Anwendung kohärenter optischer Technologie in Rechenzentren

Die Forschung zur kohärenten optischen Technologie begann in den 1980er Jahren. Im Vergleich zum herkömmlichen IM-DD-System (Intensitätsmodulation-Direkterkennung) bietet die kohärente optische Kommunikation die Vorteile einer hohen Empfindlichkeit, einer großen Relaisentfernung, einer guten Selektivität, einer großen Kommunikationskapazität und eines flexiblen Modulationsmodus. Im Internet-Rechenzentrum verlagert sich der technische Schwerpunkt zunehmend von der DCN- zur DCI-Entwicklung, und die Umsetzung der nationalen Strategie „Channel-Computing-Ressourcen von Ost nach West“ bedeutet auch, dass das Fernverbindungsnetz von Rechenzentren größer wird wichtig. Daher ist die kohärente optische Technologie ein wichtiges Glied in diesem Prozess.

Modulation Technologie

Der Prozess der optischen Kommunikation ist eigentlich die Modulation und Demodulation von Signalen. Um Ihnen ein klareres Verständnis der kohärenten optischen Kommunikation zu vermitteln, stellen wir zwei phasenbezogene Modulationsverfahren vor:

PSK-Modulation

PSK, auch bekannt als „Phase Shift Keying“, überträgt verschiedene digitale Signalströme durch Änderung des Phasenwerts des Trägers. Die PSK-Modulation wird häufig in der optischen Kommunikation verwendet.

Entsprechend der Phasenbeziehung zweier verschiedener Träger wird PSK in BPSK (inverse Phase) und QPSK (Quadratur) unterteilt, die 1-Bit- bzw. 2-Bit-Daten für ein Symbol darstellen können.

QAM-Modulation

Zusätzlich zu den oben genannten Modulationsverfahren wird in der optischen Kommunikation häufig auch die QAM-Modulation (Quadratur-Amplituden-Modulation) verwendet, bei der sowohl die Phase als auch die Amplitude des Trägers zur Übertragung von Daten verwendet werden. Es gibt m Punkte im Quadranten, was der mQAM-Modulation entspricht, wobei m = 2ⁿ, was bedeutet, dass bei der mQAM-Modulation ein Trägersymbol n-Bit-Daten überträgt, was auch das häufig erwähnte Konzept des Konstellationsdiagramms ist.

Zu diesen Modulationsmethoden werden in tatsächlichen Geschäftsszenarien häufig weitere Technologien hinzugefügt, um die Übertragungskapazität eines einzelnen Kanals zu erhöhen, die Signalbaudrate zu verringern usw. Beispielsweise teilt die gängige PDM-Technologie (Polarisationsmultiplex) ein optisches Signal in zwei Polarisationsrichtungen auf zur separaten Modulation, Übertragung der 2-fachen Datenmenge. Sowohl die PSK-Modulation als auch die QAM-Modulation nutzen die Phase des Trägers zur Informationsübertragung, und auf der Empfangsseite ist eine kohärente Demodulation erforderlich.

Kohärente Demodulation

Kohärenz ist ein Phänomen in der Optik: Starke Stellen sind immer stark, schwache Stellen sind immer schwach, und kohärentes Licht bezieht sich auf Lichtwellen mit der gleichen Frequenz wie die Lichtquelle (hier am Beispiel der Nulldifferenzerkennung), konstanter Phasendifferenz, und die gleiche Richtung der Teilchenschwingung am Überlagerungspunkt. Der allgemeine Prozess der kohärenten optischen Kommunikation ist wie folgt:

Das Basisbandsignal wird am Sender moduliert und nach der Übertragung durch die Faser am Empfänger kohärent demoduliert und schließlich am Empfänger das ursprüngliche elektrische Signal erhalten. In diesem Prozess gibt es viele Schlüsselgeräte, wie zum Beispiel den digitalen Signalprozessor (DSP), der eine große Rolle spielt und den wir später auch vorstellen werden. Die Signaländerungen im gesamten Prozess sind wie folgt:

Aufgrund der oben genannten Informationen müssen Sie über ein grundlegendes Verständnis der kohärenten optischen Kommunikation verfügen. Die Geburt der kohärenten Übertragung hat die Entwicklung optischer Übertragungsnetze verändert. Die elektronische digitaler Signalprozessor (DSP) Die dadurch eingeführte Technologie ist zum entscheidenden Antriebsfaktor für die Kapazitätssteigerung von WDM-Netzen in Großstädten und Ferndistanzen geworden. Man kann sagen, dass die kohärente optische Technologie die Grundlage für die optische Übertragung über große Entfernungen und große Kapazitäten ist.

