Hvor mye fart kan egentlig vris ut av fiberen? (Bilde: Nokia)

Fiberkabelens enorme transportkapasitet

Mange tror kapasiteten er nesten uendelig stor, men er det tilfelle?

Da fiberoptiske kabler ble tatt i bruk på 1980-tallet representerte de en enorm forbedring fra kobberkablene som var brukt frem til da. Kobberkablene var først og fremst designet med overføring av stemme for øyet, men ble tatt i bruk til dataoverføring også. En såkalt E1-kabel besto av 30 kobberpar, beregnet på stemme. Til sammen kunne de overføre 2,048 Mbit/s. Ikke rart at telebransjen var henrykt over fiberteknologien. Da de første systemene ble tatt i bruk på siste halvdel av 1980-tallet kunne de overføre utrolige 150 Mbit/s.

Derfra gikk utviklingen fort. I 1992 kom hastigheten opp i 2,5 Gbit/s og fire år senere ble 10 Gbit/s nådd. Det gikk altså 5000 ganger raskere på én fiber enn på 30 kobberpar ti år før. Nå kunne internett bare komme.

Men alt var ikke bare lykke. Med den nye topphastigheten oppsto nye problemområder. Avhengig av bølgelengder og avstander oppsto såkalte ikke-lineære effekter. Forstyrrelser som var til stede på fire til fem områder, men ikke på andre.

I starten ble en laser med 1310 nanometer bølgelengde benyttet, men da rakk signalet bare 40 kilometer. Ved å ta i bruk en 1500 nm laser, økte distansen til 80 km. Dette er fremdeles det viktigste bølgeområdet, men det benyttes frekvenser helt fra 1300 til 1600 nm.

Flere datapunkter: Et plott av lysbølger som er kvadraturamplitudemodulert – QAM viser hvordan det er mulig å «presse» mye data inn i lyset. En lysstråle fra en laser sendes ut polarisert. Den ene bølgen faseforskyves 90 grader (kvadratur). Den svinger derfor som en cosinuskurve i stedet for en sinuskurve. Så kan man modulere høyden på bølgetoppene, det vil si amplituden på begge. Ut fra det kan man i teorien få en uendelig mengde punkter når man leser av krysningspunktene som kan beskrives som binære tall. Men støy og annen påvirkning begrenser hvor mange det er mulig å skille ut. Jo høyere orden QAM, jo flere datapunkter får man inn i en gitt båndbredde. I dette tilfeller er det 16 QAM.
Flere datapunkter: Et plott av lysbølger som er kvadraturamplitudemodulert – QAM viser hvordan det er mulig å «presse» mye data inn i lyset. En lysstråle fra en laser sendes ut polarisert. Den ene bølgen faseforskyves 90 grader (kvadratur). Den svinger derfor som en cosinuskurve i stedet for en sinuskurve. Så kan man modulere høyden på bølgetoppene, det vil si amplituden på begge. Ut fra det kan man i teorien få en uendelig mengde punkter når man leser av krysningspunktene som kan beskrives som binære tall. Men støy og annen påvirkning begrenser hvor mange det er mulig å skille ut. Jo høyere orden QAM, jo flere datapunkter får man inn i en gitt båndbredde. I dette tilfeller er det 16 QAM.

Modulasjon

Hvordan lyset sendes inn i fibret er avgjørende for hvor raskt signalene kan transporteres. Den aller enkleste måten å formidle signalene på, er å skru laseren av og på veldig raskt. Lys er 1 og ikke lys er 0. Det er mulig å pulse en laser slik at den kan transportere opptil 10 Gbit/s, men mer enn det blir vanskelig. Skal farten økes, må det mer avansert modulasjon til. Da er det ikke lenger snakk om av/på, men om å bruke lyset i bølgeform.

Den vanlige modulasjonsformen for bølger er såkalt kvadraturamplitudemodulasjon - QAM. Et fryktinngytende ord, men det handler om å sende inn to bærebølger på samme frekvens som er forskjøvet 90 grader i fase, altså en sinus- og en cosinuskurve. Den rette vinkelen gjør at de to bølgene kan plottes som sidene i et kvadrat. De utgjør to helt selvstendige informasjonsbærere og da kan små underverker oppnås. Ved å variere amplituden på begge oppnås mange punkter for hver bølgetopp.

Det springende punktet er hvor mange punkter det er mulig å modulere inn. I teorien ville det vært svært mange, men dessverre kommer signal-støyforholdet inn og ødelegger moroa. I praksis brukes derfor det som kalles 16 og 64 bit QAM som gir 8 og 12 bits per symbol. Jo høyere ordens QAM, jo mer påvirkes signalet av støy og jo kortere kan det overføres. Det jobbes med 256 QAM, men en slik tøff modulasjon som ville gi 1 Tbit/s per bølgelengde, ville neppe gå særlig lenger enn 50 km.

Flere farger

Selv om øyet ikke ser farger ut over rødt, var AT&T først til å utnytte flere «farger» i fiberen, det vil si bølgelengder i det infrarøde området. I 1995 lanserte de et system med fire bølgelengder.

