在IMT-2020(5G)推进组的《5G承载网络架构和技术方案白皮书》以及《5G承载光模块白皮书》中,提出了采用50GE作为5G承载中回传的线路接口。

50G相关以太网光接口标准

IEEE的两个标准:IEEE 802.3 bs(400G,200G) 和802.3 cd(200G,100G,50G) 定义了50G,100G,200G,400G以太网的媒体访问控制层(MAC)以及物理层(PHY)的相关参数。主要的光接口类型以及采用的调制格式如下表:

可以看到,在实现50G以上的高速以太网接口时,主要采用了50G比特速率(波特26.6GBaud),PAM4调制方式。

为什么是PAM4

光传输一直在追求更高的传输速率,但速率越高,所面临的问题也就越多,诸如色散、发光功率、信噪比、光收发器的线性度及灵敏度、技术成熟度、成本等。提高速率的方式有多种,包括通过频率、振幅、相位等变化的调制方式。

NRZ(不归零码,Non-Return-to-Zero)调制方式一直是光通信采用的主要技术,随着速率的提升,如 200G/400G,NRZ调制在色散影响、光电转换带宽和成本上遇到了较大的困难。对于25G以上的波特率,在中长距传输时,色散的影响显著;光电转换带宽在60Gbit/s以上出现了技术瓶颈。对于高速接口,每通道数据速率要提高到50Gbps以上,如果仍然采用NRZ技术,由于每个符号周期只有不到20ps,对于收发芯片的时间裕量以及传输链路的损耗要求更加苛刻, 若能既保持较低的波特率,又提高每一波特的信息量,就能大大降低光器件的带宽要求,从而可以降低光器件成本。而PAM4调制方式极大的满足了上述要求,是继NRZ后热门的信号调制技术,也是多阶调制技术的代表。

PAM4是什么

PAM即脉冲幅度调制(Pulse Amplitude Modulation)。NRZ调制方式采用高、低两种信号电平来表示要传输的数字逻辑信号的1、0信息,每个信号符号周期可以传输1bit的逻辑信息,实际上NRZ方式可也叫做PAM2,2表示的是有2种电平信号。那么PAM4调制方式就是采用4个不同的信号电平来进行数据传输,每个符号周期可以表示2bit的逻辑信息(00、01、10、11)。由于 PAM4 信号每个符号周期可以传输2bit的信息,因此要实现同样的信号传输能力,PAM4信号的符号速率(波特率)只有NRZ信号的一半,换而言之,采用同样的波特速率,PAM4的信号比特率是NRZ信号的2倍,比如利用25G波特率,PAM4调制方式,可以传输50G比特率的信息。NRZ和PAM4信号典型波形如下图所示,右侧为NRZ和PAM4的光眼图对比,NRZ为单眼波形,PAM4为三眼波形(Y轴方向存在3个眼状图形)。

其实多阶PAM调制的概念并不新鲜,比如最普遍使用的100MBase-T以太网,就使用3种电平进行信号传输;而在无线通信领域中普遍使用的16QAM调制、32QAM调制、64QAM调制等,也都是采用多电平的基带信号对载波信号进行调制。此外还有PAM5(802.3ab),PAM8(802.3bm)等。

在2014年发布的100G背板标准802.3 bj中,同时定义了两种信号传输方式:4组25.78G波特率的NRZ信号,或者4组13.6G波特率的PAM4信号。由于芯片技术以及PCB板材和连接器技术的快速发展,25G波特率的NRZ技术很快实现商用应用,但PAM4由于当时技术成熟度和成本的原因,并没有在100G以太网的技术中被真正应用。随着IEEE 802.3 bs 和802.3 cd的发布,PAM4将越来越多的大规模应用起来。

50G相关标准进展

IEEE 802.3 bs标准批准时间为2017年12月,该标准覆盖了400GE/200GE两种以太网接口速率。其中400GE定义了LR8 (10km)/FR8 (2km)/DR4 (500m)/SR16 (100m)等PMD子层规格以及多种AUI电接口。LR8/FR8采用了50G PAM4技术,成为以太网标准中首个采用该技术接口标准,为PAM4技术开启广泛商用打开了大门。

