Schlüsseltechnologien des 100G-DWDM-Systems

Die kontinuierliche Entwicklung von Diensten mit mittlerer und hoher Geschwindigkeit in Kommunikationsnetzen hat höhere und dringendere Anforderungen an die Übertragungsbandbreite bestehender Rechenzentrumsverbindungen (DCI) und Kommunikationsnetze in Großstädten hervorgebracht. Die Entwicklung von der gängigen optischen Übertragungstechnologie mit 10/40 Gbit/s zu 100 Gbit/s ist zum Trend der optischen Übertragungstechnologie geworden. FiberMall ist nach einer großen Anzahl von Studien zu dem Schluss gekommen, dass die QSFP28 PAM4-Technologie für die 100G-DWDM-Übertragung innerhalb von 100 km verwendet werden kann und dass die optischen 100G-Übertragungsmethoden der Phasenmodulation und des kohärenten Empfangs für die 100G-DWDM-Übertragung über 100 km erforderlich sind.

Unter ihnen ist das PM-QPSK-Übertragungssystem mit kohärenter Empfangstechnologie das branchenweit am meisten anerkannte. Verschiedene Störungen im Kanal, wie chromatische Dispersion, PMD, Trägerfrequenz und Phasenverschiebung, können im elektrischen Bereich flexibel kompensiert und vom PM-QPSK-Systemempfänger mithilfe der digitalen Signalverarbeitungstechnologie (DSP) in Signale umkonfiguriert werden. Daher bietet PM-QPSK in Kombination mit kohärenter Erkennung die optimale Lösung, die von den meisten Systemanbietern als 100G-Langstreckenübertragungsschema gewählt wird.

Die DWDM-Technologie hat sich zu immer höheren Modulationsraten entwickelt, einschließlich 1.25 G NRZ, 2.5 G NRZ, 10 G NRZ und 25 G NRZ. Sowohl 50G PAM4 als auch 100G PAM4 verwenden die Modulation höherer Ordnung PAM4, ebenso wie die derzeit wettbewerbsfähige kohärente Modulationstechnologie DWDM, hauptsächlich für 200G und 400G, sowie zukünftige 800G-Dienste mit hoher Bandbreite.

Das optische 100G-DWDM-QSFP28-PAM4-Modul wird direkt an einen geeigneten Rechenzentrums-Router oder -Switch angeschlossen, ohne dass eine separate DWDM-Konverterplattform erforderlich ist, was die Kosten erheblich senkt und die Bereitstellung und Wartung vereinfacht. Darüber hinaus können mit geeigneten Dispersionskompensationsmodulen (DCMs) und EDFA-Verstärkungssystemen PAM4-Module zu bestehenden DWDM-Netzwerken für eine hybride Übertragung hinzugefügt werden.

Die Produktformen der nächsten Generation basieren auf PAM4-Modulation höherer Ordnung: 50 G (1 x 50 G PAM4), 100 G (2 x 50 G PAM4) und 100 G (1 x 100 G PAM4).

 

50G (1X50G PAM4)Die Lösung

Zu den optischen Modulen, die 50G-Lösungen (1X50G PAM4) verwenden, gehören optische 50G-SFP56-DWDM-Module (C-Band, 50-GHz-Wellenlängenabstand). Das Produkt übernimmt den SFP56-Formfaktor, der die gleiche Größe wie SFP+ hat und direkt auf 50G aufgerüstet werden kann, ohne die ursprüngliche Bereitstellungsarchitektur zu ändern.

Das optische 50G-SFP56-DWDM-Modul verwendet die 50G-PAM4-Modulation sowohl auf der Seite des optischen Ports als auch auf der Seite des elektrischen Ports und verwendet einen DWDM-EML-Laser am Sendeende. Mit Unterstützung von DCM-Dispersionskompensation und EDFA kann es die Anforderungen von mindestens 80 km Übertragungsentfernung erfüllen. Die Gesamtbandbreite einer einzelnen Faser unterstützt 96 Wellen x50G=4800G, und ihre Produktform mit industrietauglicher Temperatur kann die Anforderungen von 5G-Fronthaul-Systemen erfüllen.

