Aplicação de Tecnologia Óptica Coerente em Data Centers

A pesquisa sobre tecnologia óptica coerente teve origem na década de 1980. Em comparação com o sistema IM-DD tradicional (detecção direta de modulação de intensidade), a comunicação óptica coerente tem as vantagens de alta sensibilidade, longa distância de relé, boa seletividade, grande capacidade de comunicação e modo de modulação flexível. No data center da Internet, o foco técnico está mudando cada vez mais do desenvolvimento DCN para o desenvolvimento DCI, e a implementação da estratégia nacional de “recursos de computação de canal de leste a oeste” também significa que a rede de interconexão de longa distância de data centers é mais importante. Portanto, a tecnologia óptica coerente é um elo fundamental neste processo.

Tecnologia de Modulação

O processo de comunicação óptica é na verdade a modulação e desmodulação de sinais. Para lhe proporcionar uma compreensão mais clara da comunicação óptica coerente, apresentamos dois métodos de modulação relacionados à fase:

Modulação PSK

PSK, também conhecido como “phase shift keying”, transmite diferentes fluxos de sinais digitais alterando o valor de fase da portadora. A modulação PSK é amplamente utilizada em comunicação óptica.

De acordo com a relação de fase de duas portadoras diferentes, o PSK é dividido em BPSK (fase inversa) e QPSK (quadratura), que podem representar dados de 1 bit e 2 bits, respectivamente, para um símbolo.

A modulação QAM

Além dos métodos de modulação acima, a modulação QAM (amplitude em quadratura) também é frequentemente usada em comunicação óptica, ou seja, usando tanto a fase quanto a amplitude da portadora para transmitir dados. Existem m pontos no quadrante, que correspondem à modulação mQAM, onde m = 2ⁿ, o que significa que na modulação mQAM, um símbolo de portadora transmite dados de n bits, que também é o conceito de diagrama de constelação frequentemente mencionado.

Entre esses métodos de modulação, os cenários de negócios reais geralmente adicionam algumas outras tecnologias para aumentar a capacidade de transporte de um único canal, reduzir a taxa de transmissão do sinal, etc. Por exemplo, a tecnologia comum PDM (multiplexação de polarização) divide um sinal óptico em duas direções de polarização para modulação separadamente, transmitindo 2 vezes os dados. Tanto a modulação PSK quanto a modulação QAM usam a fase da portadora para transmitir informações, e uma demodulação coerente é necessária na extremidade receptora.

Demodulação Coerente

Coerência é um fenômeno em óptica: pontos fortes são sempre fortes, pontos fracos são sempre fracos, e luz coerente refere-se a ondas de luz que têm a mesma frequência que a fonte de luz (tomando aqui a detecção de diferença zero como exemplo), diferença de fase constante, e a mesma direção de vibração das partículas no ponto de superposição. O processo geral de comunicação óptica coerente é o seguinte:

O sinal de banda base é modulado no transmissor e, após a transmissão pela fibra, é demodulado de forma coerente no receptor e, finalmente, o sinal elétrico original é obtido no receptor. Existem muitos dispositivos importantes neste processo, como o processador de sinal digital (DSP), que desempenha um papel importante, e também o apresentaremos mais tarde. As mudanças de sinal em todo o processo são as seguintes:

Através das informações acima, você deve ter um conhecimento básico de comunicação óptica coerente. O nascimento da transmissão coerente mudou o desenvolvimento das redes de transmissão óptica. O eletrônico processador de sinal digital (DSP) introduzido por ele tornou-se o principal fator impulsionador para aumentar a capacidade das redes WDM metropolitanas e de longa distância. Pode-se dizer que a tecnologia óptica coerente é a base da transmissão óptica de longa distância e grande capacidade.

