Tecnologías clave del sistema 100G DWDM

El continuo desarrollo de los servicios de velocidad media y alta en las redes de comunicación ha planteado requisitos cada vez más urgentes para el ancho de banda de transmisión de las redes de comunicación de área metropolitana y de interconexión de centros de datos (DCI) existentes. La evolución de la tecnología de transmisión óptica de 10/40 Gbps convencional a 100 Gb/s se ha convertido en la tendencia de la tecnología de transmisión óptica. Después de una gran cantidad de estudios, FiberMall concluyó que la tecnología QSFP28 PAM4 se puede usar para la transmisión DWDM de 100 G en un radio de 100 km, y los métodos de transmisión óptica de 100 G de modulación de fase y recepción coherente son necesarios para la transmisión DWDM de 100 G en un radio de 100 km.

Entre ellos, el sistema de transmisión PM-QPSK que utiliza tecnología de recepción coherente es el más reconocido por la industria. Varias deficiencias en el canal, como la dispersión cromática, PMD, frecuencia portadora y desfase, se pueden compensar de forma flexible en el dominio eléctrico y reconfigurar en señales mediante el receptor del sistema PM-QPSK utilizando tecnología de procesamiento de señal digital (DSP). Por lo tanto, PM-QPSK combinado con detección coherente proporciona la solución óptima, que es elegida por la mayoría de los proveedores de sistemas como el esquema de transmisión de larga distancia de 100G.

La tecnología DWDM ha evolucionado a velocidades de modulación cada vez más altas, incluidos 1.25 G NRZ, 2.5 G NRZ, 10 G NRZ y 25 G NRZ. Tanto 50G PAM4 como 100G PAM4 utilizan PAM4 de modulación de alto orden, al igual que la tecnología de modulación coherente DWDM actualmente competitiva, principalmente para 200G y 400G, así como los futuros servicios de gran ancho de banda de 800G.

El módulo óptico 100G DWDM QSFP28 PAM4 se conecta directamente a un enrutador o conmutador de centro de datos adecuado, sin necesidad de una plataforma de convertidor DWDM separada, lo que reduce significativamente los costos y simplifica la implementación y el mantenimiento. Además, con los módulos de compensación de dispersión (DCM) apropiados y los sistemas de amplificación EDFA, los módulos PAM4 se pueden agregar a las redes DWDM existentes para la transmisión híbrida.

Las formas de productos de próxima generación se basan en la modulación de alto orden PAM4: 50G (1X50G PAM4), 100G (2X50G PAM4) y 100G (1x100G PAM4).

50G (1X50G PAM4)Solución

Los módulos ópticos que utilizan soluciones 50G (1X50G PAM4) incluyen módulos ópticos 50G SFP56 DWDM (banda C, espaciado de longitud de onda de 50Ghz). El producto adopta el factor de forma SFP56, que tiene el mismo tamaño que SFP+ y se puede actualizar directamente a 50G sin cambiar la arquitectura de implementación original.

El módulo óptico 50G SFP56 DWDM adopta modulación 50G PAM4 tanto en el lado del puerto óptico como en el lado del puerto eléctrico y utiliza un láser DWDM EML en el extremo de transmisión. Con el apoyo de la compensación de dispersión DCM y EDFA, puede cumplir con los requisitos de una distancia de transmisión de al menos 80 km. El ancho de banda total de una sola fibra admite 96 ondas x50G = 4800G, y su forma de producto con temperatura de grado industrial puede satisfacer las necesidades de los sistemas de transmisión frontal 5G.

Figura 1: Diagrama esquemático del módulo óptico 50G SFP56 DWDM

100G (2X50G PAM4)Solución

El módulo óptico que utiliza una solución de 100G (2X50G PAM4) incluye 100G QSFP28 DWDM (banda C, intervalo de longitud de onda de 50 Ghz). Por lo general, se denomina 100G PAM4 QSFP28 en la industria, y su puerto óptico transporta un servicio de 100GE por 2 longitudes de onda DWDM de 50G diferentes. El lado del puerto eléctrico adopta 4X25G NRZ, mientras que el lado del puerto óptico tiene dos soluciones: interfaces CS y LC. La interfaz CS adopta 4 fibras ópticas, 2 de entrada y 2 de salida. El esquema de interfaz dúplex LC adopta la tecnología WDM y 2 fibras ópticas pueden hacer la transmisión. Con el soporte de compensación de dispersión DCM y EDFA, puede cumplir con los requisitos de una distancia de transmisión de al menos 80 km, y el ancho de banda total de una sola fibra admite 96 ondas x50G = 4800G.

