eng
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
Выпуск #5/2024
С.C.Коган
Транспортные ВОСП большой пропускной способности. Часть 2. Эволюция когерентных цифровых сигнальных процессоров. Окончание
Транспортные ВОСП большой пропускной способности. Часть 2. Эволюция когерентных цифровых сигнальных процессоров. Окончание
Просмотры: 400
DOI: 10.22184/2070-8963.2024.121.5.52.59
В цикле статей представлены международные отраслевые стандарты для открытых линейных интерфейсов 400G со сменными когерентными оптическими модулями-приемопередатчиками (трансиверами) транспортных волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) OTN/DWDM (часть 1), эволюция поколений когерентных цифровых сигнальных процессоров (ЦСП) для высокоскоростных оптических каналов (длин волн) ВОСП (часть 2), а также эволюция технологий, используемых для изготовления когерентных ЦСП для ВОСП (часть 3).
В цикле статей представлены международные отраслевые стандарты для открытых линейных интерфейсов 400G со сменными когерентными оптическими модулями-приемопередатчиками (трансиверами) транспортных волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) OTN/DWDM (часть 1), эволюция поколений когерентных цифровых сигнальных процессоров (ЦСП) для высокоскоростных оптических каналов (длин волн) ВОСП (часть 2), а также эволюция технологий, используемых для изготовления когерентных ЦСП для ВОСП (часть 3).
Теги: coherent transceiver modules linear interfaces multicore fibers optical transceivers symbol rate когерентные модули-трансиверы линейные интерфейсы многосердцевинные волокна оптические приемопередатчики сим- вольная скорость
Транспортные ВОСП большой пропускной способности
Часть 2. Эволюция когерентных цифровых сигнальных процессоров
Окончание
С.C.Коган, к.т.н., советник генерального директора компании "Т8" по формированию технической стратегии / kogan@t8.ru
УДК 621.391.15, DOI: 10.22184/2070-8963.2024.121.5.52.59
В цикле статей представлены международные отраслевые стандарты для открытых линейных интерфейсов 400G со сменными когерентными оптическими модулями-приемопередатчиками (трансиверами) транспортных волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) OTN/DWDM (часть 1), эволюция поколений когерентных цифровых сигнальных процессоров (ЦСП) для высокоскоростных оптических каналов (длин волн) ВОСП (часть 2), а также эволюция технологий, используемых для изготовления когерентных ЦСП для ВОСП (часть 3).
Встроенные в оборудование и сменные когерентные оптические приемопередатчики
Высокие характеристики когерентных оптических решений при данной символьной скорости сначала, как правило, достигаются во встроенных в оборудование решениях типа "P" (Performance), а затем – в сменных модулях-приемопередатчиках типа "C" (Compact) [11].
Сегмент встроенных в оборудование (embedded) решений
В сегменте встроенных в оборудование (embedded) решений типа "P" обеспечиваются более высокая символьная скорость и пропускная способность оптического канала ВОСП. Важным направлением развития встроенных решений остается обеспечение максимальной пропускной способности ВОСП при заданной ширине частотного спектра в оптическом волокне. Развитие технологий КМОП и новые решения на уровне фотоники позволили на встроенных ЦСП, выполненных с использованием 7 нм технологии КМОП, увеличить символьную скорость от 30 ГБод (для оптических каналов 100 Гбит/с с форматом модуляции DP-QPSK и 200 Гбит/с с форматом модуляции DP-16QAM) до примерно 50 ГБод (для оптических каналов 400 Гбит/с), а затем и до 60–90 ГБод для оптических каналов 600 Гбит/с. Появление СБИС ЦСП на технологии КМОП с пленками порядка 2–3 нм ожидается в 2026–2027 годах. В будущем планируется снижение толщины пленок до 1,5 нм или 1,4 нм [11]. В дополнение к передовым алгоритмам цифровой обработки типа PCS (Probabalistic Constallation Shaping), связанным с формированием вероятностных характеристик звездной диаграммы QAM и снижением влияния шума нелинейного взаимодействия оптических каналов ВОСП, а также алгоритмам упреждающего исправления ошибок FEC типа SD-FEC и компенсации нелинейных искажений на основе использования нейронных сетей в сочетании с машинным обучением, развиваются встроенные механизмы мониторинга и автоматизации.
Развернутый мониторинг может охватывать оптическую сеть в более широком смысле, включая инфраструктуру проложенного оптоволоконного кабеля, что, возможно, устранит необходимость применения таких инструментов, как оптические рефлектометры во временной области (OTDR, optical time-domain reflectometers). Примеры автоматизации показывают достижение максимальной скорости передачи данных за счет самокалибровки транспондера на основе измерений его характеристик с оценкой доступного запаса.
В будущем возможна поддержка новых типов волокон, включая многосердцевинные волокна MCF (Multi-Core Fiber) для систем SDM (Spare/Spatial Division Multiplexing) [12]. Область инноваций, предполагающая использование большего количества пар волокон или сердцевин в одном волокне (MCF) при меньшей пропускной способности каждого отдельного волокна, связана с переходом к пространственному мультиплексированию оптических каналов SDM. Использование SDM становится предпочтительным прежде всего для подводных кабельных систем, поскольку позволяет достичь более высокой пропускной способности оптического кабеля при тех же ограничениях параметров передачи. В системах SDM будет допускаться меньший уровень компенсации нелинейных взаимодействий в пользу улучшения линейных характеристик.
Интерес к новым типам волокон, включая многомодовые, несвязанные и связанные многосердцевинные волокна (coupled & uncoupled multi-core fibers), а также полые волокна (hollow core fibres), будет возрастать и для традиционных наземных волоконно-оптических систем передачи по мере исчерпания их пропускной способности. Для оптимальной поддержки этих типов волокон потребуется определенная эволюция когерентных оптических решений. Например, связанные многосердцевинные волокна потребуют на приемной стороне сложной цифровой обработки типа MIMO (Multiple-In Multiple-Out).