Abbildung 1: Schematische Darstellung des optischen 50G-SFP56-DWDM-Moduls

100G (2X50G PAM4)Die Lösung

Das optische Modul mit einer 100G (2X50G PAM4) Lösung beinhaltet 100G-QSFP28-DWDM (C-Band, 50 GHz Wellenlängenintervall). In der Branche wird es normalerweise als 100G PAM4 QSFP28 bezeichnet, und sein optischer Port überträgt 100GE-Dienste über 2 verschiedene 50G-DWDM-Wellenlängen. Die Seite des elektrischen Ports übernimmt 4X25G NRZ, während die Seite des optischen Ports zwei Lösungen hat: CS- und LC-Schnittstellen. Die CS-Schnittstelle verwendet 4 Glasfasern, 2 Ein- und 2 Ausgänge. Das Duplex-LC-Schnittstellenschema übernimmt die WDM-Technologie, und 2 Glasfasern können für die Übertragung sorgen. Mit der Unterstützung von DCM-Dispersionskompensation und EDFA kann es die Anforderungen von mindestens 80 km Übertragungsentfernung erfüllen, und die Gesamtbandbreite einer einzelnen Faser unterstützt 96 Wellen x50G=4800G.

Abbildung 2: Schematische Darstellung des optischen 100G-QSFP28-DWDM-Moduls (CS-Schnittstelle)

Abbildung 3: Schematische Darstellung des optischen 100G-QSFP28-DWDM-Moduls (LC-Schnittstelle)

100G (1x100G PAM4) Lösung

Optische Module mit 100G (1x100G)-Lösungen beinhalten 100G QSFP28 DWDM (C-Band, 100GHZ). Dieses Produkt wird hauptsächlich durch DWDM-Lichtquelle + Silizium-Lichtmodulationstechnologie realisiert. Mit der Unterstützung von DCM+EDFA kann eine Übertragung von 80 km erreicht werden, und die Gesamtbandbreite einer einzelnen Faser unterstützt 48 Wellen x100G=4800G.

Abbildung 4: Schematische Darstellung des optischen 100G-QSFP28-DWDM-Moduls

Mit ihren Vorteilen werden optische PAM4-DWDM-Module normalerweise in 100G- und 400G-Konstruktionen verwendet, z. B. Punkt-zu-Punkt-DCI, DWDM-basierter 100G-Ethernet-Metro-Zugang, Campus- und Unternehmensverbindungen, 5G-Mobilzugangsarchitektur usw. Für Rechenzentrums-DCI 80 km ~ 120 km, 50G / 100G DWDM-Technologie, die auf PAM4-Modulation höherer Ordnung basiert, kann mit Kohärenz konkurrieren 200G/100G DWDM-Technologie für Marktanteile zu geringen Kosten. Wie in der folgenden Tabelle gezeigt:

Artikel	Dual-Wave-50G-PAM4-DWDM-Lösung	Single-Wave-100G-PAM4-Lösung	Kohärente DP-QPSK-Lösung
Leistungsaufnahme	Über 5.5W	Über 5.5W	Über 20W
Formfaktor	QSFP28	QSFP28	CFP2/CFP
DWDM-Frequenzraum	50GHz	100GHz	50GHz
Ist EDFA erforderlich?	JA	JA	JA
DCM-Dispersionskompensation	JA	JA	NEIN
RX OSNR-Toleranz	Sehr niedrig, bis zu 2 EDFAs in Kaskade	Sehr niedrig, bis zu 2 EDFAs in Kaskade	Hoch, N EDFAs können kaskadiert werden
Typische Gesamtbandbreite	96X50G	48X100G	96X100G
Ob eine Einzelfaser-/Zweifaserübertragung erreicht werden kann	Einfache	Einfache	Sehr schwierig und erfordert zwei verschiedene ITLA-Lichtquellen.
Übertragungsreichweite	80 km ~ 120 km	80 km ~ 100 km	Weit über 80 km

Tabelle 1: 50G-PAM4-DWDM-System vs. 100G-PAM4-DWDM-System vs. 100G-DWDM-kohärentes System

Kritische Technologien des kohärenten 100G-DP-QPSK-Schemas

1) Polarisations-Multiplexing-Quadratur-Phasenumtastung (PM-QPSK)

