Ключевые технологии системы 100G DWDM

Непрерывное развитие средне- и высокоскоростных услуг в сетях связи выдвинуло более высокие и неотложные требования к пропускной способности существующих сетей связи центров обработки данных (DCI) и городских сетей связи. Эволюция от основной технологии оптической передачи 10/40 Гбит/с к 100 Гбит/с стала тенденцией технологии оптической передачи. После большого количества исследований компания FiberMall пришла к выводу, что технология QSFP28 PAM4 может использоваться для передачи 100G DWDM в пределах 100 км, а методы оптической передачи 100G с фазовой модуляцией и когерентным приемом необходимы для передачи 100G DWDM на расстояние более 100 км.

Среди них система передачи PM-QPSK с использованием технологии когерентного приема является наиболее признанной в отрасли. Различные искажения в канале, такие как хроматическая дисперсия, PMD, несущая частота и фаза. offможет гибко компенсироваться в электрической области и реконфигурироваться в сигналах системным приемником PM-QPSK с использованием технологии цифровой обработки сигналов (DSP). Таким образом, PM-QPSK в сочетании с когерентным обнаружением обеспечивает оптимальное решение, которое большинство поставщиков систем выбирает в качестве схемы передачи на большие расстояния 100G.

Технология DWDM развивалась до все более высоких скоростей модуляции, включая 1.25G NRZ, 2.5G NRZ, 10G NRZ и 25G NRZ. И 50G PAM4, и 100G PAM4 используют модуляцию высокого порядка PAM4, как и конкурентоспособная в настоящее время технология когерентной модуляции DWDM, в основном для 200G и 400G, а также будущих услуг с высокой пропускной способностью 800G.

Оптический модуль 100G DWDM QSFP28 PAM4 подключается непосредственно к соответствующему маршрутизатору или коммутатору центра обработки данных без необходимости использования отдельной платформы преобразователя DWDM, что значительно снижает затраты и упрощает развертывание и обслуживание. Кроме того, с соответствующими модулями компенсации дисперсии (DCM) и системами усиления EDFA модули PAM4 могут быть добавлены к существующим сетям DWDM для гибридной передачи.

Формы продуктов следующего поколения основаны на модуляции высокого порядка PAM4: 50G (1x50G PAM4), 100G (2x50G PAM4) и 100G (1x100G PAM4).

 

50G (1X50G PAM4)Решения

Оптические модули, использующие решения 50G (1X50G PAM4), включают оптические модули 50G SFP56 DWDM (диапазон C, интервал длин волн 50 ГГц). Продукт использует форм-фактор SFP56, который имеет тот же размер, что и SFP+, и может быть напрямую обновлен до 50G без изменения исходной архитектуры развертывания.

Оптический модуль 50G SFP56 DWDM использует модуляцию 50G PAM4 как на стороне оптического порта, так и на стороне электрического порта, а также использует лазер DWDM EML на передающем конце. Благодаря поддержке компенсации дисперсии DCM и EDFA он может соответствовать требованиям по дальности передачи не менее 80 км. Общая пропускная способность одного волокна поддерживает 96 волн x50G=4800G, а его форма продукта с температурой промышленного класса может удовлетворить потребности передовых систем 5G.

Рис. 1. Принципиальная схема оптического модуля 50G SFP56 DWDM.

100G (2X50G PAM4)Решения

Оптический модуль, использующий решение 100G (2X50G PAM4), включает 100G КСФП28 DWDM (C-диапазон, интервал длин волн 50 ГГц). В отрасли он обычно называется 100G PAM4 QSFP28, а его оптический порт поддерживает сервис 100GE на двух различных длинах волн 2G DWDM. Сторона электрического порта использует 50X4G NRZ, а сторона оптического порта имеет два решения: интерфейсы CS и LC. Интерфейс CS использует 25 оптических волокна, 4 входа и 2 выхода. Схема дуплексного интерфейса LC использует технологию WDM, и для передачи можно использовать 2 оптических волокна. Благодаря поддержке компенсации дисперсии DCM и EDFA он может соответствовать требованиям по дальности передачи не менее 2 км, а общая пропускная способность одного волокна поддерживает 80 волн x96G = 50G.