Сегмент компактных сменных (pluggables) когерентных модулей-трансиверов
Сменные модули-приемопередатчики 400ZR первого поколения, уже получившие широкое распространение, обеспечивают экономичные каналы 400G между региональными ЦОДами. Это решение было усовершенствовано в виде 400G ZR+/Opren ROADM с поддержкой больших расстояний (более 2 тыс. км) и более широкого спектра сетевых архитектур, включая сети с промежуточными узлами ROADM [3].
В ходе проведения испытаний первых модулей 800ZR расширяется список приложений для их применения. Эти модули обеспечат перспективу снижения энергопотребления, увеличения дальности связи для каналов 400G и удвоения пропускной способности многих региональных и городских сетей при внедрении каналов 800G.
Дальнейшее улучшение характеристик ожидается по мере освоения второго поколения модулей 800ZR с использованием ЦСП на основе технологии КМОП 3 нм [13].
Технические требования к открытым сменным когерентным оптическим линейным интерфейсам 800G
Стандартизация открытых сменных когерентных оптических высокоскоростных линейных интерфейсов (в зависимости от значений символьной скорости) показана на рис.2 [14].
Пример требований к перспективным открытым сменным когерентным оптическим линейным модулям-приемопередатчикам 800G представлен ниже [14].
800ZR
Интерфейс 800ZR пропускной способностью 800 Гбит/с на одной несущей с форматом модуляции DP-16QAM не дифференциальный (absolute, Non-differential).
Символьная скорость 118 ГБод (в два раза выше, чем у интерфейса 400ZR).
Коды с исправлением ошибки oFEC (open FEC). Используется модуль oFEC, удовлетворяющий требованиям по сложности исполнения, задержке и энергопотреблению.
Для совместного использования на общей линии с 400ZR требуется установить уровень оптической мощности для 800ZR на 3 дБ выше, чем для модуля 400ZR.
Минимально допустимый уровень оптической мощности повышается при переходе к символьной скорости 118 ГБод.
В зависимости от приложения для 800ZR рассматриваются три диапазона уровней оптической мощности на передающей стороне:
от –11 до –14 дБм: для достижения наименьших затрат,
от –7 до –11 дБм: использование на одной линии совместно с 400ZR,
от 0 до –7 дБм: использование в обычной системе DWDM.
Протяженность участков DWDM в конфигурации "точка – точка" с усилением: 80 км (сети взаимодействия ЦОДов, DCi).
Обеспечение достоверности передачи не хуже, чем 1.0E-15 для клиентских интерфейсов 100GE/200GE/400GE/800G.
Размещение клиентских сигналов 100G в цикле (кадре) 800ZR: GMP для восьми клиентских сигналов по 100G каждый.
Поддержка транспортного контейнера FLEXO-8e.
Поддержка клиентских интерфейсов 2 × 400GE или 1 × 800GE при когерентном линейном интерфейсе 800ZR на одной длине волны.
Полоса оптического канала (длины волны) 800ZR: 150 ГГц.
Конструктивное исполнение: уточняется.
800LR
Когерентный интерфейс 800G c передачей потока данных 800 Гбит/с на одной длине волны.
Модули 800LR должны отличаться простотой, низкой задержкой и малым энергопотреблением.
Новый класс когерентных интерфейсов, отвечающих требованиям, предъявляемым к перспективным когерентным сетям для обеспечения взаимодействия ЦОДов.
Поддержка участков DWDM в конфигурации "точка – точка" без усиления с потерями порядка 6–8 дБ, протяженность до 10 км.
Используется cFEC (concatenated FEC) с:
RS (544,514) как внешним (outer code) кодом,
BCH (126,110) как внутренним кодом (inner code).
Поддержка клиентских интерфейсов 400GbE и 800GbE.
Конструктивное исполнение: уточняется.
Классификация когерентных ЦСП по символьной скорости
Поколения ЦСП, согласно предложению Cignal AI [11], можно классифицировать по достигнутой в них символьной скорости:
30–60 ГБод (Gen30, поколение 30);
60–90 ГБод (Gen60, поколение 60);
90–120 ГБод (Gen90, поколение 90);
120 –180 ГБод (Gen120, поколение 120);
180 ГБод и выше (Gen180, поколение 180).
Для каждого поколения приведенные в табл.2
решения делятся на две группы, а именно: решения типа "P" (Performance) и решения типа "С" (Compact). Решения "P" исторически разрабатывались первыми и ориентированы на достижение максимально возможной дальности связи при использовании встроенных в оборудование приемопередатчиков. Решения "C" обычно отстают от решений "P" на несколько лет и ориентированы на уменьшение физических размеров и снижение энергопотребления, с тем чтобы использовать сменные модули-приемопередатчики в стандартном конструктивном исполнении (форм-факторе) типа CFP/CFP2/CFP4/QSFP-DD/OSFP и т. п.
Дорожные карты когерентных ЦСП, как показано на рис.3, предполагают первоначальный выпуск решения "P" (встроенной в оборудование версии) для определенной символьной скорости / скорости передачи данных, а затем, через несколько лет, выпуск решения "С" (версии в виде компактного сменного модуля). Компактная версия обычно (но не всегда) разрабатывается с использованием кремниевой пластины миниатюрного размера, с тем чтобы это решение отличалось меньшими размерами и энергопотреблением.
Для развития встроенных решений типа "P", например, Gen30P, от оптических каналов пропускной способностью 100 Гбит/с на одной длине волны до оптических каналов пропускной способностью 200 Гбит/с на одной длине волны (ранние решения с более низкой символьной скоростью 30 ГБод и передачей 100 Гбит/с на двух длинах волн не включены в эту диаграмму) потребовалось несколько лет. Компактные решения типа "С", например Gen30С, для сменных модулей, использующие ту же символьную скорость, но реализованные в небольшом корпусе, то есть в меньшем форм-факторе, появились примерно через пять лет после первых решений типа "P". Этот интервал сократился до трех лет в отношении решений Gen60. Ожидается, что для перспективных решений Gen120, с учетом недавно разработанного Соглашения о внедрении OIF 800 Гбит/с, он будет еще короче [15].
