インターネットの問題-低帯域幅

インターネットは私たち一人ひとりの一部になりつつあります。 私たちは毎日テルフィンにいます。 制限はありますか？ 「インターネットを制限している帯域幅のボトルネック」という記事の翻訳をお読みください。



世界中の専門家が昼夜を問わずデータ伝送チャネルを稼働状態に維持し、情報革命が枯渇しないように拡張します。









6月19日に、Games of Thronesの新しいシリーズがリリースされました。 米国から数十万人の視聴者がすぐに視聴を開始しました。HBOチャンネルのストリームサービスは負荷に対処できませんでした 。 約15,000人の視聴者が1時間シリーズにアクセスできませんでした。



チャンネルの管理者は、予期しない問題について謝罪し、これが二度と起こらないことを約束しました。 ただし、実際には、このケースは差し迫った問題の最も顕著な症状の1つにすぎません。 インターネットトラフィックの量は毎年22％増加しており、このような需要はインターネットプロバイダーの能力を超える恐れがあります。



長い間モデムを使用していませんが、インターネットが電話網に基づいて作成されたことを忘れてはなりません。 また、銅線の代わりに、巨大なデータセンターを接続して1兆兆ビット/秒を提供する光ファイバーケーブルがありますが、ローカルネットワークセグメントおよび個々のユーザーの規模でのサービスレベルには、多くの要望が残されています。



この問題は、情報技術の開発を遅らせる恐れがあります。 すでに、ユーザーはネットワークの「輻輳」の影響を受けています。大きな負荷があるとモバイルコールが中断され、混雑した場所（展示場など）でワイヤレス接続が遅くなり、視聴者が大量に流入してビデオブロードキャストの品質が低下します。 高解像度ビデオへのモバイルアクセス、 ロボット車 、遠隔手術、テレプレゼンス会議、バーチャルリアリティでのインタラクティブな3Dエンターテインメントを備えた、将来性のあるハイテクの未来が近づいているように見えますが、ネットワークインフラストラクチャは準備ができていません。



ISPは現在、インターネットインフラストラクチャの再構築と輻輳の解消に数十億ドルを投資しています。 情報技術の開発におけるこのプロセスの重要性は、プロセッサーの処理能力の向上と比較できます。 たとえば、Googleはアジアの5つの電気通信会社とともに、太平洋の底に沿って3億ドル、11,600キロメートルの長さの光ファイバートランクラインを敷設し、 オレゴンと日本および台湾を接続しました 。 ワシントンのTeleGeographyの海底ケーブルのスペシャリストであるErik Kreifeldtは、このプロジェクトを「産業の発展に必要な投資」と呼びます。



新しい高速道路の敷設は、インターネットインフラストラクチャを最適化するために講じられた対策の一部にすぎません。 ワイヤレスネットワークの高速化から送信サーバーの能力の向上まで、さまざまな分野で他の調査が進行中です。

5代目

ネットワークインフラストラクチャを拡張する問題に関連するタスクの1つは、非常に簡単に解決されます。 ヨーロッパと北米では、2000年にドットコムバブルが崩壊する前でさえ、楽観的な投資家を犠牲にして、かなりの数の未使用の光ファイバー回線が生き残っています。 プロバイダーは、それらの助けを借りて、有線ネットワークのトラフィックに対する過剰な需要の問題を一時的に解決できるようになります。



ただし、これは、ワイヤレスデバイスのブームによって生じる問題の解決には役立ちません。 モバイルトラフィックは主にセルラー基地局によって処理され、その量は毎年平均53％増加しています-ステーションのカバレッジエリアが最適ではなく、各タワーが数千人のユーザーにサービスを提供しているにもかかわらず。



アナログ信号のみを使用した1980年代の第1世代のセルラーネットワークは過去のものです。 第2世代のネットワークは1990年代初頭に登場し、デジタルサービス（SMSメッセージなど）の可用性によって区別されました。 ごく最近になって、2Gネットワ​​ークをより高度なテクノロジーに置き換え始めました。 アフリカと中東のすべてのネットワークの75％を占めています。 第三世代ネットワークは、モバイルインターネットの使用をサポートし、1990年代後半から存在しています。 現在、西ヨーロッパのほとんどのモバイルデバイスでサポートされています。



第4世代のネットワークは依然として最先端であり、スマートフォンの所有者は1秒あたり最大100 Mbitの速度でモバイルインターネットを使用できます。 このテクノロジーは2000年代後半に利用可能になり、その人気は急速に高まっています。 ただし、2020年代に予想されるモバイルインターネットの需要レベルを満たすには、第5世代のワイヤレスネットワーク（5G）が必要になります。 また、このようなネットワークでは、4Gを数百回、1秒あたり数十Gbpsを超える接続速度を提供する必要があります。



