KI-Big-Models, HPC, Big Data, Cloud-Computing und andere Geschäftsbereiche entwickeln sich rasant, was zu einem rasanten Wachstum der Computerinfrastruktur und einer steigenden Nachfrage nach Hochgeschwindigkeits- und hocheffizienter Datenübertragung führt.
Es gibt drei Möglichkeiten, die Rate optischer Transceiver zu erhöhen:
- Modulationstechnologien höherer Ordnung, wie etwa NRZ → PAM4 → xQAM
- Erhöhen Sie die Geschwindigkeit optischer Geräte (höhere Baudrate), beispielsweise von 25G → 50G → 100G → 200G
- Erhöhen Sie die Anzahl paralleler Kanäle (mehr Spuren): Erhöhen Sie die Anzahl der Glasfaserpaare, z. B. SR4 mit 4 Paaren Multimode-Glasfasern, die 100 G übertragen (25 G pro Kanal); Verwenden Sie Wellenlängenmultiplex, z. B. LR4 mit einem Paar Singlemode-Glasfasern, die 100 G übertragen (25 G pro Wellenlänge), oder 40G BiDi, das 40 G überträgt (bidirektionale Einzelfaser, 20 G pro Wellenlänge).
Konzentrieren wir uns auf die Idee des Wellenlängenmultiplexens.
Was ist Wellenlängenmultiplex?
Wellenlängenmultiplex (WDM) ist eine Technologie, die in der Glasfaserkommunikation verwendet wird, um die Datenübertragungskapazität und -geschwindigkeit zu erhöhen. Dabei werden optische Signale in mehrere Wellenlängen aufgeteilt, von denen jede ein unabhängiges Signal überträgt. Dadurch wird die Übertragung mehrerer Signale erreicht, ohne dass sie sich gegenseitig stören.
Gängige WDM-Klassifizierung
Es gibt zwei gängige WDM-Übertragungsmodi, nämlich unidirektionale Doppelfaser und bidirektionale Einzelfaser.
- Single-Fiber-Bidirektional bezieht sich auf einen optischen Kanal, der gleichzeitig in zwei verschiedene Richtungen über eine einzige Glasfaser überträgt. Die verwendeten Wellenlängen sind voneinander getrennt und jede Wellenlänge überträgt Daten in eine Richtung, um eine Vollduplex-Kommunikation zwischen beiden Seiten zu erreichen.
- Dualfaser unidirektional bedeutet, dass alle optischen Pfade gleichzeitig in die gleiche Richtung über eine Glasfaser übertragen werden. Unterschiedliche Wellenlängen übertragen unterschiedliche optische Signale, die am Sendeende kombiniert und über eine Glasfaser übertragen werden. Am Empfangsende werden sie demultiplext, um die Übertragung mehrerer optischer Signale abzuschließen. Die umgekehrte Richtung wird über eine andere Glasfaser übertragen. Die Übertragung in die beiden Richtungen wird jeweils durch zwei Glasfasern abgeschlossen.
Es gibt unterschiedliche Wellenlängenmultiplextechnologien in Multimode-Faser- und Singlemode-Faser-Umgebungen
Bei Multimode-Fasern wird häufig Kurzstrecken-Wellenlängenmultiplex (SWDM) verwendet; bei Singlemode ist Langstrecken-Wellenlängenmultiplex die erste Wahl. Zu den Langstrecken-Wellenlängenmultiplextechnologien gehören hauptsächlich CWDM, DWDM und LAN-WDM. Bidirektionales Wellenlängenmultiplexing bei Single-Fasern wird hauptsächlich durch die BiDi-Technologie repräsentiert, die sowohl in Multimode- als auch in Singlemode-Umgebungen verwendet werden kann. Darüber hinaus gibt es bei 400G und 800G auch Wellenlängenmultiplexanwendungen wie SR4.2, DR4.2 und DR8.2, die wir später separat beschreiben werden.