QPSK ist ein multivariates (quaternäres) digitales Frequenzbandmodulationsverfahren. Der sinusförmige Träger seines Signals hat 4 mögliche diskrete Phasenzustände, und jede Trägerphase trägt 2 binäre Symbole. PM-QPSK teilt ein einzelnes 100G-Signal in zwei 50G-Trägersignale mit unterschiedlichen Polarisationszuständen und führt eine QPSK-Modulation auf jedem Träger durch. Daher kann dieses Verfahren die Kanalbaudrate auf die Hälfte reduzieren. Da jeder Polarisationszustand 4 Phasen verwenden kann, um Bitinformationen darzustellen, ist es gleichzeitig möglich, die Kanalbaudrate auf die Hälfte zu reduzieren. Folglich kann nach der PM-QPSK-Codierung die Baudrate auf ein Viertel der Bitrate reduziert werden.

Das Folgende ist ein schematisches Diagramm des PM-QPSK-Codierungsverfahrens:

Abbildung 5: Schematische Darstellung der PM-QPSK-Codierung

 2)SD-FEC

Die FEC-Technologie wird in optischen Kommunikationssystemen weit verbreitet verwendet. Unterschiedliche FECs können unterschiedliche Systemleistungen erzielen. Gemäß den unterschiedlichen Verarbeitungsverfahren empfangener Signale kann FEC in Hard- und Soft-Decision-Codes unterteilt werden.

Der Hard-Decision-Code ist ein Decodierverfahren, das auf der traditionellen Sichtweise des fehlerkorrigierenden Codes basiert. Der Demodulator trifft zuerst die beste harte Entscheidung über den Kanalausgangswert. Die FEC-Redundanz der harten Entscheidung beträgt etwa 7%, was auf dem Gebiet der optischen Kommunikation weit verbreitet ist.

Die Soft-Decision-Decodierung nutzt die vom Kanal ausgegebenen Wellenforminformationen vollständig aus. Der Demodulator sendet eine Realwertausgabe vom angepassten Filter an den Decoder, das heißt, der Soft-Decision-Decoder benötigt nicht nur „0/1“-Codeströme, sondern auch „Soft-Informationen“, um die Zuverlässigkeit dieser Codeströme zu beschreiben. Je weiter von der Entscheidungsschwelle entfernt, desto höher ist die Zuverlässigkeit der Entscheidung, ansonsten desto geringer ist die Zuverlässigkeit.

Um den Grad der Distanz widerzuspiegeln, ist es notwendig, den Beurteilungsraum feiner zu unterteilen. Zusätzlich zum Teilen der „0/1“-Schwelle werden die „0“- und „1“-Räume auch durch die „Vertrauensschwelle“ geteilt, um die relative Position des Entscheidungspunkts im Entscheidungsraum darzustellen. Verglichen mit der harten Entscheidung enthält die weiche Entscheidung mehr Kanalinformationen. Der Decoder kann diese Informationen durch probabilistisches Decodieren vollständig nutzen, um einen größeren Codierungsgewinn als Decodieren mit harter Entscheidung zu erzielen.

OIF empfiehlt, dass 100G Soft-Decision Forward Error Correction Coding (SD-FEC) mit einer Redundanz von weniger als 20 % wählt. In diesem Fall kann der Nettocodierungsgewinn etwa 10.5 dB erreichen. Mit der SD-FEC 100G-Technologie kann die gleiche Übertragungsdistanz wie mit 10G erreicht werden.

3) Kohärente Technologie

Kohärenz bezieht sich auf einen Demodulationsmechanismus, bei dem die Wellen den gleichen Schwingungsbetrag, die gleiche Schwingungsrichtung und -frequenz und eine feste Phasenbeziehung aufweisen. Es ist ein Detektionsverfahren, bei dem der Träger des modulierten Signals mit dem empfangenen modulierten Signal multipliziert wird und dann das modulierte Signal durch Tiefpassfilterung erhalten wird.

Die kohärente Erkennung erkennt intensitäts-, phasen- und frequenzmodulierte optische drahtlose Signale. Das optische Signal wird am Empfangsende mit dem lokalen Oszillatorlaser (LO) gemischt, bevor es in den optischen Empfänger eintritt, was zu einer Zwischenfrequenzkomponente führt, die gleich der Differenz zwischen der Frequenz des LO-Lasers und der Frequenz der ursprünglichen Lichtquelle ist.