Figura 2: Diagrama esquemático del módulo óptico 100G QSFP28 DWDM (interfaz CS)

Figura 3: Diagrama esquemático del módulo óptico 100G QSFP28 DWDM (interfaz LC)

Solución 100G (1x100G PAM4)

Módulos ópticos usando 100G (1x100G) las soluciones incluyen 100G QSFP28 DWDM (banda C, 100GHZ). Este producto se realiza principalmente con fuente de luz DWDM + tecnología de modulación de luz de silicio. Con el soporte de DCM+EDFA, puede cumplir con la transmisión de 80 km, y el ancho de banda total de una sola fibra admite 48 ondas x100G = 4800G.

Figura 4: Diagrama esquemático del módulo óptico 100G QSFP28 DWDM

Con sus ventajas, los módulos ópticos PAM4 DWDM generalmente se usan en la construcción de 100G y 400G, como DCI punto a punto, acceso metropolitano Ethernet 100G basado en DWDM, enlaces empresariales y de campus, arquitectura de acceso móvil 5G, etc. Para centro de datos DCI 80km~120km, 50G/100G La tecnología DWDM basada en modulación PAM4 de alto orden puede competir con coherente 200G/100G Tecnología DWDM para cuota de mercado a bajo coste. Como se muestra en la siguiente tabla:

Tabla 1: Sistema 50G PAM4 DWDM VS 100G PAM4 Sistema DWDM VS 100G Sistema coherente DWDM

Tecnologías críticas del esquema DP-QPSK coherente de 100G

1) Modulación por desplazamiento de fase en cuadratura de multiplexación de polarización (PM-QPSK)

QPSK es un método de modulación de banda de frecuencia digital multivariante (cuaternario). La portadora sinusoidal de su señal tiene 4 estados de fase discretos posibles, y cada fase portadora lleva 2 símbolos binarios. PM-QPSK divide una sola señal de 100G en dos señales portadoras de 50G con diferentes estados de polarización y realiza la modulación QPSK en cada portadora. Por lo tanto, este método puede reducir la tasa de baudios del canal a la mitad. Al mismo tiempo, dado que cada estado de polarización puede utilizar 4 fases para representar información de bits, es posible reducir la velocidad de transmisión del canal a la mitad. En consecuencia, después de la codificación PM-QPSK, la tasa de baudios se puede reducir a una cuarta parte de la tasa de bits.

El siguiente es un diagrama esquemático del método de codificación PM-QPSK:

Figura 5: Diagrama esquemático de la codificación PM-QPSK

 2)SD-FEC

La tecnología FEC es ampliamente utilizada en sistemas de comunicación óptica. Diferentes FEC pueden obtener diferentes rendimientos del sistema. De acuerdo con los diferentes métodos de procesamiento de las señales recibidas, FEC se puede dividir en códigos de decisión duros y suaves.

El código de decisión dura es un método de decodificación basado en el punto de vista tradicional del código de corrección de errores. El demodulador primero toma la mejor decisión sobre el valor de salida del canal. La redundancia de FEC de la decisión dura es de alrededor del 7%, que ha sido ampliamente utilizada en el campo de la comunicación óptica.

La decodificación de decisión suave hace un uso completo de la salida de información de forma de onda por el canal. El demodulador envía una salida de valor real desde el filtro emparejado al decodificador, es decir, el decodificador de decisión suave necesita no solo flujos de código "0/1" sino también "información suave" para describir la confiabilidad de estos flujos de código. Cuanto más lejos del umbral de decisión, mayor será la confiabilidad de la decisión, de lo contrario, menor será la confiabilidad.