SWDM
SWDM (Short Wavelength Division Multiplexing) ist CWDM im Singlemode-Modus ähnlich. SWDM erweitert die in herkömmlichen Multimode-Glasfasern verwendeten 850 nm auf 850–950 nm und erweitert so die Übertragungswellenlänge von Multimode-Glasfasern. Es verwendet eine kostengünstige kurzwellige VCSEL-Lichtquelle (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) und eine optimierte Breitband-Multimode-Faser (WBMMF), um 4 Wellenlängen für die Übertragung auf 1 Multimode-Glasfaser zu multiplexen. Dadurch wird die Anzahl der erforderlichen Glasfaserkerne auf 1/4 der ursprünglichen Anzahl reduziert und gleichzeitig die effektive modale Bandbreite (EMB) der Glasfaser erhöht, um die Übertragungsdistanz zu verlängern. Die von SWDM verwendete Betriebswellenlänge beginnt bei 850 nm und erhöht sich alle 30 nm um eine Wellenlänge, nämlich: 850 nm, 880 nm, 910 nm und 940 nm.
Im März 2017 veröffentlichte die 100G Short Wavelength Division Multiplexing Multi-Source Agreement (SWDM MSA)-Gruppe erstmals die 40G- und 100G-SWDM-Standards. MSA definiert 4x10Gbps und 4x25Gbps SWDM-optische Schnittstellen für 100Gbit/s optische Sender für Ethernet. Die 40G-Übertragungsdistanz kann 440 m und die 100G-Übertragungsdistanz 150 m erreichen.
BiDi
BiDi (Bidirectional) bedeutet Einzelfaser-Bidirektional, das heißt, in einer Glasfaser können optische Signale in zwei Richtungen gleichzeitig gesendet und empfangen werden.
Die folgende Abbildung zeigt den BiDi-Implementierungsmodus in 40G- und 100G-Fällen. In Rechenzentrumsszenarien kann die Verwendung von BiDi Glasfaserverbindungsressourcen sparen, was insbesondere in älteren Rechenzentren von Bedeutung ist. Daher werden Multimode-40G- und 100G-BiDi-Module häufig in großen Mengen verwendet. Die Übertragungswellenlänge des optischen 40G/100G-BiDi-SR-Transceivers beträgt normalerweise 850 nm und 900 nm, daher ist der genauere Modulbeschreibungsmodus 40G/100G BiDi SR1.2 (im Vergleich zum späteren 400G SR4.2).
40G BiDi und 100G BiDi
Neben dem in Rechenzentren verwendeten Multimode-BiDi gibt es auch Singlemode-BiDi-Module für die Fernübertragung. Wenn die Übertragungsentfernung innerhalb von 40 km liegt, beträgt die Wellenlänge des optischen Transceivers normalerweise 1310 nm/1550 nm, 1310 nm/1490 nm. Wenn die Übertragungsentfernung mehr als 40 km beträgt, beträgt die Wellenlänge normalerweise 1550 nm/1490 nm.
CWDM
CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexer) verfügt über 18 verschiedene Wellenlängenkanäle. Die verschiedenen Wellenlängen jedes Kanals sind um 20 nm voneinander getrennt und verwenden Wellenlängen von 1270 nm bis 1610 nm. CWDM unterstützt weniger Kanäle als DWDM, was es aufgrund seiner Kompaktheit und Kosteneffizienz zu einer idealen Lösung für die Kurzstreckenkommunikation macht. Der größte Vorteil des CWDM-Systems sind seine geringen Kosten.
CWDM
100G CWDM4 QSFP28 ist ein 4 von der CWDM2014 MSA-Organisation angekündigter Standard, der vier zentrale Wellenlängen von 1271 nm, 1291 nm, 1311 nm und 1331 nm für die optische Signalübertragung verwendet. Dieser Standard bietet eine kompatible Reichweite (2 km) und eine kostengünstige Lösung basierend auf den bestehenden 100G SR4 QSFP28 und 100G LR4 QSFP28.
