjo net pagerėjus našumui. Pirmosios-kartos nuoseklios linijos kortelės sunaudojo 300–500 vatų 100 G talpai arba 3–5 vatus vienam gigabitui. Dabartiniai 400G prijungiami moduliai sunaudoja 15-20 vatų, pasiekdami 50-80 milivatų vienam gigabitui. Šis 50 kartų pagerintas energijos vartojimo efektyvumas sumažina eksploatavimo išlaidas ir aušinimo poreikius tiek tinklo įrangos patalpose, tiek povandeniniuose kartotuvuose, kur elektros energija yra labai apribota.

Vėlavimas per nuoseklias sistemas padidina minimalias išlaidas, palyginti su pagrindiniu šviesos greičiu skaiduloje. DSP apdorojimas suteikia 50–200 mikrosekundžių delsos, priklausomai nuo įgyvendinimo. 3000 kilometrų jungtyje, kur pagrindinė sklidimo delsa yra 15 milisekundžių, tai sudaro tik 0,3–1,3 % papildomų išlaidų. Išplėstiniai diegimai pasiekia delsos pokytį iki 10 nanosekundžių, o tai labai svarbu finansinei prekybai ir 5G priekinėms programoms.

 

Diegimo scenarijai ir naudojimo atvejai

 

Tolimojo{0}}sąlyginio nuotolio sistemos aptarnauja kelis skirtingus tinklo segmentus, kurių kiekvienas turi specifinių reikalavimų.

Antžeminiai pagrindiniai tinklai sudaro pagrindą, jungiantį pagrindines metropolines zonas. Paslaugų teikėjai, tokie kaip AT&T, Verizon ir China Telecom, valdo šiuos tinklus, kad sukauptų srautą iš metro tinklų ir užtikrintų ryšį visoje šalyje. Maršrutai paprastai driekiasi 1 000{5}}2 500 kilometrų tarp didžiųjų miestų su tarpiniais pridėjimo- taškais, naudojant perkonfigūruojamus optinius tankintuvus. Nuosekli optinė sistema šiuose maršrutuose paprastai naudoja 400 G bangos ilgius ir planuojama atnaujinti iki 800 G, augant eismui. Tinklo operatoriai vertina nuoseklių siųstuvų-imtuvų programuojamumą, kuris gali reguliuoti moduliacijos formatą ir duomenų perdavimo spartą, kad optimizuotų pajėgumą, palyginti su pasiekiamumu, atsižvelgiant į faktines pluošto sąlygas.

Povandeninių kabelių sistemos yra sudėtingiausias nuoseklus diegimas. Šiuolaikiniai transokeaniniai kabeliai pasiekia 15 000–20 000 kilometrų bendrą ilgį su keliais nusileidimo taškais. MAREA kabelis, jungiantis Virdžiniją su Ispanija, tęsiasi 6 600 kilometrų ir užtikrina 200 Tbps spartą, naudodamas 100 G nuoseklius kanalus. Naujesnės sistemos, kurios bus įdiegtos 2024–2025 m., naudoja 400 G ir 800 G bangos ilgius, kad pasiektų 500+ Tbps pajėgumą. Šios sistemos reikalauja išskirtinio patikimumo, o vidutinis laikas tarp gedimų viršija 25 metus, nes povandeninis remontas kainuoja 1–3 mln. Kartotuvai, išdėstyti kas 50–80 kilometrų, be priežiūros veikia dešimtmečius.

Duomenų centrų jungtyse vis dažniau naudojama nuosekli technologija, nes hiperskaleriai kuria privačius tinklus, jungiančius jų pasaulinius įrenginius. „Meta“, „Google“, „Amazon“ ir „Microsoft“ bendrai valdo tūkstančius kilometrų tolimojo{1}}pluošto, sujungiančio daugybę duomenų centrų miestelių. Šie tinklai teikia pirmenybę mažam delsos laikui ir dideliam pajėgumui, o ne ekonomiškumui. 200{8}}500 kilometrų regioninės jungtys naudoja 400 G ZR+ prijungimo priedus, integruotus tiesiai į maršrutizatorius ir jungiklius, todėl nereikia atskirų atsakiklių lentynų. Ilgesni magistraliniai maršrutai naudoja didesnio našumo integruotas nuoseklias sistemas, kurių bangos ilgiai nuo 800 G iki 1,6 Tbps.

