Världsrekordet för hur mycket data man kan skicka över en vanlig standardfiber inom ett begränsat våglängdsfönster annonserades under september 2014 och vi tog en tripp till British Telecoms (BT) utvecklingscentrum Adastral Park i Suffolk (ad astra – mot stjärnorna) för att titta närmare på deras försök med att pressa in 3 terabit per sekund i en optisk fiber.

Lite om British Telecom

BT är lite grann som en kombination av Telia och LM Ericsson, som en operatör med stor egen utvecklingsverksamhet och har en ärofull historia att se tillbaka på. 1846 grundades urfadern till BT, The Electric Telegraph Company vilket är världens äldsta telekomföretag, och började bygga upp ett nationellt telegrafnät. 1912 begåvades britterna med ett telekommonopol under The General Post Office, men monopolet upphörde 1981 och BT kunde börja arbeta som ett privatföretag.

Detta ska sättas i historiskt perspektiv. Alexander Graham Bell visade sin nya uppfinning telefonen 1878 och redan 1879 kom de första telefonväxlarna i Storbritannien. Som jämförelse kan nämnas att Telefonaktiebolaget LM Ericsson startades 1876, då som reparationsverkstad för telefoner tillverklade i utlandet. 1878 började LM Ericsson tillverka och sälja egenproducerade telefonapparater. Det var inte direkt några nyuppfinningar, men 1879 började Ericsson ändå sälja både telefoner och växlar till den allra första svenska operatören Stockholms Allmänna Telefonaktiebolag.

Under åren som gått har BT etablerat sig i hela världen och äger ett helt fisknät av optiska förbindelser under alla världens hav. Dessutom äger man datorhallar och forskningscentra i alla världsdelar. Hittills har man mest rört sig i Europa (blått på kartan) men har på senare tid börjar sprida sig till Mellanamerika och Sydostasien (grönt på kartan).

Vad man åstadkommit

Vad BT har gjort är att försöka knuffa in ytterligare data inom ett smalt våglängdsfönster i den vanliga single-mode stamnätsfiber man har lagt över hela England. Försöket ska vara det mest effektiva bandbreddsutnyttjandet till dags dato, strax under 6 bitar per sekund per hertz, och har åstadkommits genom att strunta i Internationella Teleunionens standarddelning mellan våglängderna i optisk fiberöverföring och övergå till Flexgrid.

ITU specificerar en standarddelning på 50 eller 100 gigahertz för att olika tillverkares utrustning ska kunna samverka, men BT har stämt om lasrarna och hamnat på en delning av 33,5 GHz och gjort en platsbesparing på cirka 50 procent. Det betyder inte att man skaffat science fiction-utrustning utan det rör sig fortfarande om apparatur som mycket snart kan hamna i produktion hos Huawei. Eftersom rekordförbindelsen hela tiden kunde övervakas av BTs vanliga driftcentral i Cambridge talar det för att det är en praktiskt framkomlig väg.

För att få perspektiv på 3 Tbps kan man säga att det är detsamma som att överföra 100 okomprimerade HD-filmer per sekund.

Rekordet sattes på en av BTs vanliga stamnätsfibrer mellan Adastral park alldeles utanför Ipswich och det stora distributionstornet BT Tower mitt i London. Man har inte valt ut någon särskilt ”bra” fiber utan bara tagit en, vilken som helst. Signalen var bara uppe i BT Tower och vände, utan ytterligare ingrepp. De orange bollarna på kartan är mindre knutpunkter på vägen.


Bild: BT

Adastral Park är BTs stora utvecklingscentrum i England. Tornet i bilden är radiotornet med radiolänkar och satellitantenner. Centrumet är utrustat ungefär som Ciscos verkstäder i Diegem, 20 minuter utanför Bryssel (http://techworld.idg.se/2.2524/1.157952/solen-gr-aldrig-ned-nr-cisco-lser-problem)


Bild: BT

BTs stora nervcentrum i London kallas BT Tower, före detta Post Office Tower, är ett distributionstorn med ungefär samma funktion som Kaknästornet i Stockholm. Här kommer rekordfibern alltså bara upp och vänder.

