Світові рекорди за швидкістю передачі інформації

1. Хронологія світових рекордів швидкостей передачі даних

Думаєте, швидкість вашого широкосмугового підключення до інтернету швидка? Обережно, після прочитання цієї статті ваше ставлення до слова "швидко" щодо передачі даних може сильно змінитися. Уявіть обсяг вашого жорсткого диска на комп'ютері і визначитеся, яка швидкість його заповнення є швидкою -1 Гбіт / с або може бути 100 Гбіт / с, тоді 1 терабайтний диск заповниться вже через 10 сек? Якби книга рекордів Гіннеса констатувала рекорди за швидкістю передачі інформації, то їй би довелося обробити всі наведені далі експерименти.

В кінці ХХ ст., Тобто ще відносно недавно, швидкості в магістральних каналах зв'язку не перевищували десятків Гбіт / с. У той же час користувачі інтернету за допомогою телефонних ліній та модемів насолоджувалися швидкістю в десятки кілобіт в секунду. Інтернет був за картками і ціни за послугу були немаленькі - тарифи наводилися, як правило, в у.о. На завантаження однієї картинки часом навіть йшло кілька годин і як влучно зазначив один з користувачів інтернету того часу: "Це був інтернет, коли за одну ніч можна було тільки кілька жінок в інтернеті подивитися". Така швидкість передачі даних повільна? Можливо. Однак варто пам'ятати, що все в світі відносно. Наприклад, якби зараз був 1839, то якоюсь подобою інтернету для нас би представляла найдовша в світі оптична телеграфна лінії зв'язку Петербург-Варшава. Довжина цієї лінії зв'язку для ХIХ століття здається просто захмарною - 1200 км, складається вона з 150 ретранслюють транзитних вишок. Будь-який громадянин може скористатися цією лінією і послати "оптичну" телеграму. Швидкість "колосальна" - 45 символів на відстань 1200 км можна передати всього за 22 хвилини, ніяка кінна поштова зв'язок тут і поруч не стояла!

Повернемося в ХХI століття і подивимося, що в порівнянні з описаними вище часом ми сьогодні маємо. Мінімальні тарифи у великих провайдерів проводового інтернету обчислюються вже не одиницями, а кількома десятками Мбіт / с; дивитися відео з роздільною здатністю менше 480pi ми не вже хочемо, така якість картинки нас вже не влаштовує.

Загальний рейтинг на 3 квартал 2015 року

На сьогоднішній день середня швидкість інтернет з'єднань в світі становить 6.3 Мбіт / с. Найбільша середня швидкість спостерігається в Південній Кореї 28.6 Мбіт / с, на другому місці Норвегія -23.5 Мбіт / с, на третьому Швеція - 22.5 Мбіт / с. Нижче приведена діаграма, що показує середню швидкість інтернету по лідируючим в цьому показнику країнам на початок 2017 року.

Хронологія світових рекордів швидкостей передачі даних

Оскільки сьогодні незаперечним рекордсменом по дальності і швидкості передачі є волоконно-оптичні системи передачі, акцент буде робитися саме на них.

З яких швидкостей все починалося? Після численних досліджень в період з 1975 по 1980 рр. з'явилася перша комерційна волоконно-оптична система, що працює з випромінюванням на довжині хвилі 0,8 мкм на напівпровідниковому лазері на основі арсеніду галію.

22 квітня 1977 в Лонг-Біч, штат Каліфорнія, компанія General Telephone and Electronics вперше використовувала оптичний канал для передачі телефонного трафіку на швидкості 6 Мбіт / с. При такій швидкості, можна організувати одночасну передачу до 94 найпростіших цифрових телефонних каналів.

Максимальна швидкість оптичних систем передачі в експериментальних дослідницьких установках цього часу доходило до 45 Мбіт / с, максимальна відстань між регенераторами - 10 км.

