Динамика развития современного общества диктует требования непрерывного роста количества передаваемых данных. Общий объем глобального IP трафика увеличивается ежегодно. По данным, приведенным в отчете Data Age, к 2025 году этот показатель составит 175 ЗБ (Зеттабайт) в год. Перед операторами связи стоит задача комплексной модернизации сети для удовлетворения возрастающих потребностей.

Современные волоконно‑оптические линии передачи имеют колоссальные значения пропускной способности. В первую очередь за счет использования аппаратуры плотного спектрального уплотнения (DWDM), позволяющей объединить десятки каналов для передачи по одному волокну. Помним, что емкость DWDM системы определяется как

где
N — количество каналов;
B — канальная скорость.

Наращивание емкости возможно, как за счет увеличения скорости каждого канала, так и за счет увеличения их количества. Частотный план, определенный стандартом ITU‑T, позволяет уместить в C‑диапазоне до 24 дуплексных каналов при межканальный интервале 100ГГц или до 48 каналов при интервале 50ГГц. Дальнейшее уменьшение межканального интервала приводит усложнению приемопередающего оборудования. В силу малых геометрических размеров сердцевины волокна критическим фактором становится уровень мощности на вводе. Дальнейшее увеличение числа каналов приводит к тому, что отклик световода становится нелинейным. Влияние нелинейных эффектов становится существенным фактором, ограничивающим длину регенерационного участка.

Увеличение канальной скорости, безусловно, является наиболее популярным решением. В этой связи стоит вопрос замещения классических 10G DWDM решений, которые перестают удовлетворять текущим запросам. В 2010 году рабочая группа IEEE утвердила международный стандарт 802.3ba, описывающий 40G/100G Ethernet. Решения 40G DWDM не нашли широкого коммерческого применения. 100G DWDM решения на сегодняшний день активно применяются в телекоммуникациях. В первую очередь речь идет о когерентных CFP/CFP2 трансиверах. Второе решение относительно недавно появилось на рынке. Речь идет о модулях QSFP28 100G DWDM с четырехуровневой амплитудно‑импульсной модуляцией (PAM4). Именно на нем мы остановимся в данной работе.

PAM4 эта одна из разновидностей амплитудной модуляции (AM), в которой сигнал может принимать 4 состояния (рис.1.1). В то время как в форматах RZ/NRZ только 2 состояния (рис.1.2). На рисунках представлена одинаковая последовательность битов 01 101 100 для двух форматов модуляции. При одинаковом периоде следования символов за счет того, что в одном символе кодируется два бита, эффективная скорость передачи будет выше в два раза. Для наглядного представления на рисунке 1.3. изображен граф переходных состояний двух типов модуляции.

При очевидном преимуществе PAM4 модуляции приходится решать и ряд сложностей. Как видно из рисунков 1.1 и 1.2 амплитуда сигнал при четырехуровневом кодировании составляет всего 0.33 амплитуды при двухуровневом кодировании. Высокая плотность уровней сигнального напряжения приводит к тому, что восприимчивость сигнала к шуму заметно снижается. С учетом всех линейных и нелинейных эффектов это дает потерю OSNR примерно в 10–11дБ. Помимо этого, технологическое исполнение трансивера с PAM4 модуляцией сложнее и требует большего количества вспомогательных элементов, поэтому требования к теплоотводу в таких модулях тоже выше.

Наиболее популярным решением сейчас являются модули QSFP28 100G DWDM PAM4 2λ, работающие на двух длинах волн DWDM (рис.1.4). Формируются два независимых канала по 50 Гбит/с, сигнал передается на соседних частотах (рис.1.5). Символьная скорость каждого канала при этом составляет 25Гбод. Это в 2 раза меньше, чем могло бы быть при использовании модуля QSFP28 100G DWDM PAM4 1λ. Сигнал на приемной стороне должен иметь OSNR не ниже 30дБ при мощности -12дБм, допуск по дисперсии составляет около 100пс/нм. Эти условия накладывают ограничение на максимальную дальность передачи. Даже на небольшие расстояния требуется установка перестраиваемого компенсатора (TDCM) с точной компенсацией накопленной хроматической дисперсии и эрбиевых усилителей (EDFA). При соблюдении данных требований обеспечивается достаточная помехоустойчивость сигнала для его широкого применения в ВОЛП.

Резюмируя вышеизложенное, можно выделить основные преимущества и недостатки PAM4.

Преимущества

• Эффективная скорость передачи в 2 раза выше, чем при NRZ/RZ кодировании

• Возможность установки модулей в клиентское оборудование без транспондеров

• Комплексная стоимость решения ниже, чем при использовании когерентных модулей

• Возможность реализации одноволоконной схемы

Недостатки

• Высокие требования к OSNR

• Необходимость высокоточной компенсации хроматической дисперсии

• Высокие требования по теплоотводу

Рассмотрим типовую схему применения 100G QSFP28 PAM4 трансиверов.

Задача. Организовать DWDM систему топологии «точка‑точка» общей емкостью 200G с расширением до 400G по одному волокну. Расстояние ~80км, затухание ~20дБ, оптическое волокно G652.D.

Схема

Решение. Предложенная схема подразумевает использование линейки оборудования BZ‑SH‑DWB и трансиверов QSFP28 100G DWDM PAM4 2λ. Универсальная платформа BZ‑SH‑DWB и широкий выбор карт позволяют реализовать различные сценарии с учетом потребности клиента.

В нашем тестировании в качестве клиентского оборудования выступали коммутаторы Genew GS580–48S8C и Ruijie S6250–48XS8CQ с интерфейсами QSFP28. Трасса представляет собой две лабораторные катушки с оптическим волокном G652.D по 53км и 31км соответственно, скоммутированных между собой в кроссе. Карта компенсатора дисперсии с фиксированным значением отрицательной дисперсии (DCM), номинальной длины 60км установлена перед бустером. TDCM с диапазоном перестройки до -1200пс/нм располагается после предусилителя и выполняет докомпенсацию (рис.2.1). Устройство имеет функцию автоматической подстройки и способно быстро реагировать на изменение дисперсии в линии. Параметры настройки бустера и предусилителя приведены на рисунках 2.2 и 2.3. Усилители могут работать в режиме APC (контроля выходной мощности), AGC (контроля коэффициента усиления) и обладают широким диапазоном регулировки данных параметров. Карта транспондера с двумя клиентскими и двумя линейными интерфейсами позволяет управлять портами и отображает информацию о состоянии сигнала (рис.2.4, рис.2.5). Транспондер обладает функцией выборочной коррекции ошибок (SFEC), статистика BER отображена в графе дополнительной информации. На втором узле идентичная конфигурация оборудования и настройки.

Список оборудования

Заключение

В результате проведенных лабораторных испытаний, предложенная схема успешно прошла тестирование. Потеря пакетов при передаче трафика не наблюдается. На текущий момент оборудование прошло запуск на волоконно‑оптической линии заказчика. В дальнейшем возможно увеличение емкости системы до 400G путем добавления карты транспондера, клиентских и линейных модулей.

За последнее время нашими специалистами успешно запущено более 10 подобных проектов с использованием PAM4 трансиверов на оборудовании Базис Телеком (BZ‑SH‑DWB и BZ‑SH‑DW).