Четырехуровневая амплитудно-импульсная модуляция (PAM4) в DWDM системах
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 01101100 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. 1.2– Амплитудные состояния и глаз диаграмма NRZ сигнала
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. 1.5– 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 ~80 км, 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 53 км и 31 км соответственно, скоммутированных между собой в кроссе. Карта компенсатора дисперсии с фиксированным значением отрицательной дисперсии (DCM), номинальной длины 60 км 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. 2.2– Узел_A. Бустер
Рис. 2.3– Узел_A. Предусилитель
Рис. 2.4– Узел_A.Транспондер
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 88×482×240 мм | 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).