Mokslinių tyrimų ir švietimo tinklai yra dar vienas svarbus diegimo sektorius. Tokios organizacijos kaip „Internet2“ Jungtinėse Amerikos Valstijose ir „GÉANT“ Europoje valdo ilgalaikius{2}}transliavimo tinklus, palaikančius universitetų ir mokslinių tyrimų institucijų ryšį. Šie tinklai buvo daugelio nuoseklių technologijų pradininkai, suteikdami naujų moduliavimo formatų ir programinės įrangos{4}}apibrėžtų tinklo galimybių bandymų vietas. Mokslo bendruomenei reikalingas didžiulis duomenų rinkinių perkėlimas,{6}}dalelių fizikos eksperimentai generuoja petabaitus per dieną,{7}}atsižvelgiant į tai, kad pajėgumai nuolat didinami.

 

 

Rinkos augimo ir ekonomikos veiksniai

 

Nuosekli optinės įrangos rinka demonstruoja didelį augimą, kurį skatina nepasotinama pralaidumo paklausa.

Rinkos dydis 2024 m. pasiekė 16,9-28,8 mlrd. USD, atsižvelgiant į tikslią rinkos apibrėžimą, o prognozės rodo, kad 2032–2033 m. padidės iki 29,7–51,4 mlrd. USD. Tai sudaro 5,3–12,4 % sudėtinius metinius augimo tempus, o siauresniuose segmentuose, pvz., nuosekliuose prijungiamuose įrenginiuose, augimo tempai yra didesni. Įverčių skirtumai atspindi skirtingus metodologinius rinkos ribų nustatymo metodus, tačiau visose analizėse sutariama dėl stipraus dviženklio augimo.

„Cisco“ analizės duomenimis, interneto srautas ir toliau eksponentiškai auga, kasmet didėja 25–30 %. Vaizdo įrašų transliacija sudaro daugiau nei 82 % vartotojų interneto srauto, o 4K ir atsirandantiems 8K formatams vienam srautui reikia 15–45 Mbps. Žaidimai debesyje, virtualioji realybė ir atsirandančios metaversijos programos reikalauja nuolatinio didelio pralaidumo ir mažos delsos. Perėjimas prie nuotolinio darbo 2020–2022 m. nuolat padidino verslo vaizdo konferencijų srautą ir debesų paslaugų naudojimą.

5G tinklo diegimas sukuria didžiulius pralaidumo reikalavimus tinklo kraštuose ir atgalinio ryšio infrastruktūroje. Viena 5G mobiliojo ryšio svetainė piko laikotarpiais gali generuoti 10–100 Gbps srautą, todėl norint sujungti šį srautą į pagrindinį tinklą, reikia nuoseklaus optinio perdavimo. Pasaulio 5G jungtys 2024 m. viršijo 1,5 mlrd., o iki 2028 m. pasieks 5,9 mlrd., o tai atitinkamai padidins optinio perdavimo pajėgumus.

Duomenų centro plėtra skatina nuoseklų įrangos poreikį, nes hiperskaleriai kuria paskirstytą skaičiavimo infrastruktūrą, kad palaikytų dirbtinio intelekto mokymą ir išvadas. Norint mokyti didelių kalbų modelius, reikia lygiagrečiai apdoroti dešimtis tūkstančių GPU, sujungtų su itin-didelio{2}}pralaidumo tinklais. 2024 m. duomenų centrų operatoriai į kapitalo išlaidas investavo daugiau nei 200 mlrd.

Debesijos paslaugų perkėlimas nerodo lėtėjimo požymių. Įmonių darbo krūvio perkėlimas į debesų platformas paspartėjo pandemijos metu ir tęsiasi, organizacijoms taikant hibridines ir kelių{1}}debesų architektūras. Dėl šio struktūrinio poslinkio srautas sutelkiamas į pagrindinius debesijos paslaugų teikėjų tinklus, kurie visi labai priklauso nuo tolimųjų -nuoseklių optinių sistemų, kad galėtų sujungti savo visame pasaulyje paskirstytą infrastruktūrą.

