Avaliando Desempenho de Sinalização Óptica Directamente Modulada a 800 Gbps

Sistemas de comunicações ópticas têm sido um facilitador chave para a construção de nossa infraestrutura de informação. Muitos data centers usados para armazenar e transmitir informação têm milhas de fibra e milhares de receptores laser/fotodiodo para enviar e receber informação através da fibra. Há pressão comercial implacável para aumentar capacidade e o processo para desenvolver novos sistemas que operam em taxas de dados mais altas continua. Este não é um processo de simplesmente projetar sistemas que movem mais informação. O custo desses sistemas precisa cair. Data centers são às vezes descritos em termos de acres e megawatts, indicando que a potência necessária para rodar o data center é enorme. Há uma forte motivação para encontrar maneiras de não apenas operar em capacidades mais altas, mas fazê-lo usando menos energia.

O sistema básico de comunicações ópticas tem um transmissor a laser que converte dados elétricos em luz modulada, uma fibra óptica, e um fotodiodo receptor para converter a luz modulada de volta a um sinal elétrico. Projetar o sistema de comunicações ópticas é complicado pelo fato de que no ambiente de data center, raramente há um requisito de que o enlace óptico seja manufaturado por um único fornecedor. O transmissor, fibra e receptor provavelmente serão produzidos por três empresas diferentes. Este conceito, conhecido como interoperabilidade, dá flexibilidade ao designer de data center, e facilita competição entre fornecedores levando a mais inovação e custos menores. O lado negativo disso é que projetar o sistema e especificar os componentes dentro daquele sistema torna-se mais complexo.

Uma organização de padrões como IEEE 802.3 oferece um fórum público para definir sistemas de comunicações. Reuniões são abertas a todos e são assistidas por designers de data center, assim como fabricantes de equipamentos de rede, transceptores e fibra. Como o padrão definirá desempenho e como é verificado, empresas de teste e medição também participam. Uma das saídas essenciais do grupo de padrões é um conjunto de especificações para os transmissores e um conjunto de especificações para os receptores. Novamente, os dois conjuntos existem para promover interoperabilidade. Mais recentemente, o grupo de trabalho IEEE 802.3cu lançou o documento rascunho de 100Gbps por comprimento de onda, que será a especificação-chave para futuros interconnects baseados em fibra.

Especificações tipicamente começam com o receptor, onde limites à força do sinal determinarão quão confiavelmente um fotodetectador pode converter o sinal óptico em dados elétricos. Se o nível do sinal cai abaixo de uma sensibilidade recomendada, o receptor cometerá muitos erros, que são tipicamente considerados erros de bit. Este limiar é conhecido como limite de sensibilidade do receptor.

Geralmente haverá um objetivo para a distância que o sinal deve viajar, talvez tão curta quanto 100 metros ou tão longa quanto 40 quilômetros. A atenuação causada pela fibra é bem conhecida, então trabalhando de trás para frente a partir do receptor, contabilizando a perda esperada da fibra, então define o nível mínimo de potência de sinal que um transmissor deve produzir. Na realidade, é mais complicado pois há uma variedade de mecanismos que podem causar um sistema a gerar erros de bit além de simplesmente ter a potência cair abaixo do limite de sensibilidade do receptor.

Da perspectiva de um receptor, dois lasers operando no mesmo nível de potência podem gerar sinais muito diferentes. Sistemas state-of-the-art hoje operam em excesso de 50GBaud (PAM4). Ou seja, a luz deve ser ligada e desligada no transmissor a uma taxa de até 50 bilhões de vezes por segundo. O receptor deve detectar que a luz está ligada ou desligada, e um transmissor de qualidade inferior pode ser lento. O laser pode gerar um sinal que não é estável quando o receptor toma uma decisão. Assim, a qualidade do sinal do laser precisa atender a um nível mínimo. Similarmente, não podemos esperar ter transmissores perfeitos, então receptores precisam ter alguma tolerância para sinais de entrada não ideais. Isso leva a alguns requisitos importantes para transmissores e receptores:

Avaliação do Transmissor Óptico

• Amplitude de Modulação Óptica (OMA): A diferença entre os níveis lógicos do transmissor.

• Ruído de intensidade relativa (RIN): Uma medida da quantidade de ruído que um transmissor gera.

• Dispersão do transmissor e fechamento do olho: TDEC ou TDECQ (para modulação PAM4) é uma medida estatística da qualidade do sinal, indicando a probabilidade de que o sinal gerará erros no receptor (Figura 1).

• Sobre/Sub-sinal: Novas métricas recentemente definidas no IEEE 802.3cu para proteger receptores de transientes severos no sinal de entrada.