В целом производители вертикально интегрированного оборудования для оптических транспортных сетей, выпускающие собственное оборудование ВОСП, а также свои СБИС ЦСП (например, Ciena, Huawei, Infinera, Nokia), добились наибольшего успеха в продаже когерентных оптических портов. Разработка новых ЦСП для когерентных оптических транспортных сетей останется в ведении вертикально интегрированных компаний. Но рынок ЦСП, используемых в компактных сменных модулях, расширяется.
Энергоэффективность – самое большое препятствие на пути к масштабированию высокоскоростных когерентных приемопередатчиков до терабитных скоростей. За последние два десятилетия, по мере перехода к более энергоемким когерентным решениям, номинальная рассеиваемая мощность сменных модулей-приемопередатчиков увеличилась для модулей QSSFP-DD до 14 Вт, а для модулей QSFP – порядка 21 Вт [10].
Производители ЦСП – поставщики вертикально интегрированного оборудования (Equipment OEMs) и компонентов (Component direct sales) – представлены в табл.3 [11, 15] (данные от 12.04.2023 обновлены по результатам прошедшей в марте 2023 года конференции OFC-2023).
С 2023 года в ВОСП доступны ЦСП, созданные с использованием технологии КМОП 5 нм. Увеличение скорости передачи данных в первую очередь связано со способностью таких ЦСП работать с удвоенной (по сравнению с КМОП 7 нм) символьной скоростью, то есть 150 ГБод вместо 75. Полоса частот такого оптического канала удваивается с 75 до 150 ГГц и становится кратной 50 ГГц, что позволяет избежать спектральной фрагментации в оптическом линейном тракте, загруженном существующим трафиком.
По мере повышения символьной скорости передачи расширяется полоса частот канала, снижается помехоустойчивость и, как следствие, значительно уменьшается дальность связи. Однако этот эффект можно смягчить, увеличив оптическую мощность в канале и сохранив спектральную плотность мощности при более широкой полосе частот канала. Второй вариант – использовать более устойчивый к шуму формат модуляции (понижение уровня формата модуляции) и улучшенные алгоритмы обнаружения и исправления ошибок FEC. Новые ЦСП отличаются более высокой устойчивостью к хроматическим и поляризационным дисперсионным искажениям и т. п., что позволяет значительно увеличить дальность связи.
Освоенные в производстве новейшие когерентные ЦСП
Компания Acacia (входит в состав Cisco) разработала ЦСП CIM 8 (Сoherent Interconnect Module, 140 ГБод, КМОП 5 нм, полоса 150 ГГц), который поддерживает скорость передачи данных по оптическому волокну до 1,2 Тбит/с. Испытания проводились на сверхдальних, дальних и региональных сетях в партнерстве с Adtran и такими операторами, как China Mobile и Windstream Wholesale. Протяженность каналов 800G на действующих оптических транспортных сетях составила до 2220 км. В ЦСП используются алгоритмы обработки PCS (Probabilistic Constellation Shaping), Adaptive Baud Rate (ABR) и SD FEC.
Компания Nokia разработала ЦСП шестого поколения PSE-6s (символьная скорость 130 ГБод, КМОП 5 нм) для обеспечения когерентной передачи следующего поколения со скоростью до 1,2 Тбит/с. При сдвоенном включении этих ЦСП достигается пропускная способность 2,4 Тбит/с на двух длинах волн. Это означает, что можно организовать три услуги 800GbE по каналу пропускной способностью 2,4 Тбит/с, обеспечив значительно большую пропускную способность по оптическому волокну в сравнении с каналами 800GbE на отдельных длинах волн. В решении использована кремниевая фотоника для фотонных интегральных схем PIC (Photonic Integrated Circuits). Полевые испытания PSE-6s на действующей сети были проведены в партнерстве с европейским оператором GlobalConnect. Скорость 1,2 Тбит/с была достигнута на городской сети (118 км), а 800 Гбит/с – на магистрали (2019 км). При этом в обоих случаях для оптического канала использовалась одна длина волны. В ЦСП применяются алгоритм обработки PCS (Probabilistic Constellation Shaping) и SD FEC.
Компания Fujitsu разработала ЦСП для оптических каналов пропускной способностью 1,2 Тбит/с на одной длине волны с возможностью повышения пропускной способности до 1,6 Тбит/с. Транспортная платформа Fujitsu 1Finity Ultra Optical оснащена ЦСП, использующим новейшие полупроводниковые процессы и технологию жидкостного охлаждения. Решение обеспечивает вдвое большую охлаждающую способность по сравнению с традиционными технологиями. Жидкостное охлаждение позволяет уменьшить энергопотребление системы на 40–60%, при этом снижается шум вентиляторов, которые можно запускать на более низкой скорости, что продлевает срок их службы. ЦСП используется в блоках:
1FINITY T600 2,4 Tbps, transponder/muxponder с клиентскими интерфейсами 100 GbE,
1FINITY T700 1,6 Tbps transponder/muxponder с клиентскими интерфейсами 100 GbE/OTU4/400GbE,
1FINITY T950 1,2 Тбит/с transponder/muxponder с водяным охлаждением в компактном модуле 14,4 TБит/с для DCi и т. п. В этом транспондере применяется ЦСП NEL GAIA (КМОП, 5 нм). Обеспечивается передача 1,2 Tбит/с на расстояние до 300 км, а 800 Гбит/с – на расстояние более 1800 км (с использованием рамановских усилителей, включенных как навстречу принимаемому с линии сигналу, так и в направлении передачи полезного оптического сигнала в линию).
В ЦСП Fujitsu применяются алгоритм обработки PCS (Probabilistic Constellation Shaping) и SD FEC.
Компания Ciena разработала ЦСП WaveLogic 6 Extreme (WL6e) для оптических каналов пропускной способностью 1,6 Тбит/с на одной несущей (символьная скорость 200 ГБод, КМОП 3 нм, полоса частот 200 ГГц). ЦСП WL6e – первый в мире ЦСП с символьной скоростью 200 ГБод. Применяется на городских сетях, где в узлах используются ROADM, а также в оптических каналах пропускной способностью 800 Гбит/с и протяженностью до 1 тыс. км. В ЦСП реализован алгоритм обработки PCS (Probabilistic Constellation Shaping).