Рис. 2. Принципиальная схема оптического модуля 100G QSFP28 DWDM (интерфейс CS)

Рис. 3. Принципиальная схема оптического модуля 100G QSFP28 DWDM (интерфейс LC)

100G (1x100G PAM4) Решение

Оптические модули с использованием 100G (1x100G) решения включают 100G QSFP28 DWDM (диапазон C, 100 ГГц). Этот продукт в основном реализован с помощью источника света DWDM + технологии модуляции кремниевого света. Благодаря поддержке DCM + EDFA он может обеспечить передачу на 80 км, а общая пропускная способность одного волокна поддерживает 48 волн x100G = 4800G.

Рис. 4. Принципиальная схема оптического модуля 100G QSFP28 DWDM.

Благодаря своим преимуществам оптические модули PAM4 DWDM обычно используются в конструкциях 100G и 400G, таких как DCI «точка-точка», городской доступ 100G Ethernet на основе DWDM, кампусные и корпоративные каналы, архитектура мобильного доступа 5G и т. д. Для центра обработки данных DCI 80–120 км, технология 50G/100G DWDM, основанная на модуляции высокого порядка PAM4, может конкурировать с когерентным 200GТехнология /100G DWDM для увеличения доли рынка по низкой цене. Как показано в таблице ниже:

пункты	Двухволновое решение 50G PAM4 DWDM	Одноволновое решение 100G PAM4	Согласованное решение DP-QPSK
Потребляемая мощность	О 5.5W	О 5.5W	Выше 20 Вт
Фактор формы	QSFP28	QSFP28	CFP2/CFP
частотное пространство DWDM	50GHz	100GHz	50GHz
Требуется ли ЭДФА?	ДА	ДА	ДА
Компенсация дисперсии DCM	ДА	ДА	НЕТ
RX Допуск OSNR	Очень низкий, до 2 EDFA в каскаде	Очень низкий, до 2 EDFA в каскаде	Высокий, N EDFA можно каскадировать
Типичная общая пропускная способность	96X50G	48X100G	96X100G
Может ли быть реализована одноволоконная/двухволоконная передача	легко	легко	Очень сложно и требует двух разных источников света ITLA.
Расстояние передачи	80км~120км	80км~100км	Далеко больше 80км

Таблица 1: Система 50G PAM4 DWDM VS система 100G PAM4 DWDM VS когерентная система 100G DWDM

Критические технологии схемы 100G Coherent DP-QPSK

1) Квадратурная фазовая манипуляция с поляризационным мультиплексированием (PM-QPSK)

QPSK — это метод многомерной (четвертичной) цифровой частотной модуляции. Синусоидальная несущая его сигнала имеет 4 возможных состояния дискретной фазы, и каждая фаза несущей несет 2 двоичных символа. PM-QPSK делит один сигнал 100G на два несущих сигнала 50G с разными состояниями поляризации и выполняет модуляцию QPSK на каждой несущей. Таким образом, этот метод может уменьшить скорость передачи канала вдвое. В то же время, поскольку каждое состояние поляризации может использовать 4 фазы для представления битовой информации, можно уменьшить скорость передачи канала вдвое. Следовательно, после кодирования PM-QPSK скорость передачи данных может быть снижена до четверти скорости передачи данных.

Ниже приведена схема метода кодирования PM-QPSK:

Рисунок 5: Схематическая диаграмма кодирования PM-QPSK

 2)SD-ФЭК

Технология FEC широко используется в оптических системах связи. Разные FEC могут обеспечивать разную производительность системы. В соответствии с различными методами обработки принятых сигналов FEC можно разделить на коды с жестким и мягким решением.

Код с жестким решением — это метод декодирования, основанный на традиционной точке зрения кода с исправлением ошибок. Демодулятор сначала принимает наилучшее твердое решение о выходном значении канала. Избыточность FEC жесткого решения составляет около 7%, что нашло широкое применение в области оптической связи.

