UCL-Team entwickelt Frequenz

UCL-Forscher haben zusammen mit Kollegen in China eine neue frequenzbezogene Multiplexmethode entwickelt, die eine garantierte Bandbreite und geringe Latenz für zeitkritische Anwendungen in der Cloud bieten kann. Es könnte die Konnektivität bereitstellen, die für zukünftige Anwendungen wie selbstfahrende Autos und Drohnenflotten benötigt wird. Ein Open-Access-Artikel zu dieser Methode ist in Nature Electronics veröffentlicht.

Neue Cloud-Anwendungen wie Virtual Reality und vernetzte Fahrzeugflotten erfordern garantierte Verbindungen sowie niedrige und stabile Latenzzeiten zu Edge-Rechenzentren. Derzeit basiert die Benutzer-Cloud-Kommunikation auf zeitgesteuerten Datenrahmen über Glasfasernetzwerke mit Baumtopologie, die keine garantierten Verbindungen mit geringer oder stabiler Latenz bereitstellen können und nicht auf eine größere Anzahl von Benutzern skaliert werden können.

… Wir verwenden Takt- und optische Frequenzsynchronisation, die durch Frequenzkamm- und Signalverarbeitungstechniken ermöglicht wird, um jedem Benutzer eine dedizierte optische Bandbreite bereitzustellen und so eine skalierbare Upstream-Kommunikation zwischen Benutzer und Cloud zu schaffen. Als Machbarkeitsnachweis demonstrieren wir ein Frequenzmultiplexsystem, das bis zu 64 Benutzer mit einer Gesamtbandbreite von 160 GHz bedient und eine Datenrate von bis zu 4,3 Gbit/s pro Benutzer aufweist (240,0 Gbit/s Gesamtkapazität unter Berücksichtigung eines 200-GHz-Wellenlängenbands). mit einer hohen Empfängerempfindlichkeit von –35 dBm.

Konzept des takt- und optisch-frequenzsynchronisierten FDM-Upstreams für zeitkritische Anwendungen. a: Ein dicht beieinander liegender Frequenzkamm mit großer Bandbreite, der an der Edge-Wolke erzeugt wird und sich auf einen Quelltakt innerhalb eines Edge-Rechenzentrums bezieht. b, Gefilterter Frequenzkamm, der von einer Edge-Cloud oder einem optischen Leitungsterminal an die Benutzer gesendet wird. c, Upstream-FDM-Signale; Jede Benutzerwellenlänge ist an einen ausgewählten Ton im verteilten Frequenzkamm gekoppelt und bildet ein optisches Signal mit großer Bandbreite, das von einem einzelnen kohärenten Empfänger erkannt wird. d, Verschiedene WDM-Bänder (z. B. 100–200 GHz Bandbreite) decken verschiedene passive Split-Glasfasernetzwerke ab. Die Farben Blau, Grün und Rot kennzeichnen die verschiedenen WDM-Bänder. e, Beispielhafte zeitkritische Anwendungen, einschließlich kooperativer Verkehrssysteme und VR. Zhou et al.

Das frequenzbezogene Multiplexverfahren könnte mehr als das 20-fache der Kapazität der besten verfügbaren Vollfaser-Breitbandnetze und die 65-fache Geschwindigkeit des typischen aktuellen britischen Heimbreitbandnetzes bieten, zusammen mit einer nahezu garantierten Verbindung und geringer Latenz.

Telekommunikationsnetze sind für das Funktionieren des Internets von entscheidender Bedeutung – sie sind das digitale Äquivalent von Straßen, auf denen die Daten übertragen werden, die uns mit der Cloud verbinden. Die besten Netzwerke verwenden Glasfaserkabel zum Senden und Empfangen von Informationen. Für das neue Vollfaser-Breitband, das in ganz Großbritannien eingeführt wird, ist Zeitmultiplex (TDM) die am häufigsten verwendete Technologie zur Verkehrsverwaltung, bei der die Daten mehrerer Benutzer in einem Signal zusammengefasst werden. Jedem Benutzer werden kurze Zeitfenster zugewiesen, in denen seine Daten in kleinen Blöcken übertragen werden können, bevor die Daten am Zielort wieder zusammengesetzt werden.

Das Hauptproblem bei TDM besteht darin, dass die Daten jedes Benutzers ein Zeitfenster abwarten müssen, bevor sie über die Glasfaser übertragen werden können, so wie Autos warten, bis sie an einer Ampel weiterfahren können. Mit der aktuellen Technologie war dieser Ansatz notwendig, um die Übertragung über die Glasfaser zu koordinieren. Dies schränkt jedoch auch die verfügbare Datenkapazität ein und erhöht die Zeit, die zum Senden von Daten über das Netzwerk benötigt wird.

