Into the Transceiver-Verse Parte III: 3 técnicas para aumentar aún más las velocidades de datos

En los primeros dos blogs de nuestra serie "Into the Transceiver-verse", hablamos sobre cómo elige el transceptor correctos para su aplicación y resumió la  tipos de transceptores  disponible. En este blog, nos centraremos en 3 técnicas para ayudar a superar los desafíos de distancia y velocidad de datos.   A lo largo de la historia y la evolución de los transceptores, la demanda ha impulsado el envío de más datos, más rápido y a distancias más largas. A medida que aumentan las velocidades de datos, efectos como la atenuación y la dispersión cromática convertirse en un factor limitante con respecto a la longitud del enlace.

Las 3 técnicas que se pueden usar para llevar las velocidades de datos al siguiente nivel incluyen:  

1. Adición de carriles ópticos 
2. Corrección de errores de reenvío 
3. Modulación de amplitud de pulso 4 

Adición de carriles ópticos 

Una de las formas más sencillas de ayudar a que los datos vayan más rápido es agregar carriles ópticos.  Comenzando con los primeros factores de forma como GBIC y SFP a finales de los 90, los transceptores podían transportar velocidades de datos de 1 a 2,5 Gbps en una sola vía óptica. A principios de los 2000, se desarrollaron los estándares para 10G y de ahí surgieron varios factores de forma, pero finalmente el SFP+ se convirtió en el más popular debido a que tiene el menor consumo de energía y un perfil delgado que permite una mayor densidad de puertos. 10G fue la primera vez que vimos la implementación de múltiples señales ópticas dentro de un transceptor enchufable; este tipo de diseño luego se volvería mucho más prominente en velocidades de datos más altas. En 2007, los fabricantes pudieron desarrollar soluciones rentables para un 40G
Solución QSFP+. El QSFP+ es esencialmente 4 SFP+ en una sola unidad. Este hardware utiliza 4 señales ópticas que transportan 10G, pero hay dos tipos de interfaces de conectores ópticos que nacieron a partir de ahí. 

Un método para lograr 40G es transmitir 4 carriles dedicados de la misma longitud de onda a lo largo de fibras paralelas. Cada carril en la salida MPO TX transporta una tasa de datos 10G separada. Este diseño, que se muestra en la Figura 2a, es útil para conexiones de ruptura; con el QSFP usando un MPO-12, puede conectarlo a 4 SFP+ en el otro extremo de la conexión. 

Alternativamente, en lugar de 4 carriles dedicados separados, las señales ópticas 4x 10G se pueden multiplexar/demultiplexar internamente en el transceptor a través de un conector LC dúplex, como se muestra en la Figura 2b. Este desarrollo de diseño ayudó a los operadores de red a ahorrar mucho dinero al poder reutilizar la misma fibra dúplex LC que estaban usando para su SFP+ cuando migraron a QSFP+. 

Al continuar aumentando el número de carriles, 40G fue seguido rápidamente por 100G. La Figura 3 muestra la primera implementación de 100G: 10 carriles de 10G.

Poco después, se desarrollaron TOSA y ROSA con capacidad para 25G. Al combinar 4 de ellos en el mismo factor de forma, fue posible 100G (4x25G) y el desarrollo continuó de manera similar. Sin embargo, agregar carriles ópticos solo puede llevarnos hasta cierto punto. Para impulsar velocidades de datos más altas en enlaces más largos, se necesitan técnicas adicionales.

Corrección de errores hacia adelante (FEC)

En un mundo perfecto, los datos que transmitimos a través de varios canales de comunicación siempre llegarían completos e inalterados, exactamente como los enviamos. Hablando de manera realista, este no es el caso. Una variedad de factores pueden distorsionar la señal o incluso impedir por completo que los datos lleguen a su destino previsto. Aquí es donde entra en juego la corrección de errores de reenvío (FEC).  

Con FEC, una parte del ancho de banda se dedica al código de corrección de errores destinado a ayudar al receptor a interpretar datos ruidosos o poco confiables. En la práctica, FEC funciona al reducir la relación señal óptica/ruido (OSNR) requerida, lo que puede ayudar a que una señal que de otro modo no se pueda utilizar funcione con normalidad.  Al codificar los datos/mensajes originales antes de la transmisión con datos redundantes, los operadores de red pueden reducir los requisitos de OSNR y aumentar significativamente la distancia de viaje de la longitud de onda. FEC agrega información extra/redundante a la transmisión, para que el receptor pueda "recuperarse" computacionalmente de cualquier error. Por ejemplo, puede tomar una señal de 10G (que en realidad transmite 10,325 Gbps con sobrecarga) y aumentarla hasta 11 Gbps (7% de sobrecarga) y ahora ha tomado lo que normalmente puede recorrer 80 km y permitió que avance 120 km o más porque puede recuperarse de una señal más débil (es decir, una con más dispersión y OSNR reducido).