Компания Ciena разработала ЦСП WaveLogic 6 Nano (WL5n, символьная скорость 70 ГБод, КМОП 3 нм) для сменных модулей-трансиверов 400–600G (включая модули с интерфейсами 400ZR). ЦСП WL6n можно комбинировать с оптикой (символьная скорость 120–140 ГБод) для:
когерентных сменных модулей 400–800G,
протяженных каналов 400G,
городских/региональных приложений 800G,
интерфейса 800ZR в сетях взаимодействия ЦОДов.
Планируются интерфейсы (в стадии стандартизации):
800ZR для однопролетных линий (сети взаимодействия ЦОД) протяженностью порядка 120 км с возможностью расширения до 500 км,
800LR для соединений до 10 км.
В ЦСП реализуются алгоритмы обработки PCS (Probabilistic Constellation Shaping) и SD FEC.
Компания Infinera разработала ЦСП ICE7 (символьная скорость 148 ГБод, КМОП 5 нм, полоса частот 150 ГГц) для передачи данных в оптическом канале (длине волны) со скоростью 1,2 Тбит/с. Используется PIC (фотонная интегральная схема) на основе фосфида индия (InP) собственного производства. Обеспечивается передача данных в оптическом канале 800G на расстояние до 3 тыс. км. В ЦСП используются алгоритмы обработки PCS (Probabilistic Constellation Shaping) и SD FEC [16].
Заключение
Цифровая обработка сигналов всегда была неотъемлемым компонентом оптической связи для формирования цикла (кадра) и кодирования. Разработка высокоскоростных АЦП и ЦАП, а также улучшение характеристик СБИС КМОП позволили реализовать сложные ЦСП с алгоритмами цифровой обработки, необходимыми для увеличения пропускной способности и компенсации хроматических (CD) и поляризационных (PMD) дисперсионных искажений в высокоскоростных оптических каналах.
Дальнейшие направления эволюции когерентных ЦСП связаны с реализацией символьной скорости 200 ГБод и выше как для встроенных решений, так и для сменных модулей-приемопередатчиков. По мере доступности новых когерентных ЦСП для городских и магистральных протяженных сетей операторы получат новый импульс к внедрению оптических каналов пропускной способностью 1,2/1,6 Тбит/с с последующим переходом к 3,2 Тбит/с.
Литература
Dell’Oro Group.report "AI Networks for AI workloads". Press Release January 16, 2024 [Электронный ресурс]. URL: https://www.delloro.com/news/ai-workloads-require-new-network-buildouts-expanding-data-center-switch-market-by-50-percent/ (дата обращения 26.04.2024).
OFC-2024. A Hybrid Conference In-Person and Virtual Presentations. San Diego Convention Center, San Diego, California, USA. [Электронный ресурс]. URL: https://www.ofcconference.org/en-us/home/exhibition-and-show-floor-programs/ (дата обращения 26.04.2024).
Коган С.С. Транспортные волоконно-оптические системы передачи (ВОСП) большой пропускной способности. Часть 1 // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2024. № 2. С. 44−54.
LightReading. Optical Networking Digital Symposium / 15.02.2024. Simon Stanley, Analyst at Large, Heavy Reading. [Электронный ресурс]. URL: https://event.on24.com/eventRegistration/EventLobbyServlet?target=reg20.jsp&eventid=4412886&sessionid=1&key=76BA13B2D950221AFBD8C68B4420BBE5&groupId=5107640&sourcepage=register?partnerref (дата обращения 26.04.2024).
Building Open Optical Right Enabling the Network for the Next Decade, or More… [Электронный ресурс]. URL: https://www.infinera.com/blog/building-open-optical-right-enabling-the-network-for-the-next-decade-or-more/tag/optical/?mkt_tok=MjY0LUhCUS03MTQAAAGSANJnyW801Lo7rON 01X34CLCwUXYuXkqM23bOtgyDk1Ga-xYRPMo1Ioif3yvkiMayDr8tqN 9UfCbmeOojVxhdgcNxm8PLx9Mq3cx-8E8EJ (дата обращения 26.04.2024).
Когерентные технологии для DWDM-сетей дальней связи. Переходя границу в 10G. [Электронный ресурс]. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/kogerentnye-tehnologii-dlya-dwdm-setey-dalney-svyazi-perehodya-granitsu-v-10g/viewer/. (дата обращения 26.04.2024).
Оптический трансивер против оптического двигателя и CPO против OBO. [Электронный ресурс]. URL: https://www.fibermall.com/ru/blog/optical-transceiver-engine-cpo-obo.htm (дата обращения 26.04.2024).
Enabling coherent optical communication with InP PICs. [Электронный ресурс]. URL: https://compoundsemiconductor.net/article/117727/Enabling_coherent_optical_communication_with_InP_PICs (дата обращения 26.04.2024).
EFFECT Photonics Verifies Fully Integrated InP PIC for World’s Smallest Digital ITLA for Coherent Applications. [Электронный ресурс]. URL: https://effectphotonics.com/press-releases/worlds-smallest-digital-itla-for-coherent-applications/ (дата обращения 26.04.2024).
What’s Inside a Coherent DSP? [Электронный ресурс]. URL: https://effectphotonics.com/insights/whats-inside-a-coherent-dsp/ (дата обращения 26.04.2024).
Cignal AI (Active Insight). 400ZR vs 800G Classifying Coherent Technology. [Электронный ресурс]. URL: https://cignal.ai/2021/10/400zr-vs-800g-classifying-coherent-technology/ (дата обращения 26.04.2024).
The evolution of high-performance coherent optical engine technology. [Электронный ресурс]. URL: https://www.fibre-systems.com/analysis-opinion/evolution-high-performance-coherent-optical-engine-technology (дата обращения 26.04.2024).
LightReading. Optical Networking Digital Symposium/ 15.02.2024. Simon Stanley, Analyst at Large, Heavy Reading [Электронный ресурс]. URL: https://event.on24.com/eventRegistration/EventLobbyServlet?target=reg20.jsp&eventid=4412886&sessionid=1&key=76BA13B2D950221AFBD8C68B4420BBE5&groupId=5107640&sourcepage=register?partnerref (дата обращения 26.04.2024).
