Att bryta Metro flaskhalsen

I den så kallade ryggraden i telekommunikationssystemet, de feta rören som strömmar data över kontinenter, är namnet på spelet råhastighet ( ser Bygga en bättre ryggrad , ). Men data som racing genom telekomstommen kan inte uppfylla sitt uppdrag förrän den skjuts genom storstadsslingan, ett komplext nätverk av kablar och switchar som levererar dessa bitar till företag, fabriker, skolor och hem. Det är där som informationsflödet minskar till ett relativt rinn, eftersom tunnelbaneslingan är lika trasslig som rusningstrafik i centrum. Om bredbandsrevolutionen någonsin ska bli verklighet måste storstadsflaskhalsen brytas.

Men det är en stor ordning. Uppgraderingar i tunnelbaneslingan har kommit mycket långsammare än framsteg i ryggraden. Orsakerna sträcker sig från hårdare kostnadsbegränsningar till urban byråkrati till närvaron av en lapptäckande telekominfrastruktur som går tillbaka till 1970- och 80-talen. Men forskning och utveckling som riktar sig specifikt till tunnelbaneslingan driver långsamt en mängd olika lösningar ut från laboratoriet och under gatorna. Och om vi verkligen vill ha bredband, hade dessa korrigeringar fungerat bättre.

Den här historien var en del av vårt juninummer 2001

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Svag länk

För att förstå omfattningen av flaskhalsen, överväg tunnelbanenätets plats i telekomekologin. I ryggraden mäts överföringshastigheterna i biljoner bitar per sekund. På användarsidan körs höghastighetsnät med miljarder bitar per sekund (gigabit). Men tunnelbanesystemen som länkar samman dessa två höghastighetsnätverk tar bara miljontals bitar per sekund (megabit). Det är flaskhalsen, beklagar Steve Schilling, president för accessnätverk på Nortel Networks. Och denna tunnelbaneförträngning är inte bara ett problem för företagen som driver nätverken. Vanligt folk upplever det som upptagna signaler på stamlinjen och låsta webbläsare.

Om du letar efter en skyldig här, ta inte fingeren på telefonbolagen som driver tunnelbaneslingan. De planerade försiktigt (åtminstone, så trodde de) för en stadig tillväxt av röstkommunikation, som på den tiden var deras bröd och smör. Sedan blev de, tillsammans med alla andra, förblindade av nätets explosion. För två till tre år sedan började vi stöta på kapacitetsproblem i stadsområden, säger Stuart Elby, som leder utvecklingen av internetanslutna nätverk på Verizon, telefonbolaget som betjänar New York och New England. Hastigheter på 2,5 gigabit per sekund, tillräckligt för att hantera tung nätgenererad trafik, är vanliga bara i hjärtat av storstäder som New York eller Boston, där Verizon kör fiberoptisk kabel med 48 trådar. Mer typiska metro-loop-hastigheter sträcker sig från 1,5 till 600 eller så megabit per sekund.

Och det finns inget stopp i sikte för den belägrade tunnelbaneverksamheten. Fler och fler applikationer dyker upp när du har mer bandbredd, säger Claude Romans, analytiker på marknadsundersökningsföretaget RHK i South San Francisco. Om digital-tv någonsin kommer igång, till exempel, kan det sluka upp enorma bitar av bandbredd; det tar 1,5 gigabit per sekund att sända en enda högupplöst videokanal i studiokvalitet (även om konsumenterna bara kommer att se en komprimerad version med 20 megabit per sekund). Den typen av dataangrepp kommer att få metroslingan på knä utan betydande tekniska uppgraderingar.

Den nuvarande och framtida avmattningen av överföringen påverkar båda huvudkomponenterna i tunnelbaneslingans nav- och ekerstruktur. Nätverkets åtkomstdel – ekrarna-färjorna signalerar ut till bostadsområden och enskilda kontorsbyggnader. Dessa accesslinjer ansluter till insamlingsringen, som transporterar signaler runt ett storstadsområde, och länkar samman telefonbolagens servicecentraler och andra större trafikcentraler, såsom internetleverantörer och stora universitet.