IEEE 802.3 cd标准批准时间为2018年12月,标准覆盖了50GBASE-LR/KR/SR PMD子层,所有PMD子层都采用了50G PAM4技术,50GE是PAM4技术应用最广泛的以太网接口速率。

以上标准定义的50GE传输距离都在10km以下,2018年4月IEEE成立了Beyond 10km工作组,对50G在40km传输距离范围内,100G、200G、400G在40km及80km传输范围的技术进行研究,2018年9月更改为P802.3 cn工作组,计划规范批准时间节点为2020年6月。

50G光收发模块原理及功率预算

基于50G PAM4光模块运用PAM4编码技术,每个采样周期的传输信息量提升了一倍,可以利用一对25G发射和接收器件实现50G传输速率,降低了模块的成本。50G PAM4可有多种应用场景,除了单通道的50GE PAM4光模块,还有4通道的200GE(4×50G)光模块和8通道的400GE(8×50G)光模块。

下面以单通道50G PAM4即50GE光模块为例,介绍各模块功能。

发送方向:数据经过50GE MAC、PCS、PMA后,通过2×26.5625Gbps接口(Golden finger,50GAUI-2)送到50GE光模块,经过PAM4 DSP编解码芯片进行速率和码型转换,从2通道转换为1通道,调制码型转换成为PAM4,速率为26.5625G波特率,激光器驱动芯片将PAM4信号放大,驱动25G激光器将电信号转换为单波长25GBaud(50Gbps)光信号。

接收方向,接受器将单波长25GBaud光信号转换为电信号,整形放大后输出至PAM4 DSP编解码芯片,PAM4编解码芯片再将该信号转换为2*25G NRZ信号,通过2×26.5625Gbps接口(Golden finger,50GAUI-2)送到以太网处理芯片。

目前50GE PAM4模块的封装形式为QSFP28,计划的封装为SFP56,光口类型为LC,使用单模光纤,中心波长为1311nm,传输距离为10km/40km,模块的最大功耗为4.5W。有关功率预算关键技术参数如下表:

和传输距离相关的主要是通道插损,即光纤以及光纤连接器引入的插损之和。IEEE目前定义50G LR场景,极限情况下是1304.5nm,按0.43dB/km计算,即0.43dB/km×10km=4.3dB,还有6.3-4.3=2dB余量是给光纤连接、以及熔纤导致的插损。

50G光收发模块相关技术

PAM4相比传统的NRZ信号,从2阶变为4阶,眼图从单眼变成3眼。在承载bit效率方面虽然提升了1倍,但也引入了对噪声、线性度敏感的问题,因此不能简单的利用已经成熟的25G光电模块,还需根据PAM4的特性进行相应的改变。

  • 发送机线性要求

由于多电平调制,PAM4 对器件的线性度有要求。当线性度差时,PAM4 输出眼图的3 个眼高度不一样,容易造成误判,增加了误码率。电器件比较容易满足上述要求,10 km 规格能采用直接调制激光器(DML)实现,同时也保证了低成本。40km规格则需要使用电吸收调制激光器(EML)和雪崩光电探测器。另一方面,10km和40km的规格均对高线性度的激光器驱动器和跨阻放大器有需求。

  • 光功率预算

功率预算主要考虑出光功率、光调制幅度(OMA)、光链路损耗、发射机和色散眼图闭合度(TDECQ)、多径干扰(MPI)和接收灵敏度等,PAM4在功率预算计算上与NRZ 类似。对于同样的接收信号幅度,由于PAM4发送4 个电平,最小信号眼图眼高比NRZ 的小5 dB 左右。因此,相比于NRZ 方式,PAM4 存在着5dB左右的调制代价。激光器的发射功率相对采用NRZ的25G激光器需要提高。

  • PAM4 DSP芯片

由于PAM4编码有4种电平逻辑,所以要求模块内部的Driver和TIA芯片都具备线性输出功能,而NRZ模块使用限幅输出的方案即可。PAM4模块需要使用DSP来完成50G PAM4和2×25G NRZ信号的转换,而NRZ模块只需要使用传统的CDR芯片即可完成数据传输。