Die schnellsten im Vereinigten Königreich verfügbaren Breitbanddienste mit Vollglasfaser bieten eine Download-Geschwindigkeit von über einem Gigabit pro Sekunde (Gb/s), normalerweise mit einer viel langsameren Upload-Geschwindigkeit. Mit der Einführung von Glasfaseranschlüssen für Privathaushalte und Unternehmen im ganzen Land hat die Verbreitung von Glasfaserbreitband in den letzten Jahren dramatisch zugenommen. Für die meisten britischen Breitbandnutzer ist der letzte Teil der Leitung, der in ihre Häuser führt, jedoch nach wie vor älteres und langsameres Kupferkabel Verdrahtung.

Folglich betrug die durchschnittliche Breitbandgeschwindigkeit im Vereinigten Königreich im September 2022 nur 65,3 Megabit pro Sekunde (Mbit/s).

Auch die Nachfrage nach schnelleren Geschwindigkeiten und zuverlässigeren Verbindungen ist massiv gestiegen, angefangen mit der Zunahme von Streaming-on-Demand-Unterhaltung bis hin zur zunehmenden Nutzung von Videokonferenzen durch Menschen, die seit der Covid-19-Pandemie von zu Hause aus arbeiten. Bestimmte Anwendungen der Zukunft, wie zum Beispiel fahrerlose Autonetzwerke, werden jedoch noch höhere Geschwindigkeiten und nahezu garantierte Verbindungen erfordern, um sicher und effizient zu funktionieren.

In dieser Studie entwickelten die Forscher des UCL frequenzreferenziertes Multiplexing, um die Latenz- und Bandbreitenbeschränkungen aktueller Ansätze wie TDM zu überwinden.

Sie verwendeten eine optische und Taktfrequenzsynchronisation, die durch Frequenzkamm- und Signalverarbeitungstechniken ermöglicht wurde, um jedem Benutzer einen dedizierten optischen Kanal bereitzustellen. Mit diesem neuen Ansatz verfügt jeder Benutzer über das digitale Äquivalent seiner eigenen Fahrspur, um mit der Cloud zu kommunizieren, ohne an der Ampel warten zu müssen. Als Proof-of-Concept richteten sie ein frequenzreferenziertes Multiplexsystem ein, um bis zu 64 Benutzern Geschwindigkeiten von bis zu 4,3 Gbit/s pro Benutzer (oder einer aggregierten Geschwindigkeit von 240 Gbit/s für alle Benutzer) bereitzustellen.

Die Autoren hoffen, dass frequenzbezogenes Multiplexing eine mehr als 20-fache Kapazität und eine mehr als 65-fache Geschwindigkeit des derzeit üblichen britischen Breitbandnetzes erreichen kann. Da die Benutzerdaten parallel gesendet und empfangen werden, werden die Latenz, der Stromverbrauch und die Kapazitätsprobleme reduziert, die bei anderen Ansätzen auftreten. Dies hat das Potenzial, die Kosten für zukünftiges Vollglasbreitband zu senken und die Netzwerkverfügbarkeit und -geschwindigkeit für jeden Cloud-Benutzer zu erhöhen.

Einige Technologiekommentatoren prognostizieren in nicht allzu ferner Zukunft Netzwerke fahrerloser Autos und Drohnenflotten, die alle aus der Cloud gesteuert werden. Unsere derzeitige Telekommunikationsinfrastruktur ist für solche Fortschritte nicht gerüstet, die garantierte Konnektivität, minimale Latenz, synchronisierte Uhren und erheblich verbesserte Geschwindigkeiten erfordern. Unsere Forschung legt nahe, dass der frequenzreferenzierte Multiplex-Ansatz unsere Glasfaserinfrastruktur aufrüsten kann, um diesen technischen Anforderungen gerecht zu werden.

Kurzfristig hat die Technologie das Potenzial, einen viel besseren Breitbanddienst für zu Hause zu geringen Infrastrukturkosten bereitzustellen.

Ressourcen

Zhou, Z., Wei, J., Luo, Y. et al. (2023) „Kommunikation mit garantierter Bandbreite und geringer Latenz durch frequenzreferenziertes Multiplexing.“ Nat Electron doi: 10.1038/s41928-023-01022-x

Gepostet am 29. August 2023 in Vernetzte Fahrzeuge, Infrastruktur, Markthintergrund | Permalink | Kommentare (0)