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同調光學技術優化傳輸效能 資料中心新標準實現400G互連

2019-09-10
為滿足5G、物聯網等新興應用對於資料中心的龐大需求,OIF和IEEE正在研擬400ZR、100GBASE-ZR與400GBASE-ZR等新標準,藉由同調光學技術的導入降低資料中心功耗,同時提升部署靈活性,以實現400G互連。

網路流量持續呈倍數成長,通訊網路必須不斷進化,才能滿足更多、更快的資料需求。5G、物聯網(IoT)和虛擬實境等新興技術對資料中心的需求皆大幅增加,以對更多訊務進行管理,並提供前所未見的超低延遲時間。分散在不同地點的資料中心必須彼此溝通,以分享資料、平衡工作負載、提供備份,並在必要時提高容量。校園或都會區中的分散式資料中心更須大幅提高互連容量。

透過同調光傳輸技術,資料中心互連(DCI)可在單一光纖線路上傳輸數TB資訊,不僅能大幅減少功耗,並可為日益增加的資料需求提供處理靈活性。光互連論壇(OIF)和電機電子工程師學會(IEEE)正在研擬400ZR、100GBASE-ZR與400GBASE-ZR等新標準,使100G和400G DCI速率的傳輸距離可達最長80公里。

資料中心互連透過開關鍵控(OOK)調變技術,以光學訊號提供100Gbps資料傳輸速率。市場對高容量資料流的需求漸增,促使資料中心和服務供應商朝400Gbps發展,並尋找能減少相關功耗的方法。整合式光子學技術和新標準的開發基於具Terabit級速率和高效率的同調光學技術,使其成為新一代經濟有效DCI的開路先鋒。

400ZR實現400G DCI

OIF正在為插拔式數位同調光學(DCO)模組的開發,擬定400ZR網路部署合約(IA)。400ZR標準利用高密度波長多工(DWDM)與高階調變,透過最長80公里的DCI鏈路,傳輸多個400GE(Gigabit Ethernet)酬載。其宗旨為,在約60GBaud速率下,使用雙極16狀態正交振幅調變(16 QAM),以單載波400G為基礎來達到經濟長效的部署方式。而此目標必須利用同調偵測和先進數位訊號處理(DSP)才能實現。400ZR IA可降低高頻寬資料中心互連的成本與複雜性,並可促進光學模組製造商間的互通性。

在主機方面,400ZR採用400GAUI-8介面。而在線路方面,400ZR IA詳細說明此介面至同調光學訊號的完整資料路徑。另外也包含連鎖前向誤差修正(FEC)機制的完整定義,組成內容包括硬決策(HD)外FEC和軟決策(SD)內FEC。

利用400ZR同調介面來連結分散式資料中心的方式引起資料中心業者廣大迴響,資料中心間的距離最長可達80公里。由於IA並不限特定外觀尺寸,因此規格制定上允許使用QSFP-DD、OSFP或COBO。因此可像用戶端光學裝置一樣直接與資料中心交換器連接,並可省去在資料中心設置費用高昂的大型運輸網路設備等需求。此外,電信產業希望能透過64Gbaud訊號和正交相移鍵控(QPSK),在200Gbps串流家用回程訊務中使用400ZR。

IEEE在2018年核准802.3ct計劃。IEEE 802.3ct將運用OIF的400ZR IA,在DWDM系統中以最長80公里的單一波長,為400Gbps傳輸建立400GBASE-ZR標準。DWDM系統包含以單一光纖從各種收發器中得到的多工資料訊號。針對100GBASE-ZR,IEEE則運用採用雙極差分正交相移鍵控(DP-DQPSK)調變機制及CableLabs的全雙工同調光學規格的國際電信聯盟(ITU)100Gbps傳輸標準。