Im Vergleich zur direkten Detektion neigt die kohärente Detektion dazu, ein großes Signal-Rausch-Verhältnis zu erhalten. Es hat mehr wiederherstellbare Signaltypen und eine bessere Frequenzselektivität, was besser für DWDM-Systeme geeignet ist. Der digitale kohärente Empfänger bildet alle optischen Eigenschaften des optischen Signals durch Phasendiversity und Polarisationsdiversity auf den elektrischen Bereich ab. Es verwendet auch ausgereifte DSP-Technologie, um Polarisationsdemultiplexierung und Kanallinearitätsschadenskompensation im elektrischen Bereich zu erreichen. All dies vereinfacht die optische Dispersionskompensation und das Polarisations-Demultiplexdesign im Übertragungskanal, um die Abhängigkeit von optischen Dispersionskompensatoren und Fasern mit niedriger PMD zu reduzieren und zu eliminieren.

Der digitale kohärente Empfänger überträgt jedoch die Komplexität des Übertragungskanaldesigns auf den Empfänger. Die Kosten für das Erhalten besserer Detektionseigenschaften bei der kohärenten Detektion bestehen darin, dass die Komplexität des Systems stark erhöht wird und es ihm an Flexibilität mangelt.

 

Grundprinzipien der 100G-Implementierung

1) Grundprinzip des netzseitigen 100G-Senders

Das Designziel des leitungsseitigen optischen 100-Gbit/s-Moduls ist die Anwendung auf die optische Langstreckenübertragung und die Unterstützung der leitungsseitigen Übertragung von DWDM-Geräten von OTU4. Die folgende Abbildung zeigt das Blockdiagramm der Sendeseite des netzseitigen optischen 100-Gbit/s-Moduls.

Abbildung 6: Schematische Darstellung eines 100-Gb/s-Leitungstest-Optikmodul-Senders

Wie in der Abbildung gezeigt, wird die kontinuierliche Lichtausgabe des integrierten durchstimmbaren Lasers (ITLA) an den QPSK-Modulator gesendet, der zu zwei Lichtwellen wird, nachdem der PBS von einer Polarisationstrennvorrichtung im Modulator erzeugt wurde. Jedes polarisierte Licht wird durch einen QPSK-Modulator moduliert, und es gibt I- und O-Signale, die vom MUX erzeugt werden, wenn das Signal moduliert wird. Der Breitbandverstärker und -treiber verstärken die I- und O-Signale und legen sie an den Modulator an, um eine elektrooptische Modulation zu erzeugen.

Die modulierten zwei QPSK-Signale werden durch einen PBC synthetisiert und ein PM-QPSK-Polarisations-Multiplexsignal wird ausgegeben. Für den QPSK-Modulator (Modulator) ist es auch erforderlich, eine Rückkopplungssteuerung (MZ-Vorspannungssteuerung) für die mehreren Vorspannungspunkte der I-, Q- und Pi/2-Phase durch eine Regelung mit geschlossener Schleife durchzuführen, damit der QPSK-Modulator dies kann unter normalem Vorspannungszustand lange Zeit stabil arbeiten. Zusätzlich codiert die Sendeeinheit auch die zu sendenden Dienstdaten durch den SD-FEC-Codierer und gibt sie in MUX(X) und MUX(Y) ein. Es erzeugt serielle 4-Kanal-Daten unter Verwendung einer Parallel-zu-Seriell-Umwandlung und gibt sie an den Treiber aus.

2) Grundprinzip der Empfangsseite

Wie in der Abbildung unten gezeigt, wird das optische PM-QPSK-Signal nach der Langstreckenübertragung von der kohärenten Empfangseinheit des optischen Moduls empfangen. Das optische Signal wird durch den Polarisationsstrahlteiler in zwei zueinander orthogonal polarisierte optische Signale geteilt, die als die X-Richtung und die Y-Richtung bezeichnet werden. Die optischen Signale in den beiden Richtungen werden kohärent bei 90 Grad (900Hybrid) mit dem entsprechenden polarisierten Licht des lokalen Oszillators gemischt. Das von der Mischfrequenz ausgegebene Signal wird durch einen symmetrischen photoelektrischen Detektor einer photoelektrischen Umwandlung unterzogen und dann vom ADC abgetastet und quantisiert, um die Analog/Digital-Wandlung abzuschließen. Schließlich wird die diskrete digitale Folge nach dem Abtasten und Quantisieren zur Verarbeitung an die DSP-Einheit gesendet.

