De metro-bottleneck doorbreken

In de zogenaamde ruggengraat van het telecommunicatiesysteem, de dikke buizen die gegevens over continenten stromen, is de naam van het spel rauwe snelheid ( zien Een betere ruggengraat bouwen , ). Maar de data die door de telecom-backbone racen, kan zijn missie pas vervullen als deze door de grootstedelijke lus wordt vervoerd, een complex netwerk van kabels en schakelaars dat die bits levert aan bedrijven, fabrieken, scholen en huizen. Het is daar dat de informatiestroom versmalt tot een relatief straaltje, omdat de metrolus net zo verward is als het spitsverkeer in de binnenstad. Wil de breedbandrevolutie ooit werkelijkheid worden, dan moet het grootstedelijke knelpunt worden doorbroken.

Maar dat is een hele opgave. Upgrades in de metrolus zijn veel langzamer op komst dan vooruitgang in de backbone. De redenen variëren van strengere kostenbeperkingen tot stedelijke bureaucratie tot de aanwezigheid van een lappendeken van telecominfrastructuur die dateert uit de jaren 70 en 80. Maar R&D die specifiek op de metrolus is gericht, duwt langzaam een ​​verscheidenheid aan oplossingen uit het laboratorium en onder de straat. En als we echt breedband willen, kunnen die oplossingen beter werken.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van juni 2001

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

Zwakke schakel

Om de omvang van het knelpunt te begrijpen, overweeg dan de plaats van het metronetwerk in de telecom-ecologie. In de backbone worden transmissiesnelheden gemeten in biljoenen bits per seconde. Aan de kant van de gebruiker draaien hogesnelheidsnetwerken met miljarden bits per seconde (gigabits). Maar de metrosystemen die deze twee hogesnelheidsnetwerken met elkaar verbinden, porren mee met slechts miljoenen bits per seconde (megabits). Dat is het knelpunt, klaagt Steve Schilling, voorzitter van toegangsnetwerken bij Nortel Networks. En deze vernauwing van de metrolus is niet alleen een probleem voor de bedrijven die de netwerken beheren. Gewone mensen ervaren het als bezetsignalen op de trunklijn en vastgelopen webbrowsers.

Als je hier op zoek bent naar een boosdoener, zoek dan niet naar de telefoonbedrijven die de metrolus runnen. Ze planden voorzichtig (althans, zo dachten ze) voor een gestage groei in spraakcommunicatie, wat in die tijd hun brood en boter was. Toen werden zij, samen met alle anderen, overrompeld door de explosie van het Net. Twee tot drie jaar geleden begonnen we capaciteitsproblemen te krijgen in stedelijke gebieden, zegt Stuart Elby, hoofd van de ontwikkeling van op internet aangesloten netwerken bij Verizon, het telefoonbedrijf dat New York en New England bedient. Snelheden van 2,5 gigabit per seconde, genoeg om zwaar internetverkeer te verwerken, zijn alleen gebruikelijk in de harten van grote steden als New York of Boston, waar Verizon een glasvezelkabel met 48 draden heeft. Meer typische metro-loop-snelheden variëren van 1,5 tot 600 megabits per seconde.

En er is geen vertraging in zicht voor de belegerde metro-operaties. Er ontstaan ​​steeds meer toepassingen naarmate je meer bandbreedte hebt, zegt Claude Romans, een analist bij het marktonderzoeksbureau RHK uit South San Francisco. Als digitale televisie bijvoorbeeld ooit van de grond komt, kan het enorme hoeveelheden bandbreedte opslokken; het kost 1,5 gigabit per seconde om een ​​enkel high-definition videokanaal van studiokwaliteit te verzenden (hoewel consumenten alleen een gecomprimeerde versie van 20 megabit per seconde zullen zien). Dat soort data-aanval zal de metrolus op de knieën brengen zonder significante technologische upgrades.

De huidige en toekomstige vertraging van de transmissie treft beide hoofdcomponenten van de hub-and-spoke-structuur van de metrolus. Het toegangsgedeelte van het netwerk - de spaken - zendt signalen uit naar woonwijken en individuele kantoorgebouwen. Deze toegangslijnen sluiten aan op de verzamelring, die signalen door een grootstedelijk gebied transporteert en servicecentra van telefoonmaatschappijen en andere grote verkeerscentra, zoals internetserviceproviders en grote universiteiten, met elkaar verbindt.

Technologische vooruitgang helpt om zowel de verzamelring als de toegangslijnen te ontrafelen. Glasvezel, dat de verzamelring al domineert, vervangt ook steeds meer van het resterende koper in de toegangslijnen, waardoor onverharde paden worden geplaveid met glad, modern asfalt. En nieuwe optische transmissietechnologieën stoppen meer gegevens in de netwerken die al aanwezig zijn.

