eng
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
Выпуск #2/2024
С.С.Коган
ТРАНСПОРТНЫЕ ВОСП БОЛЬШОЙ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ. Часть 1. Стандартизация открытых линейных интерфейсов 400G со сменными когерентными оптическими модулями-приемопередатчиками
ТРАНСПОРТНЫЕ ВОСП БОЛЬШОЙ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ. Часть 1. Стандартизация открытых линейных интерфейсов 400G со сменными когерентными оптическими модулями-приемопередатчиками
Просмотры: 611
DOI: 10.22184/2070-8963.2024.118.2.44.54
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 digital signal processors fiber-optic transmission systems line interfaces modulation format peripheral computing pluggable transceiver modules волоконно-оптические системы передачи когерентные цифровые сигнальные процессоры линейные интерфейсы периферийные вычисления сменные модули-трансиверы формат модуляции
Транспортные ВОСП большой пропускной способности
Часть 1. Стандартизация открытых линейных интерфейсов 400G со сменными когерентными оптическими модулями-приемопередатчиками
С.C.Коган, к.т.н., советник генерального директора компании "Т8" по формированию технической стратегии
УДК 621.391.15, DOI: 10.22184/2070-8963.2024.118.2.44.54
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).
Введение
Одним из направлений развития оптических транспортных сетей является обеспечение высоких скоростей передачи данных, большей дальности связи и повышения спектральной эффективности. В оптических каналах (длинах волн) современных транспортных волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) OTN/DWDM большой пропускной способности используются технологии когерентной оптической передачи/приема. Потребность в транспортных волоконно-оптических сетях большой пропускной способности стимулировалась не только бизнес-задачами, но и необходимостью работать, учиться и развлекаться дома, проводить время с семьей и связываться с друзьями удаленно [1].
Другое направление – снижение физических размеров, энергопотребления и стоимости решений, особенно если эти факторы относятся к открытым (дезагрегированным) ВОСП, ориентированным на использование в качестве линейных интерфейсов сменных когерентных оптических модулей-приемопередатчиков [2, 3].
Третье направление – интеграция интеллектуального уровня, например, использование принципов SDN (Software Defined Network) для управления и мониторинга характеристик открытых (дезагрегированных) ВОСП [4].
В последнее время технологии когерентной оптической передачи переключились с магистральной сети c дальностью связи более 1000 км на городскую сеть c дальностью связи от 100 до 1000 км и даже на периферийную сеть доступа (например, Edge computing, сеть периферийных вычиcлений) с дальностью связи менее 100 км. Периферийные вычисления – это процесс, нацеленный на сближение хранилища данных и вычислительных возможностей с устройствами, производящими информацию, и пользователями, которые ее потребляют. Путем перемещения обрабатывающих мощностей ближе к пользователям и устройствам системы периферийных вычислений можно значительно повысить производительность приложений, снизить требования к пропускной способности и быстрее получать аналитические данные в режиме реального времени [5]. Когерентная технология стала также основным решением для обеспечения взаимодействия DCi (Data Center interconnect) между ЦОДами с дальностью связи 80–120 км [6].
В настоящее время оптические каналы (длины волн) пропускной способностью порядка 100 и 200 Гбит/с широко используются в коммерческих целях как на городских транспортных оптических сетях, так и на магистральных транспортных оптических сетях DWDM большой и сверхбольшой протяженности, а оптические каналы (длины волн) пропускной способностью порядка 400 Гбит/с постепенно перемещаются из городских на магистральные сети [7].
В прогнозном отчете Dell’Oro Group по оптическим транспортным сетям на ближайшие пять лет отмечается [8], что:
спрос на оборудование DWDM для магистральных сетей большой и сверхбольшой протяженности будет расти более быстрыми темпами, чем на оборудование для городских сетей, и в будущем будет приносить более высокую долю доходов;
поставки оборудования для когерентных оптических каналов (длин волн) пропускной способностью более терабита в секунду будут увеличиваться в течение следующих пяти лет в среднем на 200% ежегодно (Compound Annual Growth Rate, CAGR);
к 2028 году символьная скорость свыше 100 ГБод будет характерна для более чем 40% новых поставок цифровых сигнальных процессоров (ЦСП) для оптических каналов.
Использование более высоких значений символьной скорости в оптических каналах позволит снизить затраты на создание оптических транспортных OTN/DWDM сетей. В частности, за счет сокращения общего количества оптических каналов (длин волн) при переходе на более широкополосные каналы (ширина полосы частот оптического канала пропорциональна символьной скорости линейного сигнала оптического канала) большей пропускной способности, а также увеличения дальности связи без промежуточного OEO (Optical-Electrical-Optical) преобразования при снижении уровня формата модуляции QAM и использовании дополнительной цифровой вероятностной обработки типа PCS (Probabilistic Constellation Shaping) для линейного сигнала с форматом модуляции QAM.
Эволюция решений для линейных интерфейсов оптических каналов систем DWDM
В 2020 году стал доступен первый коммерческий оптический приемопередатчик с двумя длинами волн, на каждой из которых реализована символьная скорость 70 ГБод. Это устройство дало возможность объединить две длины волны 400G (с использованием формата модуляции DP-16QAM на каждой) для обеспечения эквивалентной пропускной способности 800 Гбит/с клиентского соединения на городских сетях и две длины волны 200G (с использованием формата модуляции DP-QPSK на каждой) для обеспечения эквивалентной пропускной способности 400 Гбит/с на протяженных магистральных сетях.
Переход в 2023 году к изготовлению цифровых сигнальных процессоров (ЦСП) на основе 5 нм технологии КМОП с символьной скоростью порядка 140 ГБод позволил использовать одну длину волны [9] для каналов пропускной способностью:
400 Гбит/c и форматом модуляции DP-16QAM (4 бита/символ на одну поляризацию) на городских сетях (дальность связи порядка 500 км),
200 Гбит/с и форматом модуляции DP-QPSK (2 бита/символ на одну поляризацию) на протяженных магистральных сетях (дальность связи порядка 2000 км).
На городских сетях для оптических каналов с форматом модуляции DP-16QAM потребуется (с учетом передачи порядка 20% служебных данных для SDFEC) символьная скорость более [9]:
62,5 ГБод для оптических каналов пропускной способностью 400 Гбит/с,
125 ГБод для оптических каналов пропускной способностью 800 Гбит/с.
На протяженных магистральных сетях для оптических каналов с форматом модуляции DP-QPSK потребуется (с учетом передачи примерно 20% служебных данных для SDFEC) символьная скорость более [9]:
125 ГБод для оптических каналов пропускной способностью 400 Гбит/с,
250 ГБод для оптических каналов пропускной способностью 800 Гбит/с.
Для организации оптических каналов (длин волн) на протяженных магистральных сетях без OEO преобразования в промежуточных узлах в ВОСП необходимо применять приемопередатчики с уровнем выходной оптической мощности от 0 до 3 дБм (то есть от 1 до 2 мВт). Для организации оптических каналов (длин волн) в приложениях IP-over-DWDM уровень выходной оптической мощности в сменных оптических когерентных приемопередатчиках может быть равен –10 дБм. В этом случае сменные оптические когерентные модули-приемопередатчики устанавливаются непосредственно в порты маршрутизатора и используются сетевые конфигурации типа точка-точка либо с минимальным количеством оптических участков OTS (Optical Transport Section).
