سيؤدي استهلاك الروابط البصرية المتماسكة إلى نمو انفجار في السنوات القليلة المقبلة. وضعت هذه التطبيقات الجديدة أيضًا متطلبات جديدة لنظام الإرسال والاستقبال البصري المتماسك ، والذي يعزز تطور وحدات الإرسال والاستقبال المتماسكة من التكامل الأصلي مع بطاقات الخط وأجهزة الإرسال والاستقبال MSA إلى أجهزة إرسال واستقبال بصرية مستقلة وموحدة قابلة للتوصيل. تناقش هذه المقالة اتجاه التطوير لأجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية المتماسكة القابلة للتوصيل وتقارن وتحلل معايير 400G المتماسكة.
تطوير أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية المتماسكة القابلة للتوصيل
بالمقارنة مع أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية الخاصة بالعميل المستخدمة في MAN أو مركز البيانات ، فإن وحدة الإرسال والاستقبال البصري المتماسكة المستخدمة في شبكة النقل البصري عادة ما تكون مدمجة أو مدمجة على اللوحة المفردة على جانب الخط ، مع عيوب انخفاض كثافة المنفذ ، والقدرة الكبيرة الحجم الاستهلاك ، والتصميم غير القياسي ، وما إلى ذلك. لفترة طويلة ، كان مشغلو الشبكات يأملون أن يكون لجهاز الإرسال والاستقبال البصري نفس عامل الشكل أو عامل شكل مماثل لأجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية للعميل. في السنوات الأخيرة ، كانت رقائق DSP المتقدمة بتقنية CMOS والتكنولوجيا الضوئية المتكاملة تتقدم ، مما يجعل أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية ذات الحزمة المتماسكة القابلة للتوصيل ذات الحجم الأصغر واستهلاك أقل للطاقة ممكنة.
بعد سنوات من التطوير ، أصبحت أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية المعيارية والقابلة للتوصيل خيارًا لا بد منه لنقل الخدمة على جانب خط الاتصال البصري. يتميز اتجاه تطوير أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية المتماسكة المستخدمة في شبكات الإنسان والعمود الفقري بالخصائص التالية:
-سرعة عالية: تتطور من 100G / 200G إلى 400G ، ثم إلى معدل 800Gbps ؛
- تصغير: التبديل من عامل الشكل 100G MSA إلى CFP / CFP2DCO / ACO ، معايير التغليف الحالية هي 400G OSFP DCO ، QSFP-DD DCO ، وما إلى ذلك (كما هو موضح في الشكل 1) ؛
-انخفاض استهلاك الطاقة: بالنظر إلى متطلبات استهلاك طاقة النظام الإجمالية ، على سبيل المثال ، لا يزيد استهلاك الطاقة لأجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية المتماسكة في عامل الشكل QSFP-DD عن 15 واط ؛
- توحيد الربط البيني: تقليديا ، يستخدم مصنعو المعدات لوحات الواجهة المخصصة الخاصة بهم ، ويستخدمون طرق تعديل عالية الجودة وخوارزميات FEC. لا تستطيع واجهات الشركات المصنعة المختلفة التواصل مع بعضها البعض. لذلك ، فإن الترابط بين أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية المتماسكة هو الاتجاه الذي تعمل عليه الصناعة.
الشكل 1 أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية المتماسكة القابلة للتوصيل في ثلاث حزم قياسية (QSFP-DD و OSFP و CFP2-DCO)
200G CFP2-DCO و 400G QSFP-DD ZR هي أكثر أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية المتماسكة شيوعًا في Fibermall.