Verpakkingsbits en golflengten

Het zwaarste tillen in een metrosysteem wordt meestal gedaan door de verzamelring, die helemaal door de regio loopt en lokale toegang biedt. Om hier door het bandbreedteknelpunt heen te breken, hebben ingenieurs twee basiskeuzes: ze kunnen de bitsnelheid verhogen van een enkele lichtstraal die door een vezel gaat, of ze kunnen de capaciteit vermenigvuldigen door verschillende golflengten als informatiedragers te gebruiken. In het tweede alternatief, bekend als multiplexing met golflengteverdeling, draagt ​​elke vezel meerdere lichtbundels van verschillende kleuren - met een ander digitaal signaal dat in elke bundel is gecodeerd. Hoe meer golflengten je kunt inpakken, hoe meer informatie je verplaatst. (Deze kleuren zijn eigenlijk verschillende tinten infrarood en zijn onzichtbaar voor het oog.)

Beide benaderingen worden nu uitgeprobeerd door de bedrijven die de metrolus exploiteren. Verschillende technische problemen maken het moeilijk om de bitsnelheid te verhogen. Maar door recente ontwikkelingen aan te moedigen, hebben twee leiders op het gebied van optische netwerken, Ciena en Nortel Networks, een transmissie met één golflengte van 40 gigabit per seconde aangetoond over glasvezelkabels die typisch zijn voor een metronetwerk. Dat is een grote sprong ten opzichte van de 2,5 gigabit per seconde waarmee de snelste metronetwerken van vandaag werken. Om deze onderzoeksprestatie uit het lab en onder de straat te halen, is echter vooruitgang nodig in de elektronica die de signalen manipuleert, aangezien standaardchips nog niet zo snel werken.

Ingraven

Een rondje door de metro-verzamelring laat zien dat deze vol zit met vezels; koper is bijna verbannen. Maar in de toegangslijnen aan de rand van het netwerk - de schakels die de ring verbinden met woningen en bedrijven - bestaat glasvezel nog steeds naast zijn ouderwetse tegenhanger. Glasvezel komt elke dag verder in het toegangsnetwerk, maar er is nog een lange weg te gaan, zegt Brian McFadden, president van fotonicanetwerken bij Nortel Networks.

Dat is begrijpelijk. Hoewel glasvezel goedkoper is in gebruik en stabieler dan koper, kunnen gevestigde bedrijven het zich niet veroorloven om al hun geïnstalleerde kabels in één keer te verwijderen. De hoeveelheid infrastructuur is enorm; zelfs een paar procent per jaar wisselen is een enorme investering, zegt Elby van Verizon. Daarom dringt een consortium van fabrikanten van telecomapparatuur en serviceproviders aan op het ontwikkelen van evolutionaire routes om glasvezel steeds dichter bij de huizen en kantoren die het netwerk gebruiken te brengen.

De sleuteltechnologie in deze evolutie, een passief optisch netwerk genoemd, breidt het bereik van glasvezel verder uit tot aan de randen. Om deze techniek te laten werken, moet er al een bepaalde glasvezeldienst zijn; maar passief optisch brengt glasvezel naar delen van het netwerk dat nu alleen door koper wordt bediend.

Hier is hoe passief optisch werkt. Een zender in een centrale faciliteit genereert een optisch signaal met een van de twee standaard datasnelheden van het telefoonsysteem - 155 of 622 megabits per seconde. Dit signaal is een composiet, die informatie bevat voor maar liefst 32 gebruikers. Een passieve optische koppelaar - die geen elektrische stroom nodig heeft - verdeelt dit signaal vervolgens over vezels die rechtstreeks verbinding maken met eindgebruikers of andere vertakkingspunten. Apparatuur aan het einde van elk van die vezels sorteert de signalen en geeft alleen die door die bedoeld zijn voor de lokale gebruiker. De centrale zender kan de bandbreedte bijna ogenblikkelijk opnieuw toewijzen aan klanten.

Voor een telefoonmaatschappij biedt passieve optische netwerken een aantrekkelijke manier om het bereik van glasvezel te vergroten met minimale poespas. Het passieve ontwerp houdt de hardware-, bedienings- en installatiekosten laag. Bovendien wordt de gevoelige apparatuur die nodig is voor het verzenden, ontvangen en omleiden van optische signalen veilig bewaard in gebouwen aan de uiteinden van het systeem. En aangezien het passieve optische netwerk geen elektrische stroom nodig heeft tussen zijn eindpunten, heeft het over het algemeen minder onderhoud nodig dan netwerken op basis van actieve componenten.