Декодирование с мягким решением полностью использует информацию о форме сигнала, выводимую каналом. Демодулятор отправляет выходные данные согласованного фильтра в декодер, то есть декодеру с мягким решением нужны не только кодовые потоки «0/1», но и «мягкая информация» для описания надежности этих кодовых потоков. Чем дальше от порога принятия решения, тем выше надежность решения, в противном случае надежность ниже.

Чтобы отразить степень дистанции, необходимо более тонко разделить пространство суждения. Помимо деления порога «0/1», пространства «0» и «1» также разделены «порогом достоверности», чтобы проиллюстрировать относительное положение точки решения в пространстве решений. По сравнению с жестким решением мягкое решение содержит больше информации о канале. Декодер может в полной мере использовать эту информацию посредством вероятностного декодирования, чтобы получить большую эффективность кодирования, чем при декодировании с жестким решением.

OIF рекомендует для 100G выбирать кодирование с прямым исправлением ошибок с мягким решением (SD-FEC) с избыточностью менее 20%. В этом случае чистый выигрыш от кодирования может достигать примерно 10.5 дБ. Использование технологии SD-FEC 100G позволяет достичь того же уровня дальности передачи, что и 10G.

3) Согласованная технология

Когерентность относится к механизму демодуляции, в котором волны имеют одинаковую величину вибрации, одинаковое направление и частоту вибрации и фиксированное соотношение фаз. Это метод обнаружения, при котором несущая модулированного сигнала умножается на полученный модулированный сигнал, а затем модулированный сигнал получается путем фильтрации нижних частот.

Когерентное обнаружение определяет интенсивность, фазу и частотно-модулированные оптические беспроводные сигналы. Оптический сигнал смешивается с гетеродином лазера (LO) на приемном конце перед входом в оптический приемник, в результате чего получается промежуточная частотная составляющая, равная разнице между частотой гетеродина и частотой исходного источника света.

По сравнению с прямым обнаружением когерентное обнаружение склонно к получению большого отношения сигнал/шум. Он имеет больше типов восстанавливаемых сигналов и лучшую избирательность по частоте, что больше подходит для систем DWDM. Цифровой когерентный приемник преобразует все оптические свойства оптического сигнала в электрическую область посредством фазового и поляризационного разнесения. Он также использует развитую технологию DSP для достижения поляризационного демультиплексирования и компенсации повреждения линейности канала в электрической области. Все это упрощает конструкцию компенсации оптической дисперсии и демультиплексирования поляризации в канале передачи, чтобы уменьшить и устранить зависимость от компенсаторов оптической дисперсии и волокон с низким PMD.

Однако цифровой когерентный приемник переносит сложность конструкции канала передачи на приемник. Цена получения лучших свойств обнаружения при когерентном обнаружении заключается в том, что сложность системы значительно возрастает, и ей не хватает гибкости.

 

Основные принципы реализации 100G

1) Основной принцип линейного передатчика 100G

Целью разработки оптического модуля на стороне линии 100 Гбит/с является применение оптической передачи на большие расстояния и поддержка передачи на стороне линии оборудования DWDM OTU4. На следующем рисунке показана блок-схема передающей стороны оптического модуля на стороне линии 100 Гбит/с.

Рис. 6. Принципиальная схема передатчика оптического модуля для тестирования линии 100 Гбит/с.

Как показано на рисунке, непрерывный световой поток встроенного перестраиваемого лазера (ITLA) направляется в модулятор QPSK, который становится двумя световыми волнами после того, как PBS генерируется устройством разделения поляризации в модуляторе. Каждый поляризованный свет модулируется модулятором QPSK, а MUX генерирует сигналы ввода и вывода при модуляции сигнала. Широкополосный усилитель и драйвер усиливают входные и выходные сигналы и подают их на модулятор для создания электрооптической модуляции.

