100GDWDMシステムの主要テクノロジー

通信ネットワークにおける中速および高速サービスの継続的な開発により、既存のデータセンター相互接続 (DCI) および大都市圏通信ネットワークの伝送帯域幅に対するより高度で緊急の要件が提示されています。 主流の 10/40Gbps 光伝送技術から 100Gb/s への進化は、光伝送技術のトレンドとなっています。 FiberMall は多数の研究の結果、QSFP28 PAM4 技術は 100km 以内の 100G DWDM 伝送に使用でき、100km を超える 100G DWDM 伝送には位相変調とコヒーレント受信の 100G 光伝送方式が必要であると結論付けました。

その中で、コヒーレント受信技術を使用したPM-QPSK伝送システムは、業界で最も認知されています。 色分散、PMD、搬送周波数、位相など、チャネルのさまざまな障害 offセットされ、電気領域で柔軟に補償され、デジタル信号処理（DSP）技術を使用してPM-QPSKシステム受信機によって信号で再構成されます。 したがって、コヒーレント検出と組み合わせたPM-QPSKは、100G長距離伝送方式としてほとんどのシステムサプライヤによって選択された最適なソリューションを提供します。

DWDMテクノロジーは、1.25G NRZ、2.5G NRZ、10G NRZ、25G NRZなど、ますます高い変調率に進化しています。 50GPAM4と100GPAM4はどちらも高次変調PAM4を使用し、現在競争力のあるDWDMコヒーレント変調技術（主に200Gと400G、および将来の800G高帯域幅サービス）も使用します。

100G DWDM QSFP28 PAM4光モジュールは、個別のDWDMコンバータプラットフォームを必要とせずに、適切なデータセンタールーターまたはスイッチに直接接続します。これにより、コストが大幅に削減され、展開とメンテナンスが簡素化されます。 さらに、適切な分散補償モジュール（DCM）とEDFA増幅システムを使用して、PAM4モジュールを既存のDWDMネットワークに追加してハイブリッド伝送を行うことができます。

次世代の製品形態は、PAM4 高次変調に基づく 50G (1X50G PAM4)、100G (2X50G PAM4)、および 100G (1x100G PAM4) です。

 

50G（1X50G PAM4）ソリューション

50G（1X50G PAM4）ソリューションを使用する光モジュールには、50G SFP56 DWDM光モジュール（Cバンド、50Ghz波長間隔）が含まれます。 この製品は、SFP +と同じサイズのSFP56フォームファクターを採用しており、元の展開アーキテクチャを変更せずに直接50Gにアップグレードできます。

50G SFP56 DWDM光モジュールは、光ポート側と電気ポート側の両方で50G PAM4変調を採用し、送信側でDWDMEMLレーザーを使用します。 DCM分散補償とEDFAのサポートにより、少なくとも80kmの伝送距離の要件を満たすことができます。 単一ファイバーの総帯域幅は96波x50G=4800Gをサポートし、工業用グレードの温度を備えたその製品形態は、5Gフロントホールシステムのニーズを満たすことができます。

図1：50GSFP56DWDM光モジュールの概略図

100G（2X50G PAM4）ソリューション

100G（2X50G PAM4）ソリューションを使用する光モジュールには次のものが含まれます 100G QSFP28 DWDM （Cバンド、50Ghz波長間隔）。 業界では通常100GPAM4QSFP28と呼ばれ、その光ポートは100つの異なる2GDWDM波長で50GEサービスを伝送します。 電気ポート側は4X25GNRZを採用していますが、光ポート側にはCSインターフェイスとLCインターフェイスの4つのソリューションがあります。 CSインターフェースは、2入力と2出力の2本の光ファイバーを採用しています。 デュプレックスLCインターフェース方式はWDM技術を採用しており、80本の光ファイバーで伝送できます。 DCM分散補償とEDFAのサポートにより、少なくとも96kmの伝送距離の要件を満たすことができ、シングルファイバーの合計帯域幅は50波x4800G=XNUMXGをサポートします。

図2：100G QSFP28 DWDM光モジュール（CSインターフェイス）の概略図

図3：100G QSFP28 DWDM光モジュール（LCインターフェイス）の概略図

100G（1x100G PAM4）ソリューション

100Gを使用した光モジュール（1x100G）ソリューションには、100G QSFP28 DWDM（Cバンド、100GHZ）が含まれます。 この製品は、主にDWDM光源+シリコン光変調技術によって実現されています。 DCM + EDFAのサポートにより、80kmの伝送に対応でき、シングルファイバーの合計帯域幅は48波x100G=4800Gをサポートします。