400ZR為產業帶來顯著影響

雖然400ZR技術仍處於起步階段,但預期推出後將會對許多產業帶來顯著影響。

以高速資料中心網路需求來說,其中有一大部分來自Google、Amazon、Microsoft、Facebook、百度、騰訊和阿里巴巴等企業擁有的超大規模資料中心。這些大型資料中心必須提升連線速率,以應付雲端服務、IoT裝置、串流視訊等之快速成長。DCI和網路技術的發展有助於雲端與超大規模資料中心因應不斷增加的網路頻寬需求。

此外,對許多機構來說,建立超大規模資料中心並不可行。特別是分散式校園與都會區,由於有空間限制和災難復原需求,因此對這類區域來說,管理多個資料中心是一種新的模式。分散在不同地點的資料中心必須彼此溝通,以分享資料、平衡工作負載、提供備份,並在必要時提高資料中心容量。400ZR技術可實現與分散式資料中心連接所需的高頻寬互連。

而在電信市場,由於使用者在家庭和辦公室的連線需求增加,很快的又將加入5G行動網路需求,電信公司跟資料中心一樣,也須面對網路訊務大量成長的挑戰。串流視訊、線上遊戲、視訊會議與線上備份服務等應用可因400ZR帶來的400Gbps速率受益。400ZR標準讓電信公司能夠進行家用訊務回程。以200Gbps速率運作時,400ZR會運用64Gbaud訊號和QPSK調變來提升高損耗頻距的範圍。至於5G網路,400ZR則可匯集多個25Gbps串流來提供行動回程。

除了可互通的400G模式外,預期400ZR收發器也可支援其他模式,以增加可處理應用的範圍。這些模式稱為400ZR+和400ZR-。「+」代表模組消耗的功率會高於IA(以及一些可插拔尺寸)所需的15W,讓模組能使用更強大的訊號處理技術,將距離延伸至數百公里。「-」則代表模組支援300G、200G和100G等低速模式,可大幅提高網路業者的部署靈活性。

測試400G同調光學元件/收發器

在電信與資料通訊中,同調光學收發器最佳化是得到最佳範圍、頻譜效率和功耗的重要關鍵。在同調光學訊號分析儀中執行誤差向量幅度(EVM)、IQ偏移、IQ不平衡、正交誤差與時脈偏差等量測非常複雜。若要仔細測試光學收發器,就須使用不同調變格式和資料源,透過複雜的波形來進行模擬。此外,對輸入訊號進行偏移校正和預失真也很重要,以去除測試設定中的任何線性缺損,並量測光收發器的真實準確度。

若要測試400G同調光收發器和子元件,必須有能夠產生乾淨訊號與分析的測試設備,且量測頻寬必須至少為40GHz。測試儀器必須提供靈活性,才能在激發和分析側,處理四個雙極化同相與正交(IQ)訊號同步通道的各種調變機制和脈衝形狀。透過以高速數位至類比轉換器(DAC)和類比至數位轉換器(ADC)為基礎的儀器、提供完整通用演算法的軟體工具,以及與自行研發專用演算法之有效率介面,即可達成此目標。

同調光傳輸系統中採用的光電元件有獨特的測試挑戰。舉例來說,若要測試雙極化IQ調變器和內差同調接收器,必須分別量測電子到光學(E/O)和光學到電子(O/E)轉換效率。頻寬、增益、不平衡、群組延遲和時脈偏差等量測可對同調光學裝置進行特性分析,這些量測非常複雜且耗時。若能選擇正確測試裝置,就能為同調光學裝置的開發和認證省下寶貴時間與成本。

隨著網路資料訊務每年都攀升到新高峰,400G同調光技術承諾能為資料中心間帶來更快速的資料流量。以400ZR和400GBASE-ZR等新標準所發展的400G解決方案,可提供處理資料需求時所需的許多優點和靈活性。這些新標準可提高頻寬、容量,並降低成本、體積和功耗,實現新興技術所需的400G互連。而光學元件和裝置製造商將面臨新的挑戰,在60Gbaud產生和分析具光缺損6-QAM訊號的測試設備,讓製造商得以在每秒數TB的DWDM網路中,進行400G應用元件和裝置測試。

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