Para reflejar el grado de distancia, es necesario dividir el espacio de juicio más finamente. Además de dividir el umbral "0/1", los espacios "0" y "1" también se dividen por el "umbral de confianza" para ilustrar la posición relativa del punto de decisión en el espacio de decisión. En comparación con la decisión dura, la decisión suave contiene más información del canal. El decodificador puede hacer pleno uso de esta información a través de la decodificación probabilística, para obtener una mayor ganancia de codificación que la decodificación por decisión dura.

OIF recomienda que 100G elija la codificación de corrección de errores de reenvío de decisión suave (SD-FEC) con una redundancia de menos del 20 %. En este caso, la ganancia de codificación neta puede alcanzar unos 10.5 dB. El uso de la tecnología SD-FEC 100G puede alcanzar el mismo nivel de distancia de transmisión que 10G.

3) Tecnología coherente

La coherencia se refiere a un mecanismo de demodulación en el que las ondas tienen la misma cantidad de vibración, la misma dirección y frecuencia de vibración y una relación de fase fija. Es un método de detección en el que la portadora de la señal modulada se multiplica por la señal modulada recibida, y luego la señal modulada se obtiene mediante un filtrado de paso bajo.

La detección coherente detecta señales inalámbricas ópticas moduladas por intensidad, fase y frecuencia. La señal óptica se mezcla con el láser oscilador local (LO) en el extremo receptor antes de ingresar al receptor óptico, lo que da como resultado un componente de frecuencia intermedia igual a la diferencia entre la frecuencia del láser LO y la frecuencia de la fuente de luz original.

En comparación con la detección directa, la detección coherente tiende a obtener una gran relación señal-ruido. Tiene más tipos de señales recuperables y una mejor selectividad de frecuencia, lo que es más adecuado para los sistemas DWDM. El receptor coherente digital asigna todas las propiedades ópticas de la señal óptica al dominio eléctrico a través de la diversidad de fase y la diversidad de polarización. También utiliza tecnología DSP madura para lograr la demultiplexación de polarización y la compensación de daños por linealidad de canal en el dominio eléctrico. Todo esto simplifica la compensación de dispersión óptica y el diseño de demultiplexación de polarización en el canal de transmisión para reducir y eliminar la dependencia de compensadores de dispersión óptica y fibras de baja PMD.

Sin embargo, el receptor coherente digital transfiere la complejidad del diseño del canal de transmisión al receptor. El costo de obtener mejores propiedades de detección en la detección coherente es que la complejidad del sistema aumenta considerablemente y carece de flexibilidad.

Principios básicos de la implementación de 100G

1) Principio básico del transmisor de lado de línea 100G

El objetivo de diseño del módulo óptico del lado de la línea de 100 Gb/s es aplicarse a la transmisión óptica de larga distancia y admitir la transmisión del lado de la línea del equipo DWDM de OTU4. La siguiente figura muestra el diagrama de bloques del extremo de transmisión del módulo óptico del lado de la línea de 100 Gb/s.

Figura 6: Diagrama esquemático del transmisor del módulo óptico de prueba de línea de 100 Gb/s

Como se muestra en la figura, la salida de luz continua del láser sintonizable integrado (ITLA) se envía al modulador QPSK, que se convierte en dos ondas de luz después de que un dispositivo de separación de polarización en el modulador genera el PBS. Cada luz polarizada es modulada por un modulador QPSK, y hay señales I y O generadas por el MUX al modular la señal. El amplificador y el controlador de banda ancha amplifican las señales de E y O y las aplican al modulador para generar una modulación electroóptica.

Las dos señales QPSK moduladas son sintetizadas por un PBC y se emite una señal multiplexada de polarización PM-QPSK. Para el modulador QPSK (Modulador), también es necesario llevar a cabo un control de retroalimentación (control de polarización MZ) para los múltiples puntos de polarización de la fase I, Q y Pi/2 a través del control de bucle cerrado, de modo que el modulador QPSK pueda Funciona de forma estable durante mucho tiempo en estado de polarización normal. Además, la unidad de transmisión también codifica los datos de servicio que se transmitirán a través del codificador SD-FEC y los ingresa en MUX(X) y MUX(Y). Genera datos en serie de 4 canales mediante conversión de paralelo a serie y los envía al controlador.

