Principais tecnologias do sistema 100G DWDM

O desenvolvimento contínuo de serviços de média e alta velocidade em redes de comunicação apresentou requisitos maiores e mais urgentes para a largura de banda de transmissão de interconexão de data center (DCI) existente e redes de comunicação de área metropolitana. A evolução da tecnologia de transmissão óptica convencional de 10/40 Gbps para 100 Gb/s tornou-se a tendência da tecnologia de transmissão óptica. A FiberMall concluiu após um grande número de estudos que a tecnologia QSFP28 PAM4 pode ser usada para transmissão 100G DWDM dentro de 100km, e os métodos de transmissão óptica 100G de modulação de fase e recepção coerente são necessários para transmissão 100G DWDM acima de 100km.

Entre eles, o sistema de transmissão PM-QPSK com tecnologia de recepção coerente é o mais reconhecido pela indústria. Várias deficiências no canal, como dispersão cromática, PMD, frequência da portadora e fase offdefinido, pode ser compensado de forma flexível no domínio elétrico e reconfigurado em sinais pelo receptor do sistema PM-QPSK usando a tecnologia de processamento de sinal digital (DSP). Portanto, PM-QPSK combinado com detecção coerente fornece a solução ideal, que é escolhida pela maioria dos fornecedores de sistemas como o esquema de transmissão de longa distância 100G.

A tecnologia DWDM evoluiu para taxas de modulação cada vez mais altas, incluindo 1.25G NRZ, 2.5G NRZ, 10G NRZ e 25G NRZ. Tanto o 50G PAM4 quanto o 100G PAM4 usam modulação de alta ordem PAM4, assim como a tecnologia de modulação coerente DWDM atualmente competitiva, principalmente para 200G e 400G, bem como futuros serviços de alta largura de banda de 800G.

O módulo óptico 100G DWDM QSFP28 PAM4 conecta-se diretamente a um roteador ou switch de data center apropriado, sem a necessidade de uma plataforma conversora DWDM separada, o que reduz significativamente os custos e simplifica a implantação e a manutenção. Além disso, com módulos de compensação de dispersão (DCMs) e sistemas de amplificação EDFA apropriados, os módulos PAM4 podem ser adicionados a redes DWDM existentes para transmissão híbrida.

As formas de produto de próxima geração são baseadas na modulação de alta ordem PAM4: 50G (1X50G PAM4), 100G (2X50G PAM4) e 100G (1x100G PAM4).

 

50G (1X50G PAM4)Solução

Os módulos ópticos que usam soluções de 50G (1X50G PAM4) incluem módulos ópticos SFP50 DWDM de 56G (banda C, espaçamento de comprimento de onda de 50Ghz). O produto adota o formato SFP56, que é do mesmo tamanho que SFP+ e pode ser atualizado diretamente para 50G sem alterar a arquitetura de implantação original.

O módulo óptico 50G SFP56 DWDM adota modulação 50G PAM4 no lado da porta óptica e no lado da porta elétrica e usa um laser DWDM EML na extremidade de transmissão. Com o suporte de compensação de dispersão DCM e EDFA, ele pode atender aos requisitos de pelo menos 80 km de distância de transmissão. A largura de banda total de uma única fibra suporta 96 ondas x50G=4800G, e sua forma de produto com temperatura de nível industrial pode atender às necessidades de sistemas front-haul 5G.

Figura 1: Diagrama esquemático do módulo óptico 50G SFP56 DWDM

100G (2X50G PAM4)Solução

O módulo óptico usando uma solução 100G (2X50G PAM4) inclui 100G QSFP28 DWDM (banda C, intervalo de comprimento de onda de 50 GHz). Geralmente é chamado de 100G PAM4 QSFP28 na indústria, e sua porta óptica transporta serviço 100GE por 2 comprimentos de onda 50G DWDM diferentes. O lado da porta elétrica adota 4X25G NRZ, enquanto o lado da porta óptica tem duas soluções: interfaces CS e LC. A interface CS adota 4 fibras ópticas, 2 entradas e 2 saídas. O esquema de interface LC duplex adota a tecnologia WDM e 2 fibras ópticas podem fazer a transmissão. Com o suporte de compensação de dispersão DCM e EDFA, ele pode atender aos requisitos de pelo menos 80km de distância de transmissão, e a largura de banda total de uma única fibra suporta 96 ondas x50G=4800G.