Tenga en cuenta que el dispositivo host normalmente realiza y admite FEC. Sin embargo, en algunos casos, como ciertas tecnologías de modulación de amplitud de pulso 4 (PAM4), FEC se implementa en el propio transceptor. Cuando no está en el transceptor, depende del conmutador de host o enrutador que esté utilizando para habilitar este FEC. Afortunadamente, FEC se ha vuelto ampliamente utilizado y ha evolucionado a lo largo de los años para convertirse en parte de casi todos los estándares. Hay varios tipos diferentes de FEC, todos los cuales envían un código de corrección de errores:

• 1ra generación – RS-FEC – 6% sobrecarga para ~6dB de ganancia de codificación neta. (RS = Caña Salomón)
• 2da generación – EFEC – 7% sobrecarga para ~8-9dB de ganancia de codificación neta. (E = Mejorado)
• 3.ª generación: SD-FEC: sobrecarga 20-25% para una ganancia de codificación de 10-11 dB. (SD = Decisión Suave)

Otro punto importante con respecto a FEC es que debe ser "reservado". En otras palabras, la FEC debe ser exactamente la misma en cada lado del enlace o no funcionará. Ver FEC en redes 100G y más allá para obtener más información sobre los tipos de códigos de corrección de errores y cómo se emplean de manera efectiva para reducir la tasa de error de bit (BER) y aumentar la confiabilidad de la red.  

Modulación de amplitud de pulso 4 (PAM4)

La modulación, en comunicación, es una técnica para imprimir información (voz, música, imagen o datos) en una onda portadora de radiofrecuencia variando una o más características de la onda de acuerdo con la señal de inteligencia. La forma más simple de modulación es la modulación de intensidad con detección directa (IM-DD) y la versión más común de IM-DD es Non-Return to Zero (NRZ). Esencialmente significa "brillante para un 1, tenue para un 0". Históricamente, los sistemas de fibra óptica se basaban exclusivamente en NRZ.  NRZ es su código binario típico y la mayoría, si no toda, la tecnología óptica de 10G e inferior se basa en NRZ.   Otra forma de describir NRZ, que se muestra en la Figura 4, es PAM2 (modulación de amplitud de pulso 2).

PAM4 es un esquema de modulación que combina dos bits en un solo símbolo con cuatro niveles de amplitud. Esto duplica efectivamente la velocidad de datos de una red.  El 4 indica el número de "niveles" como se muestra en la Figura 5 a continuación.

En los últimos años, hemos visto que PAM4 se vuelve cada vez más común. Entonces, ¿en qué se diferencia de lo que vemos en hardware de menor velocidad de datos, como 1G y 10G? PAM4 nos permite superar las limitaciones en la tecnología de canales. Podemos duplicar el rendimiento en aproximadamente la mitad del ancho de banda. PAM4 permite el uso continuo de las tecnologías de canal existentes mientras aumenta el rendimiento.  

Pero si PAM4 es tan bueno, ¿por qué no hemos estado transmitiendo 2 bits de datos por 1 pulso óptico todo el tiempo? En pocas palabras, los TOSA (Subconjunto óptico del transmisor) y los ROSA (Subconjunto óptico del receptor) que pueden procesar PAM4 son mucho más complejos que los típicos OSA de codificación NRZ / Manchester Phase Encoding (MPE) / 8B/10B. Y aunque PAM4 duplica la cantidad de bits en las transmisiones de datos en serie al aumentar la cantidad de niveles de modulación de amplitud de pulso, también genera una penalización en la relación señal/ruido (SNR). Por esta razón, PAM4 es ideal para aplicaciones de gran ancho de banda de corta distancia, como 400 G hasta distancias de 40 km. PAM4 e incluso una modulación más alta serán la clave para impulsar velocidades de datos más altas en el futuro.  

Una implementación notable de PAM4 está en los transceptores de 100G. Los transceptores QSFP28-DR/FR/LR son transceptores lambda 100G PAM4 simples, lo que significa que hay una longitud de onda capaz de transmitir hasta 112 Gb/s. La diferencia entre DR, FR y LR es la distancia máxima que puede alcanzar cada transceptor. DR es para enlaces de hasta 500 m, FR de hasta 2 km y LR de hasta 10 km. La principal diferencia en estos transceptores 100G más nuevos es la caja de engranajes interna en el PRE-QSFP28-DR/FR/LR que convierte de carriles eléctricos 4x25G NRZ a carril óptico 1x100G PAM4. Estos nuevos transceptores también implementan FEC dentro del Procesador de señal digital (DSP) del transceptor (independiente del host). La figura 6a muestra un esquema del transceptor lambda único QSFP28-DR/FR/LR en comparación con la figura 6b, la óptica 100G LR4 (4x25G Optical NRZ). Para obtener información adicional, consulte el 100G lambda MSA que define la señalización y codificación óptica 100G PAM-4. 

Nuestra revisión anterior de la dispersión cromática y la introducción a 3 técnicas para superar los desafíos de distancia y velocidad de datos nos brindan una mejor comprensión de los cambios de hardware/software necesarios para lograr redes de 40G - 400G y más. La adición de carriles ópticos nos ayuda a impulsar los datos al tiempo que reduce el impacto de la dispersión cromática. FEC ayuda a los receptores a interpretar datos poco confiables o ruidosos, lo que aumenta efectivamente la distancia a la que podemos impulsar velocidades de datos más altas. Y PAM4 nos ayuda esencialmente a duplicar los datos de una sola señal óptica. Estas tres características implementadas en el mismo transceptor permiten el salto de 10G a 400G y más (800G está en desarrollo con 1,6 Tbps en la hoja de ruta).

Gracias por emprender este viaje "Into the Transceiver-verse" con nosotros. Las herramientas y la tecnología de los transceptores están preparadas para seguir ampliando los límites de las capacidades actuales de las redes ópticas. Para todas sus necesidades de redes actuales y futuras, comuníquese con El equipo de Precision OT de expertos