400G: أحدث اتجاه في الشبكة الأساسية

أحدث اتجاه في اتصالات الشبكة الأساسية هو اعتماد تقنية 400 جيجابت في الثانية. تم طرح هذه الترقية المهمة منذ العام الماضي، مع إطلاق واسع النطاق لخدمات 400G التجارية في عام 2023 والتوسع المخطط له في تطبيقات السوق الشامل في عام 2024. وقد تم الوصول إلى معلم بارز في مارس 2024 عندما أطلقت شركة China Mobile أول هاتف في العالم. الخط الأساسي البصري العابر للقارات بسرعة 400 جيجابت في الثانية (من بكين إلى منغوليا الداخلية).

يعتمد الانتقال إلى الشبكات الأساسية بسرعة 400 جيجابت في الثانية على عدة عوامل. يستمر الطلب المتزايد على الإنترنت عالي السرعة في النمو بسبب ارتفاع أنماط الحياة الرقمية، مثل بث الفيديو عالي الوضوح، والاجتماعات عن بعد، والبث المباشر، والألعاب عبر الإنترنت. بالإضافة إلى ذلك، أدى الدفع نحو التحول الرقمي عبر الصناعات إلى زيادة في حركة البيانات من الأنظمة الرقمية، مما زاد من الضغط على الشبكات الأساسية.

هناك عامل حاسم آخر وهو طفرة الذكاء الاصطناعي. بعد ظهور نماذج الذكاء الاصطناعي الكبيرة، كانت هناك موجة من تطوير الذكاء الاصطناعي. ولتلبية متطلبات شركات الذكاء الاصطناعي، يجري إنشاء العديد من مراكز البيانات. لقد تطورت هذه النماذج من وجود مليارات المعلمات إلى عشرات المليارات، مما يتطلب زيادة مجموعات حوسبة وحدة معالجة الرسومات من آلاف إلى عشرات الآلاف من التيرافلوب.

في السابق، كانت مجموعات الحوسبة GPU جزءًا من الشبكة الداخلية لمركز البيانات (DCN). ومع ذلك، مع نمو حجم هذه المجموعات، هناك تحول نحو نشر مراكز البيانات الموزعة للتدريب النموذجي. يفرض هذا التغيير متطلبات أعلى على شبكات الاتصال البيني لمراكز البيانات (DCI)، مما يستلزم شبكات بصرية أساسية يمكنها تلبية متطلبات الأداء الفني هذه.

ويظل النهج الاستراتيجي الذي تتبناه الصين في التعامل مع القوة الحاسوبية يركز على "التنسيق الوطني والتخطيط الشامل". منذ فبراير 2022، تم إطلاق مشروع الحوسبة بين الشرق والغرب لبناء نظام طاقة حسابي وطني موحد. في جوهره، يتضمن ذلك بناء العديد من مراكز البيانات (أشبه بمحطات الطاقة) وشبكات نقل أساسية قوية (على غرار شبكات الطاقة) لتوزيع الطاقة الحاسوبية وتلبية الاحتياجات المتنوعة لمختلف الصناعات.

يعد تنفيذ 400 جيجابت في الثانية في اتصالات الشبكة الأساسية نتيجة للتقدم في العديد من المجالات الرئيسية. يجب أن تمتلك الشبكة الأساسية، التي تعمل كأساس لمجتمعنا الرقمي، عرض نطاق ترددي فائق الارتفاع (400 جيجابت في الثانية وربما 800 جيجابت في الثانية أو 1.6 تيرابت في الثانية)، وزمن وصول منخفض للغاية (حلقات زمن الوصول متعددة المستويات)، وشبكات واسعة النطاق للغاية (تخدم الحوسبة الموزعة ومجموعات الذكاء الاصطناعي)، والموثوقية العالية للغاية، والتوفر العالي للغاية، والأمان الفائق، والنشر الفائق المرونة، والتشغيل والإدارة الذكية.