50GE的应用及展望

50GE除了在数据中心的交换机以及服务器互联中大量采用,随着5G承载网建设的日益临近,其在承载网接入层中的应用也越来越多的得到运营商的关注。

在运营商方面:

  • 中国移动:

李晗表示,在技术推动上,中国移动选择“两条腿走路”——既完善SPN的相关标准,推动其成熟,又发挥中国移动产业影响力,积极与光芯片、光器件、光模块等厂家合作,降低光层整体成本。SPN接入层采用50G PAM4 BiDi光模块,更好地满足带宽、同步等指标,需进一步推进产业成熟和降低成本。据悉,50GE光模块支持10km、100km DiBi方案,已有可商用产品,而50G较25G成本增加主要是PAM4电芯片,预计量产后50G PAM4较25G光模块贵10%-20%以内,预计单比特成本下降35%-45%。

  • 中国电信:

张成良指出,4G和5G相比,不仅是承载网络架构发生变化,对核心网、中传/回传、前传等都提出了更高的要求。核心网需要更高速的光模块(200G/400G)、更大的容量的光传输、更灵活的组网、更高效的光层调度。中传/回传需要更高速的光模块(50G/100G)、更大的网络带宽和更灵活的网络以及更好的性能。中国电信在STN招标里,要求STN-A2,STN-B设备“承诺支持50GE/25GE 接口”。

  • 中国联通

中国联通网络技术研究院沈世奎表示:“中国联通在5G承载网的建设已有较为清晰的方向,务实为本,采用产业链中更加成熟的技术;成本为主,以综合成本和TCO最低为目标。25G光层产业链已经完善,基于PAM4技术和25G光收发器实现的50GE更具性价比优势。”

50GE光模块的应用需要整个产业链的共同促进,其中运营商的需求是决定因素,据目前的信息,中国移动在推进50GE的应用最积极,其次是中国电信,以中国移动的需求量,或许能够加速整个产业链的发展。

国内传统通信设备厂商华为、中兴、烽火也都宣称5G承载网设备支持50G接口。华为一直在牵头做技术推动,2018年联合上下游企业发布了《50G PAM4技术白皮书》。在2019年4月,华为宣称通过了中国移动研究院组织开展的50GE单纤双向新技术测试,其在技术交流资料中,更是介绍了采用FlexE技术将50GE平滑升级成100G的方案。

50GE在5G回传接入层的应用,主要取决于接入层流量预测以及50GE光收发器的价格。

据测算,目前4G基站单站平均流速大概0.08Gb/s,结合目前运营商的建设指导意见,一个接入环大概带4个BBU集中点,一个BBU集中点大约带10个左右的基站,若按5G基站平均流速是4G的10倍计算,则一个环的总流速大概为0.08×10×4×10=32Gb/s,这种情况下采用50GE是比较合适的,但考虑初期50GE成本问题,建设初期可采用10GE建设,随着流量增加进行10GE捆绑方式扩容(实际上,也可考虑采用前传采用的25GE速率)。假若50GE的价格能够达到10GE价格的2-3倍时(这一点在数通的报价体系内估计很难达到),或100GE的1/3以下时,采用50GE是一个优选的方案,可以达到TCO的最优。n×10GE捆绑方式,除了考虑光模块的价格,还要把维护量的增加、数据配置的复杂、对光纤的占用都纳入TCO的评估中。据相关资料,现有4G回传接入层有30%-44%采用的40km10G光模块,因此50GE 40km光模块的价格对其应用也是至关重要的。

126.6GBaud实为26.5625GBaud,在使用PAM4调制时,采用前向纠错编码RS-FEC(544,514)以及线路编码256b257b将25G变为26.5625G,25G×(544÷514)×(257÷256)=26.5625G。

225.8GBaud实为25.78125GBaud,在使用NRZ调制时,1)采用线路编码64b66b,将25G变为26.5625G。25G×(66÷64)=25.78125G;2)采用前向纠错编码RS-FEC(528,514)以及线路编码256b257b将25G变为25.78125G,25G×(528÷514)×(257÷256)=25.78125G。