חידושים מפתיעים ברשתות תשתית אופטיות (חלק ב')

חידושים ברשתות תשתית אופטיות (חלק ב')
 
אולימפיאדת התקשורת – עולם התקשורת האופטית טרם אמר את מילתו האחרונה
 
בחלק הראשון של המאמר, שהתפרסם כאן, הוזכרה הדרישה ההולכת וגדלה לרוחב סרט, שמתבטאת בגידול של פי 10 בכל 5 עד 6 שנים, או במילים אחרות פי 100 בעשור הקרוב. כדי לעמוד בגידול דרמטי כזה, על תעשיית התקשורת האופטית למצוא שיטות חדשות להגדלת הקיבול של רשתות סיבים קיימות, ולהבטיח שטכנולוגיות אלה הן כלכליות, ישימות וניתנות להרחבה (Scalable).
 
ברשתות תשתית אופטיות השתמשו תחילה בטכנולוגיות TDM/SDH, שבהן מופעל אורך-גל בודד. אולם לאחר מספר שנים קיבול העורקים הגיע לרוויה ואז חברות התקשורת עברו לטכנולוגיית WDM, תחילה בעורקי התשתית העיקריים (Backbone), ואח"כ גם בעורקים אחרים.

מספר אורכי הגל (λ) המשודרים בצוותא בכל עורק עלה, וכך גם רוחב הסרט בכל אחד מהם. למעשה, נוצרה מעין תחרות בין היצרנים, וכל פעם מישהו אחר "שבר את השיא", כפי שנראה באיור 5 (רשימה חלקית).
  איור 6 להלן מתאר את התפתחות קצבי התקשורת האופטית החל משנת 1980 ועד היום. כפי שניתן לראות, החל משנת 1995 מופעלות מערכות DWDM על אורכי-גל בקצבים הנעים בין 2.5 Gb/s ועד 100 Gb/s. כיום, קיימות בשוק מערכות DWDM המסוגלות להפעיל 80 אורכי-גל בקיבול של 100 Gb/s כל אחד, וכך להשיג קיבול מקסימאלי של 8 טרה-ביט לשנייה (Tera = 1,000 Giga). אחת הדרכים להגדלת הקיבול היא ע"י הקטנת המרווחים בין אורכי הגל מ-100 GHz ל-50 GHz, ל- 25 GHz ואף ל- 12.5 GHz, כפי שמוגדר בתקן  ITU-T G.694.1  שתואר באיור 2 בחלק א' של המאמר. ה"שיא" הנוכחי הוא מעל 1 Pb/s (פטה ביט לשנייה = מיליון גיגה ביט לשנייה(, שהושג לאחרונה בשני פיתוחים שונים המופיעים בשתי השורות האחרונות של איור 5. וזאת, תוך שילוב של כמה טכנולוגיות שיפורטו להלן.
   
החידושים ברשתות תשתית אופטיות נעשים כיום ב-3 כוונים עיקריים:

1. :Super-channel שיפורים ביעילות הספקטראלית ע"י שימוש בטכנולוגיות אופטיות קוהרנטיות ושיטות אפנון אופטיות מתקדמות, שמאפשרות יחסי קצב לרוחב-סרט (או Bps/Hertz)  גבוהים.
2. Flexible-grid: מעבר למרווחים גמישים תקניים בין אורכי-הגל, במקום המרווחים הקבועים, שהיו נהוגים עד כה.
3. Multi-core fibers: סיבים אופטיים משופרים בעלי כמה cores (סיבים פנימיים) בתוך כל מעטפת של סיב.

 שיפור היעילות הספקטראלית
 
החלק השמאלי של איור 6 למעלה מתאר את הגדלת הקצבים הנישאים ע"י אורך-גל (λ) בודד, שגדלו בהדרגה עד קצב של 10 Gb/s. שיטת האפנון, שהשתמשו (ועדיין משתמשים) בה, היא OOK (on-off keying), שנקראת גם IM-DD  (Intensity Modulation with Direct Detection)  - שיטה פשוטה, אך מאד לא יעילה מבחינה ספקטראלית. כאשר נדרש להעלות את הקצבים מעבר ל- 10 Gb/s התברר, שזה די אתגרי, והיה צורך למצוא שיטה יעילה יותר.

מספר שיטות נבדקו ונוסו, ולבסוף הצליחו המפתחים לשבור את הרף של 10 Gb/s בעזרת טכנולוגיות אופטיות קוהרנטיות coherent optical technologies)), ששולבו בהן גם שיטות אפנון "ותיקות" מסוג  amplitude / phase modulation, תחילה במעבר ל- 40 Gb/s ואח"כ עבור 100 Gb/s. שיטות אפנון אלה נמצאות בשימוש נרחב בענפי תקשורת אחרים (כגון xDSL, CATV), והן מאפשרות יחסי קצב לרוחב-סרט (או Bps/Hertz)  גבוהים, כלומר יעילות אופטית טובה יותר. לא נסביר שיטות אלה כאן, ונסתפק רק בתזכורת קצרה באיור 7.
   המושג "טכנולוגיות אופטיות קוהרנטיות" מתייחס לשילוב של המרכיבים הבאים:

• High order amplitude/phase modulation ראה איור 7)).
• Polarization multiplexing (ראה איור 8).
• Coherent detection using a local oscillator laser in the receiver.
• High-speed ADCs and sophisticated digital signal processing in the receiver.