Abbildung 7: Blockdiagramm eines leitungsseitigen optischen Transceiver-Empfängers mit 100 Gb/s

Im DSP wird das digitale Signal durch Taktrückgewinnung synchronisiert. Die Polarisationsdemultiplexierung und die Beseitigung von CD-, PMD- und partiellen nichtlinearen Effektbeeinträchtigungen werden durch elektrische Domänenentzerrung realisiert. Der Frequenzunterschied zwischen der lokalen Schwingungslichtquelle und dem übertragenden optischen Träger sowie der Effekt des Phasenrauschens werden durch Frequenzversatzschätzung und entsprechende Beurteilungsverarbeitung eliminiert. Die verarbeiteten Daten werden dann zur Dekodierung an die SD-FEC-Decodereinheit gesendet und schließlich wird das Datensignal wiederhergestellt.

3) Das Grundprinzip des DSP-Algorithmus

Die DSP-Einheit vervollständigt den DSP-Algorithmus, der hauptsächlich in fünf Unterfunktionen unterteilt ist: Taktwiederherstellung, Entzerrung mit Polarisations-Demultiplexing, Trägerschätzung, Phasenschätzung, Slicer & Decoder. Sein Funktionsblockdiagramm ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Abbildung 8: Blockschaltbild der digitalen Signalverarbeitungseinheit

Im Folgenden wird jede Einheit im Blockdiagramm vorgestellt:

• Wiederherstellung der Digitaluhr

Der Zweck der digitalen Taktrückgewinnung ist: Da der Abtasttakt des ADC unabhängig vom Symboltakt der Sendeseite ist, muss die Symbolabtastzeit der Interpolationsfilter-Empfänger verwendet werden. Dadurch kann der eingestellte Abtasttakt des Empfängers mit dem übertragenden Symboltakt synchronisiert werden, d. h. sichergestellt werden, dass die Abtastrate des ADC genau mit der Symbolrate übereinstimmt.

• Entzerrung und Polarisationsdemultiplexierung

Entzerrung und Polarisationsdemultiplexierung werden an einer einzigen Polarisation durchgeführt. Die Funktion der Entzerrung besteht darin, das durch den linearen Faktor des Kanals verursachte Signalübersprechen zu eliminieren. Es kann durch FIR mit festen oder variablen Abgriffskoeffizienten realisiert werden, während Polarisations-Demultiplexing durch ein Schmetterlingsfilter realisiert werden muss. Beim Polarisationsdemultiplexen werden zwei polarisierte Signale getrennt. Denn wenn das Signal übertragen wird, gibt es ein Übersprechen zwischen den beiden Polarisationen (verursacht durch Polarisationskopplung). Und aufgrund der Polarisationsdrehung entspricht die Signalpolarisation nach dem PBS auf der Empfangsseite nicht der anfänglichen Polarisation.

•  Schätzung des Trägerfrequenz-Offsets

Aufgrund der nicht idealen Eigenschaften des Lasers kann die Schwingungsfrequenz des lokalen Oszillatorlasers im optischen kohärenten Empfänger eine Abweichung von der Trägerfrequenz aufweisen. Dieser Frequenzversatz spiegelt sich im Symbol wider, was den Phasenversatz darstellt. Bei einem Phasenmodulationssystem wie PM-QPSK muss der durch den Frequenzversatz verursachte Phasenversatz entfernt werden, bevor das endgültige Datensymbol demoduliert werden kann. Daher ist die Frequenzversatzschätzung ein unverzichtbares Modul für Empfänger. Das Prinzip besteht darin, die Größe des Frequenzversatzes zu erkennen und dann eine Phasenkorrektur am Symbol durchzuführen, um den Einfluss des Frequenzversatzes entsprechend dem geschätzten Frequenzversatzwert zu entfernen.

