🔬 optics

389.3-Tb/s 1017-km C-band Transmission over Field-Installed 12-Coupled-Core Fiber Cable with >12-Tb/s Spatial MIMO Channels

تُظهر هذه الورقة البحثية عملية نقل قياسية بلغت 389.3 تيرابت/ثانية عبر 1,017 كم من الألياف ذات الـ 12 نواة مقترنة والمثبتة ميدانياً، محققةً سعة قدرها 0.455 بيتابت/ثانية للنواة المقترنة وأكثر من 12 تيرابت/ثانية لكل قناة MIMO مكانية.

المؤلفون الأصليون: Akira Kawai, Kohki Shibahara, Megumi Hoshi, Masanori Nakamura, Takayuki Kobayashi, Ryota Imada, Takayoshi Mori, Taiji Sakamoto, Yusuke Yamada, Kazuhide Nakajima, Munehiko Nagatani, Hitoshi Wakita, Yut

نُشر 2026-04-02

📖 4 دقيقة قراءة☕ قراءة في استراحة قهوة

CC BY 4.0

المؤلفون الأصليون: Akira Kawai, Kohki Shibahara, Megumi Hoshi, Masanori Nakamura, Takayuki Kobayashi, Ryota Imada, Takayoshi Mori, Taiji Sakamoto, Yusuke Yamada, Kazuhide Nakajima, Munehiko Nagatani, Hitoshi Wakita, Yuta Shiratori, Hiroshi Yamazaki, Hiroyuki Takahashi, Soichi Endo, Takemi Hasegawa, Ryo Nagase, Yutaka Miyamoto

البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل

تخيل الإنترنت كشبكة طرق سريعة ضخمة. لعقود من الزمن، كنا نحاول إضافة المزيد من المسارات إلى هذه الطريق السريعة لنقل المزيد من البيانات (السيارات). عادةً، نقوم فقط بجعل المسارات الموجودة أعرض أو أسرع. لكن هناك حد لمدى عرض المسار الواحد قبل أن يصبح غير مستقر.

يصف هذا البحث طفرة نوعية حيث لم يكتفِ الباحثون بتوسيع المسارات فحسب، بل بنوا طريقاً سريعاً فائق السرعة مكوناً من 12 مساراً داخل أنبوب واحد، ونجحوا في قيادة كمية قياسية من البيانات عبر طريق وعر في العالم الحقيقي.

إليك تفصيل ما قاموا به، باستخدام تشبيهات بسيطة:

1. "النفق ذو الـ 12 مساراً" (كابل الألياف الضوئية)

تخيل كابل الألياف الضوئية القياسي كنفق بمسار واحد. ولحمل المزيد من البيانات، حاول العلماء حشر عدة أنفاق داخل أنبوب واحد قياسي الحجم. وهذا ما يسمى تعدد الإرسال بتقسيم الفضاء (SDM).

التشبيه: تخيل شفاطة (ماصة) واحدة تحتوي في الواقع على 12 شفاطة أصغر بداخلها، وكلها ملتصقة معاً.
اللمسة المميزة: هذه الشفاطات الاثنتا عشرة ليست معزولة؛ بل هي "مترابطة"، مما يعني أن الضوء في إحدى الشفاطات يمكنه التحدث بلطف مع الضوء في جاراتها. هذا يشبه وجود 12 مساراً على طريق سريع حيث يمكن للسيارات تغيير المسارات بسلاسة لتجنب الازدحام المروري. هذا "الترابط" يساعد في الواقع على استقرار الإشارة عبر مسافات طويلة.

2. "اختبار ميداني" (الطريق الحقيقي)

معظم الأرقام القياسية السابقة تم تسجيلها في مختبر—وهو عبارة عن مسار سلس تماماً ومتحكم في مناخه ولا توجد به حفر.