Een dark-horse-technologie die onlangs is toegevoegd aan het metronetwerk, Gigabit Ethernet genaamd, verhoogt de snelheid nog verder. Deze systemen gebruiken vezels om informatie te verzenden in het Ethernet-formaat dat gewoonlijk wordt gebruikt voor computernetwerken op kantoor. Hun datasnelheden van één gigabit per seconde laten andere toegangslijntechnologieën in het stof achter. Een gigabit is 1.000 megabit; Gigabit-per-seconde transmissie zou bijvoorbeeld de volledige inhoud van een cd in minder dan een seconde wegvagen.

In een Gigabit Ethernet gaat een enkele glasvezelleiding naar een centraal schakelpunt. Deze Ethernet-aggregator, zoals hij wordt genoemd, distribueert signalen naar maar liefst 200 vezels. Elke uitgangsvezel, zoals de ingangsvezel, kan tot één gigabit per seconde dragen voor korte bursts, maar de totale uitgangssnelheid mag de ingangssnelheid niet overschrijden. Een verzamelbox ter grootte van een telefooncel kan meer dan 200 woningen bedienen binnen een straal van maximaal 10 kilometer. Dat is ver buiten het bereik van digitale abonneelijnen, of DSL - de telefoonmaatschappijservice die breedbandverbindingen biedt via koperkabel.

Gigabit Ethernet kan werken als een goedkope end-run rond telefoonbedrijven voor het leveren van breedbandtoegang. Daarom promoot Canarie, een non-profitconsortium van bedrijven en universiteiten uit Ottawa, Ontario, de technologie voor breedbandverbindingen met scholen die krap bij kas zitten. In de Verenigde Staten heeft de in Veradale, WA gevestigde startup World Wide Packets een eigen versie van de technologie voor landelijke telecommunicatie ontwikkeld. Het is een systeem aan het testen in Ephrata, WA, voor het Grant County Public Utility District.

Vezelrijk dieet

Alleen meer glasvezel in het metronetwerk weven, lost niet alle problemen op die zich in stedelijke gebieden voordoen. De systemen van vandaag zijn afhankelijk van een soms onhandige mix van elektronische en optische technologie. Kleine lasers lanceren gegevensdragende lichtstralen in optische vezels. Aan de andere kant valt het licht op een fotosensor, die de aan en uit flitsen omzet in een elektrisch signaal dat elektronisch doorschakelt naar de juiste bestemming. Zo'n elektronische schakeling werkt prima bij de bescheiden snelheden van 2,5 gigabit per seconde die nu in de metro gebruikelijk zijn.

Maar begin de datasnelheid te verhogen, en elektronische schakelingen hebben het moeilijk om het potentieel van optische netwerken bij te houden. De oplossing: volledig optische schakelaars die lichtsignalen omleiden zonder ze in elektronen om te zetten. Hoe hoger de bitsnelheid, hoe groter het volledig optische voordeel. Inderdaad, als je 40 gigabit per seconde haalt, is er geen alternatief voor volledig optische schakeling, zegt Lawrence Gasman, president van Communications Industry Onderzoekers.

Het zal echter niet eenvoudig zijn om tot een volledig optisch metrosysteem te komen, omdat hiervoor nieuwe netwerken moeten worden aangelegd. Voor gevestigde telefoonbedrijven is de last misschien niet te groot, aangezien de meeste bestaande ondergrondse stedelijke kabels door ondergrondse leidingen worden geleid, en telefoonbedrijven kunnen vaak oude kabels uittrekken en nieuwe erin trekken - zoals ze deden bij het vervangen van koper door glasvezelkabels in de jaren 80. Nieuwe bedrijven daarentegen moeten compleet nieuwe netwerken bouwen. Een dergelijk bedrijf, Metromedia Fiber Network, is van plan om tegen 2004 uit te breiden buiten de basis in New York City en bijna zes miljoen kilometer glasvezel te installeren in 67 steden in Noord-Amerika en Europa.

Maar of ze nu geheel nieuwe netwerken aanleggen of bestaande systemen proberen aan te passen om hun prestaties te verbeteren, de bouwers en operators van de metrolussen die de meest geconcentreerde populaties van huizen samenvoegen, voeren een cruciale taak uit. De ruggengraat en de bedrijfsnetwerken die de metrolus flankeren, worden elk jaar sneller. Als het metro-bottleneck niet wordt doorbroken, blijft breedband weinig meer dan een slim idee dat sommige techneuten ooit hadden.

zich verstoppen