-ميزات 200G CFP2-DCO هي كما يلي:
متوفر في عامل شكل CFP2 قابل للتوصيل على الساخن
ليزر عرض خط ضيق للغاية قابل للضبط كامل النطاق على شكل C
مسافة الإرسال تصل إلى 80 كم / 500 كم من خلال ألياف أحادية الوضع
باستخدام تعديل DP-QPSK
منافذ بصرية مزدوجة LC
تتراوح درجة حرارة التشغيل التجاري من 0 إلى 70 درجة مئوية
جهد إمداد الطاقة 3.3 فولت
متوافق مع RoHS (خالي من الرصاص)
-400 جرام QSFP-DD ZR:
مثالية لـ Edge DCI
متوافق مع منتدى عمل الإنترنت المفتوح (OIF)
يدعم معدلات بيانات 400 جيجا
يوفر مدى يصل إلى 120 كم من نقطة إلى نقطة
مع تطوير خدمات الإنترنت ، وبناء البنية التحتية السحابية ، والحاجة إلى الحوسبة الذكية ، والاتصالات ، ومشغلي مراكز البيانات قد وضعوا متطلبات واضحة للتشغيل البيني لأجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية من مختلف الشركات المصنعة.
فيما يتعلق بمعايير FEC ، هناك أنواع مختلفة مثل GFEC و SCFEC و RS10 و CFEC و oFEC و SD-FEC وما إلى ذلك ، والتي تتوافق مع معدلات ومعايير مختلفة ، والتي يمكن تقسيمها بشكل عام إلى ثلاثة أجيال: الجيل الأول هو كتلة الكود ، ومتطلب الكسب هو 6 ديسيبل ، والنفقات العامة - 6.7 ٪ ؛ الجيل الثاني عبارة عن تكرار تشذير متتالي ، بمتطلب اكتساب قدره 8 ديسيبل ونفقات علوية بنسبة 6.7٪ ؛ الجيل الثالث عبارة عن SD-FEC ذو قرار ناعم ، مع متطلبات كسب تبلغ 11 ديسيبل ونفقات عامة تزيد عن 25 ٪ ، باستخدام رمز منتج Turbo (TPC) وخوارزمية التحقق من رمز التحقق من التكافؤ منخفض الكثافة (LDPC) ، والجديد لم يُصدر توليد FEC استنادًا إلى تشكيل احتمالية الكوكبة معيارًا بعد.
من حيث خوارزمية DSP ، بأخذ 400ZR كمثال ، يتم توحيد تنسيق الإطار ، والتشفير غير التفاضلي ، وعلامات الضبط ، وقواعد تعيين الرموز ، وتسلسلات التدريب ، والرموز التجريبية ، وغيرها من المعلومات الضرورية للاتصال البيني. فيما يتعلق بمعايير MIS ، هناك بالفعل أنواع قياسية مختلفة مثل CFP MIS و C-CMIS و CMIS. لطالما كانت منتجات أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية المتماسكة من ZTE في المستوى الرائد في الصناعة. لقد أطلقت على التوالي أجهزة إرسال واستقبال MSA 100G / 200G / 400G / 600G مطورة ذاتيًا وأخذت زمام المبادرة في الصناعة لإطلاق 100G CFP ، 200G / 400G DCFP2 سلسلة من أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية القابلة للتوصيل ، DCFP2 / QSFP-DD وغيرها من أجهزة الإرسال والاستقبال المتكاملة للغاية باستخدام ذاتي - يتم تطوير الرقائق الضوئية والكهربائية بشكل تدريجي.
تحليل مقارن لمعايير 400G المتماسكة
تم تطوير التكنولوجيا التجارية المتماسكة الحالية إلى الطول الموجي الأحادي 800 جيجا ، ولكن في الوقت الحالي ، 800 جيجا ليس لها معايير ذات صلة في الصناعة ، في حين أن التكنولوجيا المتماسكة 400 جيجا لها ثلاثة معايير: 400ZR ، OpenROADM ، و OpenZR +.
400ZR هو مشروع بدأه منتدى عمل الإنترنت البصري (OIF) في عام 2016 لتوحيد واجهة جهاز إرسال واستقبال بصري متماسك قابل للتشغيل البيني بميزانية طاقة يمكن أن تدعم عوامل الشكل مثل QSFP-DD و OSFP للتوصيل البيني لمركز البيانات (DCI) 400G أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية المتماسكة. يركز عامل الشكل هذا الذي اقترحه OIF على تطبيقات معينة حيث يمكن التضحية بأداء الإرسال لأنه يحتاج إلى تلبية هدف طاقة جهاز الإرسال والاستقبال 15 واط.