Модулированные два сигнала QPSK синтезируются с помощью PBC, и выводится сигнал, мультиплексированный с поляризацией PM-QPSK. Для модулятора QPSK (Modulator) также необходимо выполнять управление с обратной связью (управление смещением MZ) для нескольких точек смещения фазы I, Q и Pi/2 посредством управления с обратной связью, чтобы модулятор QPSK мог стабильно работать в течение длительного времени при нормальном состоянии смещения. Кроме того, передающий блок также кодирует служебные данные, подлежащие передаче через кодер SD-FEC, и вводит их в MUX(X) и MUX(Y). Он генерирует 4-канальные последовательные данные с использованием параллельного преобразования в последовательный и выводит их на драйвер.

2) Основной принцип принимающей стороны

Как показано на рисунке ниже, оптический сигнал PM-QPSK принимается блоком когерентного приема оптического модуля после передачи на большие расстояния. Оптический сигнал делится на два взаимно ортогональных поляризованных оптических сигнала с помощью поляризационного светоделителя, обозначенных как направление X и направление Y. Оптические сигналы в двух направлениях когерентно смешиваются под углом 90 градусов (900Hybrid) с соответствующим поляризованным светом гетеродина. Выходной сигнал частоты смешения подвергается фотоэлектрическому преобразованию через сбалансированный фотоэлектрический детектор, а затем дискретизируется и квантуется АЦП для завершения аналого-цифрового преобразования. Наконец, дискретная цифровая последовательность после дискретизации и квантования отправляется в блок DSP для обработки.

Рисунок 7: Блок-схема приемника оптического приемопередатчика на стороне линии 100 Гбит/с.

В DSP цифровой сигнал синхронизируется с помощью обработки восстановления тактовой частоты. Поляризационное демультиплексирование и устранение CD, PMD и ухудшения частичного нелинейного эффекта реализуются за счет выравнивания электрических доменов. Разность частот между локальным колебательным источником света и передающей оптической несущей, а также влияние фазового шума устраняется частотой offустановить оценку и соответствующую обработку суждения. Затем обработанные данные отправляются в блок декодера SD-FEC для декодирования, и, наконец, сигнал данных восстанавливается.

3) Основной принцип алгоритма DSP

Блок DSP завершает алгоритм DSP, который в основном разделен на пять подфункций: восстановление тактовой частоты, выравнивание с поляризационным демультиплексированием, оценка несущей, оценка фазы, слайсер и декодер. Его функциональная блок-схема показана на следующем рисунке.

Рисунок 8: Блок-схема блока цифровой обработки сигналов

Далее будет представлен каждый блок на блок-схеме:

• Восстановление цифровых часов

Цель восстановления цифрового тактового сигнала: поскольку тактовая частота дискретизации АЦП не зависит от тактовой частоты символа передающей стороны, необходимо использовать время выборки символа приемников интерполяционного фильтра. Это позволяет синхронизировать скорректированные часы дискретизации приемника с часами символов передачи, то есть обеспечить точное соответствие частоты дискретизации АЦП скорости символов.

• Выравнивание и поляризационное демультиплексирование

Выравнивание и поляризационное демультиплексирование выполняются на одной поляризации. Функция коррекции заключается в устранении перекрестных помех сигнала, вызванных линейным фактором канала. Это может быть реализовано с помощью КИХ с фиксированными или переменными коэффициентами отвода, в то время как поляризационное демультиплексирование должно быть реализовано с помощью фильтра-бабочки. Поляризационное демультиплексирование предназначено для разделения двух поляризованных сигналов. Это связано с тем, что при передаче сигнала между двумя поляризациями возникают перекрестные помехи (вызванные поляризационной связью). А из-за поворота поляризации поляризация сигнала после ФБС на приемном конце не соответствует исходной поляризации.