Figura 2: Diagrama esquemático do módulo óptico 100G QSFP28 DWDM (interface CS)

Figura 3: Diagrama esquemático do módulo óptico 100G QSFP28 DWDM (interface LC)

100G（1x100G PAM4）Solução

Módulos ópticos usando 100G (1x100G) incluem 100G QSFP28 DWDM (banda C, 100GHZ). Este produto é realizado principalmente pela fonte de luz DWDM + tecnologia de modulação de luz de silício. Com o suporte de DCM+EDFA, pode atender a 80km de transmissão, e a largura de banda total de uma única fibra suporta 48 ondas x100G=4800G.

Figura 4: Diagrama esquemático do módulo óptico 100G QSFP28 DWDM

Com suas vantagens, os módulos ópticos PAM4 DWDM são geralmente usados ​​na construção de 100G e 400G, como DCI ponto a ponto, acesso metro Ethernet 100G baseado em DWDM, links corporativos e de campus, arquitetura de acesso móvel 5G, etc. Para data center DCI 80km~120km, tecnologia 50G/100G DWDM baseada em modulação PAM4 de alta ordem pode competir com 200GTecnologia /100G DWDM para participação de mercado a baixo custo. Conforme mostrado na tabela abaixo:

Unid	Solução DWDM 50G PAM4 de onda dupla	Solução PAM100 4G de onda única	Solução Coerente DP-QPSK
Consumo de energia	Sobre o 5.5W	Sobre o 5.5W	Acima de 20 W
Fator de forma	QSFP28	QSFP28	CFP2/CFP
Espaço de frequência DWDM	50GHz	100GHz	50GHz
O EDFA é necessário?	SIM	SIM	SIM
Compensação de dispersão do DCM	SIM	SIM	NÃO
Tolerância RX OSNR	Muito baixo, até 2 EDFAs em cascata	Muito baixo, até 2 EDFAs em cascata	Alto, N EDFAs podem ser em cascata
Largura de banda total típica	96X50G	48X100G	96X100G
Se a transmissão de fibra única/fibra dupla pode ser alcançada	fácil	fácil	Muito difícil e requer duas fontes de luz ITLA diferentes.
A distância de transmissão	80km~120km	80km~100km	Muito mais de 80km

Tabela 1: Sistema 50G PAM4 DWDM VS Sistema 100G PAM4 DWDM VS sistema coerente 100G DWDM

Tecnologias Críticas do Esquema DP-QPSK Coerente de 100G

1) Chaveamento de deslocamento de fase de quadratura de multiplexação de polarização (PM-QPSK)

QPSK é um método de modulação de banda de frequência digital multivariada (quaternária). A portadora senoidal de seu sinal tem 4 possíveis estados de fase discretos, e cada fase portadora carrega 2 símbolos binários. O PM-QPSK divide um único sinal de 100G em dois sinais de portadora de 50G com diferentes estados de polarização e executa a modulação QPSK em cada portadora. Portanto, esse método pode reduzir a taxa de transmissão do canal pela metade. Ao mesmo tempo, como cada estado de polarização pode usar 4 fases para representar informações de bits, é possível reduzir a taxa de transmissão do canal para metade. Consequentemente, após a codificação PM-QPSK, a taxa de transmissão pode ser reduzida para um quarto da taxa de bits.

O seguinte é um diagrama esquemático do método de codificação PM-QPSK:

Figura 5: Diagrama esquemático da codificação PM-QPSK

 2) SD-FEC

A tecnologia FEC é amplamente utilizada em sistemas de comunicação óptica. Diferentes FECs podem obter diferentes desempenhos do sistema. De acordo com os diferentes métodos de processamento dos sinais recebidos, o FEC pode ser dividido em códigos hard e soft-decision.

O código de decisão difícil é um método de decodificação baseado no ponto de vista de código de correção de erros tradicional. O demodulador primeiro toma a melhor decisão difícil sobre o valor de saída do canal. A redundância FEC da decisão difícil é de cerca de 7%, o que tem sido amplamente utilizado no campo da comunicação óptica.

