Aplicación de tecnología óptica coherente en centros de datos

La investigación sobre la tecnología óptica coherente se originó en los años 1980. En comparación con el sistema IM-DD tradicional (modulación de intensidad-detección directa), la comunicación óptica coherente tiene las ventajas de alta sensibilidad, larga distancia de retransmisión, buena selectividad, gran capacidad de comunicación y modo de modulación flexible. En los centros de datos de Internet, el enfoque técnico se está desplazando cada vez más del desarrollo de DCN al desarrollo de DCI, y la implementación de la estrategia nacional de "canalizar recursos informáticos de este a oeste" también significa que la red de interconexión de larga distancia de centros de datos es más importante. Por tanto, la tecnología óptica coherente es un eslabón clave en este proceso.

tecnología de modulación

El proceso de comunicación óptica es en realidad la modulación y demodulación de señales. Para brindarle una comprensión más clara de la comunicación óptica coherente, presentamos dos métodos de modulación relacionados con la fase:

Modulación PSK

PSK, también conocido como “modificación por desplazamiento de fase”, transmite diferentes flujos de señales digitales cambiando el valor de fase de la portadora. La modulación PSK se utiliza ampliamente en la comunicación óptica.

Según la relación de fase de dos portadoras diferentes, PSK se divide en BPSK (fase inversa) y QPSK (cuadratura), que pueden representar datos de 1 bit y 2 bits respectivamente para un símbolo.

QAM Modulación

Además de los métodos de modulación anteriores, la modulación QAM (amplitud en cuadratura) también se usa a menudo en la comunicación óptica, es decir, utilizando tanto la fase como la amplitud de la portadora para transmitir datos. Hay m puntos en el cuadrante, lo que corresponde a la modulación mQAM, donde m = 2ⁿ, lo que significa que en la modulación mQAM, un símbolo portador transmite datos de n bits, que también es el concepto de diagrama de constelación que se menciona a menudo.

Entre estos métodos de modulación, los escenarios comerciales reales a menudo agregan otras tecnologías para aumentar la capacidad de carga de un solo canal, reducir la velocidad en baudios de la señal, etc. Por ejemplo, la tecnología PDM (multiplexación de polarización) común divide una señal óptica en dos direcciones de polarización. para modulación por separado, transmitiendo 2 veces los datos. Tanto la modulación PSK como la modulación QAM utilizan la fase de la portadora para transmitir información y se requiere una demodulación coherente en el extremo receptor.

Demodulación coherente

La coherencia es un fenómeno en óptica: los lugares fuertes siempre son fuertes, los lugares débiles siempre son débiles y la luz coherente se refiere a ondas de luz que tienen la misma frecuencia que la fuente de luz (aquí tomando como ejemplo la detección de diferencia cero), diferencia de fase constante, y la misma dirección de vibración de las partículas en el punto de superposición. El proceso general de comunicación óptica coherente es el siguiente:

La señal de banda base se modula en el transmisor, y después de la transmisión a través de la fibra, se demodula coherentemente en el receptor y finalmente se obtiene la señal eléctrica original en el receptor. Hay muchos dispositivos clave en este proceso, como el procesador de señal digital (DSP), que juega un papel muy importante y también lo presentaremos más adelante. Los cambios de señal en todo el proceso son los siguientes:

A través de la información anterior, debe tener una comprensión básica de la comunicación óptica coherente. El nacimiento de la transmisión coherente ha cambiado el desarrollo de las redes de transmisión óptica. el electronico procesador de señal digital (DSP) introducido por él se ha convertido en el factor clave para aumentar la capacidad de las redes WDM metropolitanas y de larga distancia. Se puede decir que la tecnología óptica coherente es la base de la transmisión óptica de gran capacidad y larga distancia.

400G ZR

La tecnología óptica coherente no es una tecnología nueva y ha experimentado un largo período de acumulación tecnológica. El primer sistema transceptor óptico coherente se integró en la tarjeta de línea del equipo de comunicación, pero con la mayor madurez de la tecnología, la capacidad de controlar dispositivos de precisión y la creciente demanda de ancho de banda de comunicación óptica, la investigación sobre módulos ópticos coherentes conectables se hizo gradualmente la agenda. Esto es especialmente cierto en la industria de Internet. Basados ​​en el mismo sistema de equipo, los módulos ópticos conectables pueden satisfacer diferentes necesidades comerciales. Se puede decir que los módulos ópticos enchufables siempre han sido una parte importante del desarrollo de los centros de datos de Internet. Los módulos ópticos coherentes enchufables se han ampliado a velocidades de 100G/200G, pero en realidad marcaron el comienzo de un desarrollo floreciente a velocidades de 400G.

