Into the Transceiver-Verse Part III : 3 techniques pour pousser les débits de données plus loin

Dans les deux premiers blogs de notre série "Into the Transceiver-verse", nous avons parlé de la façon de choisir le bon émetteur-récepteurs pour votre candidature et résume le  types d'émetteurs-récepteurs  disponible. Dans ce blog, nous nous concentrerons sur trois techniques permettant de surmonter les défis liés au débit et à la distance. Tout au long de l'histoire et de la évolution des émetteurs-récepteurs, la demande a poussé à envoyer plus de données, plus rapidement et sur de plus longues distances. À mesure que les débits de données augmentent, des effets tels que l'atténuation et dispersion chromatique devenir un facteur limitant par rapport à la longueur du lien.

3 techniques qui peuvent être utilisées pour pousser les débits de données au niveau supérieur comprennent :

1. Ajout de voies optiques
2. Correction d'erreur directe
3. Modulation d'amplitude d'impulsion 4

Ajout de voies optiques

L'ajout de voies optiques est l'un des moyens les plus simples d'accélérer le transfert de données. Dès la fin des années 90, avec les premiers formats comme GBIC et SFP, les émetteurs-récepteurs pouvaient transporter des débits de 1 à 2,5 Gbit/s sur une seule voie optique. Au début des années 2000, les normes 10G ont été développées, donnant naissance à plusieurs formats, mais le SFP+ est finalement devenu le plus populaire grâce à sa faible consommation d'énergie et à son profil fin permettant une densité de ports plus élevée. La 10G a marqué la première implémentation de plusieurs signaux optiques dans un émetteur-récepteur enfichable ; ce type de conception allait ensuite se généraliser pour les débits de données plus élevés. En 2007, les fabricants étaient en mesure de développer des solutions économiques pour la 40G.
Solution QSFP+. Le QSFP+ est essentiellement composé de 4 SFP+ placés dans une seule unité. Ce matériel utilise 4 signaux optiques transportant 10G mais il existe deux types d'interfaces de connecteurs optiques qui en sont nés.

Une méthode pour atteindre 40G consiste à transmettre 4 voies dédiées de la même longueur d'onde le long de fibres parallèles. Chaque voie sur la sortie MPO TX transporte un débit de données 10G distinct. Cette conception, illustrée à la Figure 2a, est utile pour les connexions de dérivation - avec le QSFP utilisant un MPO-12, vous pouvez le connecter à 4 SFP+ à l'extrémité distante de la connexion.

Alternativement, au lieu de 4 voies dédiées distinctes, les signaux optiques 4x 10G peuvent tous être multiplexés/démultiplexés en interne dans l'émetteur-récepteur via un connecteur LC duplex, comme illustré à la figure 2b. Ce développement de conception a aidé les opérateurs de réseau à économiser beaucoup d'argent en réutilisant la même fibre duplex LC qu'ils utilisaient pour leur SFP+ lors de leur migration vers le QSFP+.

En continuant d'augmenter le nombre de voies, le 40G a été rapidement suivi du 100G. La figure 3 montre la première implémentation 100G : 10 voies de 10G.

Peu de temps après, des TOSA et des ROSA capables de 25G ont été développés. En combinant 4 d'entre eux dans le même facteur de forme, 100G (4x25G) était possible et le développement s'est poursuivi de la même manière. Cependant, l'ajout de voies optiques ne peut nous mener que très loin. Pour pousser des débits de données plus élevés sur des liaisons plus longues, des techniques supplémentaires sont nécessaires.

Correction d'erreur directe (FEC)

Dans un monde parfait, les données que nous transmettons via divers canaux de communication arriveraient toujours complètes et inchangées - exactement telles que nous les envoyons. En réalité, ce n'est pas le cas. Divers facteurs peuvent déformer le signal ou même empêcher complètement les données d'atteindre la destination prévue. C'est là que la correction d'erreurs directe (FEC) entre en jeu.

Avec la FEC, une partie de la bande passante est dédiée au code de correction d'erreurs, destiné à aider le récepteur à interpréter les données bruitées ou peu fiables. En pratique, la FEC réduit le rapport signal/bruit optique (OSNR) requis, ce qui peut contribuer au bon fonctionnement d'un signal autrement inutilisable. En codant les données/messages d'origine avant la transmission avec des données redondantes, les opérateurs réseau peuvent réduire les exigences d'OSNR et augmenter considérablement la distance de transmission en longueur d'onde. La FEC ajoute des informations supplémentaires/redondantes à la transmission, permettant au récepteur de se rétablir informatiquement d'éventuelles erreurs. Par exemple, vous pouvez prendre un signal 10G (qui transmet en réalité 10,325 Gbit/s avec surcharge) et le porter à 11 Gbit/s (surcharge 7%). Vous avez alors pris ce qui peut normalement parcourir 80 km et l'avez autorisé à parcourir 120 km ou plus, car vous pouvez récupérer d'un signal plus faible (c'est-à-dire avec une dispersion plus importante et un OSNR réduit).