サリー大学ギルフォード校（英国）の通信システム研究所所長のRahim Tafazolliは、5G信号を現在よりもはるかに広く分配し、1平方キロメートルあたり最大100万台のデバイスをカバーすべきだと考えています。 これは、家電から電源管理システム、医療機器、自動運転車まで、あらゆる種類のデバイスを含む「モノのインターネット」を作成するために必要です。







独立した電気通信会社であるThird Generation Partnership Projectは、3Gおよび4Gネットワ​​ークへの移行を調整しており、現在5Gへの移行に取り組んでいます。 Tafazolliはこの作業に参加し、Multiply Input Multiply Output（MIMO）テクノロジーをテストします。 同じ無線周波数で複数のデータストリームを同時に送信できる必要があります。 この場合、送信機と受信機には複数のアンテナが装備され、信号はさまざまな方法で送受信されます。 受信後、データストリームは再び複雑なアルゴリズムを使用して分離されます。



MIMOテクノロジーはすでに4GおよびWi-Fiネットワークで使用されています。 ただし、スマートフォンのサイズが小さいため、4つのアンテナのみを設置でき、同じ量がベースステーションで使用されます。 この問題は、5Gの実装中に解決する必要があります。



多数のアンテナを備えたMIMOの設置はすでにテストされています。 エリクソンは、今年2月にバルセロナ（スペイン）で開催されたMobile World Congress展示会で、512個のエレメントのアンテナを備えたマルチユーザーシステムを導入しました。 固定端末とモバイル端末間のデータ転送速度は、毎秒25ギガビットに達しました。 送信は15 GHzの周波数で実行されましたが、これは5Gネットワ​​ークの高周波範囲に含まれています。 日本の携帯電話事業者であるNTTドコモはエリクソンとシステムのテストを行っており、韓国テレコムは2018年冬季オリンピック中に5G機能の大規模なデモを計画しています。



別のアプローチでは、適応性を高める必要があります。厳密に指定された周波数範囲を使用する代わりに、モバイルデバイスは「コグニティブラジオ」の原理で動作する必要があります。 この場合、現在開いている無線チャネルへのワイヤレス接続のプログラム遷移が発生します。 この方法により、可能な限り最速のルートでデータを自動的に転送できるだけでなく、システムの安定性も向上します。 さらに、ハードウェアではなくソフトウェアを交換する必要がありますが、これははるかに簡単です。



5G展開への道のもう1つの課題は、無線周波数範囲を予約して 、必要なカバレッジとスループットを達成することです。 利用可能な周波数のほとんどは、既存の国際協定によって既に予約されており、放送、ナビゲーション、電波望遠鏡などに使用されています。 この問題は、2019年世界無線通信会議で取り上げられます。 米国連邦通信委員会は現在、1 GHz未満の周波数を電気通信会社に販売しています。 これらの周波数は、より高いものよりも障害物をよりよく透過するため、以前は放送用に予約されていましたが、デジタルテレビに切り替えた後は使用が中止されました。 Tafazolliによると、これらの周波数の使用は、人口密集地域に最適であり、少数の基地局を使用して家や道路に5Gへのアクセスを提供します。



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さらに、2Gおよび3Gネットワ​​ークが5Gに置き換えられるため、1〜6 GHz間隔の帯域を使用することができます。 人口密度の高い都市部に最適なのは、6 GHzを超える周波数です。 それらは小さな信号伝送範囲を提供するため、現時点ではあまり使用されていません。 200メートル間隔で5Gベースステーションを設置する予定です。 これに対して、4Gステーションは通常1 km間隔で設置されます。 ただし、連邦通信委員会は、7月14日からこれらの周波数を高速通信に使用することを既に許可しています。 米国FCCと同じ機能を果たすOfcom British Commissionは、まもなく同様の決定を下そうとしています。



高周波の使用は、5Gテクノロジーを適用する新たな可能性を開くため、通信業界に従事する企業にとって特に興味深いものです。 Verizonは最近、ニュージャージー州、マサチューセッツ州、テキサス州で1秒あたり1ギガビットで28 GHzをテストしました。 実験では、エリクソン、シスコ、インテル、ノキア、サムスンの5G機器を使用しました。 Verizonは、有線に代わる手段として固定ワイヤレス接続を提供する予定ですが、接続をインストールするコストは大幅に削減されます。