OIF- 2023. Defining 800ZR and 800LR; An OIF Update [Электронный ресурс]. URL: https://www.oiforum.com/wp-content/uploads/OIF-Panel-Tom-Williams-Final.pdf (дата обращения 26.04.2024).
Cignal AI (Active Insight). Tracking the Coherent DSP Supply Chain. [Электронный ресурс]. URL: https://cignal.ai/2023/04/tracking-the-coherent-dsp-supply-chain/ (дата обращения 26.04.2024).
Fujitsu. How the coherent DSP evolution is enabling 800G waves everywhere. [Электронный ресурс]. URL: https://networkblog.global.fujitsu.com/2023/10/12/how-the-coherent-dsp-evolution-is-enabling-800g-waves-everywhere/ (дата обращения 26.04.2024).
Часть 2. Эволюция когерентных цифровых сигнальных процессоров
Окончание
С.C.Коган, к.т.н., советник генерального директора компании "Т8" по формированию технической стратегии / kogan@t8.ru
УДК 621.391.15, DOI: 10.22184/2070-8963.2024.121.5.52.59
В цикле статей представлены международные отраслевые стандарты для открытых линейных интерфейсов 400G со сменными когерентными оптическими модулями-приемопередатчиками (трансиверами) транспортных волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) OTN/DWDM (часть 1), эволюция поколений когерентных цифровых сигнальных процессоров (ЦСП) для высокоскоростных оптических каналов (длин волн) ВОСП (часть 2), а также эволюция технологий, используемых для изготовления когерентных ЦСП для ВОСП (часть 3).
Встроенные в оборудование и сменные когерентные оптические приемопередатчики
Высокие характеристики когерентных оптических решений при данной символьной скорости сначала, как правило, достигаются во встроенных в оборудование решениях типа "P" (Performance), а затем – в сменных модулях-приемопередатчиках типа "C" (Compact) [11].
Сегмент встроенных в оборудование (embedded) решений
В сегменте встроенных в оборудование (embedded) решений типа "P" обеспечиваются более высокая символьная скорость и пропускная способность оптического канала ВОСП. Важным направлением развития встроенных решений остается обеспечение максимальной пропускной способности ВОСП при заданной ширине частотного спектра в оптическом волокне. Развитие технологий КМОП и новые решения на уровне фотоники позволили на встроенных ЦСП, выполненных с использованием 7 нм технологии КМОП, увеличить символьную скорость от 30 ГБод (для оптических каналов 100 Гбит/с с форматом модуляции DP-QPSK и 200 Гбит/с с форматом модуляции DP-16QAM) до примерно 50 ГБод (для оптических каналов 400 Гбит/с), а затем и до 60–90 ГБод для оптических каналов 600 Гбит/с. Появление СБИС ЦСП на технологии КМОП с пленками порядка 2–3 нм ожидается в 2026–2027 годах. В будущем планируется снижение толщины пленок до 1,5 нм или 1,4 нм [11]. В дополнение к передовым алгоритмам цифровой обработки типа PCS (Probabalistic Constallation Shaping), связанным с формированием вероятностных характеристик звездной диаграммы QAM и снижением влияния шума нелинейного взаимодействия оптических каналов ВОСП, а также алгоритмам упреждающего исправления ошибок FEC типа SD-FEC и компенсации нелинейных искажений на основе использования нейронных сетей в сочетании с машинным обучением, развиваются встроенные механизмы мониторинга и автоматизации.
Развернутый мониторинг может охватывать оптическую сеть в более широком смысле, включая инфраструктуру проложенного оптоволоконного кабеля, что, возможно, устранит необходимость применения таких инструментов, как оптические рефлектометры во временной области (OTDR, optical time-domain reflectometers). Примеры автоматизации показывают достижение максимальной скорости передачи данных за счет самокалибровки транспондера на основе измерений его характеристик с оценкой доступного запаса.
В будущем возможна поддержка новых типов волокон, включая многосердцевинные волокна MCF (Multi-Core Fiber) для систем SDM (Spare/Spatial Division Multiplexing) [12]. Область инноваций, предполагающая использование большего количества пар волокон или сердцевин в одном волокне (MCF) при меньшей пропускной способности каждого отдельного волокна, связана с переходом к пространственному мультиплексированию оптических каналов SDM. Использование SDM становится предпочтительным прежде всего для подводных кабельных систем, поскольку позволяет достичь более высокой пропускной способности оптического кабеля при тех же ограничениях параметров передачи. В системах SDM будет допускаться меньший уровень компенсации нелинейных взаимодействий в пользу улучшения линейных характеристик.
Интерес к новым типам волокон, включая многомодовые, несвязанные и связанные многосердцевинные волокна (coupled & uncoupled multi-core fibers), а также полые волокна (hollow core fibres), будет возрастать и для традиционных наземных волоконно-оптических систем передачи по мере исчерпания их пропускной способности. Для оптимальной поддержки этих типов волокон потребуется определенная эволюция когерентных оптических решений. Например, связанные многосердцевинные волокна потребуют на приемной стороне сложной цифровой обработки типа MIMO (Multiple-In Multiple-Out).
Сегмент компактных сменных (pluggables) когерентных модулей-трансиверов
Сменные модули-приемопередатчики 400ZR первого поколения, уже получившие широкое распространение, обеспечивают экономичные каналы 400G между региональными ЦОДами. Это решение было усовершенствовано в виде 400G ZR+/Opren ROADM с поддержкой больших расстояний (более 2 тыс. км) и более широкого спектра сетевых архитектур, включая сети с промежуточными узлами ROADM [3].
В ходе проведения испытаний первых модулей 800ZR расширяется список приложений для их применения. Эти модули обеспечат перспективу снижения энергопотребления, увеличения дальности связи для каналов 400G и удвоения пропускной способности многих региональных и городских сетей при внедрении каналов 800G.
Дальнейшее улучшение характеристик ожидается по мере освоения второго поколения модулей 800ZR с использованием ЦСП на основе технологии КМОП 3 нм [13].
