27.03.2024 17:20
beluf_ka 3 1100 Источник

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

C=N*B

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.

Рис.1.1– Амплитудные состояния и глаз диаграмма PAM4 сигнала
Рис.1.1– Амплитудные состояния и глаз диаграмма PAM4 сигнала
Рис.1.2– Амплитудные состояния и глаз диаграмма NRZ сигнала
Рис.1.2– Амплитудные состояния и глаз диаграмма NRZ сигнала
Рис.1.3– Переходные состояния для форматов PAM4 и NRZ
Рис.1.3– Переходные состояния для форматов PAM4 и NRZ

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.

Рис.1.4– Модуль QSFP28 100G DWDM PAM4 2λ
Рис.1.4– Модуль QSFP28 100G DWDM PAM4 2λ
Рис.1.5– Схема модуля QSFP28 100G DWDM PAM4 2λ
Рис.1.5– Схема модуля QSFP28 100G DWDM PAM4 2λ

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.

Рис.2.1– Узел_A. Перестраиваемый компенсатор дисперсии (TDCM)
Рис.2.1– Узел_A. Перестраиваемый компенсатор дисперсии (TDCM)
Рис.2.2– Узел_A. Бустер
Рис.2.2– Узел_A. Бустер
Рис.2.3– Узел_A. Предусилитель
Рис.2.3– Узел_A. Предусилитель
Рис.2.4– Узел_A.Транспондер
Рис.2.4– Узел_A.Транспондер
Рис.2.5– Узел_A.Транспондер, информация DDM, BER
Рис.2.5– Узел_A.Транспондер, информация DDM, BER

Список оборудования

Модель

Описание

Узел_A

Узел_B

BZ-SH-DWB-8-2U-ST-22

Шасси DWDM систем, 2U, 8 слотов, 1*слот управления, 1*блок вентиляторов 2*БП 220VAC, размер 88×482×240мм

1

1

BZ-DWB-2QS

Карта транспондер, PAM4, 2*QSFP28-клиентских, 2* QSFP28-линейных, 100 Гб/с, 2 слота, совместим.  BZ-SH-DWB

1

1

BZ-SH-DWB-EDFA-B-20

Карта EDFA усилителя DWDM Booster C-диапазон, усиление 20дБ; подстройка уровней выходной мощности/коэффициента усиления, LC/UPC, 1 слот, совм. BZ-SH-DWB)

1

1

BZ-SH-DWB-EDFA-P-20

Карта EDFA усилителя DWDM Preamp C-диапазон, усиление 20дБ; подстройка уровней выходной мощности/коэффициента усиления, LC/UPC, 1 слот, совм. BZ-SH-DWB)

1

1

BZ-SH-DWB-TD-C

Компенсатор хроматической дисперсии перестраиваемый, ±1200пс/нм, LC/UPC,1 слот, совм. BZ-SH-DWB

 1

 1

BZ-SH-DWB-DCM-60

Компенсатор хроматической дисперсии на волокне, -1020±3% пс/нм, LC/UPC, 2 слота, совм. BZ-SH-DWB

 1

 1

BZ-DWDM-2F-8CH-1U-LL-21-2853-60-RB

Мультиплексор/демультиплексор, 2 волокна, 8 каналов, 16 длин волн 1560.61-1554.94нм-LC/UPC, 1535.04-1529.55нм-LC/UPC, COM&EXP-LC/UPC, Red&Blue filter-LC/UPC, 1RackUnit)

 

1

1

BZ-QSFP28-100G-DWDM-PAM4-C21/22-CS

Модуль QSFP28, скорость 100Gb, 192.10/192.20 THz, 1560.61/1559.79 nm, 12dB, 2CS, DDM)

 

1

 

BZ-QSFP28-100G-DWDM-PAM4-C23/24-CS

Модуль QSFP28, скорость 100Gb, 192.30/192.40 THz, 1558.98/1558.17 nm, 12dB, 2CS, DDM)

 

1

 

BZ-QSFP28-100G-DWDM-PAM4-C53/54-CS

 

Модуль QSFP28, скорость 100Gb, 195.30/195.40 THz, 1535.04/1534.25 nm, 12dB, 2CS, DDM)                  

 

1

BZ-QSFP28-100G-DWDM-PAM4-C55/56-CS

 

Модуль QSFP28, скорость 100Gb, 195.50/195.60 THz, 1533.47/1532.68 nm, 12dB, 2CS, DDM)                  

 

1

BZ-QSFP28-100G-SR4-MPO

Модуль QSFP28, скорость 100Gb, 850nm, 100 м, MPO, DDM    

4

4

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).

Комментарии (3)


  1. TPertenava
    27.03.2024 19:43
    #26660339
    +1

    Спасибо за статью, было очень интересно и познавательно. Я не узкий специалист, поэтому извините если какие-то вопросы покажутся странными, вот что было бы очень интересно узнать. Исхожу из того, что я все правильно понял, и передача в обе стороны осуществляется по одному волокну, а не по паре волокон:

    1. Как вы рассчитывали число доступных “дуплексных” каналов? У меня получилось несколько меньше, т.к. R/B фильтры съедают полосу посередине.

    2. В схеме используются дуплексные пассивные мультиплексоры? Если так, наверное было бы понятнее нарисовать два отдельных мультиплексора с каждой стороны (черные трапеции)

    3. Не знал, что есть подстраиваемые DCM компенсаторы, видел только старые катушки с волокном, а потом - их отсутствие при переходе на когерентные транспондеры с программной компенсацией дисперсии. Очень интересно узнать, какое устройство и по какому принципу в этой схеме производит оценку хроматической дисперсии в реальном времени и её подстройку. И зачем её вообще подстраивать в реальном времени, ведь кажется это статичная характеристика линии?

    4. Снова про дисперсию. Оценивалось ли влияние дисперсии, например, на накопление CRC ошибок или preFEC BER. Действительно ли модули настолько чувствительны к дисперсии, как указано в спецификации.

    Буду очень благодарен за ответы и еще раз спасибо за статью.


    1. beluf_ka Автор
      27.03.2024 19:43
      #26664691
      +1

      Добрый день

      1. Имелось ввиду до 24 каналов (100Ггц) при двухволоконной схеме. Для одноволоконной схемы, как рассмотрено в примере, число каналов будет ограничено рабочим диапазоном R&B фильтра. Это 16 дуплексных каналов (100Ггц).

      2. Да, мультиплексоры пассивные 2-fiber. Два устройства в одном корпусе. Привык изображать одним устройством на схеме).

      3. На первоначальном этапе вручную выставляется значение отрицательной дисперсии при которой накопленная дисперсия будет стремиться к нулю на приемной стороне

        TDC Value = 0-L(км)*D(пс/нм*км)
        При условии, что статус всех интерфейсов Normal, а PostFECBER=0.00E+00, можно установитьo Automatic dispersion enable. Далее система будет анализировать PreFECBER и при достижении установленного трешхолда будет пытаться подкорректировать дисперсию

      4. Оценивали в частности по PreFECBER. Действительно, чувствительно реагирует на отклонение по дисперсии. Толерантность к хроматической дисперсии у модуля невысокая


  1. LinkToOS
    27.03.2024 19:43
    #26661141

    Название статьи скорее должно быть типа "Использование PAM4-трансиверов для создания сетей повышенной пропускной способности".