В выпускаемом в настоящее время оборудовании для волоконно-оптических транспортных сетей DWDM поддерживаются два типа когерентных оптических линейных приемопередатчиков:
оптимизированные для достижения наибольшей пропускной способности оптического канала. Используются приемопередатчики, которые позволяют достичь максимальной пропускной способности оптического канала за счет оптимального сочетания символьной скорости, формата модуляции и ширины полосы частот канала. Эти решения носят частный характер и защищены, как правило, патентами. Они обеспечивают высокие характеристики, но практически не имеют ограничений по физическим размерам и энергопотреблению;
оптимизированные для достижения минимально возможных физических размеров и энергопотребления. Используются приемопередатчики, имеющие характеристики, достаточные для большинства городских, а по мере развития технологий и для региональных транспортных сетей. Такие решения ориентируются на реализацию сменных модулей-трансиверов с учетом отраслевых соглашений MSA (Multi-Source Agreement – соглашение между несколькими производителями оборудования и операторами сетей) и рекомендаций (стандартов) таких организаций, как Optical Internetworking Forum (OIF/MSA), OpenZR+ MCA, Open ROADM MSA.
Три основных типа конструктивного исполнения (form-factor) для сменных оптических модулей-приемопередатчиков различаются размерами, ограничениями по рассеиваемой мощности и обеспечивают разные характеристики [9, 10]:
CFP2-DCO: 55 см3 / 25–30 Вт – используется для каналов 100 и 200G;
OSFP: 29 см3 / 30 Вт – подходит для каналов различной пропускной способности, имеет расширенный диапазон энергопотребления;
QSFP-DD: 14 см3 / 25 Вт – для каналов различной пропускной способности, имеет расширенный диапазон энергопотребления.
Сетевые операторы предпочитают использовать на стороне линии и на стороне клиента один и тот же форм-фактор сменных оптических модулей-приемопередатчиков.
Оптимизированным для достижения минимально возможных физических размеров и энергопотребления решениям, связанным с созданием и внедрением открытых (совместимых) сменных когерентных оптических модулей-приемопередатчиков, посвящены преимущественно следующие разделы этой статьи.
Стандартизация линейных интерфейсов для оптических каналов систем DWDM
К международным организациям стандартизации технологий оптической передачи относятся IEEE802.3, МСЭ-Т SG 15 (SG, Study Group – исследовательская группа) и OIF/MSA:
стандарты IEEE802.3: определяют технические требования к сменным оптическим клиентским интерфейсам Ethernet 100/200/400/800GE;
стандарты МСЭ-T SG 15: устанавливают технические требования:
к оптическим транспортным сетям, включая волоконно-оптические системы передачи с плотным мультиплексированием и разделением оптических каналов по длине волны оптического излучения OTN/DWDM (ВОСП),
интерфейсам и структуре сигналов OTN,
алгоритмам прямого исправления ошибок HD FEC и SDFEC,
системам распределения по волоконно-оптической сети сигналов синхронизации по частоте, фазе и времени,
механизмам защиты и восстановления при отказах, а также обеспечения устойчивости функционирования ВОСП,
контролю, управлению и мониторингу ВОСП,
системам доступа типа цифровые абонентские линии DSL (Digital Subscriber Line), гигабитные пассивные оптические сети (GPON) и пассивные оптические сети Ethernet (EPON),
сотрудничеству с другими исследовательскими группами МСЭ-Т, а также с региональными органами по стандартизации и заинтересованными сторонами отрасли, чтобы обеспечить комплексный и скоординированный подход к глобальной стандартизации электросвязи.
Прогресс в стандартизации оптических каналов 400 и 800G в МСЭ-Т SG 15 после выпуска спецификации 100G DWDM в 2018 году был не столь быстрым, поскольку для обеспечения совместимости с оборудованием разных производителей необходимо было стандартизировать открытые (дезагрегированные) системы DWDM с когерентной модуляцией в оптических каналах. В феврале 2023 года на заседании группы МСЭ-Т SG15 Q6 было принято решение:
начать новый цикл стандартизации, теперь уже для открытых (дезагрегированных) решений для оптических каналов 400G,
для оптических каналов 800G проводить стандартизацию открытых (дезагрегированных) решений,
для оптических каналов 400 и 800G проводить стандартизацию с учетом растущего спроса на расширенный диапазон C+L частот (длин волн) оптических каналов.
Стандартами OIF/MSA определены технические требования для подключения оконечного оборудования в виде маршрутизаторов IP/MPLS и/или транспондеров/мукспондеров/агрегаторов DWDM [6]:
к клиентскому оборудованию с использованием клиентских Ethernet оптических сменных модулей-приемопередатчиков (табл.1), включая технические требования к сменным модулям 400G QSFP-DD. Предусмотрены два сценария приложений для 400G: один – центр облачных вычислений, другой – высокоскоростная линия передачи. Форм-фактор 400G QSFP-DD – наилучший для обоих сценариев [11],
к транспортному оптическому линейному тракту OLS (Optical Line System) с использованием встроенных или сменных линейных оптических когерентных модулей-трансиверов различной пропускной способности.
Согласно прогнозному отчету компании Dell’Oro [8], один порт 400 Гбит/с обычно стоит меньше, чем четыре порта 100 Гбит/с. В результате переход на порты 400 Гбит/с позволяет поставщикам услуг более экономично и эффективно инвестировать средства и сокращать эксплуатационные расходы. Соответствие и распределение обязанностей между каждой международной организацией по стандартизации и оборудованием для оптической передачи показано на рис.1 [7].
Сейчас такие центры, как IEEE802.3, МСЭ-T, OIF/MSA и CCSA (China Communications Standards Association), занимаются стандартизацией оптических каналов B400G (Beyond 400G), то есть каналов пропускной способностью выше 400 Гбит/с, включая 800G и 1.2/1.6T, а также оптических каналов для протяженных магистральных ВОСП с форматами модуляции QPSK и символьной скоростью не менее 128 ГБод.
Отраслевые требования (стандарты) к сменным линейным модулям-приемопередатчикам DCO
(Digital Coherent Optics) 400G
Технология сменных цифровых когерентных модулей-трансиверов DCO 400G
Для передачи клиентских потоков 400 Гбит/с по оптическому волокну на большие расстояния в оптических каналах систем DWDM (форматы модуляции – DP-8QAM и DP-16QAM) с использованием амплитудной и фазовой модуляции, а также обеих поляризаций нормированного оптического излучения применяются относительно недорогие решения DCO (Digital Coherent Optics), которые доступны в конструктивных исполнениях (форм-факторах) QSFP-DD, OSFP или CFP2 (рис.2). В некоторых случаях, например, на сетях IPoDWDM (IP over DWDM), эти решения используются вместо когерентных оптических транспондеров/мукспондеров/агрегаторов систем OTN/DWDM.
С переходом к открытой архитектуре линейного тракта OLS (Open Line System) передающие оптические сменные модули-приемопередатчики можно напрямую вставлять в порты маршрутизаторов и не использовать внешнюю оптическую транспортную систему. Такой подход упрощает платформу управления при одновременном снижении стоимости, энергопотребления и занимаемой площади. Поставщики когерентных ЦСП и когерентных оптических приемопередатчиков Acacia, NEL, Inphi, NeoPhotonics и т. д. проводят испытания на их совместимость.
В настоящее время когерентные оптические приемопередатчики нескольких производителей, ориентированные на относительно небольшую дальность связи, могут взаимодействовать между собой.
В перспективных разработках рассматривается возможность использования для оптических модуляторов сменных модулей-приемопередатчиков некоторых новых материалов, таких как тонкопленочный ниобат лития TFLN (Thin Film Lithium Niobate on silicon).
Традиционные модуляторы на основе ниобата лития не могут поддерживать приложения с символьной скоростью выше 64 ГБод из-за своих больших размеров. Однако в последние годы, благодаря прорывным решениям в технологии TFLN, модуляторы на ниобате лития также могут достигать небольших размеров и высокой пропускной способности. Именно эта технология рассматривается применительно к реализации оптических модуляторов с символьной скоростью более 100 ГБод [10].