На початку 1980-х передача світлового сигналу проходила в багатомодових волокнах вже на довжині хвилі 1,3 мкм за допомогою InGaAsP-лазерів. Максимальна швидкість передачі була обмежена значенням 100 Мбіт / с внаслідок дисперсії.

При використанні одномодових ОВ в 1981 році при лабораторних випробуваннях досягли рекордної для того часу швидкості передачі 2 Гбіт / с на відстані 44 км.

Комерційне впровадження таких систем в 1987 році забезпечувало швидкість до 1,7 Гбіт / с з протяжністю траси 50 км.

Як можна було помітити, оцінювати рекорд системи зв'язку варто не тільки за швидкістю передачі, тут також вкрай важливо на яку відстань дана система здатна забезпечити дану швидкість. Тому для характеристики систем зв'язку зазвичай користуються твором загальної пропускної спроможності системи B [біт / с] на її дальність L [км].

Розробка систем хвильового мультиплексування дозволила щорічно збільшувати в кілька разів швидкість передачі даних по одному волокну, а з винаходом в 1989 році оптичних підсилювачів стало можливим застосування WDM систем на великі відстані.

У 1991 р вдалося організовувати лінію зі швидкістю передачі 2,5 Гбіт / с завдовжки 21 000 км. З 1996 р почалася комерційна експлуатація міжконтинентальних WDM систем волоконно-оптичного зв'язку.

У 1992 році стали комерційно доступні волоконно-оптичні системи, що працюють по одномодовому волокну на довжині хвилі 1550 нм. Рекордна швидкість передачі при довжині регенераційної ділянки в 70 км дійшла до 10 Гбіт / с.

У 1994 році були експерименти зі створення солітонних ВОЛЗ. Рекорди передачі в таких лініях становили 10 Гбіт / с при довжині 35 000 км і 15 Гбіт / с при довжині 24 000 км.

Починаючи з 2000 року в експериментальних лініях зв'язку швидкість передачі в одному каналі становила вже 40 Гбіт / с.

У 2000 році вдалося організувати експериментальну лінію протяжністю понад 3000 км, що має швидкість передачі 3.28 Тбит / с. Система включала 82 каналу, кожен по 40 Гбіт / с, таким чином, було досягнуто значення параметра B ∙ L = 9840 Тбит / с ∙ км.

До кінця 2000 року були доступні комерційні ВОЛЗ ємністю 1.6 Тбіт / с. З огляду на, що перші покоління ВОЛЗ в 1980 р мали максимальну швидкість 45 Мбіт / с, виходить, що всього за 20 років рекорд швидкості передачі збільшився більш ніж в 30 000 разів.

Олімпійський чемпіон, рекордсмен Усейн Болт

порівняння швидкостей

У 2001 році при застосуванні технології спектрального ущільнення була досягнута швидкість передачі 10,92 Тбит / с (273 оптичних каналу по 40 Гбіт / с), але дальність передачі була обмежена значенням 117 км (B ∙ L = 1 278 Тбіт / с ∙ км).

В цьому ж році був проведений експеримент по організації 300 каналів зі швидкістю 11,6 Гбіт / с кожен (загальна пропускна здатність 3.48 Тбит / с), довжина лінії склала понад 7380 км (B ∙ L = 25 680 Тбіт / с ∙ км).

У 2002 р була побудована міжконтинентальна оптична лінія завдовжки 250 000 км із загальною пропускною спроможністю 2.56 Тбит / с (64 WDM каналу по 10 Гбіт / с, трансатлантичний кабель містив 4 пари волокон).

Тепер за допомогою єдиного оптоволокна можна одночасно передавати 3 мільйони! телефонних сигналів або 90 000 сигналів телебачення.

У 2006 р Nippon Telegraph і Telephone Corporation організували швидкість передачі 14 трильйон біт в секунду (14 Тбіт / с) по одному оптичного волокна при довжині лінії 160 км (B ∙ L = 2240 Тбит / с ∙ км).

