تتطور نماذج الذكاء الاصطناعي الكبيرة، والحوسبة عالية الأداء، والبيانات الضخمة، والحوسبة السحابية وغيرها من الأعمال بسرعة، مما يدفع النمو السريع للبنية التحتية للحوسبة، والطلب المتزايد على نقل البيانات عالية السرعة وعالية الكفاءة.
هناك ثلاث طرق لزيادة معدل الإرسال والاستقبال الضوئي:
- تقنيات التعديل ذات الترتيب الأعلى، مثل NRZ → PAM4 → xQAM
- زيادة سرعة الأجهزة البصرية (معدل نقل بيانات أعلى)، مثل من 25 جيجابت → 50 جيجابت → 100 جيجابت → 200 جيجابت
- زيادة عدد القنوات المتوازية (مسارات أكثر): زيادة عدد أزواج الألياف، مثل SR4 مع 4 أزواج من الألياف متعددة الأوضاع، التي تنقل 100G (25G لكل قناة)؛ استخدام الإرسال المتعدد بتقسيم الطول الموجي، مثل LR4 مع زوج من الألياف أحادية الوضع، التي تنقل 100G (25G لكل طول موجي)، أو 40G BiDi، التي تنقل 40G (ألياف أحادية الاتجاه، 20G لكل طول موجي)
دعونا نركز على فكرة تقسيم الطول الموجي.
ما هو تقسيم الطول الموجي المتعدد؟
تقسيم الطول الموجي المتعدد (WDM) هي تقنية تستخدم في اتصالات الألياف الضوئية لزيادة سعة نقل البيانات وسرعتها. تقوم بتقسيم الإشارات الضوئية إلى أطوال موجية متعددة، كل منها يحمل إشارة مستقلة، وبالتالي تحقيق نقل إشارات متعددة دون التداخل مع بعضها البعض.
تصنيف WDM الشائع
هناك وضعان شائعان لنقل WDM، وهما الألياف المزدوجة أحادية الاتجاه والألياف المفردة ثنائية الاتجاه.
- يشير مصطلح ثنائي الاتجاه أحادي الألياف إلى قناة بصرية تنقل البيانات في اتجاهين مختلفين على ألياف بصرية واحدة في نفس الوقت. يتم فصل الأطوال الموجية المستخدمة عن بعضها البعض، وينقل كل طول موجي البيانات في اتجاه واحد لتحقيق اتصال ثنائي الاتجاه بين الجانبين.
- تعني الألياف الضوئية أحادية الاتجاه أن جميع المسارات الضوئية تنتقل في نفس الاتجاه على ألياف ضوئية واحدة في نفس الوقت. تحمل الأطوال الموجية المختلفة إشارات ضوئية مختلفة، يتم دمجها في الطرف المرسل ونقلها عبر ألياف ضوئية واحدة. في الطرف المستقبل، يتم فك تعدد الإرسال لإكمال نقل الإشارات الضوئية المتعددة. يتم نقل الاتجاه المعاكس عبر ألياف ضوئية أخرى. يتم إكمال النقل في الاتجاهين بواسطة ألياف ضوئية على التوالي.
توجد تقنيات مختلفة لتقسيم الطول الموجي في بيئات الألياف متعددة الأوضاع والألياف أحادية الوضع
في حالة الألياف متعددة الأوضاع، غالبًا ما يتم استخدام الإرسال المتعدد بتقسيم الطول الموجي لمسافات قصيرة (SWDM)؛ في حالة الوضع الفردي، يكون الإرسال المتعدد بتقسيم الطول الموجي لمسافات طويلة هو الخيار الأول. تشمل تقنيات الإرسال المتعدد بتقسيم الطول الموجي لمسافات طويلة بشكل أساسي CWDM وDWDM وLAN-WDM. يتم تمثيل الإرسال المتعدد بتقسيم الطول الموجي ثنائي الاتجاه للألياف الفردية بشكل أساسي بواسطة تقنية BiDi، والتي يمكن استخدامها في كل من البيئات متعددة الأوضاع والوضع الفردي. بالإضافة إلى ذلك، في حالة 400G و800G، هناك أيضًا استخدامات للإرسال المتعدد بتقسيم الطول الموجي، مثل SR4.2 وDR4.2 وDR8.2، والتي سنصفها بشكل منفصل لاحقًا.