Стандартизация сменных цифровых когерентных линейных модулей-трансиверов DCO 400G
Отличие отраслевых стандартов состоит в том, что можно выбирать из таких вариантов решений, как OIF 400ZR, IEEE 802.3cw, OpenZR+ и OpenROADM. Выпущены или находятся на разных стадиях разработки несколько согласованных технических требований к интерфейсам DCO 400G, которые имеют существенные отличия, отраженные в табл.2.
Технические требования к 400ZR, разработанные в OIF/MSA, – одна из первых попыток определить открытый (совместимый) когерентный интерфейс 400G [12]. Соглашение MSA о внедрении OIF 400ZR, выпущенное в марте 2020 года, определило когерентный интерфейс 400G для использования на сетях в конфигурации точка-точка протяженностью до 120 км. Целевые приложения для 400ZR включали соединение мест кэширования местного ЦОДа с офисами местных точек присутствия POP и узлами транзитной сети, а также использование этих интерфейсов для соединения между собой нескольких ЦОДов на городской сети. Перечисленные цели были достигнуты за счет ограничения некоторых характеристик модулей 400ZR, что позволило использовать в них более экономичные компоненты и обеспечить соответствие параметров энергопотребления температурным ограничениям для модулей меньшего размера.
Усилия OIF в части модуля 400ZR были сосредоточены на одном типе модуляции и скорости передачи 400G для городских сетей в конфигурации точка-точка.
Технические требования к 400ZR и OpenZR+ были разработаны в первую очередь для удовлетворения растущих требований к пропускной способности на сетях взаимодействия ЦОДов (DCI) и облачных вычислений, использующих клиентские интерфейсы 100 и 400GbE.
Соглашение OpenZR+ обеспечило возможность выбора на городских, региональных и магистральных сетях скорости передачи 100, 200, 300 и 400G по оптическим каналам (длине волны) с учетом использования новой структуры цикла (кадра) OTN, включающей служебные байты OpenFEC (oFEC), необходимые для обнаружения и исправления ошибок.
Требования к решениям OpenROADM предлагают хорошую альтернативу операторам сетей связи, поскольку поддерживают как клиентские сигналы Ethernet, так и OTN (OTU4).
Группы OpenZR+ и OpenROADM сосредоточились на более высокопроизводительных оптических спецификациях, обеспечивающих гибкий выбор скорости передачи от 100 до 400G и большую дальность связи.
Стандарт OIF 400 ZR
Протокол OIF 400 ZR, предназначенный для использования в линейном когерентном сменном оптическом модуле-приемопередатчике, обеспечивает прозрачную передачу клиентского сигнала 400G Ethernet [6]:
в оптическом канале (на одной длине волны) системы DWDM,
на расстояние до 120 км,
по сети в конфигурации точка-точка,
с использованием оптической модуляции DP-16QAM и обеих поляризаций нормированного оптического излучения,
с высокой способностью исправления ошибок (BER) на основе CFEC: до 10 в степени –15 на выходе канала, при входном BER порядка 1,25 × 10 в степени –2 [2, 3].
Протокол OIF 400 ZR был принят в 2016 году для стандартизации сменного совместимого (открытого) когерентного оптического модуля-приемопередатчика с энергопотреблением, допускающим использование вариантов конструктивного исполнения QSFP-DD и OSFP. Эти форм-факторы предпочтительны в сетях взаимодействия ЦОДов (DCi) для достижения высокой плотности установки в оборудовании линейных интерфейсов 400G и ориентированы на определенные приложения, в которых энергопотребление модуля не должно превышать 15 Вт. Предложенное OIF-решение 400ZR поддерживается в отрасли, однако системные операторы доказали наличие возможности дальнейшего улучшения тепловых характеристик этих форм-факторов, что позволяет оснащенным ими оптическим модулям поддерживать дополнительные функции для обеспечения более высоких характеристик оптических каналов.
Ниже представлены параметры интерфейса 400ZR, который функционирует как 400G BASE-RPHY:
эффективное по стоимости решение для взаимодействия оборудования разных производителей,
линейный интерфейс с пропускной способностью 400 Гбит/с на одной несущей с форматом модуляции DP-16QAM (точность по тактовой частоте +/- 20 ppm),
когерентный ЦСП (КМОП, 7 нм) c низким потреблением, обеспечивающий формирование линейного сигнала QAM с прямым (absolute, Non-Differential) кодированием/декодированием фазы,
кодирование с исправлением ошибок Concatenated FEC (C-FEC),
протяженность участка DWDM в конфигурации точка-точка с усилением от 80 до 120 км (сети взаимодействия ЦОДов, DCi),
оптические параметры интерфейса:
OSNR ≤ 26dB,
TX – уровень выходной оптической мощности не менее – 10dBm,
RX – уровень входной оптической мощности не менее – 12dBm,
конструктив QSFP-DD или OSFP,
основные производители: Arista, Marvell, Ciena, Nokia, Cisco, Lumentum, Fujitsu.
Параметры ВОСП с каналами 400ZR представлены на рис.3 [13].
В качестве примера ниже представлены характеристики оптического модуля 400ZR компании Arista [14]:
400G по одной длине волны: формат модуляции DP-16QAM, символьная скорость 60 ГБод,
длина волны перестраивается во всей C-полосе: диапазон частот от 191.300 до 196.100 THz,
сетка частот оптических каналов настраивается на 100 или 75 ГГц,
дальность связи до 120 км без использования оптических усилителей,
конструктивное исполнение (форм-фактор) OSFP и QSFP-DD.
Стандарт OpenZR+ MSA
Протокол OpenZR+ MSA, предназначенный для использования в линейном когерентном оптическом сменном модуле-приемопередатчике, обеспечивает прозрачную передачу клиентских сигналов Ethernet 100, 200, 300 или 400GbE:
в оптическом канале (на одной длине волны) системы DWDM,
на расстояние в несколько сотен километров,
с использованием форматов модуляции DP-QPSK, DP-8QAM и DP-16QAM и обеих поляризаций нормированного оптического излучения,
c высокой способностью исправления ошибок (BER) на основе алгоритма открытой прямой коррекции ошибок (OpenFEC) [2, 3].
OIF 400ZR поддерживает лишь клиентские интерфейсы 400GbE, а OpenROADM применим только к сетевым сценариям операторов связи. Поэтому некоторые основные производители в отрасли объединили соответствующие преимущества стандартов OIF-400ZR и OpenROADM, запустив еще один стандарт OpenZR+MSA.
У OpenZR+MSA более широкий спектр приложений. Стандарт предназначен для поддержки взаимодействия оборудования разных производителей на городских, региональных, магистральных и DCi сетях связи. При реализации модулей в сменном исполнении в конструктивах QSFP-DD и OSFP протокол OpenZR+ MSA обеспечивает расширенные возможности и улучшенные характеристики. В частности, добавляется поддержка функции мультиплексирования Ethernet-потоков 100, 200, 300 или 400G на линейном интерфейсе, а также согласование приема с OpenROADMMSA и oFEC, стандартизированными в CableLab. В сентябре 2020 года OpenZR+ MSA выпустили первую общедоступную версию технических требований [15].
Ниже представлен пример характеристик оптического модуля с линейным интерфейсом 400G ZR+ компании EPS Global для оптических транспортных сетей, выпущенного совместно с компаниями Coherent, Edgecore Networks и IP Infusion [16]:
значительно повышается пропускная способность сети взаимодействия ЦОДов,
обеспечивается увеличенная дальность действия без использования оптического усиления,
предусматривается использование уровня 0 дБм для оптической мощности на стороне передачи,
обеспечивается функциональная совместимость модулей-трансиверов 400G ZR+ с оборудованием различных производителей, что позволяет операторам ЦОДов гибко выбирать сетевые решения и поставщиков аппаратных и программных средств,
использование сетевой операционной системы OcNOS предоставляет комплексные возможности управления и оптимизации характеристик сети, включая настройку, диагностику и телеметрию сменного модуля-приемопередатчика.
