Wie PAM4 den Sprung auf 400G ermöglichte

In diesem Blog werfen wir einen genaueren Blick auf PAM4, das Modulationsschema, das 400G-Netzwerke über kurze Entfernungen ermöglicht, und diskutieren, wie diese Technologie große Fortschritte in der optischen Netzwerktechnik, wie wir sie kennen, ermöglicht hat. 

Einführung

Unersättlich – das ist ein Wort, das den ständig wachsenden Bandbreitenbedarf globaler Endbenutzer so treffend beschreibt. Während wir erst vor kurzem begonnen haben, über 100G hinauszugehen und das Potenzial von 400G zu nutzen, ist vielen im Bereich der optischen Netzwerke bereits klar, dass 800G bald eine Notwendigkeit sein wird. Da sich die breitere Telekommunikationslandschaft auf die Implementierung neuer Innovationen in den Bereichen virtuelle Realität, KI und 5G freut, wird die Nachfrage nach der Geschwindigkeit und Kapazität, die 400G/800G bietet, entsprechend stark ansteigen – insbesondere für Anwendungsfälle mit kurzer Reichweite wie die Interkonnektivität von Rechenzentren. Die folgende Grafik zeigt einen Überblick über die gängigsten steckbaren Geräte der letzten Jahrzehnte. Die physikalischen Formfaktoren werden ebenso gezeigt wie die optische Datenratenausgabe und einige der technologischen Fortschritte. Ein wichtiges neues Modulationsschema, PAM4 wurde etwa 2017 eingeführt und ermöglichte den großen Sprung von 100G auf 400G. 

Wenn es darum geht, 400G- und höhere Ethernet-Geschwindigkeiten zu ermöglichen, ist eine vierstufige Pulsamplitudenmodulation oder PAM4-Mehrstufensignalisierung erforderlich, im Gegensatz zur für 100G-Anwendungen bevorzugten Non-Return-to-Zero-Modulation (NRZ). Was ist also PAM4-Modulation und wie hat sie optische Netzwerke verändert? 

Was ist PAM4-fähiges 400G? 

Netzwerkingenieure nutzen seit langem die Non-Return-to-Zero-Modulation (NRZ) für 1G, 10G und 25G und nutzen die Host-seitige Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC), um Übertragungen über größere Entfernungen zu ermöglichen. Um von 40G auf 100G zu gelangen, wandte sich die Industrie einfach der Parallelisierung der 10G/25G-NRZ-Modulationen zu und nutzte auch Host-seitiges FEC für die längeren Entfernungen. Wenn es darum geht, Geschwindigkeiten von 400G/800G und schneller zu erreichen, sind diese Standardtechnologien einfach nicht mehr kosteneffektiv. Infolge, Ingenieure für optische Netzwerke sind auf die PAM4-Modulation umgestiegendiese mitzubringen Netzwerkarchitekturen mit extrem hoher Bandbreitealso zum Tragen kommen Kosteneffizienz ist einer der Treiber von PAM4-aktiviert 400G und höher. 

Abb. 1a) NRZ-Modulation

Abb. 1b) PAM4-Modulation

PAM4 ist ein Modulationsschema, das zwei Bits zu einem einzigen Symbol mit vier Amplitudenstufen kombiniert, wie in Abb. 1b dargestellt. Dies effektiv verdoppelt die Datenrate eines Netzwerks und ermöglicht 400G/800G-Kurzstreckenübertragungen.Infolgedessen ist es ein effektive Antwort auf die Bedürfnisse der Netzbetreiber nach einer kostengünstigen Lösungdie NRZ einfach nicht bieten kann.  

Zeitpläne für die Bereitstellung: Aufrüsten der Netzwerke für 400G und Ausblick auf 800G 

Obwohl PAM4 es Betreibern optischer Netzwerke ermöglicht, die 400G-Übertragung über kurze Distanzen zu verfolgen, führt es zu einer Beeinträchtigung des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR). Aus diesem Grund verkürzt sich die Übertragungsdistanz im Bereich von bis zu 10 km. Gleichzeitig besteht auch ein viel größerer Bedarf an FEC, um den Verlust der Signalintegrität abzumildern. PAM4 bedeutet nicht unbedingt, dass mehr Ausrüstung erforderlich ist, auch wenn die Übertragungsentfernungen kürzer sind. Es erfordert jedoch mehr Signalverarbeitung, mehr Fehlerkorrektur und leistungsstärkere Komponenten innerhalb der Netzwerkarchitektur. 

Optische Transceiver, die 400G unterstützen, benötigen tendenziell auch mehr Strom als solche für 100G und kleiner. Wir sehen auch eine neue Generation von Netzwerk-Switches, an die PAM4-fähige 400G-Transceiver angeschlossen werden können. Das Interesse der Netzbetreiber an der 400G-Übertragung ist weiterhin groß, aber es wird wahrscheinlich noch einige Zeit dauern, bis diese Technologie flächendeckend eingesetzt wird. 

Auf der OFC '23-Konferenz in San Diego gab es viele Diskussionen über die neuesten Fortschritte bei kohärenten Technologien, es wurde jedoch anerkannt, dass die PAM4-Optik mit Direkterkennung aufgrund der geringeren Kosten und des geringeren Stromverbrauchs im Rechenzentrum immer noch einen Vorteil haben könnte. Scott Wilkinson von Cignal AI berichtet  „Die Leistung der 400-GbE-PAM4-basierten Optik der aktuellen Generation und der ersten 800-GbE-PAM4-Optik wird dafür sorgen, dass kohärente Optiken mindestens bis zur Einführung der 1,6-TbE-Optik – und vielleicht sogar noch darüber hinaus – aus dem Rechenzentrum fernbleiben.“ 

Seit einigen JahrenAT&T hat investiertbei der Aufrüstung seines Netzwerks auf 400G, um die beispiellosen Verkehrswellen zu unterstützen, die 5G zu erzeugen verspricht. Laut Fierce Telecom ist AT&Ts „Das 400G-basierte IP-Backbone überträgt derzeit täglich 594 Petabyte Inlandsverkehr und es gibt Pläne, um sicherzustellen, dass seine Kernarchitektur mit steigendem Bandbreitenbedarf skaliert werden kann.“ Aus 5G-Perspektive haben wir gesehen, dass die 400G-Kurzstrecken-Konnektivität von Rechenzentren besonders wichtig wird, da Netzbetreiber/Dienstanbieter versuchen, eine stärkere Netzwerkvirtualisierung zu nutzen. Auch wenn 400G für viele noch neu ist, erkennen die meisten mittlerweile, dass es notwendig ist, den bandbreitenhungrigen Bedürfnissen von Netzwerkteilnehmern auf der ganzen Welt gerecht zu werden.  

Die Rolle von Precision OT  

Precision OT ist ein Systemtechnik- und Integrationsunternehmen, das sich auf optische Transceiver und zugehörige aktive/passive optische Komponenten konzentriert.  Das Precision OT-Team führt ein komplettes Sortiment an400G-fähige optische Transceiverum der wachsenden Nachfrage nach hochwertigen Optiken der nächsten Generation gerecht zu werden. Die PAM4-Modulation geht mit diesen neuen Angeboten einher und 800G-Optik wird bald verfügbar sein. Kontaktiere unsFragen Sie uns noch heute, was wir tun können, um Sie zu unterstützen400G braucht.