Into the Transceiver-Verse Teil III: 3 Techniken, um die Datenraten weiter voranzutreiben

In den ersten beiden Blogs unserer „Into the Transceiver-verse“-Reihe haben wir darüber gesprochen, wie das geht Wählen Sie den richtigen Transceivers für Ihre Anwendung und fasste die  Transceiver-Typen  verfügbar. In diesem Blog konzentrieren wir uns auf drei Techniken, die helfen, Herausforderungen hinsichtlich Datenrate und Entfernung zu überwinden. Im Laufe der Geschichte und der Entwicklung von Transceivern, Die Nachfrage hat den Drang vorangetrieben, mehr Daten schneller und über größere Entfernungen zu senden. Mit steigenden Datenraten treten Effekte wie Dämpfung usw. auf chromatische Dispersion zu einem limitierenden Faktor hinsichtlich der Verbindungslänge werden.

Zu den drei Techniken, mit denen sich die Datenraten auf die nächste Stufe heben lassen, gehören:

1. Hinzufügen optischer Spuren
2. Vorwärtsfehlerkorrektur
3. Pulsamplitudenmodulation 4

Hinzufügen optischer Spuren

Eine der einfachsten Möglichkeiten, die Datenübertragung zu beschleunigen, ist die Erweiterung optischer Leitungen. Beginnend mit den frühen Formfaktoren wie GBIC und SFP Ende der 90er Jahre konnten Transceiver Datenraten von 1 bis 2,5 Gbit/s über eine einzige optische Leitung übertragen. Anfang der 2000er Jahre wurden die Standards für 10G entwickelt, und daraus entstanden verschiedene Formfaktoren. Letztendlich setzte sich SFP+ aufgrund des geringsten Stromverbrauchs und seines schlanken Profils, das eine höhere Portdichte ermöglichte, durch. 10G war das erste Mal, dass mehrere optische Signale in einem steckbaren Transceiver implementiert wurden – diese Art von Design sollte sich später bei höheren Datenraten deutlich durchsetzen. Bis 2007 konnten Hersteller kostengünstige Lösungen für 40G entwickeln.
QSFP+-Lösung. Beim QSFP+ handelt es sich im Wesentlichen um 4 SFP+s in einer Einheit. Diese Hardware nutzt 4 optische Signale, die 10G übertragen, aber es gibt zwei Arten von optischen Anschlussschnittstellen, die daraus entstanden sind.

Eine Methode zum Erreichen von 40G ist die Übertragung von vier dedizierten Spuren derselben Wellenlänge über parallele Fasern. Jede Spur am MPO-TX-Ausgang überträgt eine separate 10G-Datenrate. Dieses in Abbildung 2a dargestellte Design eignet sich für Breakout-Verbindungen – mit dem QSFP über einen MPO-12 können Sie ihn mit 4 SFP+s am anderen Ende der Verbindung verbinden.

Alternativ können anstelle von vier separaten dedizierten Spuren die vier optischen 10G-Signale alle intern im Transceiver über einen Duplex-LC-Anschluss gemuxt/demultiplext werden, wie in Abbildung 2b dargestellt. Diese Designentwicklung half Netzwerkbetreibern, eine Menge Geld zu sparen, da sie bei der Migration auf QSFP+ dieselbe LC-Duplex-Faser wiederverwenden konnten, die sie für ihr SFP+ verwendet hatten.

Durch die kontinuierliche Erhöhung der Anzahl der Lanes folgte auf 40G schnell 100G. Abbildung 3 zeigt die erste 100G-Implementierung: 10 Lanes mit 10G.

Kurz darauf wurden TOSAs und ROSAs entwickelt, die 25G unterstützen. Durch die Kombination von vier davon in demselben Formfaktor war 100G (4x25G) möglich und die Entwicklung wurde auf ähnliche Weise fortgesetzt. Das Hinzufügen optischer Spuren bringt uns jedoch nur begrenzt weiter. Um höhere Datenraten auf längeren Verbindungen voranzutreiben, sind zusätzliche Techniken erforderlich.

Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC)

In einer perfekten Welt würden die Daten, die wir über verschiedene Kommunikationskanäle übermitteln, immer vollständig und unverändert ankommen – genau so, wie wir sie senden. Realistisch gesehen ist dies nicht der Fall. Verschiedene Faktoren können das Signal verzerren oder sogar verhindern, dass Daten ihr Ziel erreichen. Hier kommt die Vorwärtsfehlerkorrektur (Forward Error Correction, FEC) ins Spiel.