Стандарт OpenROADM MSA
Протокол OpenROADM, предназначенный для использования в линейном когерентном оптическом сменном модуле-приемопередатчике, обеспечивает прозрачную передачу клиентских сигналов 100, 200, 300, 400G Ethernet, OTUC1–4 и OTU4 [17, 18]:
в оптическом канале (на одной длине волны) системы DWDM,
на расстояние до 1000 км – уровень выходной оптической мощности для OpenROADM равен 0 дБм, в отличие от OIF400ZR и 400ZR+, где этот параметр равен –10 дБМ,
с использованием оптической модуляции DP-QPSK, DP-8QAM и DP-16QAM (в зависимости от скорости передачи данных) и обеих поляризаций нормированного оптического излучения,
с высокой способностью исправления ошибок (BER) на основе открытой прямой коррекции ошибок (OpenFEC) [2, 3].
Целями стандартизации OpenROADM MSA для сетей с узлами в виде реконфигурируемых оптических мультиплексоров ввода/вывода ROADM (Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer) являются:
разработка дезагрегированных, то есть открытых сетевых решений,
поддержка решений SDN, то есть предоставление общей модели управления для упрощения управления архитектурами оптических сетей различных поставщиков.
Проект Open ROADM определил три дезагрегированные функции (сменный оптический модуль-приемопередатчик, транспондер и узел ROADM), которые управляются через API (Application Program Interfaces) NETCONF, использующий модели YANG. Доступ к сетевым элементам можно получить через контроллер SDN. Таким образом, контролировать и управлять устройствами удобно с помощью контроллера, совместимого с OpenROADM и моделью YANG.
Группа участников проекта Open ROADM MSA в сотрудничестве с исследователями лаборатории OpNeAR Университета Техаса (США) в Далласе и Politecnico в Милане (Италия) продемонстрировала на OFC-2023 (в марте 2023 года) беспрепятственное взаимодействие по оптическим каналам 400G с использованием ВОСП от нескольких производителей, а именно: Ciena, Cisco-Acacia, Fujitsu, Infinera, Juniper, Lumentum, NEC, Nokia, NTT, Orange [19]. Проект определил интерфейсы 100, 200, 300, 400G для клиентских подключений Ethernet и OTN, а также алгоритм OpenFEC (oFEC) для обеспечения дальности связи 1000 км. Было показано, что OpenFEC более эффективен, чем CFEC, за счет использования большего количества служебных байтов в заголовке цикла и большего энергопотребления [2, 3].
Протоколы OIF 400ZR, 400ZR+ MSA и OpenROADM MSA определили типы и рабочие характеристики сменных когерентных оптических модулей-приемопередатчиков при использовании открытых ВОСП для соединения ЦОДов и на различных телекоммуникационных сетях передачи данных.
Заключение
Ключевыми технологиями для очередных этапов стандартизации станут форматы модуляции и алгоритмы когерентной цифровой сигнальной обработки для открытых ВОСП с оптическими каналами пропускной способностью 800 Гбит/с, 1,2 или 1,6 Тбит/с, оптические системы с расширенным частотным диапазоном C+L, высокопроизводительные алгоритмы обнаружения и исправления ошибок FEC и т. п.
Согласно прогнозному отчету Dell’Oro Group [8], стимулировать рост рынка телекоммуникаций в течение следующих пяти лет будет появление когерентных цифровых сигнальных процессоров (ЦСП) для передачи данных 400 Гбит/с по оптическому каналу (длине волны) систем DWDM протяженностью в несколько тысяч километров без промежуточного OEO (Optical-Electrical-Optical) преобразования, а также оптических линейных когерентных модулей-приемопередатчиков с ЦСП для оптических каналов пропускной способностью 800 Гбит/с, 1,2 или 1.6 Тбит/с и более.
Литература
Signalling a high-capacity future for optical networks. [Электронный ресурс]. URL: https://www.fibre-systems.com/article/signalling-high-capacity-future-optical-networks (дата обращения 26.02.2024).
Коган С.С. Сети 5G: эволюция к открытым оптоволоконным оптическим транспортным сетям. Часть 1. Полностью или частично дезагрегированные открытые оптические транспортные решения // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2023. № 5. С. 56−66. Часть 2. Стандартизация решений для открытых оптических транспортных сетей // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2023. № 6. С. 54−62.
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 26.02.2024).
Что такое периферийные вычисления? [Электронный ресурс]. URL: https://aws.amazon.com/ru/what-is/edge-computing/ (дата обращения 26.02.2024).
Тенденции развития технологии и стандартов когерентных оптических приемопередатчиков. [Электронный ресурс]. URL: https://www.fibermall.com/ru/store-21950-coherent-transceivers.htm (дата обращения 26.02.2024).
Последний прогресс стандартов когерентной оптической передачи 400G и 800G. [Электронный ресурс]. URL: https://www.fibermall.com/ru/blog/progress-of-400g-and-800g-coherent-optical-transmission.htm (дата обращения 26.02.2024).
Terabit Speed Coherent DSPs are Now in the Market. [Электронный ресурс]. URL:https://www.delloro.com/news/new-generation-of-coherent-dsps-to-drive-optical-dwdm-market-to-18-billion-by-2028/?u (дата обращения 26.02.2024).
Optical networks move to metro 800G and long haul 400G. [Электронный ресурс]. URL:https://www.5gtechnologyworld.com/optical-networks-move-to-metro-800g-and-long-haul-400g/ (дата обращения 26.02.2024).
TECHNICAL POSTER. [Электронный ресурс]. URL: https://www.exfo.com/contentassets/8bc86d245bd0464cbb848309c3817577/20220282_400g-technical-poster_v5_en.pdf (дата обращения 26.02.2024).
Какие бывают типы оптических трансиверов 400GQSFP-DD. [Электронный ресурс]. URL: https://www.fibermall.com/ru/store-20656-400g-qsfp-dd.htm (дата обращения 26.02.2024).
Understanding 400ZR/OpenZR+/400ZR+ Optics. [Электронный ресурс]. URL: https://www.lightwaveonline.com/optical-tech/transmission/article/14188934/understanding-400zr-openzr-400zr-optics (дата обращения 26.02.2024).
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 26.02.2024).
R DCI Solution. [Электронный ресурс]. URL: https://www.arista.com/assets/data/pdf/Datasheets/400ZR_DCI_Solution_Datasheet.pdf (дата обращения 26.02.2024).
Open ZR+ MSA Technical Specification. [Электронный ресурс]. URL: https://openzrplus.org/site/assets/files/1075/openzrplus_1p 0.pdf (дата обращения 26.02.2024).
EPS Global Launches 400G ZR+ Optical Networking Bundle. [Электронный ресурс]. URL: https://www.epsglobal.com/Media-Library/EPSGlobal/news/400g-zr-bundle-press-release.pdf (дата обращения 26.02.2024).
Open ROADM MSA 3.01 W-Port Digital Specification (200G-400G). [Электронный ресурс]. URL: https://view.officeapps.live.com/op/view.aspx?src=https%3A%2F%2F0201.nccdn.net%2F1_2%2F000%2F000%2F141%2Fb6c%2FOpenROADM_MSA3.01-W-Port-Digital-Specification.docx&wdOrigin=BROWSELINK (дата обращения 26.02.2024).
Open ROADM MSA Device White paper for release 2.2. [Электронный ресурс]. URL: https://0201.nccdn.net/1_2/000/000/134/c 50/Open-ROADM-MSA-release-2-Device-White-paper-v1-1.pdf (дата обращения 26.02.2024).