إدارة النفايات الصلبة
SWDM (تقسيم الطول الموجي القصير المتعدد) يشبه CWDM في الوضع الفردي. يمتد SWDM بطول 850 نانومتر المستخدم في الألياف الضوئية متعددة الأوضاع التقليدية إلى 850 نانومتر - 950 نانومتر، مما يوسع طول الموجة الناقلة للألياف الضوئية متعددة الأوضاع. إنه يستخدم مصدر ضوء ليزري باعث للسطح ذو تجويف رأسي ذي موجة قصيرة (VCSEL) فعال من حيث التكلفة وألياف متعددة الأوضاع عريضة النطاق محسّنة (WBMMF) لإرسال 4 أطوال موجية متعددة على ليف ضوئي متعدد الأوضاع واحد للنقل، مما يقلل عدد أنوية الألياف الضوئية المطلوبة إلى 1/1 من العدد الأصلي، مع زيادة النطاق الترددي الفعال للألياف الضوئية لتمديد مسافة النقل. يبدأ طول الموجة التشغيلية المستخدم بواسطة SWDM عند 4 نانومتر ويزداد بطول موجة واحد كل 850 نانومتر، أي: 30 نانومتر، 850 نانومتر، 880 نانومتر و910 نانومتر.
في مارس 2017، أصدرت مجموعة اتفاقية تعدد مصادر الإرسال بتقسيم الطول الموجي القصير 100 جيجابت (MSA) لأول مرة معايير 40 جيجابت و100 جيجابت SWDM. تحدد MSA واجهات بصرية SWDM 4x10 جيجابت في الثانية و4x25 جيجابت في الثانية لمرسلات بصرية 100 جيجابت في الثانية لشبكة إيثرنت. يمكن أن تصل مسافة الإرسال 40 جيجابت إلى 440 مترًا، ويمكن أن تصل مسافة الإرسال 100 جيجابت إلى 150 مترًا.
بيدى
تعني BiDi (ثنائي الاتجاه) أليافًا ضوئية أحادية الاتجاه، مما يعني أنه يمكن إرسال واستقبال الإشارات الضوئية في اتجاهين في وقت واحد في ألياف ضوئية واحدة.
يوضح الشكل أدناه وضع تنفيذ BiDi في حالات 40G و100G. في سيناريوهات مركز البيانات، يمكن أن يوفر استخدام BiDi موارد ارتباط الألياف، وهو أمر بارز بشكل خاص في مراكز البيانات القديمة. لذلك، غالبًا ما تُستخدم وحدات BiDi متعددة الأوضاع 40G و100G بكميات كبيرة. يبلغ طول الموجة المرسلة لجهاز الإرسال والاستقبال البصري 40G/100G BiDi SR عادةً 850 نانومتر و900 نانومتر، لذا فإن وضع وصف الوحدة الأكثر دقة هو 40G/100G BiDi SR1.2 (مقارنةً بـ 400G SR4.2 الأحدث).
40 جيجابايت من البيانات ثنائية الأبعاد و100 جيجابايت من البيانات ثنائية الأبعاد
بالإضافة إلى وحدات BiDi متعددة الأوضاع المستخدمة في مراكز البيانات، توجد أيضًا وحدات BiDi أحادية الوضع للنقل لمسافات طويلة. إذا كانت مسافة النقل في حدود 40 كم، يكون طول الموجة لجهاز الإرسال والاستقبال الضوئي عادةً 1310 نانومتر/1550 نانومتر، 1310 نانومتر/1490 نانومتر. إذا كانت مسافة النقل أكثر من 40 كم، يكون طول الموجة عادةً 1550 نانومتر/1490 نانومتر.
CWDM
يحتوي نظام CWDM (مضاعف تقسيم الطول الموجي الخشن) على 18 قناة ذات أطوال موجية مختلفة. يتم فصل الأطوال الموجية المختلفة لكل قناة بمقدار 20 نانومتر وتستخدم أطوال موجية من 1270 نانومتر إلى 1610 نانومتر. يدعم نظام CWDM قنوات أقل من نظام DWDM، مما يجعله حلاً مثاليًا للاتصالات قصيرة المدى لأنه صغير الحجم وفعّال من حيث التكلفة. الميزة الأكبر لنظام CWDM هي تكلفته المنخفضة.
CWDM
100G CWDM4 QSFP28 هو معيار أعلنته منظمة CWDM4 MSA في عام 2014، والذي يستخدم أربعة أطوال موجية مركزية 1271nm و1291nm و1311nm و1331nm لنقل الإشارة الضوئية. يوفر هذا المعيار مسافة تغطية متوافقة (2 كم) وحل منخفض التكلفة يعتمد على 100G SR4 QSFP28 و100G LR4 QSFP28 الحاليين.