Deretter gikk det fort. Det å lyse inn i fiberen med flere bølgelengder, hvor hver er på 50 GHz, var genialt, og i 2000 ble 80 bølgelengder nådd, som også er vanlig i dag. I starten støttet modulasjonen 2,5 Gbit/s per bølgelengde, men det økte raskt til 10 Gbit/s. Det vanlige i dag er 100 Gbit/s.

Men det er plass til mer. På moderate distanser, det vil si inntil 2000 km er det nå mulig å sende 200 Gbit/s per bølgelengde, og Nokia (tidligere Alcatel Lucent) har introdusert 200 Gbit/s på distanser over 2000 km.

I en optisk fiber i dag er det plass til 80 ganger 400 Gbit/s, altså utrolige 32 Tbit/s. Det jobbes med å få dyttet inn opptil 120 bølgelengder ved å redusere beskyttelsesintervallet mellom hver bølgelengde. Det vil gå litt ut over kapasiteten i hver bølgelengde, men vil likevel gi betydelig kapasitetsøkning. 

Kilde til denne artikkelen er et foredrag Business Development and Consulting Engineer i Nokia, Ove Parmlind, holdt under Tek-konferansen i Strømstad i mai.
Kilde til denne artikkelen er et foredrag Business Development and Consulting Engineer i Nokia, Ove Parmlind, holdt under Tek-konferansen i Strømstad i mai. Foto: Kristoffer Møllevik, Insidetelecom.no

Flere fibre

Fiber er billig, så det koster ikke så mye ekstra å legge flere fibre inn i samme kabel. Det er det som kalles «Spatial division multiplex». Det kan være opptil 20 fibre i en kabel, og hvis hver av dem moduleres med den beste teknologien i dag (64 QAM) i 80 bølgelengder, snakker vi om en samlet kapasitet på utrolige 640 Tbit/s.

Regenerering

Hvor langt det er mulig å sende et signal uten at det må regenereres er viktig. En regenerering koster mye både i investering og drift. Hvis signalet skal gå veldig langt, koster hver stasjon for regenerering rundt 10 millioner dollar, når man benytter 100 Gbit/s for hver bølgelengde.

Problemet er at hver bølgelengde må termineres og tas over fra det optiske til det elektriske området. Så må signalet behandles og regenereres og sendes inn i fiberen igjen, med en egen laser for hver bølgelengde. Er det 80 av dem blir det mye dyrt utstyr.

Superlangt

Hvis signalet skal sendes veldig langt, eksempelvis under Atlanterhavet, må det forsterkes underveis. I stedet for å bruke elektronisk regenerering, benyttes optiske forsterkere. En optisk forsterkning er ikke en regenerering, men den kan forsterke alle bølgelengdene i én operasjon. Det er billig. Ulempen er at hastighet i hver bølgelengde reduseres. Nå benyttes kanaler på 40 Gbit/s, men det jobbes med 50 Gbit/s.

De optiske forsterkerne drives av en konstant likestrøm gjennom en leder i kabelen. Det betyr at alle forsterkerne er seriekoblet. Strømmen mates inn på landstasjonene, hvor de samarbeider om kraftforsyningen. På én side mates strømmen inn med positiv spenning, og på den andre siden med negativ spenning. De optiske fibrene som benyttes under lange havstrekninger har eksepsjonelt klart glass som tillater mer enn 100 km mellom forsterkerne. Det minimerer antallet forsterkere og forvrengningen de skaper.

Slike lange kabler under havene koster selvfølgelig en formue, og det gjelder å ha så lang levetid som mulig. De skal holde minimum 30 år.

Er vi i mål?

Den årlige veksten i global internettrafikk er anslått av Cisco til å være på 23 prosent i perioden 2014 til 2019, og det flater neppe ut. Mye tyder på at veksten heller vil øke, så teknologene må jobbe hardt for å øke hastigheten. Det handler i stor utstrekning om å kansellere og redusere støy, for den er «drepen» for kommunikasjon.

Mange har kanskje hørt om den amerikanske matematikeren Claude Shannon. Han jobbet ved Massachusetts Institute of Technology (MIT) og sto bak informasjonsteorien, kalt Shannons teorem. Den sier noe om hvor mye informasjon som kan sendes over til en mottaker i linjer med og uten støy.

Forskere ved Nokia Bell Labs antyder at vi er rundt en faktor 2 unna Shannongrensen, og dit når vi neppe. De mener også at vi kanskje kan presse inntil 160 bølgelengder inn i det optiske «vinduet» i fiberen, som leder lys over lange strekninger.

Skal vi øke farten mer må vi korte ned avstandene vi kommuniserer. I så fall kan vi utnytte flere bølgelengder. Kanskje opptil 800. 

Ønsker du å dykke litt dypere ned i teknologien, kan du laste ned i lysarkene som Nokias Ove Parmlind benyttet under sitt foredrag under Tek-konferansen i Strømstad i mai.

Kommentarer (19)

Kommentarer (19)
Til toppen