Reliable Open ROADM Transport Network with Multi-layer Performance Monitoring Capabilities Demonstrated at OFC’23 March 07-09. [Электронный ресурс]. URL: https://www.ofcconference.org/en-us/home/news-and-press/exhibitor-press-releases/2023/reliable-open-roadm-transport-network-with-multi-l/ (дата обращения 26.02.2024).
Часть 1. Стандартизация открытых линейных интерфейсов 400G со сменными когерентными оптическими модулями-приемопередатчиками
С.C.Коган, к.т.н., советник генерального директора компании "Т8" по формированию технической стратегии
УДК 621.391.15, DOI: 10.22184/2070-8963.2024.118.2.44.54
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).
Введение
Одним из направлений развития оптических транспортных сетей является обеспечение высоких скоростей передачи данных, большей дальности связи и повышения спектральной эффективности. В оптических каналах (длинах волн) современных транспортных волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) OTN/DWDM большой пропускной способности используются технологии когерентной оптической передачи/приема. Потребность в транспортных волоконно-оптических сетях большой пропускной способности стимулировалась не только бизнес-задачами, но и необходимостью работать, учиться и развлекаться дома, проводить время с семьей и связываться с друзьями удаленно [1].
Другое направление – снижение физических размеров, энергопотребления и стоимости решений, особенно если эти факторы относятся к открытым (дезагрегированным) ВОСП, ориентированным на использование в качестве линейных интерфейсов сменных когерентных оптических модулей-приемопередатчиков [2, 3].
Третье направление – интеграция интеллектуального уровня, например, использование принципов SDN (Software Defined Network) для управления и мониторинга характеристик открытых (дезагрегированных) ВОСП [4].
В последнее время технологии когерентной оптической передачи переключились с магистральной сети c дальностью связи более 1000 км на городскую сеть c дальностью связи от 100 до 1000 км и даже на периферийную сеть доступа (например, Edge computing, сеть периферийных вычиcлений) с дальностью связи менее 100 км. Периферийные вычисления – это процесс, нацеленный на сближение хранилища данных и вычислительных возможностей с устройствами, производящими информацию, и пользователями, которые ее потребляют. Путем перемещения обрабатывающих мощностей ближе к пользователям и устройствам системы периферийных вычислений можно значительно повысить производительность приложений, снизить требования к пропускной способности и быстрее получать аналитические данные в режиме реального времени [5]. Когерентная технология стала также основным решением для обеспечения взаимодействия DCi (Data Center interconnect) между ЦОДами с дальностью связи 80–120 км [6].
В настоящее время оптические каналы (длины волн) пропускной способностью порядка 100 и 200 Гбит/с широко используются в коммерческих целях как на городских транспортных оптических сетях, так и на магистральных транспортных оптических сетях DWDM большой и сверхбольшой протяженности, а оптические каналы (длины волн) пропускной способностью порядка 400 Гбит/с постепенно перемещаются из городских на магистральные сети [7].
В прогнозном отчете Dell’Oro Group по оптическим транспортным сетям на ближайшие пять лет отмечается [8], что:
спрос на оборудование DWDM для магистральных сетей большой и сверхбольшой протяженности будет расти более быстрыми темпами, чем на оборудование для городских сетей, и в будущем будет приносить более высокую долю доходов;
поставки оборудования для когерентных оптических каналов (длин волн) пропускной способностью более терабита в секунду будут увеличиваться в течение следующих пяти лет в среднем на 200% ежегодно (Compound Annual Growth Rate, CAGR);
к 2028 году символьная скорость свыше 100 ГБод будет характерна для более чем 40% новых поставок цифровых сигнальных процессоров (ЦСП) для оптических каналов.
Использование более высоких значений символьной скорости в оптических каналах позволит снизить затраты на создание оптических транспортных OTN/DWDM сетей. В частности, за счет сокращения общего количества оптических каналов (длин волн) при переходе на более широкополосные каналы (ширина полосы частот оптического канала пропорциональна символьной скорости линейного сигнала оптического канала) большей пропускной способности, а также увеличения дальности связи без промежуточного OEO (Optical-Electrical-Optical) преобразования при снижении уровня формата модуляции QAM и использовании дополнительной цифровой вероятностной обработки типа PCS (Probabilistic Constellation Shaping) для линейного сигнала с форматом модуляции QAM.
Эволюция решений для линейных интерфейсов оптических каналов систем DWDM
В 2020 году стал доступен первый коммерческий оптический приемопередатчик с двумя длинами волн, на каждой из которых реализована символьная скорость 70 ГБод. Это устройство дало возможность объединить две длины волны 400G (с использованием формата модуляции DP-16QAM на каждой) для обеспечения эквивалентной пропускной способности 800 Гбит/с клиентского соединения на городских сетях и две длины волны 200G (с использованием формата модуляции DP-QPSK на каждой) для обеспечения эквивалентной пропускной способности 400 Гбит/с на протяженных магистральных сетях.
Переход в 2023 году к изготовлению цифровых сигнальных процессоров (ЦСП) на основе 5 нм технологии КМОП с символьной скоростью порядка 140 ГБод позволил использовать одну длину волны [9] для каналов пропускной способностью:
400 Гбит/c и форматом модуляции DP-16QAM (4 бита/символ на одну поляризацию) на городских сетях (дальность связи порядка 500 км),
200 Гбит/с и форматом модуляции DP-QPSK (2 бита/символ на одну поляризацию) на протяженных магистральных сетях (дальность связи порядка 2000 км).
На городских сетях для оптических каналов с форматом модуляции DP-16QAM потребуется (с учетом передачи порядка 20% служебных данных для SDFEC) символьная скорость более [9]:
62,5 ГБод для оптических каналов пропускной способностью 400 Гбит/с,
125 ГБод для оптических каналов пропускной способностью 800 Гбит/с.
На протяженных магистральных сетях для оптических каналов с форматом модуляции DP-QPSK потребуется (с учетом передачи примерно 20% служебных данных для SDFEC) символьная скорость более [9]:
125 ГБод для оптических каналов пропускной способностью 400 Гбит/с,
250 ГБод для оптических каналов пропускной способностью 800 Гбит/с.
Для организации оптических каналов (длин волн) на протяженных магистральных сетях без OEO преобразования в промежуточных узлах в ВОСП необходимо применять приемопередатчики с уровнем выходной оптической мощности от 0 до 3 дБм (то есть от 1 до 2 мВт). Для организации оптических каналов (длин волн) в приложениях IP-over-DWDM уровень выходной оптической мощности в сменных оптических когерентных приемопередатчиках может быть равен –10 дБм. В этом случае сменные оптические когерентные модули-приемопередатчики устанавливаются непосредственно в порты маршрутизатора и используются сетевые конфигурации типа точка-точка либо с минимальным количеством оптических участков OTS (Optical Transport Section).
В выпускаемом в настоящее время оборудовании для волоконно-оптических транспортных сетей DWDM поддерживаются два типа когерентных оптических линейных приемопередатчиков:
оптимизированные для достижения наибольшей пропускной способности оптического канала. Используются приемопередатчики, которые позволяют достичь максимальной пропускной способности оптического канала за счет оптимального сочетания символьной скорости, формата модуляции и ширины полосы частот канала. Эти решения носят частный характер и защищены, как правило, патентами. Они обеспечивают высокие характеристики, но практически не имеют ограничений по физическим размерам и энергопотреблению;
оптимизированные для достижения минимально возможных физических размеров и энергопотребления. Используются приемопередатчики, имеющие характеристики, достаточные для большинства городских, а по мере развития технологий и для региональных транспортных сетей. Такие решения ориентируются на реализацию сменных модулей-трансиверов с учетом отраслевых соглашений MSA (Multi-Source Agreement – соглашение между несколькими производителями оборудования и операторами сетей) и рекомендаций (стандартов) таких организаций, как Optical Internetworking Forum (OIF/MSA), OpenZR+ MCA, Open ROADM MSA.