التحدي: أخذ هذا الفريق طريقهم السريع فائق السرعة المكون من 12 مساراً ونصبوه في العالم الحقيقي. استخدموا كابلاً مدفوناً بالفعل تحت الأرض ومعلقاً على أعمدة (أجزاء هوائية).
العقبات: الكابلات الحقيقية تحتوي على "وصلات" (حيث يتم ربط كابلين معاً) و"موصلات" (ح حيث يتم توصيل الكابلات بالمعدات). هذه تشبه مناطق الأشغال أو بوابات تحصيل الرسوم على الطريق السريع. عادةً، تسبب هذه النقاط فقدان البيانات أو تشويشها.
النتيجة: نجحوا في إرسال البيانات عبر 19 من هذه "مناطق الأشغال" على مسافة 1,017 كيلومتراً (حوالي 630 ميلاً).

3. "السيارات فائقة السرعة" (البيانات)

لم يرسلوا مجرد بضع سيارات؛ بل أرسلوا موكباً ضخماً.

السرعة: استخدموا سرعة إشارة بلغت 140 جيجابود (Gbaud). تخيل هذا كأن محرك السيارة يدور بسرعة هائلة.
الحمولة: قاموا بتعبئة البيانات باستخدام تنسيق معقد (PS-QAM) يشبه حاوية شحن عالية الكفاءة، حيث يتم عصر المزيد من المعلومات داخل كل "سيارة".
الحجم:
- عبر مسافة قصيرة (53.5 كم)، نقلوا 455 تيرابت من البيانات. هذا يشبه تحميل كل الأفلام التي صُنعت على الإطلاق في ثوانٍ معدودة.
- عبر المسافة الطويلة (1,017 كم)، لا يزال بإمكانهم نقل 389 تيرابت.

4. "شرطي المرور" (معالج MIMO)

بما أن المسارات الاثني عشر "مترابطة" (أي أن الجيران يتحدثون مع بعضهم البعض)، فإن البيانات تختلط أثناء انتقالها. وبحلول الوقت الذي تصل فيه إلى النهاية، قد تختلط إشارة المسار 1 قليلاً مع المسار 2.

الحل: استخدموا معالج 96x24 MIMO.
التشبيه: تخيل موقف سيارات فوضوياً حيث تصل 12 سيارة، لكن ركابها قد خلطوا أمتعتهم. ينظر شرطي مرور ذكي للغاية (خوارزمية MIMO) إلى الفوضى بأكملها ويقوم فوراً بفرز أي الأمتعة تنتمي لأي سيارة، ويعيد بناء الرسالة الأصلية بشكل مثالي. هذا "السحر الرقمي" سمح لهم بإبقاء المسارات متراصة بإحكام دون أن تصبح البيانات مشوشة.

5. لماذا يهم هذا؟

قبل هذا، كنا نعلم أن ألياف الـ 12 مساراً تعمل في المختبر، لكننا لم نكن نعرف ما إذا كانت ستصمد في تركيبات العالم الحقيقي مع كل ما فيها من نتوءات ووصلات وموصلات.

الحكم النهائي: لقد أثبتوا أن هذا يعمل. كان "شرطي المرور" (المعالجة الحاسوبية) مستقراً بما يكفي للتعامل مع ضجيج العالم الحقيقي.
المستقبل: يمهد هذا الطريق للجيل القادم من الإنترنت. فبدلاً من مد آلاف الكابلات الجديدة (وهو أمر مكلف ومزعج)، يمكننا ترقية البنية التحتية الحالية لحمل سرعات من فئة البيتابت (1,000 تيرابت).

باختاً مختصراً:
لقد أخذوا طريقاً سريعاً للبيانات معقداً مكوناً من 12 مساراً، وقادوه عبر طريق وعر وحقيقي لمسافة 600 ميل، وأثبتوا أنه مع برنامج "التحكم في المرور" المناسب، يمكننا نقل بيانات أكثر من أي وقت مضى دون بناء طرق جديدة. هذه قفزة هائلة نحو مستقبل الإنترنت فائق السرعة عالمياً.