Om man extrapolerar den hittills uppnådda kapaciteten i det smala våglängdsband som användes till hela det våglängdsfönster (erbiumfönstret) som tekniken medger, bör man kunna pressa in 25-26 Tbps i en fiber. Nu återstår att se om det även går att pressa detta igenom kablarna till Amerika.

Vad man kommer att inrikta sig på framöver är att studera bruset i kablarna och nyttja tätare modulering, att gå från dagens 16 QAM till kanske 32 QAM och öka kapaciteten ytterligare.

Just nu menar BT att man ligger före användarnas behov genom att installera 40- och 100 Gbps-kanaler, men eftersom trafiken växer med cirka 45% per år måste man hålla jämna steg med tillväxten utan att för den skull behöva byta ut all sin vanliga step-index-fiber.


Bild: BT

Här är journalistgruppen på labbet och får se rekorduppkopplingen igång. Det är Huaweis switchar OptiX OSN 9800 i bakgrunden som gör jobbet. Dem fick vi inte fotografera, men de är egentligen inget konstigt. De kan köpas på Alibaba.com av den som vill leka lite. Bild: BT.

Utrustning

Laserljuset sändes ut från, och togs emot med en vanlig Huawei-switch som man filat lite på kannorna på.

Här är en del av utrustningen som gjorde jobbet, en Huawei OptiX OSN 8800 hopkopplad med en 9800. OSN 9800 klarar hastigheter på över 20 Tbps på bakplanet och kan för närvarande utrustas med fibermoduler på 10-100 Gbps men kommer i framtiden att kunna utrustas med moduler på 400 Gbps till 1 Tbps.

Just när undertecknad besökte labbet var 3 terabit-försöket avklarat, men för vår skull hade man satt upp ett mindre försök med något lägre kapacitet. I våglängdsområdet mellan 1547,32 nm (kanal 24) och 1548.11 nm (kanal 25) hade man pressat in fyra smalare kanaler om 200 Gbps i vad man kallar för en superchannel. 800 Gbps är visserligen inte 3 Tbps, men det utfördes med samma packningstäthet som rekordförsöket och fungerade lika bra.

Här är en skärmbild som visar felstatistiken. Hittills hade 1.138.233.661.891.516 byte, alltså drygt en exabyte skickats över länken utan ett enda överföringsfel. Det hade tagit lite mer än ett dygn.

I ett mera omfattande delförsök hade man byggt ihop en superchannel av 11 kanaler om 200 Gbps på 8 stycken 33 GHz-kanaler och klarat 2,2 Tbps. Rekordförsöket utnyttjade dock 15 lasrar inom ett fönster på 550 GHz och gav 3 Tbps.

Samtidigt transporterade fibern vanlig trafik, utöver experimentet. Så här ser en verklig situation ut, med en 2,5 nanometer bred superchannel inklämd mellan två 100 Gbps-kanaler på 1554,5 och 1558,5 nm, tillsammans med lite verkligt brus.

Besparingar. Bilden visar ett spektrum av en grupp av bärvågor (subkanaler) som bildar en superchannel med sju bärvågor om 200 Gbps modulerade med 16 QAM med den gamla delningen om 50 GHz i blått och den nya delningen om 33,5 GHz i rött. Båda exemplen ger 1,4 Tbps i en enda superchannel, men den nya delningen sparar plats. Inte så att man behöver spara plats för fiberns skull, utan för att vår teknik att fylla fibern med ljus är så begränsad i dagsläget.


Bild: BT

Våglängdsmultiplexering

Allting handlar om användning av flera ljusvåglängder på en optisk fiber, vad man kallar Wavelength Division Multiplexing (WDM), eller våglängdsmultiplexering på svenska.


Bild: Xens CCSA 3.0

Det är som att blinka med fyra ficklampor med olika färg in i samma fiber, och sedan dela upp ljuset i ett prisma i anda änden och se de olika ficklamporna blinka var för sig.