لتحقيق السرعات الحالية البالغة 400 جيجابت في الثانية، كانت الجوانب التالية حاسمة:

أولا، معدل الباود. يتم قياس معدل الإرسال بالبت في الثانية (bps) ويمثل عدد البتات المرسلة في فترة زمنية معينة.

معدل البت = الباود معدل * عدد البتات الثنائية لكل رمز

يتم تحديد معدل الباود من خلال عدد الرموز المرسلة لكل وحدة زمنية. ويعني معدل الرموز الأعلى أنه يتم إرسال المزيد من الرموز في الثانية، مما يؤدي إلى كمية أكبر من المعلومات وسرعة أعلى.

معدل الباود محدود بقدرات المكونات البصرية. ومع تقدم تكنولوجيا تصنيع أشباه الموصلات من 16 نانومتر إلى 7 نانومتر و5 نانومتر، زاد معدل الرموز من أكثر من 30 جيجاود إلى 64 جيجاود و90 جيجاود و128 جيجاود. أصبح الاستخدام التجاري الحالي لسرعة 400 جيجابت في الثانية ممكنًا من خلال تحقيق معدل ترميز يبلغ 128 جيجابت في الثانية.

ثانيا، مخطط التعديل.

تتضمن مخططات التعديل المستخدمة لتقنية 400G 16QAM، و16QAM-PCS (يرمز PCS إلى Probabilistic Constellation Shaping، والذي سيتم مناقشته بالتفصيل لاحقًا)، وQPSK. هذه المخططات مناسبة لتطبيقات مختلفة.

يختلف الاتصال البصري والاتصال اللاسلكي في أسلوبهما في التعديل عالي الترتيب. يتطلب التعديل ذو الترتيب الأدنى متطلبات أقل صرامة للإرسال *6-+ الذي يركز في البداية على 16QAM وQPSK. مع طرح 16QAM-PCS، زادت المنافسة.

في البداية، لم يكن هناك ذكر لـ "حوسبة الشرق والغرب" أو أن المشغلين يعتقدون أن 400G لن يتطلب نقل لمسافات طويلة. وبالتالي، تم استخدام مكونات ذات معدل رمز منخفض أكثر نضجًا وفعالية من حيث التكلفة جنبًا إلى جنب مع أنظمة التعديل عالية الترتيب مثل 16QAM، والتي أصبحت معيار الصناعة.

ومع ذلك، مع زيادة متطلبات مسافة الإرسال من أكثر من 1000 كيلومتر إلى عدة آلاف كيلومتر، ومع النضج السريع لمكونات معدل رمز 128 جيجاود (مما أدى أيضًا إلى الظهور السريع لـ 800Gbps في سيناريوهات DCN)، تم تهيئة الظروف لتميز QPSK.

يتمتع QPSK بتسامح أعلى مع عدم الخطية مقارنة بـ 16QAM-PCS، مما يسمح بزيادة مناسبة في قوة الإطلاق في الألياف. بالإضافة إلى ذلك، تم تحسين حد OSNR الخلفي (نسبة الإشارة إلى الضوضاء) الخاص بـ QPSK بشكل أفضل من الحد الخاص بـ 16QAM-PCS. علاوة على ذلك، فإن ضبط تباعد قناة QPSK على 150 جيجا هرتز يضمن عدم وجود أي تكلفة ترشيح تقريبًا أثناء الإرسال.

وقد أدت هذه المزايا إلى زيادة شعبية QPSK باعتبارها الخيار المفضل في الصناعة للشبكات الأساسية وDCI.

كان تركيز النظر في السيناريوهين الأولين على التطبيقات الحضرية أو الإقليمية. يتضمن السيناريو الثالث توسيع النطاق الترددي.

