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Nature:宽带瓶颈限制因特网发展

摘要 : 预计全球网络流量每年增加22%,社会对带宽的需求已经迅速超越供应者的能力所及。

 

预计全球网络流量每年增加22%,社会对带宽的需求已经迅速超越供应者的能力所及。

近日,因电视剧《权力的游戏》的数十万“粉丝”在线观看新一季,触发了HBO的流媒体服务局部故障。1.5万用户对黑屏的电脑大发脾气超过1小时。

HBO表示歉意,并承诺不会再出现该问题。但事件只是日益凸显的公共问题之一:预计全球网络流量每年增加22%,社会对带宽的需求已经迅速超越供应者的能力所及。

尽管上世纪90年代至今,网络宽带已经取得长足进步,但互联网仍是建筑在100年前的电话系统之上的全球拼接物。虽然铜线已被能快速传输海量数据的光缆取代,但本地连接的服务水平很低,用起来就像在泥土路上开车。

结果导致的数字拥堵限制了信息技术革命的发展,而且消费者也已感受到这些限制。网络供应商也清楚地知道,目前的因特网并未为将来的高质量视频、自动驾驶汽车、远程手术和交互式3D等作好准备。

这也是人们花费数十亿美元疏通拥堵和重建互联网的原因,这一努力被认为对扩展计算机能力的数字革命十分重要。谷歌公司与5个亚洲电讯公司合作铺设了一条1.16万公里、耗资3亿美元的纤维光缆,连接了美国俄勒冈州、日本和中国台湾地区,该项目于6月开始提供服务。微软和脸书也在铺设另一条横跨大西洋两岸的光缆,明年将正式使用。

“这些公司正在为支持其业务进行基础设施投入。”美国电信市场调研公司电信地理海底电缆专家Erik Kreifeldt说,但它们无法突破瓶颈。

铺设新的高速电缆只是改进方法之一。研究人员和工程师还在尝试其他改善措施,例如加速移动网络、涡轮增压服务器等。

第五代技术

不过,至少暂时而言,宽带扩展的部分问题相对容易解决。欧洲和北美洲的一些地区已经架设了“直驳光纤”。现在,供应商可以通过启用部分“直驳光纤”满足用户需求。

但这种硬连接无法帮助移动电话、健身追踪器和虚拟耳机等移动在线设备用户。移动设备的数据通讯每年约增加53%,而质量参差不齐。目前,最先进的商业移动通讯网络是4G。该网络能为移动电话提供每秒100兆的宽带速度。但产业专家认为,到2020年,为了满足需求。无线网络提供者必须开始研发第五代技术(5G)。

但5G至少要比4G快100倍。而且,英国萨里大学通讯系统研究所所长Rahim Tafazolli表示,5G还应更易普及。“目标是如何在1平方公里的范围内支持100万台设备。”

而向5G的过渡主要由一个名为3GPP的行业联盟协调进行。Tafazolli正在为该联盟测试一个“多重输入、多路输出”的技术(MIMO)。该技术可利用多天线多用户空分技术成倍提升频谱效率,帮助运营商最大限度利用已有资源。5G阶段还将有全新的空中接口和网络架构。

另一个方法是让设备更具适应性。与单一的硬连接设备设置的频率不同,移动设备有时能“认知无线电”:使用软件切换无线网络连接。Tafazolli表示,这不仅保证数据自动通过最快通道,也能提高网络的回复力。而且,他指出,新技术能通过更换软件而非硬件,更容易地提高性能。

更大通道

“当我拿出手机时,所有人都认为这是一个无线通讯设备。”美国海底电缆供应商TE SubCom 公司首席技术官Neal Bergano说。但用户是移动的,网络却不能移动。当使用手机时,其无线电信号在最近的基站转变为光信号,然后通过固定的光缆到达目的地。

20多年来,这些柔韧的数据通道是全球远程通讯网络的主干。没有东西能匹配它们的带宽:现在,细如毛发的纤维每秒能将10兆兆位数据送过大西洋。这相当于1988年铺设的第一条大西洋电缆能力的3万倍。