Три основных типа конструктивного исполнения (form-factor) для сменных оптических модулей-приемопередатчиков различаются размерами, ограничениями по рассеиваемой мощности и обеспечивают разные характеристики [9, 10]:
CFP2-DCO: 55 см3 / 25–30 Вт – используется для каналов 100 и 200G;
OSFP: 29 см3 / 30 Вт – подходит для каналов различной пропускной способности, имеет расширенный диапазон энергопотребления;
QSFP-DD: 14 см3 / 25 Вт – для каналов различной пропускной способности, имеет расширенный диапазон энергопотребления.
Сетевые операторы предпочитают использовать на стороне линии и на стороне клиента один и тот же форм-фактор сменных оптических модулей-приемопередатчиков.
Оптимизированным для достижения минимально возможных физических размеров и энергопотребления решениям, связанным с созданием и внедрением открытых (совместимых) сменных когерентных оптических модулей-приемопередатчиков, посвящены преимущественно следующие разделы этой статьи.
Стандартизация линейных интерфейсов для оптических каналов систем DWDM
К международным организациям стандартизации технологий оптической передачи относятся IEEE802.3, МСЭ-Т SG 15 (SG, Study Group – исследовательская группа) и OIF/MSA:
стандарты IEEE802.3: определяют технические требования к сменным оптическим клиентским интерфейсам Ethernet 100/200/400/800GE;
стандарты МСЭ-T SG 15: устанавливают технические требования:
к оптическим транспортным сетям, включая волоконно-оптические системы передачи с плотным мультиплексированием и разделением оптических каналов по длине волны оптического излучения OTN/DWDM (ВОСП),
интерфейсам и структуре сигналов OTN,
алгоритмам прямого исправления ошибок HD FEC и SDFEC,
системам распределения по волоконно-оптической сети сигналов синхронизации по частоте, фазе и времени,
механизмам защиты и восстановления при отказах, а также обеспечения устойчивости функционирования ВОСП,
контролю, управлению и мониторингу ВОСП,
системам доступа типа цифровые абонентские линии DSL (Digital Subscriber Line), гигабитные пассивные оптические сети (GPON) и пассивные оптические сети Ethernet (EPON),
сотрудничеству с другими исследовательскими группами МСЭ-Т, а также с региональными органами по стандартизации и заинтересованными сторонами отрасли, чтобы обеспечить комплексный и скоординированный подход к глобальной стандартизации электросвязи.
Прогресс в стандартизации оптических каналов 400 и 800G в МСЭ-Т SG 15 после выпуска спецификации 100G DWDM в 2018 году был не столь быстрым, поскольку для обеспечения совместимости с оборудованием разных производителей необходимо было стандартизировать открытые (дезагрегированные) системы DWDM с когерентной модуляцией в оптических каналах. В феврале 2023 года на заседании группы МСЭ-Т SG15 Q6 было принято решение:
начать новый цикл стандартизации, теперь уже для открытых (дезагрегированных) решений для оптических каналов 400G,
для оптических каналов 800G проводить стандартизацию открытых (дезагрегированных) решений,
для оптических каналов 400 и 800G проводить стандартизацию с учетом растущего спроса на расширенный диапазон C+L частот (длин волн) оптических каналов.
Стандартами OIF/MSA определены технические требования для подключения оконечного оборудования в виде маршрутизаторов IP/MPLS и/или транспондеров/мукспондеров/агрегаторов DWDM [6]:
к клиентскому оборудованию с использованием клиентских Ethernet оптических сменных модулей-приемопередатчиков (табл.1), включая технические требования к сменным модулям 400G QSFP-DD. Предусмотрены два сценария приложений для 400G: один – центр облачных вычислений, другой – высокоскоростная линия передачи. Форм-фактор 400G QSFP-DD – наилучший для обоих сценариев [11],
к транспортному оптическому линейному тракту OLS (Optical Line System) с использованием встроенных или сменных линейных оптических когерентных модулей-трансиверов различной пропускной способности.
Согласно прогнозному отчету компании Dell’Oro [8], один порт 400 Гбит/с обычно стоит меньше, чем четыре порта 100 Гбит/с. В результате переход на порты 400 Гбит/с позволяет поставщикам услуг более экономично и эффективно инвестировать средства и сокращать эксплуатационные расходы. Соответствие и распределение обязанностей между каждой международной организацией по стандартизации и оборудованием для оптической передачи показано на рис.1 [7].
Сейчас такие центры, как IEEE802.3, МСЭ-T, OIF/MSA и CCSA (China Communications Standards Association), занимаются стандартизацией оптических каналов B400G (Beyond 400G), то есть каналов пропускной способностью выше 400 Гбит/с, включая 800G и 1.2/1.6T, а также оптических каналов для протяженных магистральных ВОСП с форматами модуляции QPSK и символьной скоростью не менее 128 ГБод.
Отраслевые требования (стандарты) к сменным линейным модулям-приемопередатчикам DCO
(Digital Coherent Optics) 400G
Технология сменных цифровых когерентных модулей-трансиверов DCO 400G
Для передачи клиентских потоков 400 Гбит/с по оптическому волокну на большие расстояния в оптических каналах систем DWDM (форматы модуляции – DP-8QAM и DP-16QAM) с использованием амплитудной и фазовой модуляции, а также обеих поляризаций нормированного оптического излучения применяются относительно недорогие решения DCO (Digital Coherent Optics), которые доступны в конструктивных исполнениях (форм-факторах) QSFP-DD, OSFP или CFP2 (рис.2). В некоторых случаях, например, на сетях IPoDWDM (IP over DWDM), эти решения используются вместо когерентных оптических транспондеров/мукспондеров/агрегаторов систем OTN/DWDM.
С переходом к открытой архитектуре линейного тракта OLS (Open Line System) передающие оптические сменные модули-приемопередатчики можно напрямую вставлять в порты маршрутизаторов и не использовать внешнюю оптическую транспортную систему. Такой подход упрощает платформу управления при одновременном снижении стоимости, энергопотребления и занимаемой площади. Поставщики когерентных ЦСП и когерентных оптических приемопередатчиков Acacia, NEL, Inphi, NeoPhotonics и т. д. проводят испытания на их совместимость.
В настоящее время когерентные оптические приемопередатчики нескольких производителей, ориентированные на относительно небольшую дальность связи, могут взаимодействовать между собой.
В перспективных разработках рассматривается возможность использования для оптических модуляторов сменных модулей-приемопередатчиков некоторых новых материалов, таких как тонкопленочный ниобат лития TFLN (Thin Film Lithium Niobate on silicon).
Традиционные модуляторы на основе ниобата лития не могут поддерживать приложения с символьной скоростью выше 64 ГБод из-за своих больших размеров. Однако в последние годы, благодаря прорывным решениям в технологии TFLN, модуляторы на ниобате лития также могут достигать небольших размеров и высокой пропускной способности. Именно эта технология рассматривается применительно к реализации оптических модуляторов с символьной скоростью более 100 ГБод [10].
Стандартизация сменных цифровых когерентных линейных модулей-трансиверов DCO 400G
Отличие отраслевых стандартов состоит в том, что можно выбирать из таких вариантов решений, как OIF 400ZR, IEEE 802.3cw, OpenZR+ и OpenROADM. Выпущены или находятся на разных стадиях разработки несколько согласованных технических требований к интерфейсам DCO 400G, которые имеют существенные отличия, отраженные в табл.2.