Geografinė interneto infrastruktūros plėtra skatina nuoseklų diegimą besivystančiuose regionuose. Pietryčių Azijoje, Afrikoje ir Lotynų Amerikoje statomos povandeninių kabelių nusileidimo stotys ir antžeminiai tolimųjų{1}} nuotolių tinklai, kad pagerintų regioninį ryšį. Investicijos į povandeninius kabelius šiuose regionuose viršija 5 mlrd.

 

Konkurencingas kraštovaizdis ir pagrindiniai pardavėjai

 

Nuoseklioje optinės įrangos rinkoje yra įsitvirtinusių telekomunikacijų įrangos pardavėjų ir specializuotų optinių komponentų tiekėjų.

„Ciena“ pradėjo komercines nuoseklias sistemas, 2008 m. įdiegusi nuoseklią 40G technologiją ir išlaikė technologijų lyderystę per kelias „WaveLogic“ kartas. „WaveLogic 6“ platforma, paskelbta 2024 m., pasiekia 1,6 Tbps per bangos ilgį ir maitina tiek įterptųjų linijų korteles, tiek prijungiamus modulius. „Ciena“ užima maždaug 18–22 % nuoseklių optinio perdavimo sistemų rinkos.

Nokia Photonic Service Engine (PSE) platforma aptarnauja ir antžemines, ir povandenines programas. Bendrovės stiprybė tinklų projektavimo ir integravimo srityje papildo nuoseklų technologijų portfelį. „Nokia“ ypač dominuoja povandeninėse sistemose, suprojektavusi arba tiekusi optinių linijų terminalus daugiau nei 70% naujų povandeninių kabelių projektų, apdovanotų 2022–2024 m.

„Huawei“ išlaiko didžiausią bendrą rinkos dalį – 25-30 % visame pasaulyje, nors jos padėtis labai skiriasi priklausomai nuo regiono dėl geopolitinių veiksnių. Kompanijos integruotas požiūris į tinklo infrastruktūrą ir optines sistemas patinka operatoriams, ieškantiems vieno -tiekėjo sprendimų. „Huawei“ platforma „OptiXtrans“ palaiko bangos ilgius nuo 400 G iki 1,6 Tbps metro, regioninėse ir tolimojo susisiekimo programose.

„Infinera“ daugiausia dėmesio skiria optiniam tinklui ir yra vertikalios optinių komponentų integracijos pradininkė. Bendrovė gamina savo fotoninius integrinius grandynus, derindama kelias optines funkcijas viename luste, kad sumažintų išlaidas ir pagerintų našumą. „Infinera“ ICE6 nuosekli technologija palaiko 800 G bangos ilgius ir yra skirta tiek paslaugų teikėjų, tiek duomenų centrų rinkoms.

„Cisco“ pateko į darnią rinką, 2021 m. įsigijusi „Acacia Communications“ ir įgijusi{1}}pramonėje pirmaujančią nuoseklią DSP technologiją. „Acacia“ silicio fotonikos metodas leidžia gaminti didelės-apimties-sąnaudas nuoseklius modulius. „Cisco“ integruoja šiuos modulius į savo maršruto parinkimo platformas, kurdama glaudžiai susietus IP-per{7}}DWDM sprendimus, populiarius žiniatinklio-masto duomenų centrų operatorių.

Prijungiamo koherentinio modulio segmentas rodo skirtingą konkurencinę dinamiką. „Marvell“ tiekia DSP lustus, naudojamus daugiau nei 40 % nuoseklių prijungiamų modulių, veikdama kaip prekybinis silicio tiekėjas keliems modulių gamintojams. „Coherent Corp“ (anksčiau II-VI), „Lumentum“ ir „Broadcom“ gamina sukomplektuotus modulius naudodami įvairius DSP ir silicio fotonikos tiekėjus. „NeoPhotonics“, kurią 2022 m. įsigijo „Broadcom“, suteikė stiprių derinamų lazerių ir fotoninės integracijos galimybių.

Kylantys Kinijos pardavėjai, įskaitant „HiSilicon“, „ZTE“ ir „Fiberhome“, įgyja dalį Kinijos vidaus diegimo, nes šalis siekia technologinės nepriklausomybės. Šie pardavėjai gauna naudos iš didelės vyriausybės paramos vietos optinių technologijų plėtrai ir lengvatinei prieigai prie didžiulės Kinijos vidaus rinkos.