400GZR

Die kohärente optische Technologie ist keine neue Technologie und hat eine lange Phase der technologischen Akkumulation hinter sich. Das erste kohärente optische Transceiversystem wurde in die Linecard der Kommunikationsausrüstung integriert, aber mit der weiteren Reife der Technologie, der Fähigkeit zur Steuerung von Präzisionsgeräten und der steigenden Nachfrage nach optischer Kommunikationsbandbreite wurde die Forschung an steckbaren kohärenten optischen Modulen allmählich vorangetrieben die Tagesordnung. Dies gilt insbesondere für die Internetbranche. Basierend auf dem gleichen Ausrüstungssystem können steckbare optische Module unterschiedliche Geschäftsanforderungen erfüllen. Man kann sagen, dass steckbare optische Module schon immer ein wichtiger Bestandteil der Entwicklung von Internet-Rechenzentren waren. Steckbare kohärente optische Module wurden auf 100G/200G-Raten hochskaliert, aber bei 400G-Raten leiteten sie eine wirklich boomende Entwicklung ein.

OIF (Optical Internetworking Forum) hat den Industriestandard 400G ZR DCO für Verbindungsszenarien von Netzwerken in Großstädten eingeführt, und immer mehr Gerätehersteller und Hersteller optischer Module begannen, den Standard zu übernehmen und heterogene Verbindungen und Interoperabilität zu erreichen.

Die OIF 400G ZR-Spezifikation übernimmt eine Lösung, die Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) und DP-16QAM kombiniert, wodurch 400G auf einer Rechenzentrums-Verbindungsverbindung von 80 bis 120 km übertragen werden kann (reine blanke Glasfaser bis 40 km, optischer Verstärker kann 120 km erreichen). In diesem Standard gibt es drei anwendbare MSA-Verpackungsstandards, nämlich: QSFP-DD, OSFP und CFP2. Im Internet-Rechenzentrum wird am häufigsten der Verpackungsstandard QSFP-DD verwendet. Es ist zu beachten, dass das OIF 400G ZR das DCO-Modul (Digital Coherent Optical) definiert und davor auch das ACO-Modul (Analog Coherent Optical) existierte. Die Hauptunterschiede zwischen den beiden sind folgende:

Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, besteht der Hauptunterschied zwischen dem DCO-Modul und dem ACO-Modul darin, dass der DCO den DSP-Chip direkt in das optische Gerät integriert und die digitale Kommunikation zwischen dem Modul und dem Hostsystem nutzt. Dies hat den Vorteil, dass eine Kommunikation zwischen heterogenen Switch-/Router-Anbietern möglich ist.

Digitaler Signalprozessor (DSP)

Der DSP-Chip ist als Teil des DCO-Moduls von größter Bedeutung. Wie wurde die DSP geboren? Vereinfacht ausgedrückt werden optische Signale bei der Übertragung über große Entfernungen leicht verzerrt, was es für den Empfänger schwierig macht, die Daten genau wiederherzustellen. Digitale Signale sind jedoch einfacher zu verarbeiten als optische Signale und können Verzerrungen entgegenwirken und kompensieren, wodurch die Auswirkungen von Verzerrungen auf die Bitfehlerrate des Systems verringert werden. Man kann sagen, dass das Aufkommen von DSP das digitale Zeitalter der optischen Kommunikation eröffnet hat und DSP eine wichtige Unterstützung für kohärente optische Kommunikation darstellt. Schauen wir uns die Rolle von DSP im DCO-Modul anhand einer Abbildung an:

Wie in der Abbildung dargestellt, werden die Funktionsmodule mit braun-rotem Hintergrund alle vom DSP-Chip getragen. Wir fassen einige der Kernfunktionen des DSP zusammen:

1. IQ orthogonal: Kompensiert den nicht orthogonalen IQ, der durch den Modulator und Mischer verursacht wird
2. Taktwiederherstellung: Abtastfehler kompensieren
3. Dispersionskompensation
4. Polarisationsentzerrung: Kompensation polarisationsbedingter Beeinträchtigungen, Polarisationsdemultiplexierung
5. Frequenzschätzung: Trägerfrequenz offLegen Sie die Schätzung und Kompensation zwischen Sender und Empfänger fest
6. Phasenschätzung: Schätzung und Kompensation des Trägerphasenrauschens
7. Entscheidungsausgabe: weiche/harte Entscheidung, Kanaldekodierung, Quellendekodierung, Schätzung der Bitfehlerrate

Da der DSP zu viele Funktionen bietet, war der ursprüngliche DSP auch mit Problemen wie Größe und hohem Stromverbrauch konfrontiert. Daher wird auch der technologische Fortschritt rund um den DSP-Chip ständig erforscht: l

• Derzeit sind die meisten DSPs 7-nm-Prozesse, und die Hauptverpackungsformen von DCO-Modulen sind QSFP-DD, OSFP und CFP2 mit einer Rate von 400G/200G l
• In der Phase 2022–2025 werden 5-nm-Prozess-DSPs auf den Markt gebracht, und die Zielrate wird bei 1.6T/800G liegen

In der Internetbranche wird 400G DCO ein typisches Szenario für die groß angelegte Anwendung kohärenter Optik sein. Als führendes Unternehmen im 400G-Bereich wird H3C selbstverständlich den Aufbau kohärenter Optiken aktiv vorantreiben. Eigentlich schon einmal 400GZR Nach der Gründung führte H3C gemeinsame Tests mit den führenden DCO-Herstellern der Branche durch und brachte die IPoverDWDM-Lösung auf den Markt:

Diese Lösung fügt ein kohärentes optisches 400G ZR/OpenZR+ QSFP-DD-Modul direkt in den H3C-Switch 12500R ein und realisiert die IPoverDWDM-Übertragung von DCI durch die optische Schichtübertragung. Die Einführung dieser Lösung trägt dazu bei, die Netzwerkkomplexität der Rechenzentrumsverbindung zu reduzieren, die Zuverlässigkeit des Übertragungssystems zu erhöhen, eine Übertragung mit großer Kapazität zu erreichen und den Stromverbrauch und die Kosten des Systems zu senken.