ワイドチャンネル

ニュージャージー州イートンタウンの海底ケーブル製造会社TE SubComのテクニカルディレクターであるNeal Berganoは、モバイル通信はコードレスでユーザーはモバイルですが、ネットワーク自体はモバイルではないと述べています。 。 ユーザーが電話を使用してネットワークに接続すると、基地局は無線信号を光信号に変換し、固定光ファイバケーブルを介して送信します。



四半世紀にわたって、光ファイバチャネル上にグローバルな通信ネットワークが構築されてきました。 その帯域幅は比類のないものです。髪の太さの1本のケーブルで毎秒10テラビットのデータ（25二重層ブルーレイの容量）を送信でき、送信機と受信機は大西洋の異なる海岸に立つことができます。 比較のために、1988年に実施された最初の大西洋横断ケーブルのスループットは3万分の1でした。 最新の技術では、一度に1つのファイバーに沿って最大100個の個別の信号を送信できます。各信号には独自の波長があります。 ただし、「光学系」にも限界があります。信号が数千キロメートルのガラスを伝わると、ノイズと歪みが蓄積されます。 単一の信号の上限は、毎秒100ギガビットの速度と見なされます。



標準の光ファイバには、厚さが9マイクロメートルの超高純度ガラスのコアがあります。 幅の広いコアを備えた新しいファイバが開発されました。これにより、信号のノイズによる汚染が少なくなりますが、伸びや曲げの影響を受けやすくなります。 したがって、「幅の広い」ファイバは、長くてまっすぐな線、たとえば安定した環境にあり、外部の影響にさらされていない海底ケーブルに最適です。



昨年、Infineraはカリフォルニア州サニーベールで実験を実施しました。1秒あたり150ギガビットの速度の信号が、幅の広いコアを持つファイバーを通過しました。 信号は7400キロメートルをカバーし、大西洋横断ケーブルに十分です。 また、テスト中、信号は1秒あたり200ギガビットの速度で使用され、より短い距離をカバーしました。



現時点で最速のデータ転送システムは、日本とオレゴンを接続するFASTER海底ケーブルです。 これは、6組の「幅の広い」ファイバーで構成され、それぞれが100ギガビット/秒で通過する100の信号を通過します。 ただし、この記録はまもなく破られます。今年5月、2017年10月にMicrosoftとFacebookが作成した声明によると、MAREAトランクが構築されます。 6,400キロメートルにわたって伸び、スペインとバージニア州にあるこれらの企業のデータセンターを接続します。 合計データ転送速度は160 Tbpsです。



ノイズから信号を保護する別の方法があります。 彼はカリフォルニア大学（サンディエゴ）で実演されました。 通常、光ファイバーシステムは、複数のレーザーエミッターを使用して、異なる波長の信号を生成します。 代わりに、彼らは「周波数コム」技術を使用して作成された単一のエミッタを使用することを提案しました。 同じ間隔で異なる波長の一連の信号を生成します。 このアプローチにより、ファイバーシステムのスループットが2倍になります。

飛行時間

チャネル幅は非常に重要ですが、システム速度が重要です。 人間の音声は中断に非常に敏感であるため、1/4分の予期せぬ一時停止が電話またはビデオによる会話を中断する可能性があります。 ビデオの場合、一定のフレームレートも重要です。 米国FCCでは、ビデオコードとオーディオ通信に関連するトラフィックが迅速かつ均等に送信されるように、ビデオフレームとオーディオフラグメントを伝送するパケットの送信の優先度を上げる特別なコードの使用を許可しました。



信号が1つの端末から別の端末に移動するのにかかる時間は、距離によって異なります。 光ケーブルの信号速度は200,000 km / s（空中の光の速度の3分の2）ですが、たとえばロンドンでコマンドを入力してから、サンフランシスコのデータセンターから応答を受信するまでの遅延は重要なままです。 この場合、86ミリ秒になります。 これにより、クラウドコンピューティング機能が制限されます。 ただし、リモート制御ロボットや外科手術など、遅延に非常に敏感な他の多くの新しいサービスがあります。 ゲームを忘れないでください。



新しいモバイルアプリケーションには、高速システム応答と大きなチャネル幅の両方が必要です。 たとえば、自動運転車の安全な乗車を保証するためには、地形上のデータをリアルタイムで常に受信する必要があります。 「通常の」車には、音声制御システム用の迅速な応答接続も必要です。



