Het internet van de toekomst

Specialisten luiden de noodklok. Rond 2020 duurt het downloaden van een film of het ophalen van een mailtje mogelijk veel langer dan nu. Want de limieten van de datatransport zijn in zicht. Wetenschappers werken aan oplossingen voor het internet van de toekomst.

16 mei 2016

Een vrouw zit aan een tafel met een laptop erop. Op haar scherm is een bloem te zien. — Gaat een film downloaden straks supersnel of ontzettend langzaam?
Brian Kerrigan, wikimedia commons

De laatste aflevering van tv-serie Game of Thrones downloaden, een foto van het feestje van gisteravond mailen of videobellen met vrienden. Door dit soort toepassingen stijgt het internetverkeer al jaren fors. Onder meer doordat een toenemend aantal mensen gebruikmaakt van smartphones en tablets. De afgelopen tien jaar nam het dataverkeer jaarlijks toe met ongeveer veertig procent.

“We verwachten dat die stijging zeker doorzet. Steeds meer apparaten in huis worden slim en zijn via een netwerk met elkaar en het internet verbonden. Denk bijvoorbeeld aan de slimme thermostaat, de koelkast en oven. Al die apparaten communiceren met elkaar en wisselen informatie uit. De opkomst van dit zogeheten Internet of Things speelt dus een belangrijke rol. Bovendien maakt in de nabije toekomst ook een toenemend aantal auto’s gebruik van internet, bijvoorbeeld om met elkaar te communiceren of kaarten van een ingebouwd navigatiesysteem te updaten”, zegt onderzoeker Chigo Okonkwo van de TU Eindhoven.

Sleutelrol

Hoe gaan we om met deze data-explosie? In Nederland zit het gelukkig wel snor. Het probleem treedt vooral op bij langeafstandsverbindingen. “De grens is hier nog niet bereikt”, zegt Vincent Sleiffer. Hij is datatransportspecialist en promoveerde aan de TU Eindhoven. “In Nederland liggen al veel glasvezelkabels in de grond en zijn de afstanden vrij kort.”

Hoeveel data we wereldwijd versturen? Het gaat om een onvoorstelbaar getal: zo’n 25 terabyte per seconde (een terabyte is duizend gigabyte). Hoe groot dat wel niet is, wordt duidelijk als je bedenkt dat een speelfilm op dvd zo’n een à twee gigabyte beslaat.

Maar in andere landen moeten wel veel grotere afstanden worden afgelegd. Of denk aan de intercontinentale verbindingen, zoals tussen Europa en de Verenigde Staten. Daar lopen we straks wel tegen de limieten aan, verwachten Okonkwo en Sleiffer. Een van de meest interessante onderzoeken naar nieuwe manieren om data ter versturen via kabels, wordt gedaan aan de TU Eindhoven. Daar lopen ze internationaal voorop op dit gebied.

Verzenders en ontvangers spelen een sleutelrol bij datatransmissie door kabels. Zij versturen en ontvangen heel veel kleine pakketjes met gegevens, bijvoorbeeld delen van een mail, film of website. Al die delen worden later als het ware weer aan elkaar geplakt, zodat een mail leesbaar wordt. In een kabel zit een fiber, een vezel, waarlangs de gegevens worden verstuurd via licht.

Van rijbaan wisselen

Je kunt zo’n verbinding vergelijken met een snelweg, volgens Sleiffer. “De kern van een vezel is dan een rijbaan bij de huidige single mode datatransmissie. Gaan er veel datapakketjes over dezelfde route? Dan raakt op een gegeven moment de capaciteit op en kunnen er geen pakketjes meer over deze route worden verzonden.”

Okonkwo werkt aan een methode om dat tegen te gaan. Hij ontwikkelt een vezel met meerdere kernen, een zogeheten multicore. Hij werkt daarvoor samen met de Universiteit van Central Florida (Verenigde Staten). “We delen een kabel op in meerdere kernen, die we allemaal gebruiken als kanalen om data door te transporteren”, zegt hij. Daardoor heb je niet maar een snelweg, maar plots meerdere naast elkaar. Je kunt met deze techniek tot wel negentien nieuwe snelwegen realiseren. “En dus veel meer data versturen over dezelfde kabel”, aldus Okonkwo.

Ook al zijn er meerdere kernen, de datapakketjes blijven in hun eigen kern. Bij een andere, nieuwe methode is dat ook niet meer nodig. Bij deze zogeheten multimode datatransmissie, hebben de datapakketjes meer bewegingsvrijheid omdat de ‘rijbaan’ veel breder is geworden. “En dan maakt het niet uit in welk kanaal ze terechtkomen”, zegt Okonkwo. Ze mogen dus net als auto’s op de snelweg voortdurend van rijbaan wisselen.

