Onderzoekers van de Chalmers University of Technology, Zweden, heeft onlangs een vijfjarig onderzoeksproject afgerond om glasvezelcommunicatiesystemen energiezuiniger te maken. Onder hun voorstellen zijn slimme, foutcorrigerende datachipcircuits die 10 keer minder energie verbruiken. Het project heeft verschillende wetenschappelijke artikelen opgeleverd in publicaties, waaronder: Natuurcommunicatie .

Films en muziek streamen, scrollen door sociale media, en het gebruik van cloudgebaseerde opslagservices zijn nu dagelijkse activiteiten. Maar om aan deze digitale levensstijl tegemoet te komen, moet een enorme hoeveelheid gegevens via glasvezelkabels worden verzonden - en die hoeveelheid neemt met een bijna onvoorstelbare snelheid toe, enorm veel stroom verbruiken. Dit is onhoudbaar - met het huidige groeitempo, zonder energie-efficiëntiewinst, binnen 10 jaar, alleen al het internet zal meer stroom verbruiken dan er momenteel wereldwijd wordt opgewekt. De elektriciteitsproductie kan niet in hetzelfde tempo worden verhoogd zonder het gebruik van fossiele brandstoffen voor de opwekking van elektriciteit enorm te vergroten, wat op zijn beurt leidt tot een aanzienlijke toename van de uitstoot van kooldioxide.

"De uitdaging ligt in het voldoen aan die onvermijdelijke vraag naar capaciteit en prestaties, terwijl de kosten op een redelijk niveau worden gehouden en de milieueffecten worden geminimaliseerd, " zegt Peter Andrekson, hoogleraar fotonica bij de afdeling Microtechnologie en Nanowetenschappen van Chalmers.

Andrekson was de leider van het vijfjarige onderzoeksproject, die aanzienlijke vooruitgang op het gebied heeft bijgedragen. In de beginfase van het project is de Chalmers-onderzoekers identificeerden de grootste energieafvoeren in glasvezelsystemen. Met deze kennis, ze ontwierpen en bouwden een concept voor een datatransmissiesysteem dat zo min mogelijk energie verbruikt. Door de componenten van het systeem ten opzichte van elkaar te optimaliseren, levert dit aanzienlijke energiebesparingen op.

Momenteel, enkele van de meest energie-intensieve componenten zijn datachips voor foutcorrectie, die in optische systemen worden gebruikt om ruis en interferentie te compenseren. De onderzoekers van Chalmers hebben deze datachips nu opnieuw ontworpen met geoptimaliseerde circuits. "Onze metingen tonen aan dat het energieverbruik van onze verfijnde chips ongeveer 10 keer lager is dan die van conventionele foutcorrigerende chips. " zegt Per Larsson-Edefors, professor in computer engineering aan de afdeling Computer Science and Engineering van Chalmers.

Op systeemniveau is de onderzoekers toonden ook de voordelen aan van het gebruik van optische frequentiekammen in plaats van het gebruik van afzonderlijke laserzenders voor elk frequentiekanaal. Een optische frequentiekam zendt tegelijkertijd licht uit op alle golflengten, waardoor de zender zeer frequentiestabiel is. Dit maakt de ontvangst van de signalen veel gemakkelijker - en dus energiezuiniger.

Energiebesparing kan ook worden gerealiseerd door glasvezelcommunicatie op netwerkniveau te regelen. Door het energieverbruik in verschillende netwerkbronnen wiskundig te modelleren, het dataverkeer kan worden gecontroleerd en gestuurd, zodat de middelen optimaal worden gebruikt. Dit is vooral waardevol als het verkeer in de loop van de tijd varieert, zoals het geval is in de meeste netwerken. Voor deze, de onderzoekers ontwikkelden een optimalisatie-algoritme dat het energieverbruik van het netwerk tot 70% kan verminderen.

De onderzoekers zochten naar de meest energiebesparende totaaloplossing die mogelijk was zonder in te boeten aan systeemprestaties. Deze onderzoeksdoorbraken bieden een groot potentieel om het internet van de toekomst aanzienlijk energiezuiniger te maken. Er zijn verschillende wetenschappelijke artikelen gepubliceerd in de drie onderzoeksdisciplines van optische hardware, elektronische systemen en communicatienetwerken.

"Het verbeteren van de energie-efficiëntie van datatransmissie vereist multidisciplinaire competentie. De uitdagingen liggen op de ontmoetingspunten tussen optische hardware, communicatie wetenschap, elektronische techniek en meer. Daarom is dit project zo succesvol geweest, " zegt Erik Agrell, hoogleraar communicatiesystemen aan de afdeling Elektrotechniek van Chalmers.

Het onderzoek zou een enorm potentieel kunnen hebben om internettechnologieën aanzienlijk energiezuiniger te maken. Het heeft geresulteerd in verschillende onderzoekspublicaties binnen de drie wetenschappelijke disciplines van optische hardware, elektronische systemen en communicatienetwerken.