OIF (Optical Internetworking Forum) lanzó el estándar industrial 400G ZR DCO para escenarios de interconexión de redes de área metropolitana, y cada vez más fabricantes de equipos y fabricantes de módulos ópticos comenzaron a adoptar el estándar y lograr interconexión e interoperabilidad heterogéneas.

La especificación OIF 400G ZR adopta una solución que combina multiplexación por división de longitud de onda densa (DWDM) y DP-16QAM, que puede transmitir 400G en un enlace de interconexión del centro de datos de 80~120 km (fibra pura desnuda hasta 40 km, el amplificador óptico puede alcanzar 120 km). En este estándar, existen tres estándares de empaquetado de MSA aplicables, a saber: QSFP-DD, OSFP y CFP2. En los centros de datos de Internet, el más utilizado es el estándar de empaquetado QSFP-DD. Cabe señalar que el OIF 400G ZR define el módulo DCO (óptico coherente digital), y antes de eso, también estaba el módulo ACO (óptico coherente analógico). Las principales diferencias entre los dos son las siguientes:

Como puede verse en la figura, la diferencia principal entre el módulo DCO y el módulo ACO es que el DCO integra el chip DSP directamente en el dispositivo óptico y utiliza comunicación digital entre el módulo y el sistema host. La ventaja de esto es que puede lograr la comunicación entre proveedores heterogéneos de conmutadores/enrutadores.

Procesador de señal digital (DSP)

El chip DSP, como parte del módulo DCO, es de suma importancia. ¿Cómo nació el DSP? En términos simples, las señales ópticas se distorsionan fácilmente cuando se transmiten a largas distancias, lo que dificulta que el receptor restaure los datos con precisión. Sin embargo, las señales digitales son más fáciles de procesar que las señales ópticas y pueden contrarrestar y compensar la distorsión, reduciendo así el impacto de la distorsión en la tasa de error de bits del sistema. Se puede decir que la aparición de DSP abrió la era digital de la comunicación óptica, y DSP es un soporte importante para la comunicación óptica coherente. Echemos un vistazo a la función de DSP en el módulo DCO a través de una figura:

Como se muestra en la figura, todos los módulos funcionales con fondos marrón-rojo están incluidos en el chip DSP. Resumimos algunas de las funciones principales del DSP:

1. IQ ortogonal: compensa el IQ no ortogonal causado por el modulador, mezclador
2. Recuperación del reloj: compensar errores de muestreo
3. Compensación por dispersión
4. Ecualización de polarización: compensa el deterioro relacionado con la polarización, demultiplexación de polarización
5. Estimación de frecuencia: frecuencia portadora offestablecer estimación y compensación entre transmisor y receptor
6. Estimación de fase: estimación y compensación del ruido de fase de la portadora
7. Salida de decisión: decisión suave/dura, decodificación de canal, decodificación de fuente, estimación de tasa de error de bits

Debido a que el DSP incluye demasiadas funciones, el DSP inicial también enfrentó problemas como su gran tamaño y alto consumo de energía. Por lo tanto, también se explora constantemente el progreso tecnológico en torno al chip DSP: l

• En la etapa actual, la mayoría de los DSP son procesos de 7 nm y las principales formas de empaquetado de los módulos DCO son QSFP-DD, OSFP y CFP2, con una velocidad de 400G/200G l.
• En la etapa 2022-2025, se lanzarán DSP de proceso de 5 nm y la velocidad objetivo será 1.6 T/800 G.

En la industria de Internet, 400G DCO será un escenario típico para la aplicación a gran escala de óptica coherente. Como líder en el campo 400G, H3C, naturalmente, promoverá activamente la construcción de ópticas coherentes. De hecho, tan pronto como 400G ZR nació, H3C realizó pruebas conjuntas con los principales fabricantes de DCO de la industria y lanzó la solución IPoverDWDM:

Esta solución inserta directamente un módulo óptico coherente 400G ZR/OpenZR+ QSFP-DD en el conmutador H3C 12500R y realiza la transmisión IPoverDWDM de DCI a través de la transmisión de capa óptica. El lanzamiento de esta solución ayuda a reducir la complejidad de la red de interconexión del centro de datos, aumentar la confiabilidad del sistema de transmisión, lograr una transmisión de gran capacidad y reducir el consumo y el costo de energía del sistema.