図4：100GQSFP28DWDM光モジュールの概略図

その利点により、PAM4 DWDM 光モジュールは通常、ポイントツーポイント DCI、DWDM ベースの 100G イーサネット メトロ アクセス、キャンパスおよびエンタープライズ リンク、400G モバイル アクセス アーキテクチャなど、100G および 5G 構築で使用されます。データ センター DCI 用80km~120km、高次PAM50変調に基づく100G/4G DWDM技術はコヒーレントと競合可能 200G低コストで市場シェアを獲得する/100GDWDMテクノロジー。 以下の表に示すように：

アイテム	デュアルウェーブ50GPAM4DWDMソリューション	単一波100GPAM4ソリューション	コヒーレントDP-QPSKソリューション
消費電力	5.5Wについて	5.5Wについて	20Wより上
フォームファクター	QSFP28	QSFP28	CFP2 / CFP
DWDM周波数空間	50GHz	100GHz	50GHz
EDFAは必要ですか？	はい	はい	はい
DCM分散補償	はい	はい	NO
RXOSNR許容値	非常に低く、カスケードで最大2つのEDFA	非常に低く、カスケードで最大2つのEDFA	高NEDFAはカスケード接続できます
一般的な合計帯域幅	96X50G	48X100G	96X100G
シングルファイバー/デュアルファイバー伝送を実現できるかどうか	簡単に	簡単に	非常に難しく、XNUMXつの異なるITLA光源が必要です。
伝送距離	80km〜120km	80km〜100km	80kmをはるかに超える

表1：50GPAM4DWDMシステムVS100GPAM4DWDMシステムVS100GDWDMコヒーレントシステム

100GコヒーレントDP-QPSKスキームの重要なテクノロジー

1）分極多重化直交位相偏移変調（PM-QPSK）

QPSKは、多変量（4次）デジタル周波数帯域変調方式です。 その信号の正弦波キャリアには2つの可能な離散位相状態があり、各キャリア位相には100つのバイナリシンボルがあります。 PM-QPSKは、単一の50G信号を異なる偏波状態の4つのXNUMXGキャリア信号に分割し、各キャリアでQPSK変調を実行します。 したがって、この方法ではチャネルのボーレートを半分に減らすことができます。 同時に、各偏波状態はビット情報を表すためにXNUMXつの位相を使用できるため、チャネルのボーレートを半分に減らすことができます。 その結果、PM-QPSKエンコード後、ボーレートをビットレートのXNUMX分のXNUMXに減らすことができます。

以下は、PM-QPSKエンコード方式の概略図です。

図5：PM-QPSKコーディングの概略図

 2）SD-FEC

FEC技術は、光通信システムで広く使用されています。 FECが異なれば、システムパフォーマンスも異なります。 受信信号のさまざまな処理方法に応じて、FECはハード決定コードとソフト決定コードに分けることができます。

ハードデシジョンコードは、従来のエラー訂正コードの観点に基づいたデコード方法です。 復調器は、最初にチャネル出力値について最も難しい決定を下します。 難しい決定のFEC冗長性は約7％であり、これは光通信の分野で広く使用されています。

ソフトデシジョンデコーディングは、チャネルによって出力された波形情報を最大限に活用します。 復調器は、整合フィルターからの実数値出力をデコーダーに送信します。つまり、ソフトデシジョンデコーダーは、「0/1」コードストリームだけでなく、これらのコードストリームの信頼性を記述するための「ソフト情報」も必要とします。 決定しきい値から離れるほど、決定の信頼性は高くなります。そうでない場合、信頼性は低くなります。

距離の度合いを反映させるためには、判定空間をより細かく分割する必要があります。 「0/1」しきい値の分割に加えて、「0」および「1」スペースも「信頼しきい値」で分割され、決定スペース内の決定点の相対位置が示されます。 硬判定と比較して、軟判定にはより多くのチャネル情報が含まれます。 復号化器は、確率的復号化を通じてこの情報を十分に活用して、硬判定復号化よりも大きな符号化利得を得ることができます。

OIF は、100G が 20% 未満の冗長性を持つ軟判定前方誤り訂正符号化 (SD-FEC) を選択することを推奨しています。 この場合、正味のコーディング ゲインは約 10.5dB に達する可能性があります。 SD-FEC 100G テクノロジーを使用すると、10G と同じレベルの伝送距離を達成できます。

3）コヒーレントテクノロジー

コヒーレンスとは、波が同じ量の振動、同じ振動の方向と周波数、および固定された位相関係を持つ復調メカニズムを指します。 これは、変調信号の搬送波に受信した変調信号を乗算し、ローパスフィルタリングによって変調信号を取得する検出方法です。