此类传输能力的提升源于工程师了解如何将100个独立的信号以其自身的波长送过一根电缆。但随着数据传输需求的提升,这种方法遭遇硬限制:变形和噪音。

为了克服障碍,制造商开发出了新型光纤。该光纤能在更大的核心区域以更低的强度传输光线,以减少噪音。但有得必有失,新光纤对弯曲和拉伸更敏感,这有可能会产生错误。但它们更适用于充当海底电缆,因为深海能提供一个良性的稳定环境,避免光纤受到拉力。

去年,美国网络系统公司英飞朗发射单波长信号,以150吉比特每秒的速度穿越7400公里的大面积光纤。它们还在一个更短的距离上实现了200吉比特每秒的信号传输速度。

目前,传输功率最大的商业海底电缆是每秒60兆兆位的FASTER系统。该系统今年6月份开通,横贯了美国俄勒冈州和日本。但5月,Facebook和微软宣布,将共同铺设一条横贯大西洋的最高容量海底网络电缆。根据计划,这个名为“MAREA”的网络电缆将从美国弗吉尼亚北部一直连接到西班牙的毕尔巴鄂,带宽将达到每秒160太比特。

事实上,投资海底网络电缆并非新趋势。多年来,科技公司一直在大规模地投资全球网络基础设施,从服务器群组和数据中心,到之后的大规模水下网络运营设施等。

此外,美国加州大学圣迭戈分校研究人员展示了另一个减少性能限制噪音的方法。光导纤维系统通常针对每个波长使用单独的激光,但微小的无规则变化能产生噪音。该研究组使用了一种名为频率梳的技术,形成一连串来自单一激光的一致的空间波长。“它能对噪音药到病除。”研究组成员、电气工程师Nikola Alic说。未来,该研究还有望加倍光导纤维系统数据传输效率。

飞行时间

虽然带宽十分有用,但灵敏也很重要。人类速度对中断十分敏感,1/4秒的延迟就能扰乱一场电话或视频会议。视频需要一个固定的帧频,因此,当输入数据干涸后,视频流就会卡住。为了解决此类问题,美国联邦通信委员会(FCC)规则允许特种代码,给予携带声音和视频帧的数据包提供优先权,以便这些数据快速一致地流过互联网。

包括遥控机器人、远程手术、云计算和交互式游戏在内的新兴服务,也对互联网的响应时间十分敏感。信号往返两个终端的时间,通常被称为延迟期,并在很大程度上取决于距离。即便数据以20万公里/秒的速度穿越纤维光缆,身在英国伦敦的一个人轻敲一下键盘,位于8600公里外的美国旧金山的数据中心将需要86毫秒的反应时间,而这个延迟会使云计算蹒跚而行。

而移动应用不仅需要宽频带,还需要低延时。例如,自动驾驶汽车需要环境实时数据,以帮助它们规避风险。

实际上,在更小的范围上也非常重要:数据中心的银行服务器芯片。增加流量有助于数据在数据中心里更快速流动,并更快地到达用户手中。而加速处理器的最重要方式是分开执行多重核心间的操作——在同一芯片上的各个独立微处理器之间。

这里最大的障碍是整合微尺度光学器件和硅光子学。在研究了硅光子学数年后,研究人员已经找到能利用硅有效形成光的方法,这是光学信息处理的关键一步。磷化铟等最好的半导体光源,能被结合进硅芯片中,但由于其原子位置的差异,很难直接在硅中发育出来。

无论如何,未来发展将促使出现多样应用,而对更快芯片的追求,将是一个令人却步的挑战。但在光纤领域工作了35年的Bergano表示,“我对未来依然乐观”。

原文链接:

The bandwidth bottleneck that is throttling the Internet

原文摘要:

On 19 June, several hundred thousand US fans of the television drama Game of Thrones went online to watch an eagerly awaited episode — and triggered a partial failure in the channel's streaming service. Some 15,000 customers were left to rage at blank screens for more than an hour.

来源: Nature 浏览次数:0

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