Uitpersen

Daardoor kun je nog veel meer data versturen, zegt Okonkwo. “En het mooie is, dat je de multicore en multimode kunt combineren. Ze vullen elkaar aan. Maar het is dan wel heel belangrijk dat je precies weet om welke datapakketjes het gaat. Ze gaan immers door elkaar heen.”

Vincent Sleiffer bij zijn opstelling om de capaciteit van datatransport te vergroten. — Vincent Sleiffer onderzocht tijdens zijn promotie bij de TU Eindhoven hoe je de capaciteit van datatransport kan vergroten. Dit is een van de opstellingen die hij testte. Meer informatie over zijn specifieke onderzoek vind je in een eerder artikel van Kennislink *Supersnel internet dankzij nieuwe technologie*. Sleiffer werkt momenteel als systeem consultant bij ADVA Optical Networking.
Vincent Sleiffer

Dat vraagt veel van de ontvangers en verzenders, die de gegevens versturen en ontvangen door de kabels. “Omdat het zoveel complexer wordt, moet je deze apparaten aanpassen. Ontvanger en verzenders hebben bijvoorbeeld een nieuwe chip nodig met meer geheugen”, zegt Sleiffer.

Deze software en hardware kunnen nu al toegepast worden, zegt Okonkwo. De nieuwe technieken zijn ook al toepasbaar in de huidige kabels. “We willen daar zo lang mogelijk gebruik van maken en er alles uitpersen”, zegt Okonkwo. “Maar we moeten bij de aanleg van nieuwe kabels natuurlijk ook al rekening houden met deze technologie. Dat is belangrijk, omdat kabels vaak zo’n dertig tot veertig jaar blijven liggen.”

Geen kern

Okonkwo en zijn collega’s boekten al meerdere successen met hun aanpak. Vorig jaar vestigden ze een opvallende prestatie met supersnelle datatransmissie over een vezel. Ze verstuurden daarbij zo snel data dat een film van 1 gigabyte in 0,03 milliseconden werd verstuurd. Die verbinding is zo’n 2550 keer sneller dan de razendsnelle verbindingen die nu te koop zijn.

“Dit zijn allemaal interessante slimmigheden om toch nog meer data via een kabel te versturen. Maar er zijn daarna niet heel veel trucjes meer over”, zegt hoogleraar David Richardson van het Optoelectronics Research Center van de universiteit van Southampton (Engeland). “Ik werk daarom aan een nog radicalere aanpak.”

Richardson ontwikkelt een zogeheten hollow core fiber. Bij de huidige kabels stoot het licht met al die datapakketjes voortdurend tegen de randen van een vezel aan. Al kaatsend komt het bij de ontvanger terecht. “Maar onze vezel heeft helemaal geen kern”, zegt Richardson.

Meer data over langere afstand

Daarvoor is het van groot belang dat de kabel zo wordt gemaakt, dat het licht met de datapakketjes heel precies van a naar b gaat. “Daarvoor zorgt een honingraatstructuur (zie afbeelding – red.) om de lege kern heen”, zegt Richardson. “Door de structuur dikker of smaller te maken bepalen we wat voor licht er doorgaat. Zo stuur je dus als het ware het licht.“Die honingraatjes bepalen welke golflengtes getransporteerd worden. Een hollow core fiber is overigens per definitie een multimode fiber.

Waarom werkt dit in potentie zo goed? De kern bestaat uit lucht en dat geeft het laagste verlies. Daardoor is ook de ontvangst van het signaal veel beter. En is het mogelijk om meer data in hetzelfde kanaal te stoppen. “In potentie verstuur je veel meer data over een veel langere afstand dan met de huidige technologie”, zegt Richardson.

De hoogleraar gebruikt niet voor niets het woord potentie. Er zijn nog flinke hordes te overwinnen voor het zover is. Hierdoor twijfelen sommige wetenschappers of het ooit zover zal komen.

Betrouwbaarheid

In de praktijk zijn de verliezen nu namelijk nog hoger dan verwacht bij de hollow core fiber. Bovendien wordt gebruik gemaakt van heel erg dunne en breekbare glazen delen om de honingraatstructuur te maken. “Het is nog een hele puzzel om deze glazen buisjes zo te maken dat ze het licht heel precies sturen. De betrouwbaarheid is ook heel complex, helemaal als we data over een afstand van honderd kilometer willen versturen”, geeft Richardson aan.

Maar als het lukt, zijn er geweldige mogelijkheden. “De capaciteit neemt dan met een factor 100 toe vergeleken met de huidige single mode fibers”, zegt Richardson. “Bovendien is het mogelijk om over veel langere afstanden data te versturen zonder een signaal te versterken. Er is nog veel werk te verzetten, maar ik twijfel er niet aan dat we over een jaar of tien deze technologie gebruiken. En je daardoor dus veel grote bestanden downloadt en verstuurt.”

Bronnen