また、3次元仮想現実システムについても忘れないでください。 このようなシステムを最適に動作させるには、毎秒1ギガビットのデータ転送速度が必要です。これは、Blu-Rayの通常の読み取り速度の20倍です。 これは、ユーザーの頭の回転に遅れずについていくために、画像を毎秒少なくとも90回再描画する必要があるために必要です。 これが起こらない場合、ユーザーは不快感を感じるかもしれません。 インディアナ州ウェストラファイエットのパデュー大学にあるデイビッド・ウィッティンヒルのバーチャルリアリティラボは、10 Gbの光ファイバー回線を使用しています。



Google、Microsoft、Facebook、Amazonなどの大企業は、世界中に分散しているデータセンターにデータのコピーを保存しています。 各データ要求は最寄りのセンターに送信されます。 InfineraのCTOであるGeoff Bennettによれば、このアプローチにより、視聴者は自分のコンピューターに保存されているかのようにビデオをスクロールできます。 さまざまなデータセンターでのデータコピーの同期中に生成されるトラフィックは、すでにプライベートインターネットユーザーの総トラフィックを超えているため、データセンターの普及により、光ファイバーバックボーンのスループットが向上します。 MAREAケーブルは、同期のために特別に構築されています。



現在、ほとんどのデータセンターは、ユーザーと高速道路が最も集中している場所（北米、ヨーロッパ、東南アジア）にあります。 Kreifeldtによると、世界の多くの地域のユーザーはまだデータセンターにアクセスできず、システムの長い応答に耐えることを余儀なくされています。 南アメリカには独自のセンターがほとんどなく、ほとんどのコンテンツはマイアミ（フロリダ）からダウンロードされます。 ブラジルからチリに移動する荷物もマイアミを通過するため、応答時間が長くなります。 中東の国々にも同じ問題があります。 国際トラフィックの85％はヨーロッパのデータセンターを通過します。 状況は良くなっていますが、非常にゆっくりと起こっています。 昨年、最初のAmazon Web Serviceクラウドストレージセンターがインドのムンバイで開始されました。 サンパウロ（ブラジル）のセンターは2011年から運営されています。

内部コミュニケーション

スループットは、バックボーンレベルだけでなく、各データセンターサーバー内のプロセッサ間の通信レベルでも重要です。 センター内のデータの流れを加速すると、システムの応答が全体的に加速されます。 ただし、プロセッサ自体のクロック周波数の増加は、熱放散の問題により数年前に失速し、数ギガヘルツを超えません。 プロセッサによるデータ処理を高速化する最も実用的な方法は、複数のコア間で高速接続を使用して操作を分割することです。 この場合の光接続は、光の速度が電子の速度を超えるため、より実用的です。ただし、シリコンの微細回路と光学部品の統合は困難です。



シリコンフォトニクスの分野での研究は長い間行われてきましたが、シリコンのマイクロ回路によって効率的に光を生成する方法はまだ見つかっていません。 リン化インジウムなどの優れた半導体光源がありますが、原子格子の構造の違いによりシリコン結晶上に直接成長させることはほとんど不可能です。 したがって、インジウムの光学部品と電子部品の統合は依然として非常に限られています。



ロチェスター（ニューヨーク）にある米国統合フォトニクス生産研究所が昨年開設されました。 すでに連邦機関から1億1000万ドル、民間投資家や企業から5億200万ドルを投資しています。 この研究所は、コンピューター技術と通信のための統合フォトニクスの開発に従事します。



さらに、今年の初めに、3つの異なる論理機能を実行できる21個のアクティブコンポーネントを備えた集積フォトン回路がすでに実証されています。 カナダのエンジニアチームによって開発されました。 これは、フォトニックマイクロプロセッサの開発における重要なステップです。この回路は、マイクロコンピュータの開発が始まった最初のプログラム可能な電子回路の複雑さに匹敵します。 オタワ大学のエンジニアで開発参加者のJianping Yao氏は、この回路は「電子回路に比べて簡単ですが、現在、他の集積フォトニック回路よりもはるかに複雑」であると述べました。



このスキームのさらなる開発は、最大の機会を開く可能性があります。 たとえば、5Gタワーがスマートフォンから受信する信号をアナログ光信号に変換し、それを光ファイバー経由でデータセンターに送信してデジタル化することができます。



インターネットを最適化するために解決する必要がある他の多くのタスクと同様に、より高速なプロセッサを見つけることは難しいタスクです。 しかし、これは解決策を見つけることに忙しい専門家を止めるものではありません。 彼らの多く-例えばベルガノ-は十数年以上業界で働いていますが、同時に楽観的であり、多くの改善の可能性があると考えています。