Технические требования к 400ZR, разработанные в OIF/MSA, – одна из первых попыток определить открытый (совместимый) когерентный интерфейс 400G [12]. Соглашение MSA о внедрении OIF 400ZR, выпущенное в марте 2020 года, определило когерентный интерфейс 400G для использования на сетях в конфигурации точка-точка протяженностью до 120 км. Целевые приложения для 400ZR включали соединение мест кэширования местного ЦОДа с офисами местных точек присутствия POP и узлами транзитной сети, а также использование этих интерфейсов для соединения между собой нескольких ЦОДов на городской сети. Перечисленные цели были достигнуты за счет ограничения некоторых характеристик модулей 400ZR, что позволило использовать в них более экономичные компоненты и обеспечить соответствие параметров энергопотребления температурным ограничениям для модулей меньшего размера.
Усилия OIF в части модуля 400ZR были сосредоточены на одном типе модуляции и скорости передачи 400G для городских сетей в конфигурации точка-точка.
Технические требования к 400ZR и OpenZR+ были разработаны в первую очередь для удовлетворения растущих требований к пропускной способности на сетях взаимодействия ЦОДов (DCI) и облачных вычислений, использующих клиентские интерфейсы 100 и 400GbE.
Соглашение OpenZR+ обеспечило возможность выбора на городских, региональных и магистральных сетях скорости передачи 100, 200, 300 и 400G по оптическим каналам (длине волны) с учетом использования новой структуры цикла (кадра) OTN, включающей служебные байты OpenFEC (oFEC), необходимые для обнаружения и исправления ошибок.
Требования к решениям OpenROADM предлагают хорошую альтернативу операторам сетей связи, поскольку поддерживают как клиентские сигналы Ethernet, так и OTN (OTU4).
Группы OpenZR+ и OpenROADM сосредоточились на более высокопроизводительных оптических спецификациях, обеспечивающих гибкий выбор скорости передачи от 100 до 400G и большую дальность связи.
Стандарт OIF 400 ZR
Протокол OIF 400 ZR, предназначенный для использования в линейном когерентном сменном оптическом модуле-приемопередатчике, обеспечивает прозрачную передачу клиентского сигнала 400G Ethernet [6]:
в оптическом канале (на одной длине волны) системы DWDM,
на расстояние до 120 км,
по сети в конфигурации точка-точка,
с использованием оптической модуляции DP-16QAM и обеих поляризаций нормированного оптического излучения,
с высокой способностью исправления ошибок (BER) на основе CFEC: до 10 в степени –15 на выходе канала, при входном BER порядка 1,25 × 10 в степени –2 [2, 3].
Протокол OIF 400 ZR был принят в 2016 году для стандартизации сменного совместимого (открытого) когерентного оптического модуля-приемопередатчика с энергопотреблением, допускающим использование вариантов конструктивного исполнения QSFP-DD и OSFP. Эти форм-факторы предпочтительны в сетях взаимодействия ЦОДов (DCi) для достижения высокой плотности установки в оборудовании линейных интерфейсов 400G и ориентированы на определенные приложения, в которых энергопотребление модуля не должно превышать 15 Вт. Предложенное OIF-решение 400ZR поддерживается в отрасли, однако системные операторы доказали наличие возможности дальнейшего улучшения тепловых характеристик этих форм-факторов, что позволяет оснащенным ими оптическим модулям поддерживать дополнительные функции для обеспечения более высоких характеристик оптических каналов.
Ниже представлены параметры интерфейса 400ZR, который функционирует как 400G BASE-RPHY:
эффективное по стоимости решение для взаимодействия оборудования разных производителей,
линейный интерфейс с пропускной способностью 400 Гбит/с на одной несущей с форматом модуляции DP-16QAM (точность по тактовой частоте +/- 20 ppm),
когерентный ЦСП (КМОП, 7 нм) c низким потреблением, обеспечивающий формирование линейного сигнала QAM с прямым (absolute, Non-Differential) кодированием/декодированием фазы,
кодирование с исправлением ошибок Concatenated FEC (C-FEC),
протяженность участка DWDM в конфигурации точка-точка с усилением от 80 до 120 км (сети взаимодействия ЦОДов, DCi),
оптические параметры интерфейса:
OSNR ≤ 26dB,
TX – уровень выходной оптической мощности не менее – 10dBm,
RX – уровень входной оптической мощности не менее – 12dBm,
конструктив QSFP-DD или OSFP,
основные производители: Arista, Marvell, Ciena, Nokia, Cisco, Lumentum, Fujitsu.
Параметры ВОСП с каналами 400ZR представлены на рис.3 [13].
В качестве примера ниже представлены характеристики оптического модуля 400ZR компании Arista [14]:
400G по одной длине волны: формат модуляции DP-16QAM, символьная скорость 60 ГБод,
длина волны перестраивается во всей C-полосе: диапазон частот от 191.300 до 196.100 THz,
сетка частот оптических каналов настраивается на 100 или 75 ГГц,
дальность связи до 120 км без использования оптических усилителей,
конструктивное исполнение (форм-фактор) OSFP и QSFP-DD.
Стандарт OpenZR+ MSA
Протокол OpenZR+ MSA, предназначенный для использования в линейном когерентном оптическом сменном модуле-приемопередатчике, обеспечивает прозрачную передачу клиентских сигналов Ethernet 100, 200, 300 или 400GbE:
в оптическом канале (на одной длине волны) системы DWDM,
на расстояние в несколько сотен километров,
с использованием форматов модуляции DP-QPSK, DP-8QAM и DP-16QAM и обеих поляризаций нормированного оптического излучения,
c высокой способностью исправления ошибок (BER) на основе алгоритма открытой прямой коррекции ошибок (OpenFEC) [2, 3].
OIF 400ZR поддерживает лишь клиентские интерфейсы 400GbE, а OpenROADM применим только к сетевым сценариям операторов связи. Поэтому некоторые основные производители в отрасли объединили соответствующие преимущества стандартов OIF-400ZR и OpenROADM, запустив еще один стандарт OpenZR+MSA.
У OpenZR+MSA более широкий спектр приложений. Стандарт предназначен для поддержки взаимодействия оборудования разных производителей на городских, региональных, магистральных и DCi сетях связи. При реализации модулей в сменном исполнении в конструктивах QSFP-DD и OSFP протокол OpenZR+ MSA обеспечивает расширенные возможности и улучшенные характеристики. В частности, добавляется поддержка функции мультиплексирования Ethernet-потоков 100, 200, 300 или 400G на линейном интерфейсе, а также согласование приема с OpenROADMMSA и oFEC, стандартизированными в CableLab. В сентябре 2020 года OpenZR+ MSA выпустили первую общедоступную версию технических требований [15].
Ниже представлен пример характеристик оптического модуля с линейным интерфейсом 400G ZR+ компании EPS Global для оптических транспортных сетей, выпущенного совместно с компаниями Coherent, Edgecore Networks и IP Infusion [16]:
значительно повышается пропускная способность сети взаимодействия ЦОДов,
обеспечивается увеличенная дальность действия без использования оптического усиления,
предусматривается использование уровня 0 дБм для оптической мощности на стороне передачи,
обеспечивается функциональная совместимость модулей-трансиверов 400G ZR+ с оборудованием различных производителей, что позволяет операторам ЦОДов гибко выбирать сетевые решения и поставщиков аппаратных и программных средств,
использование сетевой операционной системы OcNOS предоставляет комплексные возможности управления и оптимизации характеристик сети, включая настройку, диагностику и телеметрию сменного модуля-приемопередатчика.