В цьому експерименті вони публічно продемонстрували передачу за одну секунду 140 цифрових HD фільмів. Величина 14 Тбіт / с з'явилася в результаті об'єднання 140 каналів по 111 Гбіт / с кожен. Використовувалося мультиплексування з поділом по довжині хвилі, а також поляризаційне ущільнення.

У 2009 р Bell Labs досягли параметра B ∙ L = 100 пета біт в секунду помножити на кілометр, подолавши, таким чином, бар'єр в 100 000 Тбіт / с ∙ км.

Для досягнення таких рекордних результатів дослідники з лабораторії Bell Labs в Villarceaux, Франція, використовували 155 лазерів, кожен з яких працює на своїй частоті і здійснює передачу даних на швидкості 100 гігабіт на секунду. Передача здійснювалася через мережу регенераторів, середня відстань між якими становила 90 км. Мультиплексування 155 оптичних каналу по 100 Гбіт / с дозволило забезпечити загальну пропускну здатність 15,5 Тбіт / с на відстані 7000 км. Щоб осмислити значення цієї швидкості, уявіть, що йде передача даних з Єкатеринбурга до Владивостока зі швидкістю 400 DVD-дисків в секунду.

У 2010 р NTT Network Innovation Laboratories домоглися рекорду швидкості передачі 69.1 терабіт в секунду по одному 240-кілометровому оптичного волокна. Використовуючи технологію хвильового мультиплексування (WDM), вони мультиплексированную 432 потоку (частотний перерва в прийомі тривала 25 ГГц) з канальної швидкістю 171 Гбіт / с кожен.

В експерименті застосовувалися когерентні приймачі, підсилювачі з низьким рівнем власних шумів і з ультра-широкосмуговим посиленням в С і в розширеному L діапазонах. У поєднанні з модуляцією QAM-16 і поляризаційного мультиплексування, вийшло досягти значення спектральної ефективності 6.4 біт / с / Гц.

На графіку нижче видно тенденція розвитку волоконно-оптичних систем зв'язку протягом 35 років з початку їх появи.

З даного графіка виникає питання: "а що далі?" Яким чином можна ще в рази підвищити швидкість і дальність передачі?

У 2011 р світовий рекорд пропускної здатності встановила компанія NEC, передавши більше 100 терабіт інформації в секунду по одному оптичного волокна. Цього обсягу даних, переданого за 1 секунду, досить, щоб переглядати HD фільми безперервно протягом трьох місяців. Або це еквівалентно передачі за секунду вмісту 250 двосторонніх Blu-ray дисків.

101,7 терабіт були передані за секунду на відстань 165 кілометрів за допомогою мультиплексування 370 оптичних каналів, кожен з яких мав швидкість 273 Гбіт / с.

В цьому ж році National Institute of Information and Communications Technology (Токіо, Японія) повідомив про досягнення 100-терабного порога швидкості передачі за допомогою застосування многосердцевінних ОВ. Замість того щоб використовувати волокно тільки з однієї световедущей житлової, як це відбувається сучасних комерційних мережах, команда використовували волокно з сімома осередками. По кожній з них здійснювалася передача зі швидкістю 15.6 Тбит / с, таким чином, загальна пропускна здатність досягла 109 терабіт в секунду.

Як заявили тоді дослідники, використання многосердцевінних волокон поки є досить складним процесом. Вони мають велике загасання і критичні до взаємних перешкод, тому сильно обмежені по дальності передачі. Перше застосування таких 100 терабітних систем буде всередині гігантських центрів обробки даних компаній Google, Facebook і Amazon.

У 2011 році команда вчених з Німеччини з технологічного інституту Karlsruhe Institute of Technology (KIT) без використання технології xWDM передала дані по одному ОВ зі швидкістю 26 терабіт в секунду на відстань 50 км. Це еквівалентно передачі в одному каналі одночасно 700 DVD-дисків в секунду або 400 мільйонів телефонних сигналів.