يؤثر عرض النطاق الترددي والتشكيل بشكل أساسي على سرعة القناة الواحدة. يمكن للليف الواحد أن يحمل موجات متعددة، بشرط أن يكون طيف التردد واسعًا بدرجة كافية. صيغة حساب عرض النطاق الترددي لألياف واحدة هي:

عرض النطاق الترددي للألياف المفردة = عرض النطاق الترددي لقناة واحدة × عدد القنوات

على سبيل المثال، QPSK 400G لديه تباعد بين القنوات يبلغ 150 جيجا هرتز. النطاق C التقليدي والنطاق C الممتد غير كافيين لتلبية متطلبات عرض النطاق الترددي.

ولذلك، هناك تحول تدريجي نحو استخدام C6T+L6T، والذي يوفر عرض نطاق إجمالي قدره 12THz. مع 80 قناة، تعمل كل منها بسرعة 400 جيجا، ينتج عن ذلك سعة ألياف واحدة تبلغ 32 تيرابايت في الثانية. إذا تم التضحية ببعض المسافة للاستخدام في المناطق الإقليمية، فإن استخدام QPSK أو 16QAM-PCS يمكن أن يزيد من السعة إلى 48 تيرابت في الثانية.

يتمثل التحدي الرئيسي في توسيع النطاق الترددي في ما إذا كانت المعدات قادرة على دعمه وما إذا كان من الممكن التحكم في التكاليف. تشمل المعدات المعنية ITLA، وCDM، وICR، وEDFA، وWSS، والتي تتضمن جوانب استقبال الضوء ونقله، بالإضافة إلى التبديل البصري والتضخيم.

يثير توسيع النطاق الترددي أيضًا مسألة التكامل.

في الوقت الحالي، يعد توسيع النطاق الترددي أقرب إلى الارتباط البسيط بين نظامين (C وL). تعمل هذه الأنظمة بشكل مستقل وتنتقل عبر موجات مجمعة. عند الوصول إلى الوجهة، تتم إزالة تعدد إرسالها ومعالجتها بشكل منفصل.

وينتج عن هذا النهج أحجام أكبر واستهلاك أعلى للطاقة وتصميمات أكثر تعقيدًا. ولذلك، يجب على الصناعة البحث في كيفية دمج المكونات للسماح لنظام واحد بدعم توسعات عرض النطاق الترددي المختلفة، وتحقيق تكامل النظام الحقيقي.

بالإضافة إلى المغيرات والأجهزة البصرية، تتطلب الألياف الضوئية أيضًا الاهتمام.

الألياف السائدة المستخدمة حاليًا هي ألياف G.652D. يمكن تضخيم 400G QPSK على ألياف G.652D باستخدام EDFA لتحقيق مسافات نقل تصل إلى 1500 كم.

بعد سنوات من التحقق من قبل الصناعة، تم إنشاء ألياف G.654E كخليفة لها. إذا تم استخدام ألياف G.654E ذات الأداء الأفضل في نفس الظروف، فيمكن أن تزيد مسافة الإرسال لـ 400G QPSK بأكثر من 30%.

لقد حققت ألياف G.654E بالفعل القدرة على الإنتاج الضخم وسيتم نشرها على الخطوط الأساسية طويلة المدى. أصبحت بعض الألياف منخفضة الفقد من سلسلة G.654 هي الخيار المفضل لأنظمة الكابلات عبر المحيطات لمسافات طويلة.

وبعيدًا عن الألياف التقليدية، تعتقد الصناعة أن الألياف متعددة النواة والألياف المجوفة لها آفاق تطبيق واسعة.

الألياف متعددة النواة هي شكل من أشكال تعدد الإرسال بتقسيم الفضاء داخل ليف واحد عن طريق إدخال نوى متعددة؛ فهي تعتمد تنسيقًا منخفض التعديل لزيادة قدرة الألياف الضوئية بشكل ملحوظ.

تأخذ الألياف المجوفة خطوة أخرى إلى الأمام من خلال جعل الألياف مجوفة واستبدال القلب الزجاجي بالهواء.