Технические требования к открытым сменным когерентным оптическим линейным интерфейсам 800G
Стандартизация открытых сменных когерентных оптических высокоскоростных линейных интерфейсов (в зависимости от значений символьной скорости) показана на рис.2 [14].
Пример требований к перспективным открытым сменным когерентным оптическим линейным модулям-приемопередатчикам 800G представлен ниже [14].
800ZR
Интерфейс 800ZR пропускной способностью 800 Гбит/с на одной несущей с форматом модуляции DP-16QAM не дифференциальный (absolute, Non-differential).
Символьная скорость 118 ГБод (в два раза выше, чем у интерфейса 400ZR).
Коды с исправлением ошибки oFEC (open FEC). Используется модуль oFEC, удовлетворяющий требованиям по сложности исполнения, задержке и энергопотреблению.
Для совместного использования на общей линии с 400ZR требуется установить уровень оптической мощности для 800ZR на 3 дБ выше, чем для модуля 400ZR.
Минимально допустимый уровень оптической мощности повышается при переходе к символьной скорости 118 ГБод.
В зависимости от приложения для 800ZR рассматриваются три диапазона уровней оптической мощности на передающей стороне:
от –11 до –14 дБм: для достижения наименьших затрат,
от –7 до –11 дБм: использование на одной линии совместно с 400ZR,
от 0 до –7 дБм: использование в обычной системе DWDM.
Протяженность участков DWDM в конфигурации "точка – точка" с усилением: 80 км (сети взаимодействия ЦОДов, DCi).
Обеспечение достоверности передачи не хуже, чем 1.0E-15 для клиентских интерфейсов 100GE/200GE/400GE/800G.
Размещение клиентских сигналов 100G в цикле (кадре) 800ZR: GMP для восьми клиентских сигналов по 100G каждый.
Поддержка транспортного контейнера FLEXO-8e.
Поддержка клиентских интерфейсов 2 × 400GE или 1 × 800GE при когерентном линейном интерфейсе 800ZR на одной длине волны.
Полоса оптического канала (длины волны) 800ZR: 150 ГГц.
Конструктивное исполнение: уточняется.
800LR
Когерентный интерфейс 800G c передачей потока данных 800 Гбит/с на одной длине волны.
Модули 800LR должны отличаться простотой, низкой задержкой и малым энергопотреблением.
Новый класс когерентных интерфейсов, отвечающих требованиям, предъявляемым к перспективным когерентным сетям для обеспечения взаимодействия ЦОДов.
Поддержка участков DWDM в конфигурации "точка – точка" без усиления с потерями порядка 6–8 дБ, протяженность до 10 км.
Используется cFEC (concatenated FEC) с:
RS (544,514) как внешним (outer code) кодом,
BCH (126,110) как внутренним кодом (inner code).
Поддержка клиентских интерфейсов 400GbE и 800GbE.
Конструктивное исполнение: уточняется.
Классификация когерентных ЦСП по символьной скорости
Поколения ЦСП, согласно предложению Cignal AI [11], можно классифицировать по достигнутой в них символьной скорости:
30–60 ГБод (Gen30, поколение 30);
60–90 ГБод (Gen60, поколение 60);
90–120 ГБод (Gen90, поколение 90);
120 –180 ГБод (Gen120, поколение 120);
180 ГБод и выше (Gen180, поколение 180).
Для каждого поколения приведенные в табл.2
решения делятся на две группы, а именно: решения типа "P" (Performance) и решения типа "С" (Compact). Решения "P" исторически разрабатывались первыми и ориентированы на достижение максимально возможной дальности связи при использовании встроенных в оборудование приемопередатчиков. Решения "C" обычно отстают от решений "P" на несколько лет и ориентированы на уменьшение физических размеров и снижение энергопотребления, с тем чтобы использовать сменные модули-приемопередатчики в стандартном конструктивном исполнении (форм-факторе) типа CFP/CFP2/CFP4/QSFP-DD/OSFP и т. п.
Дорожные карты когерентных ЦСП, как показано на рис.3, предполагают первоначальный выпуск решения "P" (встроенной в оборудование версии) для определенной символьной скорости / скорости передачи данных, а затем, через несколько лет, выпуск решения "С" (версии в виде компактного сменного модуля). Компактная версия обычно (но не всегда) разрабатывается с использованием кремниевой пластины миниатюрного размера, с тем чтобы это решение отличалось меньшими размерами и энергопотреблением.
Для развития встроенных решений типа "P", например, Gen30P, от оптических каналов пропускной способностью 100 Гбит/с на одной длине волны до оптических каналов пропускной способностью 200 Гбит/с на одной длине волны (ранние решения с более низкой символьной скоростью 30 ГБод и передачей 100 Гбит/с на двух длинах волн не включены в эту диаграмму) потребовалось несколько лет. Компактные решения типа "С", например Gen30С, для сменных модулей, использующие ту же символьную скорость, но реализованные в небольшом корпусе, то есть в меньшем форм-факторе, появились примерно через пять лет после первых решений типа "P". Этот интервал сократился до трех лет в отношении решений Gen60. Ожидается, что для перспективных решений Gen120, с учетом недавно разработанного Соглашения о внедрении OIF 800 Гбит/с, он будет еще короче [15].
В целом производители вертикально интегрированного оборудования для оптических транспортных сетей, выпускающие собственное оборудование ВОСП, а также свои СБИС ЦСП (например, Ciena, Huawei, Infinera, Nokia), добились наибольшего успеха в продаже когерентных оптических портов. Разработка новых ЦСП для когерентных оптических транспортных сетей останется в ведении вертикально интегрированных компаний. Но рынок ЦСП, используемых в компактных сменных модулях, расширяется.
Энергоэффективность – самое большое препятствие на пути к масштабированию высокоскоростных когерентных приемопередатчиков до терабитных скоростей. За последние два десятилетия, по мере перехода к более энергоемким когерентным решениям, номинальная рассеиваемая мощность сменных модулей-приемопередатчиков увеличилась для модулей QSSFP-DD до 14 Вт, а для модулей QSFP – порядка 21 Вт [10].