يهدف OIF-400ZR إلى تطبيقات حافة DCI. يحدد جانب العميل فقط معدل 400 جيجابت ، ومسافة الإرسال 80 ~ 120 كم ، ويستخدم تصحيح الخطأ الأمامي CFEC. أثبتت OIF أن معايير التشغيل البيني المتماسكة ممكنة ، وحل 400ZR المقترح مدعوم جيدًا في الصناعة. في الوقت نفسه ، أثبت مشغلو النظام أن هناك مجالًا لمزيد من التحسين في الأداء الحراري لعوامل الشكل عالية الكثافة ، مما يسمح لأجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية مع عوامل الشكل هذه بدعم وظائف إضافية لتوفير أداء أعلى.
على أساس نجاح OIF ، حدد مشغلو الاتصالات بقيادة AT&T معيار OpenROADM MSA الذي يمكن أن يدعم الإرسال لمسافات أطول. تم تصميم OpenROADM لشبكات OTN التي تحتاج إلى دعم البروتوكولات الأخرى وزيادة نسبة البت العلوية المقابلة. OpenROADM MSA مخصص أساسًا لتطبيقات شبكة ROADM لمشغلي الاتصالات. وهي تحدد معدلات 100G و 200 G و 400 GbE و OTN على الواجهة الطرفية ، مع مسافة نقل تبلغ 500 كم. وهي تعتمد على خوارزمية تصحيح الخطأ الأمامي FEC (oFEC).
يحدد كل من 400ZR و OpenROADM الأنواع وخصائص الأداء على التوالي لأجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية المتماسكة القابلة للتوصيل للتوصيل البيني لمركز البيانات وشبكات النقل البصري للاتصالات ، ولكن لكل منها قيود وأوجه قصور معينة. على سبيل المثال ، يدعم 400ZR فقط واجهات جانب العميل بسعة 400 جيجابت إيثرنت ، بينما ينطبق OpenROADM فقط على سيناريوهات الشبكة لمشغلي الاتصالات. لذلك ، قامت بعض الشركات المصنعة الرئيسية في الصناعة بدمج المزايا الخاصة بمعايير OIF-400ZR و Open ROADM وأطلقت معيار MSA آخر ، OpenZR +. يظهر الشكل 2 علاقة التطور العامة لهذه المعايير الثلاثة.
الشكل 2 تطوير وتطور معايير التشغيل البيني لأجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية المتماسكة
يحتوي OpenZR + MSA على نطاق تطبيقات أوسع ويهدف إلى مشغلي المترو والعمود الفقري و DCI والاتصالات ، من أجل تحقيق وظائف محسّنة وتحسين الأداء في أشكال قابلة للتوصيل مثل QSFP-DD و OSFP لدعم قابلية التشغيل البيني متعدد البائعين. لا يحافظ OpenZR + فقط على واجهة مضيف Ethernet النقية البسيطة لـ 400ZR ، ولكنه يضيف أيضًا دعمًا لوظائف Ethernet متعددة المعدلات وتعدد الإرسال لواجهة خط 100G أو 200G أو 300G أو 400G ، ويعتمد OpenROADM MSA و oFEC المعياري بواسطة CableLabs ، مما يؤدي إلى زيادة تحمل التشتت وكسب ترميز أعلى. في سبتمبر 2020 ، أصدرت OpenZR + أول نسخة عامة من كتاب المقاييس. مؤشرات الأداء الرئيسية لأجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية المتماسكة المحددة بواسطة المعايير الثلاثة OIF-400ZR و Open ROADM و OpenZR + موضحة في الجدول 1.