Notez que FEC est généralement exécuté et pris en charge par le périphérique hôte. Cependant, dans certains cas, comme certaines technologies de modulation d'amplitude d'impulsion 4 (PAM4), la FEC est implémentée sur l'émetteur-récepteur lui-même. Lorsqu'il n'est pas dans l'émetteur-récepteur, il appartient au commutateur hôte ou au routeur que vous utilisez d'activer ce FEC. Heureusement, le FEC est devenu largement utilisé et a évolué au fil des ans pour faire partie de presque toutes les normes. Il existe plusieurs types de FEC différents, qui envoient tous un code de correction d'erreur :

• 1ère génération - RS-FEC - surcharge 6% pour ~ 6 dB de gain de codage net. (RS = Roseau Salomon)
• 2e génération - EFEC - surcharge 7% pour ~ 8-9 dB de gain de codage net. (E = Amélioré)
• 3e génération - SD-FEC - surcharge 20-25% pour un gain de codage de 10-11 dB. (SD = SoftDecision)

Un autre point important concernant le FEC est qu'il doit être « réservé ». En d'autres termes, le FEC doit être exactement le même de chaque côté du lien ou il sera inopérant. Voir FEC dans les réseaux 100G et au-delà pour en savoir plus sur les types de codes de correction d'erreurs et sur la manière dont ils sont utilisés efficacement pour réduire le taux d'erreur binaire (BER) et augmenter la fiabilité du réseau.

Modulation d'amplitude d'impulsion 4 (PAM4)

En communication, la modulation est une technique permettant d'imprimer des informations (voix, musique, image ou données) sur une onde porteuse radiofréquence en faisant varier une ou plusieurs caractéristiques de l'onde en fonction du signal de renseignement. La forme la plus simple de modulation est la modulation d'intensité à détection directe (IM-DD), et la version la plus courante est le non-retour à zéro (NRZ). Cela signifie essentiellement « lumineux pour un 1, faible pour un 0 ». Historiquement, les systèmes à fibre optique étaient tous exclusivement basés sur la NRZ. La NRZ est un code binaire classique et la plupart, voire la totalité, des technologies optiques 10G et inférieures reposent sur la NRZ. Une autre façon de décrire la NRZ, illustrée à la figure 4, est PAM2 (Pulse Amplitude Modulation 2).

PAM4 est un schéma de modulation qui combine deux bits en un seul symbole avec quatre niveaux d'amplitude. Cela permet de doubler le débit de données d'un réseau. Le chiffre 4 indique le nombre de « niveaux », comme illustré dans la figure 5 ci-dessous.

Ces dernières années, nous avons vu PAM4 devenir de plus en plus courant. Alors, en quoi est-ce différent de ce que nous voyons dans le matériel à faible débit de données tel que 1G et 10G ? PAM4 nous permet de surmonter les limites de la technologie des canaux. Nous pouvons doubler le débit dans environ la moitié de la bande passante. PAM4 permet l'utilisation continue des technologies de canal existantes tout en augmentant le débit.

Mais si PAM4 est si génial, pourquoi n'avons-nous pas transmis 2 bits de données par impulsion optique depuis le début ? En termes simples, les TOSA (Transmitter Optical Sub Assembly) et les ROSA (Receiver Optical Sub Assembly) qui peuvent traiter PAM4 sont beaucoup plus complexes que les OSA de codage NRZ / Manchester Phase Encoding (MPE) / 8B / 10B typiques. Et bien que PAM4 double le nombre de bits dans les transmissions de données série en augmentant le nombre de niveaux de modulation d'amplitude d'impulsion, il crée également une pénalité sur le rapport signal sur bruit (SNR). Pour cette raison, PAM4 est plus idéalement adapté aux applications à large bande passante à courte distance, telles que les distances 400G jusqu'à 40 km. PAM4 et une modulation encore plus élevée seront la clé pour générer des débits de données plus élevés à l'avenir.

Une implémentation notable de PAM4 est dans les émetteurs-récepteurs 100G. Les émetteurs-récepteurs QSFP28-DR/FR/LR sont des émetteurs-récepteurs lambda 100G PAM4 simples, ce qui signifie qu'il existe une longueur d'onde capable de transmettre jusqu'à 112 Gb/s. La différence entre DR, FR et LR est la distance maximale que chaque émetteur-récepteur peut atteindre. DR est pour les liaisons jusqu'à 500 m, FR jusqu'à 2 km et LR jusqu'à 10 km. La principale différence entre ces nouveaux émetteurs-récepteurs 100G est la boîte de vitesses interne du PRE-QSFP28-DR/FR/LR qui convertit les voies électriques 4x25G NRZ en voies optiques 1x100G PAM4. Ces nouveaux émetteurs-récepteurs implémentent également la FEC à l'intérieur du processeur de signal numérique (DSP) de l'émetteur-récepteur (indépendant de l'hôte). La figure 6a montre un schéma de l'émetteur-récepteur lambda QSFP28-DR/FR/LR unique comparé à la figure 6b, l'optique 100G LR4 (4x25G Optical NRZ). Pour plus d'informations, consultez le 100G Lambda MSA qui définit la signalisation et le codage optiques 100G PAM-4.

Notre examen ci-dessus de la dispersion chromatique et l'introduction de 3 techniques pour surmonter les problèmes de débit de données et de distance nous permettent de mieux comprendre les modifications matérielles/logicielles nécessaires pour obtenir un réseau 40G - 400G et au-delà. L'ajout de voies optiques nous aide à pousser les données plus loin tout en réduisant l'impact de la dispersion chromatique. La FEC aide les récepteurs à interpréter les données non fiables ou bruyantes, augmentant efficacement la distance sur laquelle nous pouvons pousser des débits de données plus élevés. Et PAM4 nous aide essentiellement à doubler les données d'un seul signal optique. Ces trois fonctionnalités implémentées dans le même émetteur-récepteur permettent de passer de 10G à 400G et plus (800G est en développement avec 1,6 Tbps sur la feuille de route).

Merci d'avoir participé à ce voyage « Dans l'univers des émetteurs-récepteurs » avec nous. Les outils et technologies d'émetteurs-récepteurs sont prêts à repousser les limites des capacités actuelles des réseaux optiques. Pour tous vos besoins réseau actuels et futurs, contactez-nous. L'équipe de Precision OT d'experts.

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