コヒーレント検出は、強度、位相、および周波数変調された光無線信号を検出します。 光信号は、光受信機に入る前に受信側で局部発振器レーザー（LO）と混合され、LOレーザーの周波数と元の光源の周波数の差に等しい中間周波数成分が生成されます。

直接検出と比較して、コヒーレント検出は大きな信号対雑音比を得る傾向があります。 より回復可能な信号タイプとより優れた周波数選択性を備えており、DWDMシステムにより適しています。 デジタルコヒーレント受信機は、位相ダイバーシティと偏光ダイバーシティを介して、光信号のすべての光特性を電気ドメインにマッピングします。 また、成熟したDSPテクノロジーを使用して、電気領域での分極逆多重化とチャネル線形性損傷補償を実現します。 これらはすべて、伝送チャネルの光分散補償と偏光逆多重化の設計を簡素化し、光分散補償器と低PMDファイバへの依存を減らして排除します。

ただし、デジタルコヒーレント受信機は、伝送チャネル設計の複雑さを受信機に転送します。 コヒーレント検出でより優れた検出特性を得るコストは、システムの複雑さが大幅に増加し、柔軟性に欠けることです。

 

100G実装の基本原則

1）100Gライン側送信機の基本原理

100Gb / sライン側光モジュールの設計目標は、長距離光伝送に適用し、OTU4のDWDM機器のライン側伝送をサポートすることです。 次の図は、100Gb/sライン側光モジュールの送信端のブロック図を示しています。

図6：100Gb/sラインテスト光モジュール送信機の概略図

図に示すように、統合波長可変レーザー（ITLA）によって出力された連続光はQPSK変調器に送られ、変調器内の偏光分離デバイ​​スによってPBSが生成された後、XNUMXつの光波になります。 各偏光はQPSK変調器によって変調され、信号を変調するときにMUXによって生成されるI信号とO信号があります。 ブロードバンド増幅器とドライバは、I信号とO信号を増幅し、それらを変調器に適用して電気光学変調を生成します。

変調された2つのQPSK信号はPBCによって合成され、PM-QPSK偏波多重信号が出力されます。 QPSK変調器（変調器）の場合、閉ループ制御によりI、Q、Pi / 4相の複数のバイアス点に対してフィードバック制御（MZバイアス制御）を行う必要があります。これにより、QPSK変調器は次のことが可能になります。通常のバイアス状態で長時間安定して動作します。 さらに、送信ユニットは、SD-FECエンコーダを介して送信されるサービスデータもエンコードし、MUX（X）およびMUX（Y）に入力します。 パラレルからシリアルへの変換を使用してXNUMXチャンネルのシリアルデータを生成し、ドライバに出力します。

2）受信側の基本原理

下図のように、PM-QPSK光信号は、長距離伝送後、光モジュールのコヒーレント受信ユニットで受信されます。 光信号は、偏光ビームスプリッターによって、X方向とY方向で示される90つの相互に直交する偏光光信号に分割されます。 900方向の光信号は、XNUMX度（XNUMXハイブリッド）で対応する局部発振器の偏光とコヒーレントに混合されます。 混合周波数によって出力された信号は、平衡型光電検出器を介して光電変換され、ADCによってサンプリングおよび量子化されて、アナログ/デジタル変換が完了します。 最後に、サンプリングと量子化の後の離散デジタルシーケンスは、処理のためにDSPユニットに送信されます。

図7：100Gb/sライン側光トランシーバー受信機のブロック図

DSPでは、デジタル信号はクロックリカバリ処理によって同期されます。 分極の逆多重化とCD、PMDの除去、および部分的な非線形効果の障害は、電気ドメインの等化によって実現されます。 局部発振光源と送信光キャリア間の周波数差、および位相ノイズの影響は周波数によって排除されます off集合推定と対応する判断処理。 処理されたデータは、SD-FECデコーダユニットに送信されてデコードされ、最後にデータ信号が復元されます。

3）DSPアルゴリズムの基本原理

DSPユニットは、DSPアルゴリズムを完成させます。これは、主にXNUMXつのサブ機能に分割されます。クロックリカバリ、偏波逆多重化による等化、キャリア推定、位相推定、スライサーおよびデコーダーです。 その機能ブロック図を次の図に示します。

図8：デジタル信号処理ユニットのブロック図

以下に、ブロック図の各ユニットを紹介します。

• デジタルクロックリカバリ

デジタルクロックリカバリの目的は次のとおりです。ADCのサンプリングクロックは送信側のシンボルクロックから独立しているため、補間フィルタレシーバのシンボルサンプリング時間を使用する必要があります。 これにより、受信機の調整されたサンプリングクロックを送信シンボルクロックと同期させることができます。つまり、ADCのサンプリングレートがシンボルレートと正確に一致するようになります。