Teknologiska framsteg hjälper till att lösa upp både insamlingsringen och åtkomstlinjerna. Fiberoptik, som redan dominerar uppsamlingsringen, ersätter mer och mer av den kvarvarande kopparn i tillträdesledningarna som väl i effekt, belägger smutsvägar med slät, modern asfalt. Och ny optisk överföringsteknik stoppar in mer data i de nätverk som redan finns på plats.

Packningsbitar och våglängder

De tyngsta lyften i ett tunnelbanesystem görs vanligtvis av insamlingsringen, som löper hela vägen runt regionen och ger lokal tillgång allt eftersom. För att bryta igenom bandbreddsflaskhalsen här har ingenjörer två grundläggande val: de kan höja bithastigheten på en enda ljusstråle som färdas genom en fiber, eller så kan de multiplicera kapaciteten genom att använda flera våglängder som informationsbärare. I det andra alternativet, känt som våglängdsmultiplexering, bär varje fiber flera ljusstrålar av olika färger - med en annan digital signal kodad i varje stråle. Ju fler våglängder du kan packa in, desto mer information flyttar du. (Dessa färger är faktiskt olika nyanser av infrarött och är osynliga för ögat.)

Båda tillvägagångssätten prövas nu av företagen som driver tunnelbaneslingan. Olika tekniska problem gör det svårt att höja bithastigheten. Men för att uppmuntra den senaste utvecklingen har två ledare för optiska nätverk - Ciena och Nortel Networks - visat en våglängdsöverföring på 40 gigabit per sekund över fiberlängder som är typiska för ett tunnelbanenät. Det är ett stort steg över de 2,5 gigabit per sekund som dagens snabbaste tunnelbanenätverk fungerar med. Att ta denna forskningsprestation från labbet och under gatorna kommer dock att kräva framsteg inom elektroniken som manipulerar signalerna, eftersom standardchips ännu inte fungerar så snabbt.

Gräver in

En tur runt tunnelbanans insamlingsring visar att den är fullproppad med fiber; koppar har nästan förvisats. Men i accesslinjerna i utkanten av nätverket - länkarna som ansluter ringen till hem och företag - existerar fortfarande fiber med sin gammaldags motsvarighet. Fiber kommer längre in i accessnätverket varje dag, men det har en lång väg kvar att gå, säger Brian McFadden, chef för fotoniknätverk på Nortel Networks.

Det är förståeligt. Även om fiber är billigare att använda och stabilare än koppar, har etablerade företag inte råd att riva ut alla sina installerade kablar på en gång. Mängden infrastruktur är enorm; även att byta ut några procent per år är en enorm investering, säger Verizons Elby. Det är därför ett konsortium av tillverkare av telekomutrustning och tjänsteleverantörer driver på för att utveckla evolutionära vägar för att föra fiber allt närmare de hem och kontor som använder nätverket.

Nyckelteknologin i denna utveckling, som kallas ett passivt optiskt nätverk, utökar fiberoptikens räckvidd längre ut i utkanten. För att denna teknik ska fungera måste åtminstone någon fibertjänst redan finnas på plats; men passiv optisk ger fiber till delar av nätverket som nu endast betjänas av koppar.

Så här fungerar passiv optik. En sändare vid en central anläggning genererar en optisk signal med en av två standarddatahastigheter för telefonsystem - 155 eller 622 megabit per sekund. Denna signal är en sammansatt, som innehåller information för så många som 32 användare. En passiv optisk kopplare - som inte kräver någon elektrisk kraft - delar sedan upp denna signal mellan fibrer som länkar direkt till slutanvändare eller till andra förgreningspunkter. Utrustning i slutet av var och en av dessa fibrer sorterar ut signalerna och vidarebefordrar endast de som är avsedda för den lokala användaren. Den centrala sändaren kan omfördela bandbredd mellan kunder nästan omedelbart.

För ett telefonbolag erbjuder passivt optiskt nätverk ett attraktivt sätt att utöka räckvidden för optisk fiber med minimalt krångel. Den passiva designen håller nere hårdvara, drift och installationskostnader. Dessutom hålls den känsliga utrustningen som behövs för att sända, ta emot och omdirigera optiska signaler säker inne i byggnader i ändarna av systemet. Och eftersom det passiva optiska nätverket inte kräver någon elektrisk ström mellan sina ändpunkter, behöver det i allmänhet mindre underhåll än nätverk baserade på aktiva komponenter.