Производители ЦСП – поставщики вертикально интегрированного оборудования (Equipment OEMs) и компонентов (Component direct sales) – представлены в табл.3 [11, 15] (данные от 12.04.2023 обновлены по результатам прошедшей в марте 2023 года конференции OFC-2023).
С 2023 года в ВОСП доступны ЦСП, созданные с использованием технологии КМОП 5 нм. Увеличение скорости передачи данных в первую очередь связано со способностью таких ЦСП работать с удвоенной (по сравнению с КМОП 7 нм) символьной скоростью, то есть 150 ГБод вместо 75. Полоса частот такого оптического канала удваивается с 75 до 150 ГГц и становится кратной 50 ГГц, что позволяет избежать спектральной фрагментации в оптическом линейном тракте, загруженном существующим трафиком.
По мере повышения символьной скорости передачи расширяется полоса частот канала, снижается помехоустойчивость и, как следствие, значительно уменьшается дальность связи. Однако этот эффект можно смягчить, увеличив оптическую мощность в канале и сохранив спектральную плотность мощности при более широкой полосе частот канала. Второй вариант – использовать более устойчивый к шуму формат модуляции (понижение уровня формата модуляции) и улучшенные алгоритмы обнаружения и исправления ошибок FEC. Новые ЦСП отличаются более высокой устойчивостью к хроматическим и поляризационным дисперсионным искажениям и т. п., что позволяет значительно увеличить дальность связи.
Освоенные в производстве новейшие когерентные ЦСП
Компания Acacia (входит в состав Cisco) разработала ЦСП CIM 8 (Сoherent Interconnect Module, 140 ГБод, КМОП 5 нм, полоса 150 ГГц), который поддерживает скорость передачи данных по оптическому волокну до 1,2 Тбит/с. Испытания проводились на сверхдальних, дальних и региональных сетях в партнерстве с Adtran и такими операторами, как China Mobile и Windstream Wholesale. Протяженность каналов 800G на действующих оптических транспортных сетях составила до 2220 км. В ЦСП используются алгоритмы обработки PCS (Probabilistic Constellation Shaping), Adaptive Baud Rate (ABR) и SD FEC.
Компания Nokia разработала ЦСП шестого поколения PSE-6s (символьная скорость 130 ГБод, КМОП 5 нм) для обеспечения когерентной передачи следующего поколения со скоростью до 1,2 Тбит/с. При сдвоенном включении этих ЦСП достигается пропускная способность 2,4 Тбит/с на двух длинах волн. Это означает, что можно организовать три услуги 800GbE по каналу пропускной способностью 2,4 Тбит/с, обеспечив значительно большую пропускную способность по оптическому волокну в сравнении с каналами 800GbE на отдельных длинах волн. В решении использована кремниевая фотоника для фотонных интегральных схем PIC (Photonic Integrated Circuits). Полевые испытания PSE-6s на действующей сети были проведены в партнерстве с европейским оператором GlobalConnect. Скорость 1,2 Тбит/с была достигнута на городской сети (118 км), а 800 Гбит/с – на магистрали (2019 км). При этом в обоих случаях для оптического канала использовалась одна длина волны. В ЦСП применяются алгоритм обработки PCS (Probabilistic Constellation Shaping) и SD FEC.
Компания Fujitsu разработала ЦСП для оптических каналов пропускной способностью 1,2 Тбит/с на одной длине волны с возможностью повышения пропускной способности до 1,6 Тбит/с. Транспортная платформа Fujitsu 1Finity Ultra Optical оснащена ЦСП, использующим новейшие полупроводниковые процессы и технологию жидкостного охлаждения. Решение обеспечивает вдвое большую охлаждающую способность по сравнению с традиционными технологиями. Жидкостное охлаждение позволяет уменьшить энергопотребление системы на 40–60%, при этом снижается шум вентиляторов, которые можно запускать на более низкой скорости, что продлевает срок их службы. ЦСП используется в блоках:
1FINITY T600 2,4 Tbps, transponder/muxponder с клиентскими интерфейсами 100 GbE,
1FINITY T700 1,6 Tbps transponder/muxponder с клиентскими интерфейсами 100 GbE/OTU4/400GbE,
1FINITY T950 1,2 Тбит/с transponder/muxponder с водяным охлаждением в компактном модуле 14,4 TБит/с для DCi и т. п. В этом транспондере применяется ЦСП NEL GAIA (КМОП, 5 нм). Обеспечивается передача 1,2 Tбит/с на расстояние до 300 км, а 800 Гбит/с – на расстояние более 1800 км (с использованием рамановских усилителей, включенных как навстречу принимаемому с линии сигналу, так и в направлении передачи полезного оптического сигнала в линию).
В ЦСП Fujitsu применяются алгоритм обработки PCS (Probabilistic Constellation Shaping) и SD FEC.
Компания Ciena разработала ЦСП WaveLogic 6 Extreme (WL6e) для оптических каналов пропускной способностью 1,6 Тбит/с на одной несущей (символьная скорость 200 ГБод, КМОП 3 нм, полоса частот 200 ГГц). ЦСП WL6e – первый в мире ЦСП с символьной скоростью 200 ГБод. Применяется на городских сетях, где в узлах используются ROADM, а также в оптических каналах пропускной способностью 800 Гбит/с и протяженностью до 1 тыс. км. В ЦСП реализован алгоритм обработки PCS (Probabilistic Constellation Shaping).
Компания Ciena разработала ЦСП WaveLogic 6 Nano (WL5n, символьная скорость 70 ГБод, КМОП 3 нм) для сменных модулей-трансиверов 400–600G (включая модули с интерфейсами 400ZR). ЦСП WL6n можно комбинировать с оптикой (символьная скорость 120–140 ГБод) для:
когерентных сменных модулей 400–800G,
протяженных каналов 400G,
городских/региональных приложений 800G,
интерфейса 800ZR в сетях взаимодействия ЦОДов.
Планируются интерфейсы (в стадии стандартизации):
800ZR для однопролетных линий (сети взаимодействия ЦОД) протяженностью порядка 120 км с возможностью расширения до 500 км,
800LR для соединений до 10 км.
В ЦСП реализуются алгоритмы обработки PCS (Probabilistic Constellation Shaping) и SD FEC.
