Лет пять назад достаточно популярным запросом был «передача 10 Гбит/с на 80 км по одному волокну». В нашем блоге была опубликована заметка «10 Гбит/с на 100 км и более», которая стала так же достаточно востребованной, но в последнее время увеличивается количество запросов «100 Гбит/с на расстояние 80 км и более». При этом решение для 100GE должно сочетать в себе не только технологическую надёжность, но и экономическую выгоду.
В данной статье собраны наиболее простые и экономически выгодные решения по передаче каналов 100 Гбит/с на большие расстояния, без применения дорогостоящих когерентных трансиверов DCO, экзотических модулей CFP DWDM 4×25 Гбит/с и высокоскоростных мукспондеров/транспондеров.
Основные проблемы
Передача каналов 100 Гбит/с на расстояние более 10 км (локальные подключения) ограничивается несколькими факторами:
- Большие затухания на волокне для длин волн LWDM (длины волн около 1300 нм);
- Высокоскоростные сигналы подвержены хроматической дисперсии при передаче на длинах волн С-диапазона.
Ограничение по затуханиям или по оптическому бюджету длительное время ограничивало массовое развитие протяжённых 100GE линий, так как требовало дорогостоящих трансиверов или мукспондеров/транспондеров. Решение данной задачи получилось достаточно простым – для увеличения бюджета в новых трансиверах используются высокомощные EML лазеры с большой выходной оптической мощностью и фотоприёмники с предусилением.
Эти изменения подтолкнули появление трансиверов QSFP28 ER4 (40км) и позднее QSFP28 ZR4 (80км), что позволило расширить сферу применения QSFP28 LWDM трансиверов с локальных подключений на протяжённые Metro-сети и стыки дата-центров DCI.
Ограничения, связанные с хроматической дисперсией на новые трансиверы QSFP28 ER4/ZR4 не распространяются, так как хроматическая дисперсия для сигналов 1300 в одномодовом волокне G.652D равна нулю. Но для развития 100 Гбит/с трансиверов с передачей на длине/ах волн 1550 нм, хроматическая дисперсия до сих пор является большой проблемой, но это не помешало релизу QSFP28 DWDM single lambda модуля с PAM4 модуляцией.
Возможные схемы передачи
Одним из самых простых решений для организации канала передачи на расстояние до 80 км является использование «дальнобойных» трансиверов QSFP28 LWDM типов ER4 или ZR4. Данный вариант является доступным, так как множество компаний предлагает модули QSFP28 ER4 и QSFP28 ZR4, но данное решение имеет несколько значительных ограничений в использовании:
- Модули данного типа имеют повышенное энергопотребление 5,5 – 7,5 Вт для ER4 и ZR4 соответственно. Не все современные коммутаторы с QSFP28 портами способны обеспечить такое энергопотребление на один порт.
- Трансиверы излучают значительное количество тепла – до 9 Вт, а значит требуют не только мощной системы охлаждения самого сетевого оборудования, но и соблюдения температурного режима окружающей среды.
- Большие затухания на длинах волн передачи модулей QSFP28 ER4 и ZR4, так как они излучают сигнал на LWDM длинах волн (1295,56, 1300,05, 1304,58, 1309,14 нм). Используемые длины волн относятся к О-диапазону, а значит сигнал подвергается значительным затуханиям в процессе прохождения волокна – 0,35 ~ 0,4 дБ/км. Это повышает требования к оптической трассе, на которой планируется использование QSFP28 40 км или 80 км.
Построение линии связи на основе трансиверов QSFP28 большой дальности не отличается от любой двухволоконной системы передачи.
При необходимости данную линию можно адаптировать к передаче по одному волокну, для этого необходимо включить в схему оптический циркулятор с рабочим диапазоном 1310 нм.
При добавлении в линию передачи циркулятора, оптический бюджет трассы снижается на 3 дБ, что приведёт к снижению максимальной протяжённости на 10 км.
Для организации подобной системы передачи необходимо выполнить несколько обязательных условий к трассе:
- Все сварные соединения должны быть выполнены в рамках нормативов;
- Все разъёмные соединения по трассе должны быть переведены на полировку APC;
- Все возможные места с большими возвратными потерями (отражениями) должны быть исключены или исправлены.
Вышеперечисленные меры необходимы для корректной работы оптических циркуляторов, не только в паре с QSFP28, но и любыми другими приёмопередатчиками.
Второе техническое решение передачи канала 100 Гбит/с на 80 км базируется на трансиверах QSFP28 DWDM single lambda. Из названия модуля понятно, что передача ведется на одной длине волны из С-диапазона. Практически DWDM QSFP28 мало чем отличается от DWDM трансиверов форм факторов SFP+, XFP и т.д. В приемопередатчике используется EML лазер, работающий в C-диапазоне, излучающий одну длину волны в сетке частот ITU-T Grid 100GHz, в качестве приемника используется PIN фотодиод.
Сам по себе трансивер обладает скромным оптическим бюджетом и величиной допустимой дисперсии, которые позволяют ему работать на расстоянии до 2 км по одномодовому волокну. Но при совместном использовании с оптическими усилителями EDFA и модулями компенсации дисперсии (DCM) дальность передачи возрастает до 80 км.
Рассмотрим эту систему уплотнения подробнее.
На первый взгляд она мало чем отличается от обычной двухволоконной одноканалоной системы передачи на базе DWDM. Основные отличия кроются в мелочах. DWDM QSFP28 модуль обладает весьма скромным показателем dispersion tolerance равным 40 пс, для сравнения аналогичный показатель у DWDM SFP+ ZR составляет ≈1400 пс.
Это приводит к тому что для построения протяженной трассы необходимо не только знать реальное значение хроматической дисперсии по волокну, но и очень точно выбирать фиксированные DCM.
Следовательно, не во всех случаях можно использовать стандартные модули компенсации с эквивалентной длиной 20 – 120 км. Во многих проектах будут необходимы DCM с нестандартной эквивалентной длиной, на пример 42 км или 58 км, что вызывает некоторые затруднения, так как такие модули компенсации хроматической дисперсии производятся только под заказ, то есть решение не может быть поставлено «со склада». Для упрощения данного ограничения можно использовать перестраиваемые DCM, но это значительно удорожает итоговую цену системы передачи.
Данное техническое решение так же можно перевести в одноволоконную схему передачи добавив два широкополосных DWDM фильтра (оптические фильтры Red/Blue).
В принципе, DWDM трансиверы подразумевают построение емких систем передачи, к примеру, восьми канальных.
Но для построения такой сложной системы уплотнения необходимы: очень точные расчёты, так как:
- трансиверы DWDM QSFP28 обладают малым запасом по бюджету и dispersion tolerance;
- использовать узкоспециальные компоненты и оборудования такие как: AAWG мультиплексоры, чтобы получить одинаковые значения затуханий для всех длин волн с минимальным дрожанием, узкополосные оптические усилители, так как они обладают более ровной АЧХ.
Заключение
На заре появления 100 Гбит/с модулей протяжённые линии передачи на их основе были или сверх дорогими, или требовали очень много специфичного оборудования. Сейчас же стоимость подобных решений значительно снизилась, а компонентная база упростилась. Если темпы развития данного сегмента телекоммуникаций сохраняться, то через 5 лет передача каналов 100GE на Metro расстояния станет такой же обыденностью, как сейчас построение 10GE MAN сетей.