Bei FEC wird ein Teil der Bandbreite für Fehlerkorrekturcode reserviert, der den Empfänger bei der Interpretation verrauschter oder unzuverlässiger Daten unterstützt. In der Praxis funktioniert FEC, indem es den erforderlichen optischen Signal-Rausch-Abstand (OSNR) senkt, was dazu beitragen kann, dass ein ansonsten unbrauchbares Signal normal funktioniert. Indem Netzbetreiber die ursprünglichen Daten/Nachrichten vor der Übertragung mit redundanten Daten kodieren, können sie die OSNR-Anforderungen reduzieren und die Wellenlängen-Reichweite deutlich erhöhen. FEC fügt der Übertragung zusätzliche/redundante Informationen hinzu, sodass der Empfänger etwaige Fehler rechnerisch beheben kann. Nehmen wir zum Beispiel ein 10G-Signal (das tatsächlich 10,325 Gbit/s mit Overhead überträgt) und stockt es auf 11 Gbit/s (7% Overhead) auf. Damit haben Sie aus einem Signal, das normalerweise 80 km weit reicht, eine Reichweite von 120 km oder mehr gemacht, da Sie sich von einem schwächeren Signal (d. h. einem mit stärkerer Dispersion und geringerem OSNR) erholen können.

Beachten Sie, dass FEC normalerweise vom Hostgerät durchgeführt und unterstützt wird. In einigen Fällen, beispielsweise bei bestimmten PAM4-Technologien (Pulsamplitudenmodulation 4), ist FEC jedoch im Transceiver selbst implementiert. Wenn Sie sich nicht im Transceiver befinden, ist es Sache des von Ihnen verwendeten Host-Switches oder Routers, diesen FEC zu aktivieren. Glücklicherweise ist FEC weit verbreitet und hat sich im Laufe der Jahre zu einem Bestandteil nahezu aller Standards entwickelt. Es gibt verschiedene Arten von FEC, die alle Fehlerkorrekturcode senden:

• 1. Generation – RS-FEC – 6%-Overhead für ~6 dB Netto-Codierungsgewinn. (RS = Reed Solomon)
• 2. Generation – EFEC – 7%-Overhead für ca. 8–9 dB Netto-Codierungsgewinn. (E = Erweitert)
• 3. Generation – SD-FEC – 20–25% Overhead für 10–11 dB Codierungsgewinn. (SD = SoftDecision)

Ein weiterer wichtiger Punkt in Bezug auf FEC ist, dass es „bookended“ sein muss. Mit anderen Worten: Die FEC muss auf beiden Seiten der Verbindung genau gleich sein, sonst ist sie funktionsunfähig. Sehen FEC in 100G-Netzwerken und darüber hinaus Erfahren Sie mehr über Arten von Fehlerkorrekturcodes und wie diese effektiv eingesetzt werden, um die Bitfehlerrate (BER) zu reduzieren und die Netzwerkzuverlässigkeit zu erhöhen.

Pulsamplitudenmodulation 4 (PAM4)

Modulation ist in der Kommunikation eine Technik, um Informationen (Sprache, Musik, Bilder oder Daten) auf eine Hochfrequenzträgerwelle aufzuprägen, indem eine oder mehrere Eigenschaften der Welle entsprechend dem Informationssignal variiert werden. Die einfachste Form der Modulation ist die Intensitätsmodulation mit direkter Detektion (IM-DD), die gängigste Variante ist die Non-Return-to-Zero-Modulation (NRZ). Sie bedeutet im Wesentlichen „hell für eine 1, dunkel für eine 0“. Historisch betrachtet basierten Glasfasersysteme ausschließlich auf NRZ. NRZ ist ein typischer Binärcode, und die meisten, wenn nicht sogar alle optischen Technologien der 10G- und niedrigeren Bandbreiten basieren auf NRZ. Eine andere Beschreibung von NRZ, wie in Abbildung 4 dargestellt, ist PAM2 (Pulsamplitudenmodulation 2).

PAM4 ist ein Modulationsverfahren, das zwei Bits zu einem einzigen Symbol mit vier Amplitudenstufen kombiniert. Dadurch verdoppelt sich die Datenrate eines Netzwerks effektiv. Die 4 gibt die Anzahl der „Stufen“ an, wie in Abbildung 5 unten dargestellt.