1. بيان المشكلة

تتطلب النمو المتسارع في حركة البيانات أنظمة نقل بصرية ذات سعة فائقة العلو. وتوفر تقنية تعدد الإرسال بتقسيم الفضاء (SDM)، وتحديداً باستخدام الألياف متعددة النوى ذات النوى المترابطة (CC-MCF)، مساراً لزيادة السعة عبر استغلال درجات حرية مكانية متعددة ضمن قطر غلاف قياسي. ومع ذلك، هناك تحديان حرجان أعاقا نشر تقنية CC-MCF في الشبكات الأرضية الواقعية:

التحقق الميداني: كانت تجارب السعة العالية السابقة تقتصر إلى حد كبير على المختبرات. وكان هناك نقص في التحقق من جدوى النقل عالي السعة في الكابلات المثبتة ميدانياً، والتي تتضمن نقاط اتصال عديدة (وصلات وموصلات) وظروفاً بيئية متغيرة.
معالجة الإشارات عالية السرعة: بينما حققت التجارب المختبرية سعات عالية، كانت هناك حاجة لإثبات إرسال MIMO مكاني مترابط بالكامل باستخدام إشارات عريضة النطاق تتجاوز 100 جيجابود (Gbaud) عبر مسافات طويلة (أكثر من 1000 كم).

2. المنهجية والإعداد التجريبي

أجرى المؤلفون تجربة نقل عبر كابل ألياف مكون من 12 نواة مترابطة (12CCF) مثبت ميدانياً.

البنية التحتية للألياف:
- نوع الكابل: كابل ألياف بـ 12 نواة مترابطة بقطر غلاف قياسي، مثبت في بيئة واقعية.
- التركيب: تضمن الكابل مقطعاً هوائياً بطول ~0.2 كم وحوالي 4.1 كم من مقاطع الأنفاق تحت الأرض.
- خط النقل: تم إنشاء مسافة 53.5 كم عن طريق ربط 11 ليفاً داخل الكابل باستخدام وصلات MCF وموصلات MCF بمعيار SC. إجمالي مسافة النقل التي تم اختبارها هو 19 مسافة (1017 كم).
- خصائص الألياف: أظهرت الألياف تشتتاً مكانياً نمطياً (SMD) منخفضاً يقل عن 6 بيكوثانية/كم $^{1/2}$ عبر نطاق C، واستوفت معايير فقد الانحناء G.652.D.
جهاز الإرسال وتوليد الإشارة:
- التعديل: إشارات PS-QAM بنطاق 140 جيجابود (تحديداً PS-36QAM مشتقة من PS-64QAM).
- الأجهزة: تم استخدام مولد موجات اصطناعية (AWG) يعتمد على 4 قنوات و32 جيجاهرتز من تقنية CMOS DAC، بالإضافة إلى مضاعفات عرض النطاق الترددي من نوع InP-DHBT لتحقيق معدل الرمز العالي.
- WDM: تم استخدام 31 قناة طول موجي عبر عرض نطاق 4.65 تيراهرتز (شبكة 150 جيجاهرتز).
- القدرة: قدرة الإدخال هي 20.0 ديسيبل مللي واط لكل نواة (30.8 ديسيبل مللي واط إجمالاً).
الحلقة التدويرية والاستقبال:
- تكوين الحلقة: دخلت الإشارة إلى 12 حلقة تدويرية متوازية مرتبطة بخط النقل عبر أجهزة fan-in/fan-out.
- بنية الاستقبال: تم استخدام تكوين SDM-TDM (تعدد الإرسال بتقسيم الفضاء / تعدد الإرسال بتقسيم الوقت). قام مستقبل متماسك واحد عالي السرعة (70 جيجاهرتز) بمعالجة إشارات الـ 12 نواة المتعددة.
- معالجة الإشارات الرقمية (DSP):
  - شملت المعالجة خارج الخط تعويض التشتت الكروماتي.
  - موازنة MIMO: تم استخدام موازن تكيفي (MIMO) معقد في المجال الترددي بحجم 96×24 (حجم FFT هو 2048) للتعامل مع الترابط المكاني.
  - فك التشفير: تم تطبيق التشفير التكيفي مع تصحيح الخطأ الأمامي (FEC)، حيث تم بناء إطارات FEC عبر جميع القنوات المكانية للتخفيف من تأثير فقد النمط المعتمد على النمط (MDL).

3. المساهمات الرئيسية

أول عرض ميداني: هذا هو أول تقرير لتجارب النقل عبر كابل 12CCF مثبت ميدانياً يحتوي على نقاط وصل ووصلات متعددة.
سعة قياسية في بيئة ميدانية: تم تحقيق سعة صافية قدرها 389.3 تيرابت/ثانية عبر 1017 كم و455.4 تيرابت/ثانية عبر مسافة واحدة (53.5 كم) في بيئة أرضية.
كفاءة طيفية عالية لكل قناة: تم إثبات قنوات MIMO مكانية بمعدلات بت صافية تتجاความ 12 تيرابت/ثانية لكل طول موجي (بمتوسط 12.55 تيرابت/ثانية عبر 19 مسافة).
التحقق من الاستقرار: أثبتت الدراسة أن بارامترات النقل الرئيسية (طول الذاكرة وMDL) تظل مستقرة بمرور الوقت وبالتردد في بيئة ميدانية، حتى مع وجود نقاط اتصال معقدة.

4. النتائج التجريبية

مقاييس السعة:
- مسافة واحدة (53.5 كم): معدل بت صافي قدره 455.4 تيرابت/ثانية (المتاح: 465.8 تيرابت/ثانية). متوسط معدل البت لكل طول موجي: 14.69 تيرابت/ثانية.
- متعدد المسافات (1017 كم، 19 مسافة): معدل بت صافي قدره 389.3 تيرابت/ثانية (المتاح: 409.0 تيرابت/ثانية). متوسط معدل البت لكل طول موجي: 12.55 تيرابت/ثانية.
- سعة النواة المترابطة: تم تحقيق سعة نواة مترابطة قياسية قدرها 0.455 بيتابت/ثانية في بيئة ميدانية.
خصائص النقل:
- طول الذاكرة ( $\tau_m$ ): تم تحديد عرض استجابة النبضة بـ 2.1 نانو ثانية حتى عند 1017 كم، وهو ما يتوافق مع النموذج النظري للنوى المترابطة بقوة ( $\tau_m \propto \sqrt{L}$ ).
- فقد النمط المعتمد على النمط (MDL): تم تقدير جذر متوسط مربع MDL ( $\sigma_{rms}$ ) بـ 0.35 ديسيبل لكل مسافة.
- الاستقرار: أظهرت قياسات لمدة ساعة واحدة عند 428 كم استقراراً عالياً، حيث بلغ متوسط $\tau_m$ نحو 1.34 نانو ثانية ومتوسط $\sigma_{rms}$ نحو 1.98 ديسيبل، مع انحرافات معيارية منخفضة جداً. وهذا يؤكد قوة النظام ضد التقلبات الزمنية.
الانتظام: كان الأداء منتظماً عبر نطاق C بالكامل (191.5–196.5 تيراتهرتز)، مع انحرافات معيارية لـ $\tau_m$ و $\sigma_{rms}$ بلغت 0.07 نانو ثانية و0.12 ديسيبل على التوالي.

5. الأهمية

يمثل هذا العمل علامة فارقة في تسويق تقنية SDM. فمن خلال النجاح في إثبات سعة إجمالية من فئة "تحت البيتابت" وسعة قناة من فئة 10 تيرابت/ثانية عبر كابل مثبت ميدانياً بقطر غلاف قياسي، أثبت المؤلفون جدوى نشر تقنية CC-MCF في الشبكات الأرضية عالية السعة في المستقبل. وتؤكد النتائج أن تحديات عدم خطية الألياف، والتشتت المكاني للنمط، والتشوهات الناجمة عن الوصلات، يمكن إدارتها بفعالية باستخدام معالجة الإشارات الرقمية (MIMO DSP) المتقدمة والأجهزة عالية السرعة، مما يمهد الطريق للجيل القادم من البنية التحتية البصرية.