 

Technologijų evoliucija ir ateities kryptys

 

Darni optinė technologija ir toliau sparčiai vystosi įvairiuose aspektuose.

Moduliacijos formato tobulinimas padidina spektrinį efektyvumą valdant sudėtingumą. Tikimybinis žvaigždyno formavimas optimizuoja perduodamų simbolių pasiskirstymą, kad labiau atitiktų kanalo talpą, todėl pasiekiamas 0,5-1,5 dB geresnis našumas nei naudojant vienodus žvaigždyno formatus. Geometrinis formavimas pakeičia žvaigždyno taško išdėstymą, o ne simbolių tikimybę, o tai suteikia panašų pranašumą su mažesniu diegimo sudėtingumu. Tyrimų sistemos parodė 256-QAM ir aukštesnės eilės formatus, nors praktinis diegimas retai viršija 64-QAM dėl triukšmo jautrumo.

Skaitmeninio antrinio nešlio technologija padalija kiekvieną bangos ilgį į kelis siauresnius antrinius nešlius, kurių kiekvienas turi nepriklausomą moduliavimą ir kodavimą. Šis metodas supaprastina išlyginimą, įgalina smulkesnį talpos detalumą ir pagerina pluošto netiesiškumo toleranciją. Sistemos, naudojančios 2–8 antrinius nešiklius vienam bangos ilgiui, buvo pradėtos naudoti komerciškai, o tyrimų demonstracijos rodo naudą iki 16 antrinių nešlių.

Erdvinio padalijimo tankinimas yra kita talpos mastelio ribą. Daugiagyslių pluoštų pluoštas viename pluošto apvalkale įdeda 4-12 atskirų šerdžių, proporcingai padaugindamas talpą. Atskirtos skaidulinės juostelės suteikia panašių pranašumų kaip ir įprastinis vienos šerdies{6}}pluoštas. Nedaug{10}}režimų skaidulų palaiko 3-6 erdvinius režimus viename šerdyje, nors režimų sujungimas sukuria išlyginimo iššūkius. Komercinis diegimas apsiriboja specializuotomis programomis, tačiau po 2025 m. įdiegiamos povandeninės sistemos gali naudoti kelių branduolių skaidulą, kad būtų maksimaliai padidintas produkto pajėgumas.

Spektro išplėtimas už C{0}}juostos padidina pajėgumus naudojant esamą šviesolaidinę infrastruktūrą. C+L juostos sistemos veikia 10-11 THz spektro dažniu nuo 1530-1625 nanometrų, o tai padvigubina kanalų skaičių, palyginti su tik C-juostos{15}}sistemomis. S juosta (1460–1530 nanometrų) siūlo dar 7 THz spektrą, nors stiprintuvo technologija tebėra mažiau brandi. Tyrimai parodė, kad perdavimas per 16 THz kombinuotų S+C+L juostų, keturis kartus didesnis pajėgumas, palyginti su vien C juosta.

Programinės įrangos{0}}apibrėžtas tinklas ir tinklo išskaidymas keičia tai, kaip operatoriai diegia ir valdo nuoseklias sistemas. Atvirosios linijos sistemos atskiria optinės linijos terminalo aparatinę įrangą nuo valdymo programinės įrangos, todėl sudaromos sąlygos kelių -tiekėjų sąveikai. Telekomunikacijų infrastruktūros projekto OOPT (Open Optical Packet Transport) iniciatyva apibrėžia atviras API, skirtas nuosekliems siųstuvams-imtuvams valdyti. Šie patobulinimai sumažina pardavėjų blokavimą-ir leidžia operatoriams optimizuoti pajėgumus-, dinamiškai pasiekti kompromisus pagal faktinius srauto modelius.