Anwendungsfall der DCI-Lösung

Firma: Händler        

Standort: Frankreich

Artikeljahr: Mai 2022

Anwendung: Rechenzentrum

Hintergrund: Der Kunde ist in diesem Fall ein Händler. Sie halfen ihrem Kunden dabei, das bestehende Netzwerk von zwei benachbarten 80 km langen Rechenzentren in Frankreich zu erweitern, wobei nur wenige ungenutzte Wellenlängen genutzt werden konnten. Der Endnutzerdienst war damals 100G und 10G, und in Zukunft wird es mehrere 10G-, 100G- und 400G-Hybridübertragungen geben.

Das Bild wird freundlicherweise vom Kunden von der Anwendungsseite zur Verfügung gestellt

Lösung: Das Forschungs- und Entwicklungsteam von FiberMall hat auf einzigartige Weise den 2Q28-10SFP-200G 200G Muxponder entwickelt, der die Konvertierung von 1*100G+10*10G (oder 2*100G) in 1*200G CFP2-DCO unterstützen kann und zum FM-3200 DCI- passt. 8 2U-Plattform mit 8 Service-Slots zur optimalen Nutzung der begrenzten Wellenlängen, um Kundenanforderungen und zukünftige Expansionspläne perfekt zu erfüllen.

Unternehmen: Systemintegrator        

Standort: Niederlande

Artikeljahr: Juni 2022

Anwendung: Cloud Computing

Hintergrund: Der Kunde ist in diesem Fall ein Systemintegrator, der sich auf verschiedene Internetlösungen für lokale Benutzer in Europa spezialisiert hat. Sie suchten nach einer hochintegrierten und relativ kostengünstigen OTN-Lösung für 350 km Glasfaser, die gerade von einem Cloud-Computing-Unternehmen in den Niederlanden gemietet und die optische Schicht bereitgestellt wurde. Der damalige Endbenutzerdienst war ein 4x100GE-Dienst, weitere 100G/400G-Erweiterungen sollen folgen.

Das Bild wird freundlicherweise vom Kunden von der Anwendungsseite zur Verfügung gestellt

Lösung: Das technische Team von FiberMall hat die Anforderungen des Kunden vollständig berücksichtigt. Die elektrische Schicht verwendet 4Q28-CFP2-400G 400G Muxponder, der 1*400G oder 4*100G bei der kundenseitigen Konvertierung in die FM-3200 DCI-8 2U-Plattform unterstützt, um den Geräteplatz zu minimieren. Bereitstellung bei Bedarf und Einsparung weiterer Investitionen.

Firma: Wiederverkäufer       

Standort: Vietnam

Artikeljahr: Mai 2023

Anwendung: ISP

Lösung: Das Forschungs- und Entwicklungsteam von FiberMall hat die beiden Teile konfiguriert 4Q28-2CFP2-200G 200G Muxponder, der die Konvertierung von 4*100G zu 2*200G CFP2-DCO unterstützen kann, passend zur FM-1600 DCI-4 1U-Plattform mit 1x optischer Leitungsschutzkarte und 1x Steckplatz für Erweiterung, ist mit dem traditionellen FM-3200 II 2U-Chassis ausgestattet mit Dual-MuxDemux und optischem Verstärker für besseren Schutz.

Optischer Kanalschutz: Zwei 200G-Dienste wurden über das OLP-Modul in zwei identische Dienste aufgeteilt, jeweils in das Haupt- und Backup-Routing des Mux und Demux, die an das andere Ende übertragen wurden. Es kann die beiden Dienste des Haupt- und Backup-Routings auf derselben Leitung durchführen; Man kann die beiden Dienste Haupt- und Backup auch auf einem anderen Routing nutzen.

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Schematische Darstellung

Firma: Händler        

Ort: USA

Artikeljahr: Juli 2023

Anwendung: ISP

Hintergrund: Der Kunde ist in diesem Fall ein Distributor und der Endbenutzer hat bereits die optische Schicht aufgebaut und muss den neuen 16x100G-Dienst im ursprünglichen Netzwerk erweitern.

Lösung: Das Forschungs- und Entwicklungsteam von FiberMall hat das auf einzigartige Weise entwickelt 4Q28-CFP2-400G 400G Muxponder, der die Konvertierung von 4*100G (oder 1*400G) in 1*400G CFP2-DCO unterstützen kann und zur FM-1600 DCI-4 1U-Plattform mit 4 Service-Slots passt, um die Nutzung des Gehäuseraums zu maximieren und Kunden zu sparen Kosten.

Das Bild wurde freundlicherweise vom Werk zur Verfügung gestellt