2) Principio básico del lado receptor

Como se muestra en la siguiente figura, la señal óptica PM-QPSK es recibida por la unidad receptora coherente del módulo óptico después de la transmisión a larga distancia. La señal óptica se divide en dos señales ópticas polarizadas mutuamente ortogonales mediante el divisor de haz de polarización, indicadas como la dirección X y la dirección Y. Las señales ópticas en las dos direcciones se mezclan coherentemente a 90 grados (900Hybrid) con la luz polarizada del oscilador local correspondiente. La salida de la señal por la frecuencia de mezcla se somete a una conversión fotoeléctrica a través de un detector fotoeléctrico balanceado y luego el ADC la muestrea y cuantifica para completar la conversión analógica/digital. Finalmente, la secuencia digital discreta después del muestreo y la cuantificación se envía a la unidad DSP para su procesamiento.

Figura 7: diagrama de bloques de un receptor transceptor óptico del lado de la línea de 100 Gb/s

En el DSP, la señal digital se sincroniza mediante el procesamiento de recuperación de reloj. La demultiplexación de polarización y la eliminación de CD, PMD y deterioro de efecto no lineal parcial se realizan mediante ecualización de dominio eléctrico. La diferencia de frecuencia entre la fuente de luz de oscilación local y la portadora óptica de transmisión, así como el efecto del ruido de fase, se eliminan mediante la estimación de desplazamiento de frecuencia y el procesamiento de juicio correspondiente. A continuación, los datos procesados ​​se envían a la unidad decodificadora SD-FEC para su decodificación y, finalmente, se recupera la señal de datos.

3) El principio básico del algoritmo DSP

La unidad DSP completa el algoritmo DSP, que se divide principalmente en cinco subfunciones: recuperación de reloj, ecualización con demultiplexación de polarización, estimación de portadora, estimación de fase, cortador y decodificador. Su diagrama de bloques funcional se muestra en la siguiente figura.

Figura 8: Diagrama de bloques de la unidad de procesamiento de señales digitales

Lo siguiente introducirá cada unidad en el diagrama de bloques:

• Recuperación de reloj digital

El propósito de la recuperación del reloj digital es: dado que el reloj de muestreo del ADC es independiente del reloj de símbolos del extremo transmisor, se debe utilizar el tiempo de muestreo de símbolos de los receptores del filtro de interpolación. Esto permite que el reloj de muestreo ajustado del receptor se sincronice con el reloj de símbolos de transmisión, es decir, para garantizar que la frecuencia de muestreo del ADC coincida exactamente con la frecuencia de símbolos.

• Demultiplexación de ecualización y polarización

La demultiplexación de ecualización y polarización se realiza en una sola polarización. La función de la ecualización es eliminar la diafonía de la señal causada por el factor lineal del canal. Puede realizarse mediante FIR con coeficientes de derivación fijos o variables, mientras que la demultiplexación de polarización debe realizarse mediante un filtro de mariposa. La demultiplexación por polarización consiste en separar dos señales polarizadas. Esto se debe a que cuando se transmite la señal, existe una diafonía entre las dos polarizaciones (causada por el acoplamiento de polarización). Y debido a la rotación de la polarización, la polarización de la señal después del PBS en el extremo receptor no corresponde a la polarización inicial.

•  Estimación del desplazamiento de la frecuencia portadora

Debido a las características no ideales del láser, la frecuencia de oscilación del láser oscilador local en el receptor coherente óptico puede tener una desviación de la frecuencia portadora. Este desfase de frecuencia se refleja en el símbolo, que es el desfase de fase. Para un sistema de modulación de fase como PM-QPSK, el desfase de fase causado por el desfase de frecuencia debe eliminarse antes de que sea posible demodular el símbolo de datos final. Por lo tanto, la estimación del desfase de frecuencia es un módulo indispensable para los receptores. El principio es detectar el tamaño del desfase de frecuencia y luego realizar la corrección de fase en el símbolo para eliminar la influencia del desfase de frecuencia, de acuerdo con el valor de desfase de frecuencia estimado.