Компания Infinera разработала ЦСП ICE7 (символьная скорость 148 ГБод, КМОП 5 нм, полоса частот 150 ГГц) для передачи данных в оптическом канале (длине волны) со скоростью 1,2 Тбит/с. Используется PIC (фотонная интегральная схема) на основе фосфида индия (InP) собственного производства. Обеспечивается передача данных в оптическом канале 800G на расстояние до 3 тыс. км. В ЦСП используются алгоритмы обработки PCS (Probabilistic Constellation Shaping) и SD FEC [16].
Заключение
Цифровая обработка сигналов всегда была неотъемлемым компонентом оптической связи для формирования цикла (кадра) и кодирования. Разработка высокоскоростных АЦП и ЦАП, а также улучшение характеристик СБИС КМОП позволили реализовать сложные ЦСП с алгоритмами цифровой обработки, необходимыми для увеличения пропускной способности и компенсации хроматических (CD) и поляризационных (PMD) дисперсионных искажений в высокоскоростных оптических каналах.
Дальнейшие направления эволюции когерентных ЦСП связаны с реализацией символьной скорости 200 ГБод и выше как для встроенных решений, так и для сменных модулей-приемопередатчиков. По мере доступности новых когерентных ЦСП для городских и магистральных протяженных сетей операторы получат новый импульс к внедрению оптических каналов пропускной способностью 1,2/1,6 Тбит/с с последующим переходом к 3,2 Тбит/с.
Литература
Dell’Oro Group.report "AI Networks for AI workloads". Press Release January 16, 2024 [Электронный ресурс]. URL: https://www.delloro.com/news/ai-workloads-require-new-network-buildouts-expanding-data-center-switch-market-by-50-percent/ (дата обращения 26.04.2024).
OFC-2024. A Hybrid Conference In-Person and Virtual Presentations. San Diego Convention Center, San Diego, California, USA. [Электронный ресурс]. URL: https://www.ofcconference.org/en-us/home/exhibition-and-show-floor-programs/ (дата обращения 26.04.2024).
Коган С.С. Транспортные волоконно-оптические системы передачи (ВОСП) большой пропускной способности. Часть 1 // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2024. № 2. С. 44−54.
LightReading. Optical Networking Digital Symposium / 15.02.2024. Simon Stanley, Analyst at Large, Heavy Reading. [Электронный ресурс]. URL: https://event.on24.com/eventRegistration/EventLobbyServlet?target=reg20.jsp&eventid=4412886&sessionid=1&key=76BA13B2D950221AFBD8C68B4420BBE5&groupId=5107640&sourcepage=register?partnerref (дата обращения 26.04.2024).
Building Open Optical Right Enabling the Network for the Next Decade, or More… [Электронный ресурс]. URL: https://www.infinera.com/blog/building-open-optical-right-enabling-the-network-for-the-next-decade-or-more/tag/optical/?mkt_tok=MjY0LUhCUS03MTQAAAGSANJnyW801Lo7rON 01X34CLCwUXYuXkqM23bOtgyDk1Ga-xYRPMo1Ioif3yvkiMayDr8tqN 9UfCbmeOojVxhdgcNxm8PLx9Mq3cx-8E8EJ (дата обращения 26.04.2024).
Когерентные технологии для DWDM-сетей дальней связи. Переходя границу в 10G. [Электронный ресурс]. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/kogerentnye-tehnologii-dlya-dwdm-setey-dalney-svyazi-perehodya-granitsu-v-10g/viewer/. (дата обращения 26.04.2024).
Оптический трансивер против оптического двигателя и CPO против OBO. [Электронный ресурс]. URL: https://www.fibermall.com/ru/blog/optical-transceiver-engine-cpo-obo.htm (дата обращения 26.04.2024).
Enabling coherent optical communication with InP PICs. [Электронный ресурс]. URL: https://compoundsemiconductor.net/article/117727/Enabling_coherent_optical_communication_with_InP_PICs (дата обращения 26.04.2024).
EFFECT Photonics Verifies Fully Integrated InP PIC for World’s Smallest Digital ITLA for Coherent Applications. [Электронный ресурс]. URL: https://effectphotonics.com/press-releases/worlds-smallest-digital-itla-for-coherent-applications/ (дата обращения 26.04.2024).
What’s Inside a Coherent DSP? [Электронный ресурс]. URL: https://effectphotonics.com/insights/whats-inside-a-coherent-dsp/ (дата обращения 26.04.2024).
Cignal AI (Active Insight). 400ZR vs 800G Classifying Coherent Technology. [Электронный ресурс]. URL: https://cignal.ai/2021/10/400zr-vs-800g-classifying-coherent-technology/ (дата обращения 26.04.2024).
The evolution of high-performance coherent optical engine technology. [Электронный ресурс]. URL: https://www.fibre-systems.com/analysis-opinion/evolution-high-performance-coherent-optical-engine-technology (дата обращения 26.04.2024).
LightReading. Optical Networking Digital Symposium/ 15.02.2024. Simon Stanley, Analyst at Large, Heavy Reading [Электронный ресурс]. URL: https://event.on24.com/eventRegistration/EventLobbyServlet?target=reg20.jsp&eventid=4412886&sessionid=1&key=76BA13B2D950221AFBD8C68B4420BBE5&groupId=5107640&sourcepage=register?partnerref (дата обращения 26.04.2024).
OIF- 2023. Defining 800ZR and 800LR; An OIF Update [Электронный ресурс]. URL: https://www.oiforum.com/wp-content/uploads/OIF-Panel-Tom-Williams-Final.pdf (дата обращения 26.04.2024).
Cignal AI (Active Insight). Tracking the Coherent DSP Supply Chain. [Электронный ресурс]. URL: https://cignal.ai/2023/04/tracking-the-coherent-dsp-supply-chain/ (дата обращения 26.04.2024).
Fujitsu. How the coherent DSP evolution is enabling 800G waves everywhere. [Электронный ресурс]. URL: https://networkblog.global.fujitsu.com/2023/10/12/how-the-coherent-dsp-evolution-is-enabling-800g-waves-everywhere/ (дата обращения 26.04.2024).
Отзывы читателей