Стандарт OpenROADM MSA
Протокол OpenROADM, предназначенный для использования в линейном когерентном оптическом сменном модуле-приемопередатчике, обеспечивает прозрачную передачу клиентских сигналов 100, 200, 300, 400G Ethernet, OTUC1–4 и OTU4 [17, 18]:
в оптическом канале (на одной длине волны) системы DWDM,
на расстояние до 1000 км – уровень выходной оптической мощности для OpenROADM равен 0 дБм, в отличие от OIF400ZR и 400ZR+, где этот параметр равен –10 дБМ,
с использованием оптической модуляции DP-QPSK, DP-8QAM и DP-16QAM (в зависимости от скорости передачи данных) и обеих поляризаций нормированного оптического излучения,
с высокой способностью исправления ошибок (BER) на основе открытой прямой коррекции ошибок (OpenFEC) [2, 3].
Целями стандартизации OpenROADM MSA для сетей с узлами в виде реконфигурируемых оптических мультиплексоров ввода/вывода ROADM (Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer) являются:
разработка дезагрегированных, то есть открытых сетевых решений,
поддержка решений SDN, то есть предоставление общей модели управления для упрощения управления архитектурами оптических сетей различных поставщиков.
Проект Open ROADM определил три дезагрегированные функции (сменный оптический модуль-приемопередатчик, транспондер и узел ROADM), которые управляются через API (Application Program Interfaces) NETCONF, использующий модели YANG. Доступ к сетевым элементам можно получить через контроллер SDN. Таким образом, контролировать и управлять устройствами удобно с помощью контроллера, совместимого с OpenROADM и моделью YANG.
Группа участников проекта Open ROADM MSA в сотрудничестве с исследователями лаборатории OpNeAR Университета Техаса (США) в Далласе и Politecnico в Милане (Италия) продемонстрировала на OFC-2023 (в марте 2023 года) беспрепятственное взаимодействие по оптическим каналам 400G с использованием ВОСП от нескольких производителей, а именно: Ciena, Cisco-Acacia, Fujitsu, Infinera, Juniper, Lumentum, NEC, Nokia, NTT, Orange [19]. Проект определил интерфейсы 100, 200, 300, 400G для клиентских подключений Ethernet и OTN, а также алгоритм OpenFEC (oFEC) для обеспечения дальности связи 1000 км. Было показано, что OpenFEC более эффективен, чем CFEC, за счет использования большего количества служебных байтов в заголовке цикла и большего энергопотребления [2, 3].
Протоколы OIF 400ZR, 400ZR+ MSA и OpenROADM MSA определили типы и рабочие характеристики сменных когерентных оптических модулей-приемопередатчиков при использовании открытых ВОСП для соединения ЦОДов и на различных телекоммуникационных сетях передачи данных.
Заключение
Ключевыми технологиями для очередных этапов стандартизации станут форматы модуляции и алгоритмы когерентной цифровой сигнальной обработки для открытых ВОСП с оптическими каналами пропускной способностью 800 Гбит/с, 1,2 или 1,6 Тбит/с, оптические системы с расширенным частотным диапазоном C+L, высокопроизводительные алгоритмы обнаружения и исправления ошибок FEC и т. п.
Согласно прогнозному отчету Dell’Oro Group [8], стимулировать рост рынка телекоммуникаций в течение следующих пяти лет будет появление когерентных цифровых сигнальных процессоров (ЦСП) для передачи данных 400 Гбит/с по оптическому каналу (длине волны) систем DWDM протяженностью в несколько тысяч километров без промежуточного OEO (Optical-Electrical-Optical) преобразования, а также оптических линейных когерентных модулей-приемопередатчиков с ЦСП для оптических каналов пропускной способностью 800 Гбит/с, 1,2 или 1.6 Тбит/с и более.
Литература
Signalling a high-capacity future for optical networks. [Электронный ресурс]. URL: https://www.fibre-systems.com/article/signalling-high-capacity-future-optical-networks (дата обращения 26.02.2024).
Коган С.С. Сети 5G: эволюция к открытым оптоволоконным оптическим транспортным сетям. Часть 1. Полностью или частично дезагрегированные открытые оптические транспортные решения // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2023. № 5. С. 56−66. Часть 2. Стандартизация решений для открытых оптических транспортных сетей // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2023. № 6. С. 54−62.
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 26.02.2024).
Что такое периферийные вычисления? [Электронный ресурс]. URL: https://aws.amazon.com/ru/what-is/edge-computing/ (дата обращения 26.02.2024).
Тенденции развития технологии и стандартов когерентных оптических приемопередатчиков. [Электронный ресурс]. URL: https://www.fibermall.com/ru/store-21950-coherent-transceivers.htm (дата обращения 26.02.2024).
Последний прогресс стандартов когерентной оптической передачи 400G и 800G. [Электронный ресурс]. URL: https://www.fibermall.com/ru/blog/progress-of-400g-and-800g-coherent-optical-transmission.htm (дата обращения 26.02.2024).
Terabit Speed Coherent DSPs are Now in the Market. [Электронный ресурс]. URL:https://www.delloro.com/news/new-generation-of-coherent-dsps-to-drive-optical-dwdm-market-to-18-billion-by-2028/?u (дата обращения 26.02.2024).
Optical networks move to metro 800G and long haul 400G. [Электронный ресурс]. URL:https://www.5gtechnologyworld.com/optical-networks-move-to-metro-800g-and-long-haul-400g/ (дата обращения 26.02.2024).
TECHNICAL POSTER. [Электронный ресурс]. URL: https://www.exfo.com/contentassets/8bc86d245bd0464cbb848309c3817577/20220282_400g-technical-poster_v5_en.pdf (дата обращения 26.02.2024).
Какие бывают типы оптических трансиверов 400GQSFP-DD. [Электронный ресурс]. URL: https://www.fibermall.com/ru/store-20656-400g-qsfp-dd.htm (дата обращения 26.02.2024).
Understanding 400ZR/OpenZR+/400ZR+ Optics. [Электронный ресурс]. URL: https://www.lightwaveonline.com/optical-tech/transmission/article/14188934/understanding-400zr-openzr-400zr-optics (дата обращения 26.02.2024).
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 26.02.2024).
R DCI Solution. [Электронный ресурс]. URL: https://www.arista.com/assets/data/pdf/Datasheets/400ZR_DCI_Solution_Datasheet.pdf (дата обращения 26.02.2024).
Open ZR+ MSA Technical Specification. [Электронный ресурс]. URL: https://openzrplus.org/site/assets/files/1075/openzrplus_1p 0.pdf (дата обращения 26.02.2024).
EPS Global Launches 400G ZR+ Optical Networking Bundle. [Электронный ресурс]. URL: https://www.epsglobal.com/Media-Library/EPSGlobal/news/400g-zr-bundle-press-release.pdf (дата обращения 26.02.2024).
Open ROADM MSA 3.01 W-Port Digital Specification (200G-400G). [Электронный ресурс]. URL: https://view.officeapps.live.com/op/view.aspx?src=https%3A%2F%2F0201.nccdn.net%2F1_2%2F000%2F000%2F141%2Fb6c%2FOpenROADM_MSA3.01-W-Port-Digital-Specification.docx&wdOrigin=BROWSELINK (дата обращения 26.02.2024).
Open ROADM MSA Device White paper for release 2.2. [Электронный ресурс]. URL: https://0201.nccdn.net/1_2/000/000/134/c 50/Open-ROADM-MSA-release-2-Device-White-paper-v1-1.pdf (дата обращения 26.02.2024).
Reliable Open ROADM Transport Network with Multi-layer Performance Monitoring Capabilities Demonstrated at OFC’23 March 07-09. [Электронный ресурс]. URL: https://www.ofcconference.org/en-us/home/news-and-press/exhibitor-press-releases/2023/reliable-open-roadm-transport-network-with-multi-l/ (дата обращения 26.02.2024).
Отзывы читателей