لقد ثبت أن الألياف المجوفة توفر سعة أكبر، ووقت انتقال أقل، وخسائر إرسال أصغر، وعدم خطية منخفضة للغاية؛ وقد تم الاعتراف بها بالإجماع من قبل الصناعة باعتبارها ذات إمكانات كبيرة في الاتصالات البصرية.

800 جرام أو 1.6 طن

تتمثل الخطوة التالية لـ 400G بعد طرحها تجاريًا في التركيز على التقنيات التي تتجاوز 400G (ما بعد 400G) ضمن الأنظمة القياسية الفنية.

تناقش الصناعة حاليًا ما إذا كانت ستتبع 800G أم لا 1.6T.

لتحقيق سرعات أعلى، يجب إجراء المزيد من التطوير في "طريقة التعديل + معدل البت". على سبيل المثال، 130 جيجابايت أو معدلات بت أعلى هي اتجاهات لا مفر منها. تتطلب معدلات البت الأعلى تطورات في المعدات المقابلة لتشكيل سلسلة صناعية ناضجة.

ويعني تجاوز 400G أن تعديل QPSK لم يعد كافيًا؛ تعديل 16QAM مقبول حاليًا على نطاق واسع في الصناعة.

يحتاج عرض النطاق الترددي أيضًا إلى مزيد من التوسع. بناءً على أساس C+L، ينبغي النظر في التوسع في النطاق S، وU-band، وE-band، وما إلى ذلك، مما قد يؤدي إلى عرض نطاق مجمع يبلغ 12T+5T أو 17THz.

وبالنظر إلى عوامل متعددة، فمن المتصور أن الألياف الفردية يمكن أن تحقق سرعات نقل في اتجاه واحد تتجاوز 100 تيرابت في الثانية في متناول اليد.

ضمن الشبكات الداخلية لمراكز البيانات، تم بالفعل وضع 800 جيجا بايت (استنادًا إلى معدلات بت تتجاوز 100 جيجا بايت في اليوم لتشغيل قناة واحدة) في الاستخدام التجاري. إن سرعات القناة الواحدة التي تبلغ 200 جيجا، و400 جيجا، و800 جيجا هي مسألة وقت فقط؛ وكان التقدم في هذا المجال أسرع على المستوى الدولي.

ومع استمرار نمو القدرات بشكل كبير، تتزايد التحديات التكنولوجية أيضًا. يعتمد تطوير الاتصالات البصرية بشكل كبير على مكونات مثل الأجهزة والرقائق؛ تكنولوجيا المعالجة مواد.

لتلبية المتطلبات المتعلقة باستهلاك الطاقة؛ أمان؛ صيانة؛ وما إلى ذلك، ويمتد الاعتماد أيضًا إلى عمليات التصنيع؛ بنيان؛ التعبئة والتغليف؛ الذكاء الاصطناعي؛ التوائم الرقمية.

لا يزال هناك الكثير من العمل لقطاعات المنبع والمصب ضمن سلسلة الصناعة.

ويظل الطريق المستقبلي طويلا.

ملخص

يعد الاتصال البصري الشريان الرقمي للمجتمع بأكمله. على مر السنين، شكك الناس في العديد من التقنيات (بما في ذلك الجيل الخامس)، لكن لن يشكك أحد في الاتصالات البصرية لأنها حاجة ملحة لتنمية المجتمع.

إن اتجاه زيادة حركة البيانات البشرية لم يتغير لعقود قادمة. وسوف يؤدي الارتفاع السريع في تكنولوجيا الذكاء الاصطناعي إلى تضخيم هذا الاتجاه إلى أبعد من ذلك.

التطور الحالي للاتصالات البصرية غير قادر على تلبية الطلب. وهذا يعني أن الشركات سيكون لديها حافز أكبر لاستثمار مواردها في البحث والتطوير من أجل تحقيق الأرباح.