Sinais Prejudicados do Receptor Óptico

Sensibilidade do receptor estressada (SRS): A taxa de erro de bit ou taxa esperada de perda de quadro abaixo do nível esperado quando o sinal entrando no receptor é o pior caso esperado do transmissor (e canal).

Instrumentos de teste foram desenvolvidos para oferecer prejuízos ópticos de grau de instrumento (para alvos específicos de TDECQ, ER e OMA) para teste de receptor estressado. Figura 2 ilustra um sinal SRS óptico típico que seria gerado para propósitos de teste.

Transmissores são geralmente testados com um analisador de osciloscópio de comunicações digitais especializado. Estes instrumentos têm receptores de referência ópticos embutidos e firmware para executar as medições requeridas por estes padrões. Similarmente, para receptores, sistemas de teste SRS (Figura 3), incluindo um sinal 'prejudicado' calibrado e um testador de taxa de erro de bit (BERT), estão disponíveis para verificação de conformidade com padrões.

Desempenho de enlace a 100Gbps — seja elétrico ou óptico — ambos operam em taxas de erro de bit mais altas que seus equivalentes de velocidade menor 25 ou 50Gbps. Interfaces 100Gbps atuais operam em taxas de erro de link nativas tão altas quanto 2E-4 BER e dependem de modernas técnicas de correção de erro forward Reed-Solomon (RS-FEC) para corrigir erros de bit aleatórios e isolados que naturalmente ocorrem na transmissão.

Codificação de erro forward é um processo que começa nos dados na Physical Coding Sublayer (PCS) antes dos dados transicionarem para Physical Media Attachment (PMA). Esta interface PCS/PMA gerencia codificação de erro de dados, interleaving, scrambling e contribuições de alinhamento. Este sistema de codificação PCS/PMA apresenta desafios de análise de taxa de erro pois o processo de observar a causa raiz da geração de erro de bit físico agora está obscurecido sob uma quantidade considerável de circuitos de correção de erro digital e interleaving. O desejo de examinar os erros físicos em uma transmissão óptica que leva a quadros de dados irrecuperáveis é um processo complexo, e um que fornecedores de instrumentação de teste estão ativamente avançando hoje. Ferramentas especializadas como layer1 BERT e sistemas de análise multiporta KP4 FEC agora desempenham parte integral de ferramentas de debug tolerância de receptor e FEC aware geral (Figura 4).

O gap PCS/PMA que existe entre um sinal óptico corrigido por FEC e sua transmissão física real bruta pode ser preenchido com o sistema de teste de receptor 400G FEC aware da Keysight, que analisa streams de dados codificados FEC e pode direcionar um osciloscópio para localizar (trigger on) a interface óptica física em locais onde erros estão ocorrendo e oferece aos designers de sistema uma ferramenta pela primeira vez que conecta a análise de erro pós-FEC com análise e visualização da transmissão física lado a lado.

Resumo

Atualmente, os sistemas de data-com de maior capacidade modulados diretamente operam a 400Gbps. Estes sistemas têm múltiplas lanes de 100Gbps, seja usando quatro transmissores e quatro fibras ou tendo quatro transmissores de comprimento de onda e uma única fibra. Links de primeira geração 800Gbps serão sistemas 400Gbps escalados 2× através de conectores de maior densidade como interconnects QSFP-DD e OSFP. Neste cenário, com apenas mais lanes de 100Gbps para agregar a 800Gbps, as especificações e métodos de teste permanecerão similares ao que são para sistemas 400Gbps. Links 800Gbps nativos ×4 lane wide dependerão de avanços em ambas specs elétricas e ópticas que estão atualmente em andamento. Esta próxima classe de velocidade a 800Gbps mais provavelmente avançará para uma velocidade nativa de 200Gbps por lane tanto elétrica quanto opticamente enquanto adere a fortes necessidades de mercado para reduzir consumo geral de energia e custo.

Quando transmissão de lane única 200Gbps for alcançada, os métodos e técnicas de teste de 100Gbps provavelmente serão altamente alavancados, no entanto, o campo 200Gbps provavelmente empregará avanços em métodos de modulação como foco em eficiência de transmissão aumentada e gerenciamento de gargalos de largura de banda conhecidos são pontos de pressão chave nesta indústria. Os parceiros de medição da Keysight são contribuintes integrais para esses esforços de padrões de ponta para garantir que soluções de teste eficazes continuem disponíveis à medida que estas tecnologias evoluem para 800Gbps e 1.6Tbps para arquiteturas de data center de próxima geração.

Este artigo foi escrito por Greg D. Le Cheminant, Especialista em Aplicações de Medição, Análise de Comunicações Digitais, Soluções de Infraestrutura de Internet; e John Calvin, Planejador Estratégico e Líder de Tecnologia Datacom, Soluções IP Wireline; Keysight Technologies (Santa Rosa, CA). Para mais informações, visite aqui .