Abbildung 9: Schätzung des Trägerfrequenzversatzes

 

• Schätzung des Trägerphasenversatzes

Aufgrund der Linienbreite des Lasers kommt es in der Nähe seiner wahren Schwingungsfrequenz zu einer gewissen Phasenverschiebung. Unter Berücksichtigung des Fehlers der Frequenzversatzschätzung bleibt der Phasenversatz des Symbols nach der Frequenzversatzschätzung bestehen. Dieser Versatz ändert sich mit der Zeit und kann alle Bereiche von 0 bis 2π abdecken. Der Zweck der Trägerphasenwiederherstellung besteht darin, diesen Teil des Phasenversatzes zu entfernen, sodass die Ausgabesymbolphase direkt zur Symbolentscheidung verwendet werden kann. Das Grundprinzip der Trägerphasenschätzung besteht darin, den unerwarteten Phasenversatz der Informationsphase zu ermitteln und aus jedem Symbol zu entfernen.

• Dekodierung und Datenwiederherstellung

Für QPSK können nach Wiederherstellung der Phase des Signals zwei polarisierte I- und Q-Signale gemäß der Phasenmodulationsregel erhalten werden. Für DQPSK müssen, nachdem die Phase des Signals wiederhergestellt ist, die Phasen der zwei Symbole subtrahiert werden, um zwei polarisierte I- und Q-Signale zu erhalten.

Technische Merkmale und Vorteile des 100G-Systems

Wie wir alle wissen, wird jede Erhöhung der Einzelkanalrate durch Übertragungsbeeinträchtigungen wie OSNR-Toleranz, chromatische Dispersion, PMD und Nichtlinearität begrenzt. Daher sind fortschrittlichere Technologien erforderlich, um die Auswirkungen dieser Übertragungsbeeinträchtigungen zu verringern. 100G integriert mehrere Technologien wie Polarisationsmultiplexing, Phasenmodulation, Super-FEC, kohärente Erkennung und DSP. Die Eigenschaften der aktuellen 100G-Technologielösungen sind wie folgt:

• Durch die Verwendung der Technologie des Polarisationsmultiplexings und der gegenseitigen Orthogonalität zwischen den beiden Polarisationszuständen des optischen Signals werden zwei Informationskanäle auf demselben optischen Träger übertragen. Dabei wird die Signalsymbolrate um die Hälfte reduziert. Die Kombination von kohärenter Erkennung mit ADC und DSP ist auch ein wichtiger technologischer Durchbruch bei 100G. Verglichen mit direkter Detektion und selbstkohärenter Demodulation kann die Kombination aus kohärenter Detektion und DSP-Technologie die Demodulationseffizienz und Empfängerempfindlichkeit effektiv verbessern.
•  Die QPSK-Technologie kann die vom optischen Träger übertragene Informationsmenge verdoppeln, und ihre Kombination mit Polarisationsmultiplexing reduziert die Baudrate des 100G-Signals auf etwa 25 GBaud/s. Daher kann QPSK im OTN-System mit einem 50-GHz-Intervall angewendet werden und kann die Signalanforderungen für die Faser-Nichtlinearitätstoleranz reduzieren.
• Die 100G-Technologie kann den Codierungsgewinn durch die LDPC-Lösung (Low-Density Parity-Check Code) und das Soft-Decision-Verfahren effektiv verbessern.
• Die Kombination von kohärenter Erkennung mit ADC und DSP ist auch ein wichtiger technologischer Durchbruch bei 100G. Verglichen mit direkter Detektion und selbstkohärenter Demodulation kann die Kombination aus kohärenter Detektion und DSP-Technologie die Demodulationseffizienz und Empfängerempfindlichkeit effektiv verbessern.

Fazit

Für die Rechenzentrumsverbindung (DCI) innerhalb einer Übertragungsentfernung von 100 km bietet FiberMall Lösungen von 100G (2X50G PAM4) DWDM QSFP28 und 100G (1x100G PAM4) DWDM QSFP28. Für Netzwerke in Ballungsgebieten beträgt die Übertragungsentfernung mehr als 100 km. FiberMall bietet zwei Langstreckenlösungen, 1x 100G QSFP28 bis 1x 100G CFP-CDO und 2x 100G QSFP28 bis 1x 200G CFP2 DP-8QAM oder DP-16QAM. Durch die gemeinsamen Bemühungen aller Mitarbeiter von FiberMall ist die 100G-DWDM-Technologie sehr ausgereift und in Rechenzentren und Stadtnetzen auf der ganzen Welt weit verbreitet.