 שיטות האפנון המתוארות באיור 7 שלמעלה מתייחסות לאות המשודר בקיטוב בודד. אולם, ניתן לראות  סיב אופטי כאילו היה גל-בו (waveguide) בעל חתך מעגלי, היכול לתמוך בשני קיטובים ניצבים, בלתי תלויים למעשה זה מזה. השימוש בקיטוב דו-צירי (בקיצור PM) מאפשר הכפלת רוחב-הסרט הכללי המשודר בסיב. לדוגמה, איור 9 שלהלן, מתאר שני אותות באפנון QPSK כל אחד, שמשודרים בצוותא בקיטוב דו-צירי, אחד על ציר X והשני על ציר Y. כל אות QPSK בפני עצמו משדר 2 ביטים בכל מחזור (ראה איור 7), והצרוף שלהם משדר 4 ביטים בכל מחזור, וכך הכפלנו את קצב השידור באותו רוחב-סרט אופטי. ברור, שכל קיטוב יכול להכיל אות DWDM בעל הרבה אורכי-גל, או אות מאופנן באחת השיטות, שתוארו באיור 7 לעיל. אותות קוהרנטיים כאלה המשודרים בצוותא יוצרים super-channel, שהוא כאמור אחד מכווני הפיתוח להגדלת רוחב הסרט על תשתית סיבים אופטיים.
  איור 10 שלהלן מתאר שלוש אפשרויות אפנון שונות לשידור אות בקצב 100 Gb/s, כולן על גל נושא בודד.
 
האיור השמאלי מתאר אפנון PM-QPSK בעל רוחב סרט אופטי של 45 GHz, שמתאים בקלות למרווח התקני של 50 GHz (כפי שתואר באיור 2 בחלק א' של המאמר), וכן תואם לעבודה עם מוצרי ROADM המצויים בשוק. האיור האמצעי מתייחס לאות בקצב 100 Gb/s המאופנן בשיטת PM-16QAM, בעל רוחב סרט של 22 GHz ולכן דורש מרווח של 25 GHz בלבד בספקטרום האופטי. באיור הימני מתואר אות דומה (כלומר מאופנן PM-16QAM), שעבר בנוסף pulse shaping, כלומר סינון מיוחד בצד השידור ובצד הקליטה. לכן, רוחב הסרט שלו הוא נמוך משמעותית מהקודם, והוא "תופס" רק חלק מהמרווח התקני של 25 GHz. אם יקצו לשידור הזה את המרווח התקני של 25 GHz, יהיה כאן "בזבוז" של רוחב סרט, שמתבטא בשוליים משני צידי האות הימני.
 
כדי למנוע את הבזבוז הזה, החליט ארגון ITU להגדיר מרווחים גמישים תקניים (flexible grid) בגרסה האחרונה של התקן G.694.1, שפורסמה בפברואר 2012. התוספת לתקן מאפשרת יצירת מרווחים בגדלים שונים, שהם כפולות של 12.5 GHz. ברור, שהמרווחים התקניים הקיימים (100, 50, 25 גה"צ), שתוארו באיור 2 בחלק א', הם תואמים, כי כולם כפולות של 12.5 גה"צ, שהוא הפס הבסיסי.
   איור 11 מתאר כיצד המרווחים הגמישים יעבדו. האיור השמאלי מתאר אות בקצב של 100 Gb/s באפנון PM-QPSK ללא pulse-shaping, שדורש רוחב סרט של 45 GHz. האות הזה ייכנס למרווח גמיש תקני של 50 GHz, שמורכב מ-4 פסים צמודים של 12.5 GHz. באיור האמצעי מתואר אות בקצב 500 Gb/s המורכב מצרוף של 10 אותות באפנון  pulse-shaped PM-QPSK super-channel. האות המורכב הזה דורש רוחב סרט של 375 GHz, שמתקבל מצרוף של 30 פסים של 12.5 GHz כל אחד. האיור הימני מתאר אף הוא אות בקצב של 500 Gb/s, הפעם מאופנן בשיטת PM-16QAM super-channel, שדורשת רוחב סרט של 187.5 GHz בלבד. רוחב סרט זה מתקבל מצרוף של 15 פסים תקניים של 12.5 GHz.
 
השורה התחתונה היא, שהצרוף של שיטות השידור הקוהרנטיות יחד עם התוספת החדשה לתקן G.694.1 המאפשרת סריג מרווחים גמיש, יביאו את רחבי הסרט האפשריים על תשתית סיבים אופטיים לשיאים חדשים, שאת תחילתם אנו כבר רואים במספרים, שהוצגו באיור 5 לעיל.
 
אבל זה עדיין לא הכול...
 
 
Multi-core fibers
 
אחד מכיווני הפיתוח החדשים הוא ייצור סיבים אופטיים משופרים בעלי כמה cores בתוך כל סיב. משמעות הדבר היא יצירת "סיב-על", שביצועיו הם כמו סכום הביצועים המקביליים של כמה סיבים פנימיים, כמניין ה- cores (סיבים פנימיים) הנמצאים בתוך מעטפת הסיב.
 
שני השיאים האחרונים באיור 5, הם מהסוג הזה. הפיתוח של NTT (יחד עם כמה שותפים יפניים נוספים) מתייחס ל"סיב-על" בעל 12 cores (סיבים פנימיים). כל סיב פנימי כזה מעביר 222 אורכי-גל, כל אחד נושא אות קוהרנטי בקצב של 380 Gb/s. הכפלה פשוטה מראה, שרוחב הסרט הכולל של המערכת הזאת היא 1.01 Pb/s (פטה-ביט לשנייה, זאת לא טעות). פיתוח דומה (כנראה, כיוון שלא פורסמו נתונים טכניים) של החברות קורנינג ו- NEC הדגים רוחב סרט כולל גדול מעט יותר של 1.05 Pb/s.
 
אין ספק, שעולם התקשורת האופטית טרם אמר את מילתו האחרונה.
 
 צבי שחם, M.Sc.
מרצה ויועץ, מחבר הספר: תקשורת בעידן ה-IP
zvi.shacham@gmail.com
www.zvish.com