Dirbtinis intelektas ir mašininis mokymasis randa pritaikymų nuosekliam sistemos optimizavimui. Dirbtinio intelekto algoritmai gali numatyti optimalius moduliavimo formatus ir paleidimo galias pagal realaus laiko pluošto sąlygas, padidindami pajėgumą 5-15 %, palyginti su statinėmis konfigūracijomis. Mašininio mokymosi modeliai aptinka subtilius gaunamo signalo kokybės pablogėjimo modelius, todėl įgalina nuspėjamą priežiūrą, neleidžiančią{6}}paveikti gedimų. Tinklo optimizavimas naudojant sustiprinimo mokymąsi maksimaliai padidina bendrą tinklo pralaidumą, tuo pačiu laikantis atskirų nuorodų apribojimų.

Kvantinė komunikacija ir post{0}}kvantinė kriptografija turės įtakos būsimam nuosekliam sistemos projektavimui. Kvantinio rakto paskirstymo sistemos gali veikti kartu su klasikiniais nuosekliais kanalais tame pačiame pluošte, nors jų itin maži galios lygiai reikalauja kruopštaus skersinio pokalbio valdymo. Post-kvantiniams kriptografiniams algoritmams reikia didesnės skaičiavimo galios, todėl būsimose sistemose gali prireikti daugiau pajėgių DSP, kad šifravimą ir iššifravimą atliktų linijos greičiu.

 

Diegimo iššūkiai ir sprendimai

 

Diegiant ilgalaikes{0}}nuoseklias sistemas reikia įveikti keletą techninių ir eksploatacinių iššūkių.

Pluoštinių augalų kintamumas sukuria sistemos veikimo netikrumą. Dešimtajame dešimtmetyje ir 2000-ųjų pradžioje įdiegtas pluoštas pasižymi didesniais nuostoliais, dispersijos nuolydžio kitimu ir poliarizacijos -priklausomu nuostoliu, palyginti su šiuolaikiniu pluoštu. Operatoriai retai tiksliai apibūdina visą savo pluošto gamyklą, todėl sunku planuoti pajėgumus. Sprendimai apima automatizuotas testavimo sistemas, kurios nuolat matuoja skaidulų parametrus, ir adaptyviuosius siųstuvus-imtuvus, koreguojančius savo veikimo režimą pagal faktines ryšio sąlygas.

Tinklo operatoriai susiduria su sudėtingais atnaujinimo sprendimais, suderindami pajėgumų poreikius, technologijų brandą ir biudžeto apribojimus. Atnaujinus nuo 100 G į 400 G sistemas, pajėgumas yra 4 kartus, tačiau reikia investicijų į naują terminalo įrangą. Pagunda laukti 800G technologijos sukuria planavimo paralyžių, dėl kurio tinklai gali būti perpildyti. Pragmatiški metodai apima selektyvų perpildytų maršrutų atnaujinimą, išlaikant mažesnio{7}}pajėgumo sistemas mažai apkrautuose maršrutuose. Pardavėjų noras pasiūlyti pajėgumų -pagal-licencijavimą pagal pareikalavimą{11}}, kai aparatinė įranga tiekiama su 400 G pajėgumu, bet iš pradžių aktyvuota 100 G arba 200 G{15}}, padeda valdyti riziką.

Nepaisant standartizavimo pastangų, tiekėjų įrangos sąveika išlieka netobula. OIF 400ZR ir 800ZR specifikacijose apibrėžiami sąveikūs prijungiami moduliai, tačiau pardavėjai pasirenkamas funkcijas įgyvendina skirtingai. Išplėstines funkcijas, tokias kaip tinklo laiko paskirstymas ir svetimo bangos ilgio palaikymas, reikia kruopščiai patikrinti. Apdairūs operatoriai turi bandymo įrenginius, kurie patikrina sąveikumą prieš diegdami gamybą, ir daugelis naudoja suderintas tiekėjų poras nuorodų galutiniuose taškuose, net kai naudoja standartus{5}}atitinkančias sąsajas.

Energijos ir aušinimo apribojimai tinklo įrenginiuose riboja didelio{0}}pajėgumo sistemų diegimą. Visiškai-įrengta tankaus bangos ilgio sistema gali sunaudoti 10-20 kilovatų vienam stovui, o tai viršija daugelio senesnių centrinių biurų energijos tiekimo pajėgumus. Aušinimo sistemos, skirtos mažesnės galios įrangai, negali atlaikyti šilumos apkrovos. Priemonės atnaujinimas, skirtas palaikyti modernią nuoseklią įrangą, kainuoja 500 000–2 mln. USD vienai svetainei, kartais viršijant pačios optinės įrangos kainą.