En dark-horse-teknik som nyligen har anslutit sig till metronätverket, kallad Gigabit Ethernet, ökar hastigheten ytterligare. Dessa system använder fibrer för att överföra information i det Ethernet-format som vanligtvis används för kontorsdatornätverk. Deras datahastigheter på en gigabit per sekund lämnar andra access-line-teknologier i dammet. En gigabit är 1 000 megabit; Gigabit-per-sekund-överföring skulle till exempel ta bort hela innehållet på en CD på mindre än en sekund.

I ett Gigabit Ethernet går en enda fiberpipeline till en central kopplingspunkt. Denna Ethernet-aggregator, som den kallas, distribuerar signaler till så många som 200 fibrer. Varje utgångsfiber, som ingångsfibern, kan bära upp till en gigabit per sekund för korta skurar, men den totala utgångshastigheten kan inte överstiga ingången. En aggregatorbox i storleken av en telefonkiosk kan betjäna mer än 200 hem inom en radie på upp till 10 kilometer. Det är långt bortom räckhåll för digitala abonnentlinjer, eller DSL-telefonföretagets tjänst som tillhandahåller bredbandsanslutningar via kopparkabel.

Gigabit Ethernet kan fungera som en billig slutkörning kring telefonbolag för leverans av bredbandsaccess. Det är därför ett Ottawa, Ontario-baserat ideellt konsortium av företag och universitet som heter Canarie, marknadsför tekniken för bredbandsanslutningar till skolor med pengar. I USA, Veradale, har WA-baserade startup World Wide Packets utvecklat sin egen version av tekniken för landsbygdens telekommunikation. Det testar ett system i Ephrata, WA, för Grant County Public Utility District.

Fiberrik kost

Att bara väva in mer fiber i tunnelbanenätet kommer inte att lösa alla problem som dyker upp i stadsområden. Dagens system förlitar sig på en ibland besvärlig blandning av elektronisk och optisk teknik. Små lasrar skickar databärande ljusstrålar in i optiska fibrer. I andra änden träffar ljuset en fotosensor, som omvandlar på och av blixtar till en elektrisk signal som elektroniskt växlar direkt till sin rätta destination. Sådan elektronisk växling fungerar bra vid de blygsamma hastigheter på 2,5 gigabit per sekund som nu är i vanlig tunnelbaneanvändning.

Men börja höja datahastigheten, och elektroniska kretsar har svårt att hålla jämna steg med potentialen hos optiskt nätverk. Lösningen: helt optiska switchar som omdirigerar ljussignaler utan att omvandla dem till elektroner. Ju högre bithastighet, desto större är den helt optiska fördelen. Faktum är att när du kommer till 40 gigabit per sekund, finns det inget alternativ till helt optisk switchning, säger Lawrence Gasman, ordförande för Communications Industry Researchers.

Att komma till ett helt optiskt tunnelbanesystem kommer dock inte att vara enkelt, eftersom det kommer att kräva byggandet av nya nätverk. För etablerade telefonbolag är bördan kanske inte förkrossande, eftersom de flesta befintliga underjordiska stadskablar är gängade genom nedgrävda kanaler, och telefonbolag kan ofta dra ut gamla kablar och dra in nya - som de gjorde när de ersatte koppar med fiberkablar i 1980-talet. Nya företag, å andra sidan, måste bygga helt nya nätverk. Ett sådant företag, Metromedia Fibre Network, planerar att expandera bortom sin New York City-bas och installera nästan sex miljoner kilometer fiber i 67 städer i Nordamerika och Europa år 2004.

Men oavsett om de lägger helt nya nätverk eller försöker modifiera befintliga system för att uppgradera deras prestanda, utför byggarna och operatörerna av tunnelbaneslingorna som knyter ihop de mest koncentrerade populationerna av hem en avgörande uppgift. Stommen och företagsnäten som flankerar tunnelbaneslingan blir snabbare för varje år. Om flaskhalsen för tunnelbanan inte bryts kommer bredband att förbli lite mer än en smart idé som vissa tekniker en gång hade.

Dölj