Figura 9: Estimación del desplazamiento de la frecuencia portadora

• Estimación del desfase de fase de la portadora

Debido al ancho de línea del láser, se produce algún desplazamiento de fase cerca de su frecuencia de oscilación verdadera. Teniendo en cuenta el error de la estimación del desplazamiento de frecuencia, el desplazamiento de fase del símbolo después de la estimación del desplazamiento de frecuencia aún existe. Este desplazamiento cambia con el tiempo, lo que puede cubrir todos los rangos de 0 a 2π. El propósito de la recuperación de la fase de la portadora es eliminar esta parte del desplazamiento de fase para que la fase del símbolo de salida se pueda utilizar directamente para la decisión del símbolo. El principio básico de la estimación de la fase de la portadora es que el desplazamiento de fase inesperado de la fase de información se obtiene y se elimina de cada símbolo.

• Decodificación y recuperación de datos.

Para QPSK, después de recuperar la fase de la señal, se pueden obtener dos señales polarizadas I y Q de acuerdo con la regla de modulación de fase. Para DQPSK, una vez recuperada la fase de la señal, es necesario restar las fases de los dos símbolos para obtener dos señales I y Q polarizadas.

Características Técnicas y Ventajas del Sistema 100G

Como todos sabemos, cada aumento en la velocidad de un solo canal estará limitado por las deficiencias de transmisión, incluida la tolerancia OSNR, la dispersión cromática, la PMD y la no linealidad. Por lo tanto, se requieren tecnologías más avanzadas para reducir el impacto de estas deficiencias en la transmisión. 100G integra múltiples tecnologías como multiplexación de polarización, modulación de fase, super FEC, detección coherente y DSP. Las características de las actuales soluciones tecnológicas 100G son las siguientes:

• Mediante el uso de la tecnología de multiplexación de polarización y la ortogonalidad mutua entre los dos estados de polarización de la señal óptica, se transportan dos canales de información en la misma portadora óptica. Al hacerlo, la tasa de símbolos de la señal se reduce a la mitad. La combinación de detección coherente con ADC y DSP también es un avance tecnológico clave en 100G. En comparación con la detección directa y la demodulación autocoherente, la combinación de detección coherente y tecnología DSP puede mejorar efectivamente la eficiencia de la demodulación y la sensibilidad del receptor.
•  La tecnología QPSK puede duplicar la cantidad de información transportada por la portadora óptica, y su combinación con la multiplexación de polarización reduce la velocidad en baudios de la señal de 100 G a aproximadamente 25 Gbaud/s. Por lo tanto, QPSK se puede aplicar en el sistema OTN con un intervalo de 50 GHz y puede reducir los requisitos de señal para la tolerancia de no linealidad de la fibra.
• La tecnología 100G puede mejorar efectivamente la ganancia de codificación a través de la solución LDPC (Código de verificación de paridad de baja densidad) y el método de decisión suave.
• La combinación de detección coherente con ADC y DSP también es un avance tecnológico clave en 100G. En comparación con la detección directa y la demodulación autocoherente, la combinación de detección coherente y tecnología DSP puede mejorar efectivamente la eficiencia de la demodulación y la sensibilidad del receptor.

Conclusión

Para la interconexión del centro de datos (DCI) dentro de una distancia de transmisión de 100 km, FiberMall ofrece soluciones de 100 G (2X50G PAM4) DWDM QSFP28 y 100 G (1x100G PAM4) DWDM QSFP28. Para redes de área metropolitana, la distancia de transmisión es de más de 100 km, FiberMall ofrece dos soluciones de larga distancia, 1x 100G QSFP28 a 1x 100G CFP-CDO y 2x 100G QSFP28 a 1x 200G CFP2 DP-8QAM o DP-16QAM. Gracias a los esfuerzos conjuntos de todos los empleados de FiberMall, la tecnología 100G DWDM se ha vuelto muy madura y se ha implementado ampliamente en centros de datos y redes de área metropolitana de todo el mundo.