 

Dažnai užduodami klausimai

 

Koks didžiausias atstumas koherentinėms optinėms sistemoms?

Didžiausias neregeneruotas atstumas priklauso nuo moduliacijos formato ir linijos greičio. Sistemos, kuriose naudojama DP-QPSK moduliacija, gali pasiekti 2 000-3 000 kilometrų be optinio-elektrinio-optinio regeneravimo. Povandeninės sistemos reguliariai veikia daugiau nei 6 000{15}}10 000 kilometrų tarp regeneravimo taškų, naudodamos optimizuotą DSP ir pažangų FEC. Ilgiausių povandeninių kabelių ilgis viršija 20 000 kilometrų, tačiau jie apima tarpines regeneravimo vietas.

Kaip nuosekli technologija lyginama su PAM4 moduliacija?

PAM4 moduliacija siūlo mažesnes sąnaudas ir energijos sąnaudas mažesniems nei 100 kilometrų atstumams, todėl idealiai tinka duomenų centrų sujungimams. Nuosekli technologija kainuoja daugiau, tačiau užtikrina puikų pasiekiamumą ir spektrinį efektyvumą nuvažiuojant daugiau nei 200 kilometrų. Kryžminimo taškas priklauso nuo konkrečių nuorodos reikalavimų, bet daugeliui ilgų -ilgių nuotolių už 500 kilometrų reikia nuoseklios technologijos, kad būtų pasiektas tinkamas signalo-ir{8}}triukšmo santykis.

Kokius moduliavimo formatus naudoja šiuolaikinės koherentinės sistemos?

Įprasti formatai apima DP-QPSK (4 bitai vienam simboliui), kad pasiektų maksimalų pasiekiamumą, DP-16QAM (8 bitai vienam simboliui) subalansuotam veikimui, ir DP-64QAM (12 bitų vienam simboliui), kad būtų galima pasiekti didžiausią pajėgumą trumpesniais atstumais. Išplėstinės sistemos naudoja tikimybinį žvaigždyno formavimą, kad optimizuotų simbolių paskirstymą. Optimalus formatas priklauso nuo nuorodos atstumo, pluošto kokybės ir talpos reikalavimų, nes daugelis sistemų gali dinamiškai keisti formatus.

Ar nuoseklios sistemos gali atnaujinti esamas pluošto gamyklas?

Nuosekli technologija veikia su šviesolaidžiu, įdiegtu 1990-aisiais ir vėliau, net kai šis pluoštas iš pradžių buvo skirtas 2,5 G arba 10 G sistemoms. DSP elektroniniu būdu kompensuoja chromatinės dispersijos ir poliarizacijos efektus, pašalindamas senoms sistemoms reikalingus dispersijos kompensavimo modulius. Labai senas devintojo dešimtmečio šviesolaidis gali turėti pernelyg didelių nuostolių arba priklausomų nuo poliarizacijos, o tai riboja naudojamą pajėgumą, tačiau dauguma komercinių skaidulų nuo 1995 m. palaiko šiuolaikinį nuoseklų perdavimą.

Nuo 2020 iki 2024 m. tinklo pajėgumas kasmet padidėjo 25–30 % dėl vaizdo transliacijos, debesijos paslaugų ir nuotolinio darbo. Paslaugų teikėjai tęsė 20–25 % metinį augimą iki 2028 m., o dirbtinio intelekto programos gali tai dar labiau paspartinti. Perėjimas nuo 100G prie 400G nuoseklių sistemų didžiąja dalimi baigtas pagrindiniuose maršrutuose, o 800G diegimas prasidės 2024–2025 m.

Nuoseklios optinės sistemos per pastaruosius 15 metų iš esmės pakeitė tolimojo{0}} tinklo galimybes. Šios technologijos gebėjimas perduoti nuo 100 G iki 1,6 Tbps per tūkstančius kilometrų mažėjant bitų sąnaudoms užtikrina visuotinį ryšį, kurio reikalauja šiuolaikinės programos. Pralaidumo reikalavimams nenumaldomai augant, nuosekli optinė sistema išliks esminė skaitmeninę ekonomiką palaikanti infrastruktūra.