DWDM
DWDM ist ein dichtes Wellenlängenmultiplexverfahren mit einem Kanalabstand von 1.6/0.8/0.4 nm (200 GHz/100 GHz/50 GHz). Im Vergleich zu CWDM-Kanälen benötigt jeder Kanal 20 nm Platz und es können mehr Wellenlängen auf derselben Glasfaser gemultiplext werden, wodurch die Übertragungskapazität erhöht wird. Das DWDM-System kann eine maximale Einzelfaserübertragungskapazität von 160 Wellen bereitstellen, wodurch die Übertragungskapazität einer einzelnen Glasfaser um das Dutzend- bis Hundertfache erhöht wird, was die Glasfaserressourcen erheblich spart und die Kosten für den Leitungsbau senkt. Es wird hauptsächlich für die Datenübertragung über große Entfernungen und mit hoher Kapazität in Fernnetzen verwendet. Mithilfe von EDFA (erbiumdotierten Glasfaserverstärkern) kann das DWDM-System in einer Reichweite von Tausenden von Kilometern betrieben werden.
LAN-WDM
LAN-WDM basiert auf Wellenlängenmultiplex von Ethernet-Kanälen und sein Kanalabstand beträgt 200 bis 800 GHz, was zwischen DWDM (100 GHz, 50 GHz) und CWDM (ca. 3 THz) liegt. Der LAN-WDM-Wellenlängenbereich verwendet 12 Wellenlängen im Band von 1269 nm bis 1332 nm mit einem Wellenlängenintervall von 4 nm (1269.23, 1273.54, 1277.89, 1282.26, 1286.66, 1291.1, 1295.56, 1300.05, 1304.58, 1309.14, 1313.73, 1318.35 nm). Die Betriebswellenlänge von LAN-WDM zeichnet sich durch eine nahezu null Dispersion, geringe Dispersion und gute Stabilität aus. LAN-WDM kann bis zu 12 Wellenlängen und 25G unterstützen, was die Kapazität erhöht und weitere Einsparungen bei den Glasfasern ermöglicht. Am häufigsten wird LAN-WDM4 verwendet, das eine Übertragungsdistanz von etwa 10 km hat und Wellenlängen von 1295.56 nm, 1300.05 nm, 1304.58 nm und 1309.14 nm verwendet.
LAN-WDM
SR4.2, DR4.2, DR8.2
Bei 400G und 800G wird auch Wellenlängenmultiplex wie SR4.2, DR4.2 und DR8.2 verwendet. Am Beispiel von 400GBASE-SR4.2 beträgt die optische Transceiver-Rate 400 Gbit/s, SR bedeutet, dass die Verbindung innerhalb von 150 m liegt, 4 bedeutet 4 Paare optischer Fasern (8 Kerne) und 2 bedeutet, dass jeder Kern 2 Wellenlängen überträgt. Es verwendet BiDi- und PAM4-Technologie (50 Gbit/s) und verwendet 850 nm- und 910 nm-Zweiwellenlängenmultiplex, wodurch 400 Gbit/s durch die parallele Übertragung von 8 optischen Fasern erreicht werden.
Multimode-Fasern in Multimode-Anwendungsszenarien
Neu gebaute Rechenzentren und intelligente Rechenzentren verwenden häufiger OM4-Glasfasern. Die effektive Bandbreite von OM4 ist mehr als doppelt so hoch wie die von OM3 und bietet eine längere Übertragungsdistanz. Im Vergleich zu OM4 erweitert OM5 hauptsächlich den Kanal mit hoher Bandbreite und ermöglicht so die Übertragung im Band von 850 nm bis 950 nm. Bei Verwendung von Wellenlängenmultiplex bietet es eine höhere effektive Bandbreite und eine längere Übertragungsdistanz als OM4. In 40G/100G/400G-Szenarien ohne WDM gibt es keinen Leistungsunterschied zwischen OM4 und OM5. Bei Verwendung von WDM (wie BiDi, SWDM und SR4.2) kann OM5 eine längere Übertragungsdistanz bieten als OM4. Daher ist es bei der Verkabelung in Rechenzentren und intelligenten Rechenzentren erforderlich, den Typ der Multimode-Glasfasern basierend auf den tatsächlichen Bedingungen auszuwählen.