Caso de aplicación de la solución DCI

Empresa: Distribuidor        

Ubicación: Francia

Año del artículo: mayo de 2022

Aplicación: Centro de datos

Antecedentes: El cliente en este caso es un distribuidor. Estaban ayudando a su cliente a ampliar la red existente de dos centros de datos adyacentes de 80 km en Francia, y sólo se podían utilizar unas pocas longitudes de onda no utilizadas. El servicio al usuario final era entonces 100G y 10G, y en el futuro habrá múltiples transmisiones híbridas 10G, 100G y 400G.

La imagen la proporciona amablemente el cliente desde el sitio de la aplicación.

Solución: El equipo de I+D de FiberMall desarrolló de forma exclusiva el Muxponder 2Q28-10SFP-200G 200G, que puede admitir la conversión de 1*100G+10*10G (o 2*100G) a 1*200G CFP2-DCO, coincidiendo con el FM-3200 DCI- Plataforma 8 2U con 8 ranuras de servicios para utilizar mejor las longitudes de onda limitadas para satisfacer perfectamente las necesidades del cliente y el plan de expansión futuro.

Empresa: Integrador de sistemas        

Ubicación: Países Bajos

Año del artículo: junio de 2022

Aplicación: Computación en la nube

Antecedentes: El cliente en este caso es un integrador de sistemas especializado en diversas soluciones de Internet para usuarios locales en Europa. Buscaban una solución OTN altamente integrada y de costo relativamente bajo para 350 km de fibra que acababa de ser alquilada por una empresa de computación en la nube en los Países Bajos y la capa óptica ya estaba desplegada. El servicio para el usuario final en ese momento era un servicio 4x100GE, con más expansión de 100G/400G en el futuro.

La imagen la proporciona amablemente el cliente desde el sitio de la aplicación.

Solución: El equipo técnico de FiberMall consideró plenamente las demandas del cliente, la capa eléctrica utilizó 4Q28-CFP2-400G 400G Muxponder que admite 1*400G o 4*100G en la conversión del lado del cliente en la plataforma FM-3200 DCI-8 2U para minimizar el espacio del equipo. implementar bajo demanda y ahorrar más inversiones.

Empresa: Revendedor       

Ubicación: Vietnam

Año del artículo: mayo de 2023

Aplicación: ISP

Solución: el equipo de I+D de FiberMall configuró las 2 piezas 4Q28-2CFP2-200G Muxponder de 200G, que puede admitir la conversión de 4*100G a 2*200G CFP2-DCO, combinando la plataforma FM-1600 DCI-4 1U con 1x tarjeta de protección de línea óptica y 1x ranura para expansión, está equipado con un chasis tradicional FM-3200 II 2U con doble MuxDemux y amplificador óptico para una mejor protección.

Protección del canal óptico: dos servicios de 200G se dividieron en dos servicios idénticos a través del módulo OLP, respectivamente en el enrutamiento principal y de respaldo de Mux y Demux, transmitidos al extremo opuesto. Puede realizar los dos servicios de enrutamiento principal y de respaldo en la misma línea; También puede realizar los dos servicios principal y de respaldo en una ruta diferente.

La imagen la proporciona amablemente el cliente desde el sitio de la aplicación.

Diagrama esquemático

Empresa: Distribuidor        

Ubicación: EE.UU.

Año del artículo: julio de 2023

Aplicación: ISP

Antecedentes: El cliente en este caso es un distribuidor y el usuario final ya construyó la capa óptica y necesita expandir el nuevo servicio 16x100G en la red original.

Solución: El equipo de I+D de FiberMall desarrolló de forma única el 4Q28-CFP2-400G Muxponder de 400G, que puede admitir la conversión de 4*100G (o 1*400G) a 1*400G CFP2-DCO, combinando la plataforma FM-1600 DCI-4 1U con 4 ranuras de servicios para maximizar el uso del espacio del chasis y ahorrar al cliente. costos.

La imagen es amablemente proporcionada por la fábrica.