• 等化と偏光の逆多重化

イコライゼーションと偏波分離は、単一の偏波で実行されます。 イコライゼーションの機能は、チャネルの線形要因によって引き起こされる信号のクロストークを除去することです。 これは、固定または可変のタップ係数を持つ FIR によって実現できますが、偏波分離はバタフライ フィルターによって実現する必要があります。 偏波分離とは、XNUMX つの偏波信号を分離することです。 これは、信号が送信されるときに、XNUMX つの偏波間にクロストークが発生するためです (偏波結合が原因)。 また、偏波回転により、受信端での PBS 後の信号偏波は初期偏波に対応しません。

•  キャリア周波数 off集合推定

レーザーの非理想的な特性により、光コヒーレント受信機の局部発振器レーザーの発振周波数は、キャリア周波数からずれている可能性があります。 この頻度 offセットは、フェーズであるシンボルに反映されます off設定。 PM-QPSKなどの位相変調システムの場合、位相 off周波数によって引き起こされるセット off最終的なデータシンボルを復調する前に、セットを削除する必要があります。 したがって、頻度 off集合推定は、受信機にとって不可欠なモジュールです。 原理は、周波数のサイズを検出することです off設定し、シンボルの位相補正を行って周波数の影響を取り除いてください off推定頻度に応じて設定 off設定値。

図9：搬送周波数 off集合推定

 

• キャリアフェーズ off集合推定

レーザーの線幅が原因で、実際の発振周波数の近くで位相シフトが発生します。 周波数の誤差を考慮して off集合推定、フェーズ off頻度の後の記号のセット off集合推定はまだ存在します。 これ offセットは時間とともに変化し、0から2πまでのすべての範囲をカバーできます。 キャリア相回復の目的は、相のこの部分を除去することです。 off出力シンボル位相をそのままシンボル判定に使用できるように設定します。 キャリア位相推定の基本原理は、予期しない位相が off情報フェーズのセットが取得され、各シンボルから削除されます。

• デコードとデータ回復

QPSKの場合、信号の位相が回復した後、位相変調規則に従ってXNUMXつの偏波IおよびQ信号を取得できます。 DQPSKの場合、信号の位相が回復した後、XNUMXつの偏光IおよびQ信号を取得するために、XNUMXつのシンボルの位相を差し引く必要があります。

100G システムの技術的特徴と利点

ご存知のとおり、シングルチャネルレートの増加はすべて、OSNR許容誤差、色分散、PMD、非線形性などの伝送障害によって制限されます。 したがって、これらの伝送障害の影響を減らすには、より高度な技術が必要です。 100Gは、偏光多重化、位相変調、スーパーFEC、コヒーレント検出、DSPなどの複数のテクノロジーを統合しています。 現在の100Gテクノロジーソリューションの特徴は次のとおりです。

• 偏光多重化の技術と光信号の100つの偏光状態間の相互直交性を使用することにより、XNUMXつの情報チャネルが同じ光キャリア上で伝送されます。これにより、信号シンボルレートが半分になります。 コヒーレント検出とADCおよびDSPの組み合わせも、XNUMXGの重要な技術的進歩です。 直接検出および自己コヒーレント復調と比較して、コヒーレント検出とDSPテクノロジーの組み合わせにより、復調効率と受信機の感度を効果的に向上させることができます。
•  QPSKテクノロジーは、光キャリアによって運ばれる情報量を100倍にすることができ、偏光多重化との組み合わせにより、25G信号のボーレートが約50Gボー/秒に減少します。 したがって、QPSKはXNUMXGHz間隔のOTNシステムに適用でき、ファイバの非線形性許容誤差に対する信号要件を減らすことができます。
• 100Gテクノロジは、LDPC（低密度パリティチェックコード）ソリューションとソフト決定方式により、コーディングゲインを効果的に向上させることができます。
• コヒーレント検出とADCおよびDSPの組み合わせも、100Gの重要な技術的進歩です。 直接検出および自己コヒーレント復調と比較して、コヒーレント検出とDSPテクノロジーの組み合わせにより、復調効率と受信機の感度を効果的に向上させることができます。

まとめ

100km の伝送距離内のデータセンター相互接続 (DCI) のために、FiberMall は 100G (2X50G PAM4) DWDM QSFP28 および 100G (1x100G PAM4) DWDM QSFP28 のソリューションを提供します。 メトロポリタン エリア ネットワークの場合、伝送距離は 100 km を超えます。FiberMall は 1 つの長距離ソリューションを提供します。 FiberMall のすべての従業員の共同の努力により、100G DWDM テクノロジは非常に成熟し、世界中のデータ センターや大都市圏ネットワークに広く展開されています。