A decodificação de decisão suave faz pleno uso da saída de informações da forma de onda pelo canal. O demodulador envia uma saída de valor real do filtro combinado para o decodificador, ou seja, o decodificador de decisão suave precisa não apenas de fluxos de código "0/1", mas também de "informações suaves" para descrever a confiabilidade desses fluxos de código. Quanto mais longe do limiar de decisão, maior a confiabilidade da decisão, caso contrário, menor a confiabilidade.

Para refletir o grau de distância, é necessário dividir o espaço de julgamento com mais precisão. Além de dividir o limiar “0/1”, os espaços “0” e “1” também são divididos pelo “limiar de confiança” para ilustrar a posição relativa do ponto de decisão no espaço de decisão. Em comparação com a decisão difícil, a decisão suave contém mais informações sobre o canal. O decodificador pode fazer uso total dessas informações por meio de decodificação probabilística, para obter maior ganho de codificação do que a decodificação de decisão difícil.

A OIF recomenda que o 100G escolha a codificação de correção de erro de encaminhamento de decisão suave (SD-FEC) com redundância inferior a 20%. Nesse caso, o ganho líquido de codificação pode atingir cerca de 10.5 dB. O uso da tecnologia SD-FEC 100G pode atingir o mesmo nível de distância de transmissão que 10G.

3) Tecnologia coerente

Coerência refere-se a um mecanismo de demodulação no qual as ondas têm a mesma quantidade de vibração, a mesma direção e frequência de vibração e uma relação de fase fixa. É um método de detecção em que a portadora do sinal modulado é multiplicada pelo sinal modulado recebido, e então o sinal modulado é obtido por filtragem passa-baixa.

A detecção coerente detecta sinais sem fio ópticos modulados em intensidade, fase e frequência. O sinal óptico é misturado com o laser oscilador local (LO) na extremidade receptora antes de entrar no receptor óptico, resultando em uma componente de frequência intermediária igual à diferença entre a frequência do laser LO e a frequência da fonte de luz original.

Em comparação com a detecção direta, a detecção coerente é propensa a obter uma grande relação sinal-ruído. Possui mais tipos de sinais recuperáveis ​​e melhor seletividade de frequência, o que é mais adequado para sistemas DWDM. O receptor coerente digital mapeia todas as propriedades ópticas do sinal óptico para o domínio elétrico através da diversidade de fase e diversidade de polarização. Ele também usa tecnologia DSP madura para obter desmultiplexação de polarização e compensação de danos de linearidade de canal no domínio elétrico. Tudo isso simplifica a compensação de dispersão óptica e o projeto de desmultiplexação de polarização no canal de transmissão para reduzir e eliminar a dependência de compensadores de dispersão óptica e fibras PMD baixas.

No entanto, o receptor coerente digital transfere a complexidade do projeto do canal de transmissão para o receptor. O custo de obter melhores propriedades de detecção em detecção coerente é que a complexidade do sistema é muito aumentada e falta flexibilidade.

 

Princípios básicos da implementação de 100G

1) Princípio básico do transmissor do lado da linha 100G

O objetivo do projeto do módulo óptico de linha de 100 Gb/s é aplicar à transmissão óptica de longa distância e suportar a transmissão de linha de equipamento DWDM de OTU4. A figura a seguir mostra o diagrama de blocos da extremidade de transmissão do módulo óptico do lado da linha de 100 Gb/s.

Figura 6: Diagrama esquemático do transmissor de módulo óptico de teste de linha de 100 Gb/s

Conforme mostrado na figura, a saída de luz contínua pelo laser sintonizável integrado (ITLA) é enviada para o modulador QPSK, que se torna duas ondas de luz após o PBS ser gerado por um dispositivo de separação de polarização no modulador. Cada luz polarizada é modulada por um modulador QPSK, e há sinais I e O gerados pelo MUX ao modular o sinal. O amplificador de banda larga e o driver amplificam os sinais I e O e os aplicam ao modulador para gerar modulação eletro-óptica.

Os dois sinais QPSK modulados são sintetizados por um PBC e um sinal multiplexado de polarização PM-QPSK é emitido. Para o modulador QPSK (Modulador), também é necessário realizar o controle de realimentação (controle de polarização MZ) para os múltiplos pontos de polarização da fase I, Q e Pi/2 através de controle em malha fechada, para que o modulador QPSK possa trabalhar de forma estável por um longo tempo sob o estado de polarização normal. Além disso, a unidade transmissora também codifica os dados de serviço a serem transmitidos através do codificador SD-FEC e os insere em MUX(X) e MUX(Y). Ele gera dados seriais de 4 canais usando conversão paralela para serial e os envia para o driver.

2) Princípio básico do lado receptor

Conforme mostrado na figura abaixo, o sinal óptico PM-QPSK é recebido pela unidade receptora coerente do módulo óptico após transmissão de longa distância. O sinal óptico é dividido em dois sinais ópticos polarizados mutuamente ortogonais pelo divisor de feixe de polarização, denotados como direção X e direção Y. Os sinais ópticos nas duas direções são misturados coerentemente a 90 graus (900Hybrid) com a luz polarizada do oscilador local correspondente. O sinal de saída pela frequência de mistura sofre conversão fotoelétrica através de um detector fotoelétrico balanceado e então é amostrado e quantizado pelo ADC para completar a conversão analógico/digital. Finalmente, a sequência digital discreta após amostragem e quantização é enviada para a unidade DSP para processamento.

Figura 7: diagrama de blocos do receptor do transceptor óptico do lado da linha de 100 Gb/s

No DSP, o sinal digital é sincronizado pelo processamento de recuperação do relógio. A desmultiplexação de polarização e a remoção de CD, PMD e diminuição parcial do efeito não linear são realizadas pela equalização do domínio elétrico. A diferença de frequência entre a fonte de luz de oscilação local e a portadora óptica de transmissão, bem como o efeito do ruído de fase, é eliminado pela frequência offestimativa de conjunto e processamento de julgamento correspondente. Os dados processados ​​são então enviados para a unidade decodificadora SD-FEC para decodificação e, finalmente, o sinal de dados é recuperado.

3) O princípio básico do algoritmo DSP

A unidade DSP completa o algoritmo DSP, que é dividido principalmente em cinco subfunções: Recuperação de Relógio, Equalização com Desmultiplexação de Polarização, Estimativa de Portadora, Estimativa de Fase, Slicer & Decoder. Seu diagrama de blocos funcional é mostrado na figura a seguir.

Figura 8: Diagrama de blocos da unidade de processamento de sinal digital

O seguinte apresentará cada unidade no diagrama de blocos:

• Recuperação de relógio digital

O objetivo da recuperação do relógio digital é: uma vez que o relógio de amostragem do ADC é independente do relógio de símbolo da extremidade transmissora, o tempo de amostragem de símbolo dos receptores do filtro de interpolação deve ser usado. Isso permite que o relógio de amostragem ajustado do receptor sincronize com o relógio do símbolo de transmissão, ou seja, para garantir que a taxa de amostragem do ADC corresponda exatamente à taxa do símbolo.

• Equalização e demultiplexação de polarização

A equalização e a desmultiplexação de polarização são realizadas em uma única polarização. A função da equalização é eliminar o crosstalk do sinal causado pelo fator linear do canal. Pode ser realizado por FIR com coeficientes de derivação fixos ou variáveis, enquanto a desmultiplexação de polarização precisa ser realizada por um filtro borboleta. A desmultiplexação de polarização consiste em separar dois sinais polarizados. Isso porque quando o sinal é transmitido, ocorre um crosstalk entre as duas polarizações (causado pelo acoplamento de polarização). E devido à rotação da polarização, a polarização do sinal após o PBS na extremidade receptora não corresponde à polarização inicial.

•  Freqüência da operadora offdefinir estimativa

Devido às características não ideais do laser, a frequência de oscilação do laser oscilador local no receptor óptico coerente pode ter um desvio da frequência da portadora. Esta frequência offconjunto é refletido no símbolo, que é a fase offdefinir. Para um sistema de modulação de fase como PM-QPSK, a fase offconjunto causado pela frequência offset deve ser removido antes que seja possível demodular o símbolo de dados final. Portanto, a frequência offa estimativa de conjuntos é um módulo indispensável para receptores. O princípio é detectar o tamanho da frequência offdefinido e, em seguida, execute a correção de fase no símbolo para remover a influência da frequência offdefinido, de acordo com a frequência estimada offvalor definido.

Figura 9：frequência da portadora offdefinir estimativa

 

• Fase de portadora offdefinir estimativa

Devido à largura de linha do laser, ocorre alguma mudança de fase perto de sua verdadeira frequência de oscilação. Em consideração ao erro da frequência offestimativa definida, a fase offconjunto do símbolo após a frequência offestimativa de conjunto ainda existe. este offdefina mudanças com o tempo, que pode abranger todas as faixas de 0 a 2π. O objetivo da recuperação da fase portadora é remover esta parte da fase offdefinido de forma que a fase do símbolo de saída possa ser usada diretamente para a decisão do símbolo. O princípio básico da estimativa da fase da portadora é que a fase inesperada offconjunto da fase de informação é obtido e removido de cada símbolo.

• Decodificação e recuperação de dados

Para QPSK, após a recuperação da fase do sinal, dois sinais polarizados I e Q podem ser obtidos de acordo com a regra de modulação de fase. Para DQPSK, após a recuperação da fase do sinal, as fases dos dois símbolos precisam ser subtraídas para obter dois sinais I e Q polarizados.

Características Técnicas e Vantagens do Sistema 100G

Como todos sabemos, cada aumento na taxa de canal único será limitado por deficiências de transmissão, incluindo tolerância OSNR, dispersão cromática, PMD e não linearidade. Portanto, tecnologias mais avançadas são necessárias para reduzir o impacto dessas deficiências de transmissão. O 100G integra várias tecnologias, como multiplexação de polarização, modulação de fase, super FEC, detecção coerente e DSP. As características das atuais soluções de tecnologia 100G são as seguintes:

• Usando a tecnologia de multiplexação de polarização e a ortogonalidade mútua entre os dois estados de polarização do sinal óptico, dois canais de informação são transportados na mesma portadora óptica. Ao fazer isso, a taxa de símbolos do sinal é reduzida pela metade. A combinação de detecção coerente com ADC e DSP também é um avanço tecnológico fundamental em 100G. Em comparação com a detecção direta e a demodulação autocoerente, a combinação de detecção coerente e tecnologia DSP pode efetivamente melhorar a eficiência da demodulação e a sensibilidade do receptor.
•  A tecnologia QPSK pode dobrar a quantidade de informação transportada pela portadora óptica, e sua combinação com multiplexação de polarização reduz a taxa de transmissão do sinal de 100G para cerca de 25Gbaud/s. Portanto, o QPSK pode ser aplicado no sistema OTN com um intervalo de 50 GHz e pode reduzir os requisitos de sinal para tolerância à não linearidade da fibra.
• A tecnologia 100G pode melhorar efetivamente o ganho de codificação por meio da solução LDPC (Código de verificação de paridade de baixa densidade) e do método de decisão suave.
• A combinação de detecção coerente com ADC e DSP também é um avanço tecnológico fundamental em 100G. Em comparação com a detecção direta e a demodulação autocoerente, a combinação de detecção coerente e tecnologia DSP pode efetivamente melhorar a eficiência da demodulação e a sensibilidade do receptor.

Conclusão

Para interconexão de data center (DCI) dentro de uma distância de transmissão de 100 km, a FiberMall oferece soluções de 100G (2X50G PAM4) DWDM QSFP28 e 100G (1x100G PAM4) DWDM QSFP28. Para redes de área metropolitana, a distância de transmissão é superior a 100 km, a FiberMall fornece duas soluções de longa distância, 1x 100G QSFP28 a 1x 100G CFP-CDO e 2x 100G QSFP28 a 1x 200G CFP2 DP-8QAM ou DP-16QAM. Através dos esforços conjuntos de todos os funcionários da FiberMall, a tecnologia 100G DWDM tornou-se muito madura e foi amplamente implantada em data centers e redes de áreas metropolitanas em todo o mundo.