•  Несущая частота offустановить оценку

Из-за неидеальности характеристик лазера частота генерации гетеродина лазера в оптическом когерентном приемнике может иметь отклонение от несущей частоты. Эта частота offнабор отражается в символе, который является фазой offустановлен. Для системы фазовой модуляции, такой как PM-QPSK, фаза offнабор, вызванный частотой offset должен быть удален до того, как можно будет демодулировать окончательный символ данных. Следовательно, частота offоценка множества является незаменимым модулем для приемников. Принцип заключается в определении размера частоты offустановите, а затем выполните фазовую коррекцию символа, чтобы устранить влияние частоты offустановить, согласно предполагаемой частоте offустановить значение.

Рисунок 9: несущая частота offустановить оценку

 

• Несущая фаза offустановить оценку

Из-за ширины линии лазера вблизи его истинной частоты колебаний возникает некоторый фазовый сдвиг. С учетом погрешности частоты offустановить оценку, фаза offнабор символа после частоты offустановленная оценка все еще существует. Этот offset меняется со временем, что может охватывать все диапазоны от 0 до 2π. Целью восстановления фазы несущей является удаление этой части фазы offустановить так, чтобы фаза выходного символа могла быть непосредственно использована для определения символа. Основной принцип оценки фазы несущей заключается в том, что неожиданная фаза offнабор информационных фаз получается и снимается с каждого символа.

• Декодирование и восстановление данных

Для QPSK после восстановления фазы сигнала можно получить два поляризованных сигнала I и Q в соответствии с правилом фазовой модуляции. Для DQPSK после восстановления фазы сигнала необходимо вычесть фазы двух символов, чтобы получить два поляризованных сигнала I и Q.

Технические особенности и преимущества системы 100G

Как мы все знаем, любое увеличение одноканальной скорости будет ограничено ухудшением качества передачи, включая допуск OSNR, хроматическую дисперсию, PMD и нелинейность. Следовательно, требуются более совершенные технологии для уменьшения влияния этих ухудшений передачи. 100G объединяет несколько технологий, таких как поляризационное мультиплексирование, фазовая модуляция, супер FEC, когерентное обнаружение и DSP. Характеристики текущих технологических решений 100G следующие:

• Благодаря использованию технологии поляризационного мультиплексирования и взаимной ортогональности между двумя состояниями поляризации оптического сигнала два канала информации передаются на одном и том же оптическом носителе. При этом скорость передачи символов сигнала снижается вдвое. Сочетание когерентного обнаружения с АЦП и DSP также является ключевым технологическим прорывом в 100G. По сравнению с прямым детектированием и самокогерентной демодуляцией комбинация когерентного детектирования и технологии цифровой обработки сигналов может эффективно повысить эффективность демодуляции и чувствительность приемника.
•  Технология QPSK может удвоить объем информации, переносимой оптическим носителем, а ее сочетание с поляризационным мультиплексированием снижает скорость передачи сигнала 100G примерно до 25 Гбод/с. Таким образом, QPSK может применяться в системе OTN с интервалом 50 ГГц и может снизить требования к сигналу для устойчивости к нелинейности волокна.
• Технология 100G может эффективно повысить эффективность кодирования с помощью решения LDPC (код с проверкой на четность с низкой плотностью) и метода мягкого решения.
• Сочетание когерентного обнаружения с АЦП и DSP также является ключевым технологическим прорывом в 100G. По сравнению с прямым детектированием и самокогерентной демодуляцией комбинация когерентного детектирования и технологии цифровой обработки сигналов может эффективно повысить эффективность демодуляции и чувствительность приемника.

Заключение

Для соединения центров обработки данных (DCI) на расстоянии передачи 100 км FiberMall предлагает решения 100G (2x50G PAM4) DWDM QSFP28 и 100G (1x100G PAM4) DWDM QSFP28. Для городских сетей расстояние передачи составляет более 100 км. FiberMall предлагает два решения для дальней связи: от 1x 100G QSFP28 до 1x 100G CFP-CDO и от 2x 100G QSFP28 до 1x 200G CFP2 DP-8QAM или DP-16QAM. Благодаря совместным усилиям всех сотрудников FiberMall технология 100G DWDM стала очень зрелой и получила широкое распространение в центрах обработки данных и городских сетях по всему миру.