DWDM
DWDM هو إرسال متعدد بتقسيم الطول الموجي الكثيف، مع تباعد القنوات 1.6/0.8/0.4 نانومتر (200 جيجاهرتز/100 جيجاهرتز/50 جيجاهرتز). وبالمقارنة مع قنوات CWDM، تستهلك كل قناة 20 نانومترًا من المساحة، ويمكن إرسال المزيد من الأطوال الموجية على نفس الألياف الضوئية، وبالتالي زيادة سعة الإرسال. يمكن لنظام DWDM توفير سعة إرسال قصوى للألياف الضوئية الفردية تبلغ 160 موجة، مما يزيد من سعة إرسال الألياف الضوئية الفردية بعشرات إلى مئات المرات، مما يوفر موارد الألياف الضوئية بشكل كبير ويقلل من تكاليف إنشاء الخطوط. يتم استخدامه بشكل أساسي لنقل البيانات لمسافات طويلة وسعة كبيرة في شبكات الجذع. بمساعدة EDFA (مضخمات الألياف المشبعة بالإربيوم)، يمكن لنظام DWDM العمل في نطاق آلاف الكيلومترات.
لان-WDM
يعتمد LAN-WDM على تقسيم الطول الموجي لقنوات Ethernet، وتبلغ المسافة بين قنواته 200~800 جيجاهرتز، وهو ما يقع بين DWDM (100 جيجاهرتز، 50 جيجاهرتز) وCWDM (حوالي 3 تيراهرتز). يستخدم نطاق الطول الموجي LAN-WDM 12 طولًا موجيًا في النطاق من 1269 نانومتر إلى 1332 نانومتر مع فاصل طول موجي 4 نانومتر (1269.23، 1273.54، 1277.89، 1282.26، 1286.66، 1291.1، 1295.56، 1300.05، 1304.58، 1309.14، 1313.73، 1318.35 نانومتر). يتميز طول الموجة التشغيلية LAN-WDM بأنه يقع بالقرب من التشتت الصفري، مع تشتت صغير واستقرار جيد. يمكن لـ LAN-WDM دعم ما يصل إلى 12 طولًا موجيًا و25 جيجابت، مما يزيد من السعة ويمكنه توفير المزيد من الألياف الضوئية. الأكثر استخدامًا هو LAN-WDM4، الذي يبلغ مسافة الإرسال فيه حوالي 10 كم ويستخدم أطوال موجية 1295.56 نانومتر و1300.05 نانومتر و1304.58 نانومتر و1309.14 نانومتر.
لان-WDM
SR4.2، DR4.2، DR8.2
في حالة 400G و800G، يتم أيضًا استخدام الإرسال المتعدد بتقسيم الطول الموجي مثل SR4.2 وDR4.2 وDR8.2. على سبيل المثال، يبلغ معدل جهاز الإرسال والاستقبال الضوئي 400 جيجابت في الثانية، ويعني SR أن الاتصال في غضون 4.2 مترًا، ويعني 400 150 أزواج من الألياف الضوئية (4 أنوية)، ويعني 4 أن كل نواة تحمل طولين موجيين. يستخدم تقنية BiDi وPAM8 (2 جيجابت في الثانية)، باستخدام الإرسال المتعدد بطول موجي 2 نانومتر و4 نانومتر، مما يحقق 50 جيجابت في الثانية من خلال النقل المتوازي لـ 850 ألياف ضوئية.
الألياف متعددة الأوضاع في سيناريوهات التطبيقات متعددة الأوضاع
تميل مراكز البيانات المبنية حديثًا ومراكز الحوسبة الذكية إلى استخدام الألياف الضوئية OM4 بشكل متكرر. إن النطاق الترددي الفعال لـ OM4 أكثر من ضعف OM3، مع مسافة إرسال أطول. بالمقارنة مع OM4، يعمل OM5 بشكل أساسي على توسيع قناة النطاق الترددي العالي، مما يسمح له بدعم الإرسال في نطاق 850 نانومتر ~ 950 نانومتر. عند استخدام الإرسال المتعدد بتقسيم الطول الموجي، فإنه يوفر نطاقًا تردديًا فعالًا أعلى ومسافة إرسال أطول من OM4. في سيناريوهات 40G/100G/400G غير WDM، لا يوجد فرق في الأداء بين OM4 وOM5. عند استخدام WDM (مثل BiDi وSWDM وSR4.2)، يمكن أن يوفر OM5 مسافة إرسال أطول من OM4. لذلك، عند إجراء الكابلات في مراكز البيانات ومراكز الحوسبة الذكية، من الضروري تحديد نوع الألياف الضوئية متعددة الأوضاع بناءً على الظروف الفعلية.