400G ZR

A tecnologia óptica coerente não é uma tecnologia nova e passou por um longo período de acumulação tecnológica. O primeiro sistema transceptor óptico coerente foi integrado à placa de linha do equipamento de comunicação, mas com a maior maturidade da tecnologia, a capacidade de controlar dispositivos de precisão e a crescente demanda por largura de banda de comunicação óptica, a pesquisa em módulos ópticos coerentes conectáveis ​​gradualmente tornou-se em a ordem do dia. Isto é especialmente verdadeiro na indústria da Internet. Com base no mesmo sistema de equipamento, os módulos ópticos conectáveis ​​podem atender a diferentes necessidades de negócios. Pode-se dizer que os módulos ópticos conectáveis ​​sempre foram uma parte importante do desenvolvimento dos data centers da Internet. Módulos ópticos coerentes conectáveis ​​foram ampliados para taxas de 100G/200G, mas realmente deram início a um desenvolvimento crescente em taxas de 400G.

OIF (Optical Internetworking Forum) lançou o padrão da indústria 400G ZR DCO para cenários de interconexão de redes de áreas metropolitanas, e cada vez mais fabricantes de equipamentos e fabricantes de módulos ópticos começaram a adotar o padrão e alcançar interconexão e interoperabilidade heterogêneas.

A especificação OIF 400G ZR adota uma solução que combina multiplexação por divisão de comprimento de onda densa (DWDM) e DP-16QAM, que pode transmitir 400G em um link de interconexão de data center de 80 ~ 120 km (fibra pura pura até 40 km, o amplificador óptico pode atingir 120 km). Neste padrão, existem três padrões de embalagem MSA aplicáveis, a saber: QSFP-DD, OSFP e CFP2. No data center da Internet, o padrão de empacotamento QSFP-DD é o mais comumente usado. Ressalta-se que o OIF 400G ZR define o módulo DCO (óptico coerente digital), e antes disso existia também o módulo ACO (óptico coerente analógico). As principais diferenças entre os dois são as seguintes:

Como pode ser visto na figura, a principal diferença entre o módulo DCO e o módulo ACO é que o DCO integra o chip DSP diretamente no dispositivo óptico e usa comunicação digital entre o módulo e o sistema host. A vantagem disso é que ele pode conseguir comunicação entre fornecedores heterogêneos de switches/roteadores.

Processador de sinal digital (DSP)

O chip DSP, como parte do módulo DCO, é de suma importância. Como nasceu o DSP? Em termos simples, os sinais ópticos são facilmente distorcidos quando transmitidos por longas distâncias, tornando difícil para o receptor restaurar os dados com precisão. Contudo, os sinais digitais são mais fáceis de processar do que os sinais ópticos e podem neutralizar e compensar a distorção, reduzindo assim o impacto da distorção na taxa de erro de bit do sistema. Pode-se dizer que o surgimento do DSP abriu a era digital da comunicação óptica, e o DSP é um importante suporte para a comunicação óptica coerente. Vamos dar uma olhada na função do DSP no módulo DCO através de uma figura:

Conforme mostrado na figura, os módulos funcionais com fundo marrom-vermelho são todos transportados pelo chip DSP. Resumimos algumas das principais funções do DSP:

1. QI ortogonal: compensa o QI não ortogonal causado pelo modulador, mixer
2. Recuperação de relógio: compensar erros de amostragem
3. Compensação de dispersão
4. Equalização de polarização: compensar deficiências relacionadas à polarização, demultiplexação de polarização
5. Estimativa de frequência: frequência portadora offdefinir estimativa e compensação entre transmissor e receptor
6. Estimativa de fase: estimativa e compensação de ruído de fase portadora
7. Saída de decisão: decisão suave/dura, decodificação de canal, decodificação de fonte, estimativa de taxa de erro de bit

Como o DSP carrega muitas funções, o DSP inicial também enfrentou problemas como tamanho grande e alto consumo de energia. Portanto, o progresso tecnológico em torno do chip DSP também é constantemente explorado: l

• No estágio atual, a maioria dos DSPs são de processo de 7 nm, e as principais formas de embalagem dos módulos DCO são QSFP-DD, OSFP e CFP2, com uma taxa de 400G/200G l
• Na fase 2022-2025, serão lançados DSPs de processo de 5 nm e a taxa alvo será de 1.6T/800G

Na indústria da Internet, o 400G DCO será um cenário típico para a aplicação em larga escala de óptica coerente. Como líder no campo 400G, a H3C promoverá naturalmente ativamente a construção de óptica coerente. Na verdade, assim que 400G ZR nasceu, a H3C conduziu testes conjuntos com os principais fabricantes de DCO do setor e lançou a solução IPoverDWDM:

Esta solução insere diretamente um módulo óptico coerente 400G ZR/OpenZR+ QSFP-DD no switch H3C 12500R e realiza a transmissão IPoverDWDM de DCI através da transmissão da camada óptica. O lançamento desta solução ajuda a reduzir a complexidade da rede de interconexão do data center, aumentar a confiabilidade do sistema de transmissão, alcançar transmissão de grande capacidade e reduzir o consumo e custo de energia do sistema.