الجدول 1 مقارنة بين المعلمات القياسية 400ZR ، OpenROADM ، OpenZR + إمكانية التشغيل البيني لجهاز الإرسال والاستقبال البصري المتماسك
من المفيد لمشغلي الشبكات استخدام نفس عامل الشكل على أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية على جانب الخط مثل عامل جانب العميل ، مما يقلل التكاليف من خلال بنية شبكة أبسط. إلى جانب الاتجاه الصناعي الحديث لنظام Open Line (OLS) ، يمكن إدخال أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية هذه مباشرة في أجهزة التوجيه بدون أنظمة نقل خارجية. يعمل هذا على تبسيط منصة التحكم مع تقليل التكلفة واستهلاك الطاقة والبصمة. على سبيل المثال ، في سيناريو تطبيق الشبكة الموضح في الشكل 3 ، يمكن للمستخدم اختيار إدخال جهاز الإرسال والاستقبال البصري المتماسك الذي يفي بمتطلبات OpenZR + في منفذ جهاز التوجيه الذي يدعم OLS ، أو إدخاله في منفذ جانب الخط الخاص بـ جهاز الإرسال المستخدم لتحقيق تحويل بروتوكول الإشارة. ، ثم قم بالاتصال بالموجه من خلال منفذ جانب العميل بالجهاز. يقوم موردو DSP المتماسك وموردو أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية المتماسكة بإجراء اختبار قابلية التشغيل البيني لأجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية المتماسكة ، مثل Acacia و NEL و Inphi و NeoPhotonics وما إلى ذلك.
الشكل 3 تطبيق يدعم OpenZR +
تحليل تطور التكنولوجيا بعد تطبيق التماسك 400G
من منظور تطور التقييس ، من المرجح أن يتبنى الجيل التالي من منتجات 400G المتماسكة القابلة للتوصيل معدل 800G أحادي الموجة. في الآونة الأخيرة ، تناقش OIF تطوير معيار تكنولوجيا متماسك من الجيل التالي - 800ZR. في الوقت الحالي ، يتمثل الاعتبار الأولي في دعم روابط DWDM من 80 إلى 120 كيلومترًا (تضخيمًا) لسيناريوهات DCI ، وروابط 2 إلى 10 كيلومترات بدون تضخيم لسيناريوهات الحرم الجامعي. تدعم واجهة جانب العميل 2 × 400GE أو 1 × 800 GE ، ويدعم جانب الخط واجهة خط متماسك بطول موجة واحدة 800G.
يتم تعيين مؤشرات هيكل الإطار من جانب العميل إلى جانب الخط ويتم تحديد مؤشرات الإشارة على جانب الخط لتحقيق إمكانية التشغيل البيني. على مستوى المكون ، تناقش OIF أيضًا المواصفات الفنية للجيل التالي من المغير المتماسك OIF-HB-CDM2.0 التي تدعم معدلات تعديل أعلى. محليًا ، وافقت مجموعة عمل الأجهزة البصرية CCSA مؤخرًا على 6 مشاريع بمعايير صناعة الأجهزة الضوئية بسرعة 800 جيجابت في الثانية ، بما في ذلك أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية IC-TROSA 800 جيجابت في الثانية و 1 × 800 جيجابت في الثانية.
لذلك ، تحاول الصناعة أيضًا تجربة بعض المواد الجديدة وتقنيات الأجهزة ، مثل رقائق الليثيوم النيوبيت (TFLN). لطالما اعتُبر نيوبات الليثيوم على أنه مادة ممتازة للمعدِّلات البصرية. لا يمكن لمعدلات الليثيوم niobate التقليدية للمواد السائبة أن تدعم تطبيقات معدل البث بالباود التي تزيد عن 64 جيجابايت في اليوم نظرًا لحجمها الضخم وعرض النطاق الترددي المحدود بحجم الجهاز. في السنوات الأخيرة ، نظرًا لاختراق تقنية معالجة رقاقة TFLN ، يمكن لمعدلات نيوبات الليثيوم أيضًا أن تحقق حجمًا صغيرًا وعرض نطاق ترددي عالٍ ، لذلك فهي تعتبر تقنية محتملة لتحقيق المُعدِلات الضوئية لـ 100 GBd وما فوق. بالإضافة إلى ذلك ، لتحقيق عرض نطاق ترددي عالٍ على مستوى الجهاز ، تعد رقائق المحرك الكهربائي وتكنولوجيا التعبئة أيضًا من بين الصعوبات التي يجب حلها.