Почали з'являтися нові послуги, такі як хмарні обчислення, тривимірне телебачення високої чіткості і додатки віртуальної реальності, що знову вимагало безпрецедентною високої ємності оптичного каналу. Для вирішення цієї проблеми дослідники з Німеччини продемонстрували застосування схеми оптичного швидкого перетворення Фур'є для кодування і передачі потоків даних зі швидкістю 26.0 Тбит / с. Для організації такої високої швидкості передачі була використана не просто класична технологія xWDM, а оптичне мультиплексування з ортогональним частотним розділенням каналів (OFDM) і відповідно декодування оптичних OFDM потоків.

У 2012 р японська корпорація NTT (Nippon Telegraph and Telephone Corporation) і три її партнера: фірма Fujikura Ltd., університет Hokkaido University і університет Technical University of Denmark встановили світовий рекорд пропускної здатності, передавши 1000 терабіт (1 Пбіт / с) інформації в секунду по одному оптичного волокна на відстань 52,4 км. Передача одного петабіта в секунду еквівалентна передачі 5000 двогодинних HD фільмів за одну секунду.

З метою значного поліпшення пропускної здатності оптичних комунікаційних систем, було розроблено і протестовано волокно з 12-ма серцевинами, розташованих особливим чином у вигляді стільники. В даному волокні завдяки його особливій конструкції взаємні перешкоди між сусідніми серцевинами, які зазвичай є головною проблемою в звичайних многосердцевінних ОВ, значно пригнічені. В результаті застосування поляризаційного мультиплексування, технології xWDM, квадратурной амплітудної модуляції 32-QAM і цифрового когерентного прийому, вчені успішно підвищили ефективність передачі в розрахунку на одну серцевину більш ніж в 4 рази, в порівнянні з попередніми рекордами для многосердцевінних ОВ.

Пропускна здатність склала 84.5 терабіт в секунду на одну серцевину (швидкість каналу 380 Гбіт / с х 222 каналів). Загальна пропускна здатність на одне волокно склала 1.01 петабіт в секунду (12 х 84.5 терабіт).

Також в 2012 р трохи пізніше дослідники з лабораторії NEC в Прінстоні, Нью-Джерсі, США, і Нью-Йоркського науково-дослідного центру Corning Inc., успішно продемонстрували надвисоку швидкість передачі даних зі швидкістю 1.05 петабіт в секунду. Дані передавалися за допомогою одного многосердцевінного волокна, яке складалося з 12 одномодових і 2 маломодових серцевин.

Дане волокно було розроблено дослідниками Corning. Об'єднавши технології спектрального та поляризаційного поділу з просторовим мультиплексированием і оптичної системи MIMO, а також використовуючи багаторівневі формати модуляції, дослідники в результаті досягли загальної пропускної спроможності 1.05 Пбіт / с, поставивши, таким чином, новий світовий рекорд найвищої швидкості передачі по одному оптичного волокна.

Влітку 2014 року робоча група в Данії, використовуючи нове волокно, запропоноване японською компанією Telekom NTT, встановила новий рекорд -організований за допомогою одного лазерного істочнікаскорость в 43 Тбіт / с. Сигнал від одного лазерного джерела передавався по волокну з сімома осередками.

Команда Датського технічного університету спільно з NTT і Fujikura раніше вже досягала найвищої в світі швидкості передачі даних в 1 петабіт в секунду. Однак тоді були використані сотні лазерів. Зараз же рекорд в 43 Тбіт / с був досягнутий за допомогою одного лазерного передавача, що робить систему передачі більш енергоефективною.

Як ми переконалися, в зв'язку є свої цікаві світові рекорди. Для новачків в цій області варто відзначити, що багато представлені цифри досі не зустрічаються повсюдно в комерційній експлуатації, оскільки були досягнуті в наукових лабораторіях в одиничних експериментальних установках. Однак і стільниковий телефон колись був прототипом.

Щоб не перевантажувати ваш носій інформації, поки зупинимо поточний потік даних.

Далі буде…