Caso de aplicação da solução DCI

Empresa: Distribuidor        

Localização: França

Ano do item: maio de 2022

Aplicação: Centro de Dados

Antecedentes: O cliente neste caso é um distribuidor. Eles estavam ajudando seu cliente a expandir a rede existente de dois data centers adjacentes de 80 km na França, e apenas alguns comprimentos de onda não utilizados poderiam ser utilizados. O serviço ao usuário final era então 100G e 10G, e haverá múltiplas transmissões híbridas de 10G, 100G e 400G no futuro.

A imagem é gentilmente fornecida pelo cliente no site do aplicativo

Solução: A equipe de P&D da FiberMall desenvolveu exclusivamente o 2Q28-10SFP-200G 200G Muxponder, que pode suportar a conversão de 1*100G+10*10G (ou 2*100G) para 1*200G CFP2-DCO, combinando com o FM-3200 DCI- 8 plataformas 2U com 8 slots de serviços para melhor utilizar os comprimentos de onda limitados para atender perfeitamente às necessidades do cliente e ao plano de expansão futuro.

Empresa: Integrador de Sistemas        

Localização: Holanda

Ano do item: junho de 2022

Aplicação: Computação em Nuvem

Antecedentes: O cliente neste caso é um integrador de sistemas especializado em diversas soluções de Internet para utilizadores locais na Europa. Eles procuravam uma solução OTN altamente integrada e de custo relativamente baixo para 350 km de fibra que acabara de ser alugada por uma empresa de computação em nuvem na Holanda e a camada óptica já havia sido implantada. O serviço ao usuário final na época era um serviço 4x100GE, com mais expansões 100G/400G por vir.

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Solução: A equipe técnica da FiberMall considerou totalmente as demandas do cliente, a camada elétrica usando 4Q28-CFP2-400G 400G Muxponder que suporta 1*400G ou 4*100G na conversão do lado do cliente na plataforma FM-3200 DCI-8 2U para minimizar o espaço do equipamento, implante sob demanda e economize mais investimentos.

Empresa: Revendedor       

Localização: Vietnã

Ano do item: maio de 2023

Aplicação: ISP

Solução: A equipe de P&D da FiberMall configurou as 2 peças 4Q28-2CFP2-200G 200G Muxponder, que pode suportar a conversão de 4 * 100G para 2 * 200G CFP2-DCO, combinando a plataforma FM-1600 DCI-4 1U com 1 placa de proteção de linha óptica e 1 slot para expansão, o tradicional chassi FM-3200 II 2U está equipado com MuxDemux duplo e amplificador óptico para melhor proteção.

Proteção de canal óptico: Dois serviços 200G foram divididos em dois serviços idênticos através do módulo OLP, respectivamente no roteamento principal e de backup do Mux e demux, transmitidos para a extremidade oposta. Pode fazer os dois serviços do roteamento principal e de backup na mesma linha; também pode fazer os dois serviços do principal e de backup em um roteamento diferente.

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Diagrama esquemático

Empresa: Distribuidor        

Localização: EUA

Ano do item: julho de 2023

Aplicação: ISP

Antecedentes: O cliente neste caso é um distribuidor e o usuário final já construiu a camada óptica, e precisa expandir o novo serviço 16x100G na rede original.

Solução: A equipe de P&D da FiberMall desenvolveu exclusivamente o 4T28-CFP2-400G 400G Muxponder, que pode suportar a conversão de 4*100G (ou 1*400G) para 1*400G CFP2-DCO, combinando a plataforma FM-1600 DCI-4 1U com 4 slots de serviços para maximizar o uso do espaço do chassi e economizar cliente custos.

A imagem é gentilmente cedida pela fábrica