De maximale efficiëntie van glasvezel is zeer dicht benaderd in een praktijktest van Nokia Bell Labs, Deutsche Telekom en de TU München. Een recordsnelheid van 1 terabit per seconde (Tbps) is gehaald, dankzij principes van mid vorige eeuw.
De datadoorvoersnelheid van 1 Tbps is mogelijk dankzij een nieuwe manier van lichtmodulatie, genaamd Probabilistic Constellation Shaping (PCS). Deze modulatie van de datadragende lichtsignalen gebeurt dynamisch op basis van de vereisten van het netwerkverkeer en de condities van het transmissiekanaal. Te denken valt aan breedbandige maar fluctuerende 5G-verkeersstromen die via glasvezel uitkomen bij internetknooppunten en uiteindelijk datacenters van service-aanbieders. De dynamische lichtmodulatie levert een hoge efficiency op van het lichtspectrum en daarmee een hoge doorvoersnelheid, maar ook een hoger bereik qua afstand.
Praktijkproeven
Deze nieuwe methode om glasvezel te gebruiken is ontwikkeld door wetenschappers van Nokia Bell Labs, Deutsche Telekom en de Technische Universiteit van München. De drie partners in dit onderzoek naar optische systemen hebben hun methode ook al in de praktijk gebracht. Bij een demonstratie in september hebben zij 1 Tbps gehaald over gewone glasvezelverbindingen.
Dit betrof geen laboratoriumopstelling, maar een ‘real world’ test op een bestaand glasvezelnetwerk van Deutsche Telekom. Bij een eerdere test is 1 Tbps gehaald op een glasvezelconnectie tussen Stuttgart en Darmstadt (wat hemelsbreed bijna 128 kilometer is), meldt ZDnet. Daarnaast is ook 1 Tbps gehaald tussen Stuttgart en Nuremberg (wat hemelsbreed zo’n 157 kilometer is). Verder is er 0,8 Tbps bereikt tussen Stuttgart en Berlijn (wat hemelsbreed zo’n 512 kilometer is).
Afhankelijk van de ruis
De proefopstelling voor de nieuwe PCS-aanpak gebruikt speciale modulatieformaten, zogeheten quadrature amplitude modulation (QAM)-formaten. Hierbij worden op slimme wijze bepaalde signalen met een hogere frequentie verstuurd dan andere signalen. Het onderscheid zit in de gemiddelde storingsgevoeligheid versus de gemiddelde storingsbestendigheid. Eenvoudig gezegd wordt dataverkeer dus opgedeeld in signalen die meer nadruk behoeven en signalen die ‘gewoon’ al goed genoeg doorkomen. Dit in plaats van een algemene transmissie waarbij alle verkeer gelijk wordt behandeld qua doorsturen.
Het gevolg van deze optische doorbraak is dat de overdrachtssnelheid dynamisch valt aan te passen om zo goed mogelijk te passen bij het gebruikte transmissiekanaal. De praktische uitwerking is dat er een 30 procent groter bereik valt te behalen. De in september neergezette datadoorvoersnelheid van 1 Tbps komt volgens de onderzoekers dan ook zeer dicht tegen de zogeheten Shannon-limiet aan, van de Amerikaanse wetenschapper Claude Shannon (1916-2001).
De vader van informatietheorie
De door hem geformuleerde limiet, ook wel de wet van Shannon-Hartley genoemd, geeft de datahoeveelheid aan die zonder fouten over een kanaal verzonden kan worden. De wetmatigheid stelt dat de maximale datahoeveelheid die foutloos valt te transporteren lineair toeneemt met de bandbreedte van het gebruikte kanaal en dat het afhankelijk is van de verhouding tussen het signaal en de ruis (die dus voor fouten zorgt). Shannon heeft zijn wet in 1948 gepubliceerd, toen hij werkte bij de Bell Labs van de toenmalige telecomgigant AT&T.
De PCS-aanpak is volgens professor Gerhard Kramer van de TU München, een directe toepassing van de principes van Shannon. Het laat glasvezelnetwerken data sneller, verder en met ongeëvenaarde flexibiliteit verzenden, aldus de betrokken TU-professor. ‘Informatietheorie is de wiskunde van digitale technologie’, prijst hij Shannons grondwerk van mid vorige eeuw aan. ‘Het is opwindend om te zien dat zijn ideeën nog steeds de industrie en de samenleving transformeren.’
Van Bell naar Nokia
Shannon was wiskundige, elektrisch ingenieur, cryptograaf en wordt gezien als de vader van de moderne digitale wereld. Hij heeft diverse verstrekkende theorieën en wetmatigheden geformuleerd, bij onder meer onderzoeksinstituut MIT en ook het beroemde Bell Labs. Laatstgenoemde is tegenwoordig de onderzoeksafdeling van Nokia, waar het recent is terechtgekomen na een lange voorgeschiedenis.
De Bell Labs zijn ooit opgezet door AT&T, die later zelf is opgesplitst. Daarbij zijn de Bell Labs afgesplitst in het bedrijf Lucent Technologies, dat eind 2006 samenging met de Franse telecomfirma Alcatel. De combinatie Alcatel-Lucent heeft na de fusie aanvankelijk miljardenverliezen geboekt. De vruchten van het samengaan zijn uiteindelijk niet goed geplukt en het bedrijf is in 2015 gekocht door Nokia. Die Finse firma heeft zijn gsm- en smartphonetak verkocht aan Microsoft en is zich daarna meer gaan richten op zijn business in telecomapparatuur.
De Shannon-limiet uitgelegd in een korte video uit 2014 van telecombedrijf Alcatel Lucent, waarvan de befaamde Bell Labs toen de onderzoeksdivisie waren:
