带宽瓶颈正在扼杀互联网

6 月 19 日，数十万美国电视剧《权力的游戏》的粉丝上线观看翘首以盼的一集，并引发了该频道流媒体服务的局部故障。约有 15,000 名客户只能对着黑屏怒吼了一个多小时。

该频道 HBO 道歉并承诺避免再次发生。但这一事件只是一个日益紧迫的问题的特别公开的例子：随着全球互联网流量估计每年增长 22%，对带宽的需求正在迅速超过提供商提供带宽的最佳努力。

尽管自 1990 年代以来取得了巨大进步，当时早期的网络用户不得不使用拨号调制解调器并忍受“全球等待”，但互联网仍然是一个建立在百年历史电话系统之上的全球拼凑网络。最初构成系统核心的铜线已被光纤电缆取代，这些电缆在大型数据中心之间每秒传输数万亿比特。但是本地链路上的服务水平要低得多，并且在用户端，它可能看起来像是电子设备在土路上行驶。

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由此产生的数字交通拥堵威胁要扼杀信息技术革命。当手机通话在繁忙时段变得模糊不清、数据连接在拥挤的会议中心慢如爬行以及视频流在观看高峰时段停顿下来时，消费者已经可以感受到这些限制。互联网公司痛苦地意识到，今天的网络远未为移动高清视频的未来做好准备，自动驾驶汽车、远程手术、远程呈现和交互式 3D 虚拟现实游戏。

这就是为什么他们花费数十亿美元来清除交通拥堵并动态地重建互联网的原因，这一努力被广泛认为对于数字革命至关重要，计算机能力的扩展。谷歌已与 5 家亚洲电信公司合作，在俄勒冈州、日本和台湾之间铺设一条长 11,600 公里、耗资 3 亿美元的光纤电缆，该电缆于 6 月开始投入使用。微软和 Facebook 正在跨大西洋铺设另一条电缆，将于明年开始投入使用。华盛顿特区电信市场研究公司 TeleGeography 的海底电缆专家埃里克·克雷菲尔德特表示：“这些公司正在进行根本性的投资以支持他们的业务。” 这些公司负担不起瓶颈。

铺设新的高速电缆只是改进措施之一。研究人员和工程师也在尝试其他一些修复方法，从加速移动网络到涡轮增压全球中继数据的服务器。

第五代

至少目前，扩展问题的一部分比较容易解决。欧洲和北美许多地区已经布满了“暗光纤”：由过于乐观的投资者在 2000 年最终破裂的互联网泡沫期间铺设的、从未使用的光纤网络。今天，供应商通常可以通过开始使用其中一些暗光纤来满足不断增长的需求。

但是，这种硬线连接无助于大量的手机、健身追踪器、虚拟现实头盔和其他现在上线的设备。来自移动设备的数据流量估计每年增长 53%，其中大部分最终将通过移动电话塔或“基站”，这些基站的覆盖范围已经不确定，并且其带宽必须由数千用户共享。

质量也不稳定。在 1980 年代推出的第一代移动电话网络使用模拟信号，早已不复存在。但是，在 1990 年代初增加了短信等数字服务的第二代 (2G) 网络仍然占非洲和中东地区移动用户量的 75%，并且现在才在其他地方逐步淘汰。截至去年，西欧的大多数手机用户都在 3G 网络上，该网络于 1990 年代末推出，旨在允许更多复杂的数字服务（如互联网访问）。

最先进的商业网络现在使用 4G，该网络于 2000 年代后期推出，为智能手机提供高达每秒 100 兆比特的宽带速度，并且现在正在迅速普及。但行业专家表示，为了满足预计到 2020 年代的需求，无线提供商将不得不开始部署速度至少快 100 倍的第五代 (5G) 技术，最高速度以每秒数百亿比特计。

英国吉尔福德萨里大学通信系统研究所负责人拉希姆·塔法佐利表示，5G 信号还需要比目前可行的范围更广泛地共享。他说：“目标是如何支持每平方公里一百万个设备”——足以容纳蓬勃发展的“物联网”，该物联网将包括联网的家用电器到能源控制和医疗监控系统，以及自动驾驶汽车。

与之前的 3G 和 4G 过渡一样，向 5G 的过渡正在由一个名为第三代合作伙伴计划 (3GPP) 的行业联盟协调。塔法佐利正在与该联盟合作测试一种称为多输入多输出 (MIMO) 的技术，基本上，这是一种使每个无线电频率一次携带多个数据流，而不会让它们混合成乱码的方法。其想法是在发射器和接收器上都放置多个天线，从而创建多个信号离开一个并到达另一个的途径。复杂的信号处理可以区分不同的路径，并从中提取独立的每个数据流。

MIMO 已经用于 Wi-Fi 和 4G 网络。但智能手机的小尺寸目前将每个智能手机限制为不超过四个天线，并且基站上的数量也相同。因此，5G 研究的一个关键目标是在两者上都挤压更多的天线。

大型无线公司已经在实验室和贸易展上展示了天线数量非常多的 MIMO。在 2 月份在西班牙巴塞罗那举行的移动世界大会上，设备制造商爱立信进行了多人大型 MIMO 系统的实时室内演示，使用 512 单元天线在一对终端之间传输每秒 25 吉比特，其中一个终端是固定的，另一个在轨道上移动。该系统已经完成了 100 吉比特 5G 目标的四分之一，并且在 15 吉赫的频率下传输，这是计划用于 5G 的高频段的一部分。日本无线运营商 NTT DoCoMo 正在与爱立信合作测试室外设备，韩国电信正计划在韩国举办 2018 年冬季奥运会时展示 5G 服务。

另一种方法是使设备更具适应性。移动设备可以不使用单一、硬线连接的频率，而是可以使用有时称为认知无线电的技术：一种使用软件将其无线链路切换到当时恰好开放的任何无线电信道的设备。塔法佐利表示，这不仅可以使数据自动在最快的信道中移动，还可以通过寻找绕过故障点的方式来提高网络弹性。而且，他说，通过更换软件而不是更换硬件来升级性能要容易得多。

与此同时，5G 过渡的一个关键政策挑战是找到提供足够带宽和覆盖范围的无线电频谱。国际协议已经将几乎所有可访问的频率分配给特定的用途，例如电视广播、海上导航甚至射电天文学。因此，最终的修改必须等到 2019 年世界无线电通信大会。但是，美国联邦通信委员会 (FCC) 正试图通过向电信公司拍卖 1 吉赫以下的频率来抢占先机。这些低频曾因其比更高的频率更适合穿透墙壁和其他障碍物而被保留用于广播电视（但在电视转向数字化后不再需要），塔法佐利表示，这些低频对于服务人口稀少的地区特别有吸引力：只需要少量基站即可为家庭提供宽带服务，并将数据传输到高速公路上的自动驾驶汽车。

随着 2G 和 3G 技术的逐步淘汰，可以在 1-6 吉赫范围内的其他频段开放以供 5G 使用。但是，人口稠密城市地区的最佳希望是利用 6 吉赫以上的频率，这些频率目前很少使用，因为它们的范围非常短。这将需要在人口稠密城市地区每 200 米部署 5G 基站，这是城市 4G 网络典型间距的五分之一。但是，美国联邦通信委员会认为这个想法很有希望，因此于 7 月 14 日正式批准开放这些频率用于高速、快速响应服务。英国监管机构 Ofcom 正在考虑采取类似的措施。

公司对这些更高的频率特别感兴趣，以此来扩展 5G 技术以用于其他用途。在美国，无线运营商 Verizon 和包括爱立信、思科、英特尔、诺基亚和三星在内的设备制造商联盟已经在新泽西州、马萨诸塞州和德克萨斯州的站点测试了 28 吉赫的传输。该系统使用 5G 技术以每秒 1 吉比特的速度传输数据，Verizon 正在将其用于固定无线家庭连接，并计划明年进行测试。该公司一直在推动固定无线作为有线连接的替代方案，因为连接成本要低得多。

更大的管道

新泽西州伊顿镇的海底电缆制造商 TE SubCom 的首席技术官尼尔·贝加诺说：“当我拿出手机时，每个人都认为它是一种无线通信设备。” 然而，他说这只是故事的一部分：“用户是移动的，但网络不是移动的。” 当有人使用手机时，其无线电信号会在最近的基站转换为光信号，然后光信号必须通过固定的光纤传输到目的地。

这些柔性玻璃数据通道已经成为全球电信网络超过四分之一个世纪的主干。没有任何东西可以匹敌它们的带宽：如今，一根细如发丝的光纤可以每秒跨越大西洋传输10太比特（万亿比特）的数据。这相当于每秒传输25张双层蓝光光盘的数据量，是1988年铺设的第一条跨大西洋光缆容量的3万倍。其中大部分增长来自于工程师们学会了如何通过一根光纤发送100个独立的信号，每个信号都有自己的波长。但是，随着纽约到伦敦等高流量线路上的流量持续增加，这种方法正面临一些硬性限制：光线在数千公里的玻璃中传播时，不可避免地会产生失真和噪声，这使得在单一波长上发送超过每秒100吉比特的数据实际上变得不可能。

为了克服这个限制，制造商开发了一种新型光纤。标准的纤维通过中间9微米宽的超纯玻璃芯发送光线，而新设计则将光线分散到更大的芯区域，降低强度，从而减少噪声。缺点是，新光纤对弯曲和拉伸更敏感，这可能会引入错误。但是，它们在海底电缆中工作得非常好，因为深海提供了一个良性、稳定的环境，对光纤的压力很小。

去年，位于加利福尼亚州桑尼维尔的网络系统公司Infinera通过大面积光纤发送了每秒150吉比特的单波长信号，距离达到7400公里，是标准光纤可能传输距离的3倍多，足以跨越大西洋。他们还传输了距离更短的每秒200吉比特的信号。

目前投入使用的最高容量商用海底电缆是60太比特/秒的FASTER系统，该系统于6月在俄勒冈州和日本之间开通。它在6对大芯光纤中的每根光纤上以100个波长发送每秒100吉比特的信号。但在5月下旬，微软和Facebook联合宣布计划通过MAREA超越它：一条连接弗吉尼亚州和西班牙之间6600公里的大面积光纤电缆。该电缆计划于2017年10月完工，届时将以每秒160太比特的速度连接两家公司位于大西洋两岸的数据中心。

加州大学圣地亚哥分校的一个研究小组去年演示了另一种减少性能限制噪声的方法。光纤系统通常为每个波长使用单独的激光器，但微小的随机变化会产生噪声。相反，该小组使用了一种称为频率梳的技术，从单个激光器生成一系列均匀间隔的波长（E. Temprana et al. Science 348, 1445–1448; 2015）。“它像魔法一样”减少了噪声，该研究小组的成员，电气工程师尼古拉·艾利克说。他说，经过进一步开发，这种方法可以将光纤系统的数据速率提高一倍。

飞行时间

令人印象深刻的带宽很有用，但及时性也很重要。人类的语音对中断非常敏感，四分之一秒的延迟会干扰电话或视频对话。视频需要固定的帧速率，因此当输入队列耗尽时，流媒体视频会停止。为了克服这些问题，FCC规则允许使用特殊的代码，优先传输携带语音通话或视频帧的数据包，使其在互联网中快速均匀地流动。

包括远程机器人、远程手术、云计算和交互式游戏在内的新兴服务也对网络响应能力很敏感。信号在两个终端之间往返所需的时间（通常称为延迟）主要取决于距离，这是一个塑造互联网地理的现实。即使数据以每秒20万公里的速度在光纤电缆中传播，是空气中光速的三分之二，在伦敦敲击键盘的人仍然需要86毫秒才能收到来自8600公里外旧金山数据中心的响应，这种延迟会使云计算变得非常缓慢。

新兴的移动应用需要宽带宽和低延迟。例如，自动驾驶汽车需要关于其周围环境的实时数据，以警告它们前方存在的危险，从坑洼到事故。传统汽车正变成无线神经中枢，需要低延迟来实现“免提”语音控制系统。

一个潜在的巨大挑战是3D虚拟现实系统的出现。交互式3D游戏需要数据以每秒1吉比特的速度传输，是蓝光光盘典型视频馈送速度的20倍。但最关键的是，图像必须以每秒至少90次的频率重写，以跟上用户转头观看动作的速度，普渡大学西拉斐特分校的计算机科学家大卫·惠廷希尔说。如果数据流落后，用户就会感到晕动病。为了防止这种情况发生，惠廷希尔在他的虚拟现实实验室安装了一条特殊的每秒10吉比特的光纤线路。

为了加快响应速度，谷歌、微软、Facebook和亚马逊等大型互联网公司在全球多个服务器场中存储其数据的副本，并将查询路由到最近的服务器场。Infinera的解决方案和技术主管杰夫·贝内特说，缓存在本地数据中心的视频使观看者能够像文件存储在家庭设备上一样快进。但他表示，这些数据中心的激增也是带宽需求的最大驱动因素之一：供应商为同步全球私人数据中心所做的努力现在消耗的带宽比公共互联网流量更多。微软-Facebook电缆正是为此目的而建造的。

到目前为止，大多数数据中心都位于客户和电缆所在地：在北美、欧洲和东亚。“世界许多地区仍然依赖于对未在本地存储的内容进行远程访问，”克赖费尔特说。他说，南美的数据中心很少，因此大部分内容来自布线良好的佛罗里达州迈阿密：智利和巴西之间的流量可能会通过迈阿密路由以节省成本，但会以延迟为代价。中东也面临同样的问题，85%的国际流量必须前往欧洲的中心。克赖费尔特说，这种情况正在改变，但进展缓慢。亚马逊网络服务今年在印度的孟买推出了其第一个云数据中心；自2011年以来，它在巴西的圣保罗就有一个类似的数据中心。

内部通信

带宽在最小的尺度上也至关重要：在数据中心服务器组中的芯片上和芯片之间。扩展这里的流量可以帮助信息在数据中心内更快地移动，并更快地到达用户。由于散热问题，芯片的时钟速度（芯片的运行速度）几年前停留在几吉赫兹。显著加快处理器速度的最实际方法是将它们执行的操作分配给多个“内核”：在同一芯片上并行运行的独立微处理器。这需要在芯片内部进行高速连接，而实现连接的一种方法是使用光，光可以比电子更快地移动数据。

最大的障碍是将微型光学器件与硅电子器件集成。经过多年对“硅光子学”的研究，工程师们尚未找到一种从硅中有效产生光的方法，这是光学信息处理的关键步骤。最好的半导体光源（如磷化铟）可以键合到硅芯片上，但很难直接在硅上生长，因为它们的原子间距不同。光学和电子元件已集成到磷化铟上，但到目前为止，仅限于小规模。

为了将光子集成扩展到商业水平，美国去年在纽约州罗切斯特成立了美国集成光子制造研究所，该研究所获得了联邦机构1.1亿美元和工业界及其他来源5.02亿美元的支持。其目标是开发一种高效的技术，为包括光通信和计算在内的高速应用制造集成光子器件。

另外，一个加拿大资助的团队今年早些时候演示了一种具有21个有源元件的光子集成电路，该电路可以编程以执行3种不同的逻辑功能(W. Liuet al. Nature Photon. 10, 190–195; 2016)。这对于光子微处理器来说是重要的一步，其复杂性可与打开微型计算机大门的第一批可编程电子芯片相媲美。该研究的合著者，加拿大渥太华大学的电气工程师姚建平说：“与目前的电子器件相比，它很简单，但与光子集成电路相比，它相当复杂。”

进一步的开发可能会带来各种应用。例如，姚说，在优化芯片以进行制造之后，它可以将基站接收到的5G智能手机信号转换为模拟光信号，然后通过光纤传输到中央设施，然后再进行数字化处理。

与互联网问题的其他部分一样，对更快芯片的追求是一个艰巨的挑战。但像贝尔加诺这样的研究人员看到了很多改进的潜力。他说，在从事光纤工作35年后，“当我想到未来时，我仍然是一个完全的乐观主义者。”

本文经许可转载，首次发表于2016年8月10日。