Sändning över vanlig single-mode-fiber har delats in i tre infraröda våglängdsband, S-bandet (1490-1528 nm), C-bandet (1528-1568 nm) och L-bandet (1568-1610 nm), helt enkelt för att fibern fungerar bäst i dessa våglängdsband och industrin har varit duktig på att bygga lasrar och annan transmissionsutrustning som passar bra på just dessa våglängder. Det band som BT riktat in sig på kallas erbiumfönstret, eftersom man kan använda sig av en särskild klass av optiska eneter kallad erbiumdopade fiberförstärkare (erbium doped fiber amplifiers, EDFA) som fungerar bäst på C- och L-banden. EDFA är en typ av optiska förstärkare man har längs fibern, som kan förstärka valfri optisk signal oavsett modulation och med sådana förstärkare på fibern kan man uppgradera nätet enbart genom att byta utrustning i fiberns slutpunkter.

WDM-system kan indelas i olika våglängdsmönster eller bandplaner. Man talar om konventionella system (conventional/coarse, CWDM) och täta system (dense, DWDM). Med CWDM får man in 8 kanaler på C-bandet. Med tät packningstäthet kan man i samma band få in typiskt 40 kanaler med 100 GHz delning eller 80 kanaler med 50 GHz delning.

Den vanligaste kanaldelningen för DWDM runt 1550 nm har fastställts av ITU och kallas ITU-T G.694.1, vilken ser ut så här i praktiskt utförande: http://www.optoplex.com/download/DWDM-ITU.pdf. Bandplanen går från 191,7 THz till 196,1 THz med 100 GHz delning. Eller också kan man uttrycka det hela i våglängder i nanometer i området 1528,77 till 1563,86 nm med en kanaldelning på 0,8 nanometer. I praktiken har bandplanen kunnat utsträckas till att omfatta 186-201 THz och även indelats i 50 och 25 GHz-kanaler.

För att alla tillverkares utrustning för fiberkommunikation ska vara kompatibel är det lämpligt att man håller sig till ITUs bandplan, men den stela bandplanen gör att det blir väldigt mycket gropar mellan bärvågorna som inte kan utnyttjas om man vill prova på olika breda bärvågor (25, 50, 100, 150 GHz). Överger man bandplanen överger man också kompatibiliteten, men kan samtidigt vinna kapacitet genom att fylla ut groparna i spektrum. Denna flexiblare inplanering av bärvågorna kallas Flexgrid, där man tagit till en delning som är något tätare än 12,5 GHz, vilket man brukar kalla Ultra Dense WDM.

Historik och prognoser

Det är måhända allom bekant att kundernas behov av överföringskapacitet ständigt växer exponentiellt. Det är bara för telekomföretagen att hänga med och skapa nya standarder och nya överföringsmetoder för att klara kraven.

Så här har kapaciteterna ökat under åren, inte bara i England utan även annorstädes. På 1970-talet var det magert med fiberoptik och det mesta av teletrafiken gick över kopparnät. 56 kbps känner vi igen som de snabbaste telefonmodemen och 64 kbps som ISDN, medan 155 Mbps känns igen som Plesiochronous Digital Hierarchy, en metod för transmission på optisk fiber som senare ersattes av SDH eller SONET, avsedda att transportera flera PDH-signaler på en gång. Omring år 2000 var SDHs saga om inte all, så åtminstone på nedgång. Modern teknik medger att man pressar in väldigt många våglängder i en och samma fiber, varvid man kan låtsas att man har många individuella fibrer. 70-80 individuella våglängder i samma fiber är inget underligt.

All tillväxt tycks vara exponentiell idag, så även kapacitetsbehovet på all världens optiska fibrer. BT har uppskattat behovet av kapacitet på en enskild fiber i världen till omkring 50 terabit per sekund år 2030. Det är bara att kämpa på med flera väglängder så når man dit också.

BT lägger fiber över hela England och öppnar ständigt nya datacentraler här och var i hela världen. Bild: BT.

Läs mer

BTs officiella dokument: http://www.btplc.com/News/Articles/ShowArticle.cfm?ArticleID=476A9AC1-58A4-44EE-A067-871356A12950
Huawei OSN 9800: http://huawei.com/en/products/transport-network/wdm-otn/osn9800/index.htm
Våglängdsmultiplexering: en.wikipedia.org/wiki/Wavelength-division_multiplexing
Optiska förstärkare är en intressant typ av utrustning: http://en.wikipedia.org/wiki/Optical_amplifier#Erbium-doped_fibre_amplifiers