In den letzten Jahren konnten wir beobachten, dass PAM4 immer häufiger vorkommt. Wie unterscheidet es sich also von dem, was wir bei Hardware mit niedrigeren Datenraten wie 1G und 10G sehen? Mit PAM4 können wir Einschränkungen in der Kanaltechnologie überwinden. Wir können den Durchsatz bei etwa halber Bandbreite verdoppeln. PAM4 ermöglicht die weitere Nutzung bestehender Kanaltechnologien bei gleichzeitiger Erhöhung des Durchsatzes.

Aber wenn PAM4 so großartig ist, warum haben wir dann nicht die ganze Zeit über 2 Datenbits pro 1 optischen Impuls übertragen? Vereinfacht gesagt sind die TOSAs (Transmitter Optical Sub Assembly) und ROSAs (Receiver Optical Sub Assembly), die PAM4 verarbeiten können, viel komplexer als die typischen OSAs mit NRZ / Manchester Phase Encoding (MPE) / 8B/10B-Codierung. Und während PAM4 die Anzahl der Bits bei seriellen Datenübertragungen verdoppelt, indem es die Anzahl der Stufen der Pulsamplitudenmodulation erhöht, führt es auch zu einer Beeinträchtigung des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR). Aus diesem Grund eignet sich PAM4 besser für Kurzstreckenanwendungen mit hoher Bandbreite, z. B. 400G über Entfernungen von bis zu 40 km. PAM4 und eine noch höhere Modulation werden der Schlüssel sein, um in Zukunft höhere Datenraten voranzutreiben.

Eine bemerkenswerte Implementierung von PAM4 findet sich in 100G-Transceivern. Bei den QSFP28-DR/FR/LR-Transceivern handelt es sich um Single-Lambda-100G-PAM4-Transceiver, was bedeutet, dass es eine Wellenlänge gibt, die bis zu 112 Gbit/s übertragen kann. Der Unterschied zwischen DR, FR und LR ist die maximale Entfernung, die jeder Transceiver erreichen kann. DR ist für Verbindungen bis 500 m, FR bis 2 km und LR bis 10 km. Der Hauptunterschied bei diesen neueren 100G-Transceivern ist das interne Getriebe im PRE-QSFP28-DR/FR/LR, das von 4x25G NRZ elektrischen Spuren auf 1x100G PAM4 optische Spur umwandelt. Diese neuen Transceiver implementieren FEC auch im digitalen Signalprozessor (DSP) des Transceivers (hostunabhängig). Abbildung 6a zeigt eine schematische Darstellung des einzelnen Lambda-Transceivers QSFP28-DR/FR/LR im Vergleich zu Abbildung 6b, der 100G LR4-Optik (4x25G Optical NRZ). Weitere Informationen finden Sie im 100G Lambda MSA welches die optische 100G PAM-4-Signalisierung und -Kodierung definiert.

Unser obiger Überblick über die chromatische Dispersion und die Einführung in drei Techniken zur Bewältigung von Datenraten- und Entfernungsproblemen vermitteln uns ein besseres Verständnis der Hardware-/Softwareänderungen, die für die Erreichung von 40G- bis 400G-Netzwerken und darüber hinaus erforderlich sind. Das Hinzufügen optischer Spuren hilft uns, die Daten weiter voranzutreiben und gleichzeitig die Auswirkungen der chromatischen Dispersion zu reduzieren. FEC hilft Empfängern bei der Interpretation unzuverlässiger oder verrauschter Daten und vergrößert so effektiv die Entfernung, die wir für höhere Datenraten nutzen können. Und PAM4 hilft uns im Wesentlichen, die Daten eines einzelnen optischen Signals zu verdoppeln. Diese drei im selben Transceiver implementierten Funktionen ermöglichen den Sprung von 10G auf 400G und höher (800G ist in der Entwicklung, 1,6 Tbit/s sind auf der Roadmap).

Vielen Dank, dass Sie uns auf dieser Reise in die Welt der Transceiver begleitet haben. Transceiver-Tools und -Technologien werden die Grenzen aktueller optischer Netzwerkfunktionen weiter verschieben. Für alle Ihre aktuellen und zukünftigen Netzwerkanforderungen kontaktieren Sie uns bitte. Das Team von Precision OT von Experten.

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