互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)詳解 _ 數(shù)據(jù)中心相干光技術(shù)應(yīng)用（上）

相干光技術(shù)

相干光技術(shù)的研究最早起源于1980s，對(duì)比傳統(tǒng)的IM-DD系統(tǒng)(強(qiáng)度調(diào)制-直接檢測(cè))，相干光通信具有靈敏度高中繼距離長(zhǎng)、選擇性好通信容量大以及調(diào)制方式靈活等優(yōu)點(diǎn)。在互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心中，技術(shù)重點(diǎn)投入方向越來(lái)越從DCN轉(zhuǎn)向DCI發(fā)展，而國(guó)家“東數(shù)西算”戰(zhàn)略的推行，也代表數(shù)據(jù)中心長(zhǎng)距離互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)愈加重要。因此，相干光技術(shù)是這個(gè)過(guò)程中的關(guān)鍵一環(huán)。

調(diào)制技術(shù)

光通信的過(guò)程其實(shí)就是對(duì)信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)，為了讓大家對(duì)相干光通信有一個(gè)更清晰的認(rèn)知，我們介紹兩種相位相關(guān)的調(diào)制方式：

PSK調(diào)制

PSK又稱“相移鍵控”，通過(guò)改變載波的相位值從而傳輸不同數(shù)字信號(hào)的碼流，PSK調(diào)制在光通信中是被廣泛使用的一種技術(shù)。

根據(jù)兩個(gè)不同載波的相位關(guān)系，PSK又分為BPSK(反相)和QPSK(正交)，一個(gè)符號(hào)分別可以代表1bit和2bit數(shù)據(jù)。

QAM調(diào)制

除了上述調(diào)制方式外，光通信中還會(huì)經(jīng)常用到QAM(正交振幅)調(diào)制，即同時(shí)使用載波的相位和幅度來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。象限中一共有m個(gè)點(diǎn)位，那對(duì)應(yīng)就是mQAM調(diào)制，m=2?，也就代表了在mQAM調(diào)制中，一個(gè)載波符號(hào)傳輸n bit數(shù)據(jù)，這也就是常說(shuō)的星座圖的概念。

這些調(diào)制手段中，實(shí)際業(yè)務(wù)場(chǎng)景往往會(huì)附加一些其他技術(shù)去增加單波道的承載能力、降低信號(hào)波特率等等。比如常見(jiàn)的PDM(偏振復(fù)用)技術(shù)，就是將一個(gè)光信號(hào)分成兩個(gè)偏振方向分別進(jìn)行調(diào)制，從而傳輸2倍的數(shù)據(jù)。

在PSK調(diào)制和QAM調(diào)制中都利用到了載波的相位傳遞信息，此時(shí)在接收端就需要相干解調(diào)。

相干解調(diào)

相干是光學(xué)中的一種現(xiàn)象：強(qiáng)處恒強(qiáng)，弱處恒弱，所謂相干光則是指與本光源頻率相同(這里以零差檢測(cè)為例)、相位差恒定、疊加處質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向相同的光波。

相干光通信的大致過(guò)程如下：

原始電信號(hào)在發(fā)送端進(jìn)行調(diào)制，經(jīng)光纖傳輸后于接收端進(jìn)行相干解調(diào)，最終在接收端得到原始的電信號(hào)，這里邊存在許多關(guān)鍵的器件，比如數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)發(fā)揮了巨大作用，后邊我們也會(huì)介紹到。整個(gè)過(guò)程中信號(hào)變化如下：

通過(guò)以上這些信息，想必大家對(duì)相干光通信有了一個(gè)基礎(chǔ)的認(rèn)知，相干傳輸?shù)恼Q生改變了光傳輸網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，其引入的電子數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)成為增加城域和長(zhǎng)途W(wǎng)DM網(wǎng)絡(luò)容量的關(guān)鍵推動(dòng)因素，相干光技術(shù)可以說(shuō)是長(zhǎng)距離大容量光傳輸?shù)幕尽?

400G ZR

正如開(kāi)篇所講，相干光技術(shù)并非一門(mén)新技術(shù)，其經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)間的技術(shù)積累。最早的相干光收發(fā)系統(tǒng)集成于通信設(shè)備線卡中，但是隨著技術(shù)的進(jìn)一步成熟、精密器件把控能力加強(qiáng)以及光通信帶寬需求不斷增大，可插拔相干光模塊的研究逐漸被提上日程。在互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)尤其如此，基于同一套設(shè)備系統(tǒng)，可插拔光模塊可以滿足不同的業(yè)務(wù)需求，可以說(shuō)可插拔光模塊一直是伴隨互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心發(fā)展的很重要一環(huán)?？刹灏蜗喔晒饽K在100G/200G速率就已經(jīng)規(guī)?；嬲瓉?lái)蓬勃發(fā)展是在400G速率。

400G ZR

OIF(光互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)論壇)推出了面向城域網(wǎng)互聯(lián)場(chǎng)景的 400G ZR DCO行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，越來(lái)越多的設(shè)備廠商和光模塊廠商開(kāi)始擁抱該標(biāo)準(zhǔn)并實(shí)現(xiàn)異構(gòu)互聯(lián)互通。

OIF 400G ZR規(guī)范采用密集波分復(fù)用(DWDM)和DP-16QAM結(jié)合的方案，可以在80~120km(純裸纖到40km，光放加成可以到120km)的數(shù)據(jù)中心互連鏈路上傳輸400G。在該標(biāo)準(zhǔn)中有三種適用的MSA封裝標(biāo)準(zhǔn)，分別是：QSFP-DD、OSFP以及CFP2，在互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心里，最為常用的是QSFP-DD封裝標(biāo)準(zhǔn)。

需要注意的是，OIF 400G ZR定義了DCO(數(shù)字相干光)模塊，在此之前還存在ACO(模擬相干光)模塊，兩者主要區(qū)別如下：

從圖中不難看出，DCO模塊與ACO模塊最核心的區(qū)別在于，DCO將DSP芯片直接集成在光器件上，模塊與主機(jī)系統(tǒng)之間采用數(shù)字通信方式，這樣做的好處是可以實(shí)現(xiàn)異構(gòu)交換機(jī)/路由器廠商通信。利用ACO模塊，曾經(jīng)也涌現(xiàn)了大批量的“比薩盒”DWDM通信系統(tǒng)，大家感興趣的可以自行查閱。

數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)

我們通篇都在談?wù)揇SP這個(gè)詞匯，DSP芯片作為DCO模塊中的一部分，可謂重中之重，DSP又是如何誕生的呢?通俗易懂得說(shuō)，由于光信號(hào)在長(zhǎng)距離傳輸時(shí)很容易產(chǎn)生失真，導(dǎo)致接收端無(wú)法準(zhǔn)確還原數(shù)據(jù)，但是數(shù)字信號(hào)對(duì)比光信號(hào)更容易做處理，去對(duì)抗和補(bǔ)償失真從而降低失真對(duì)系統(tǒng)誤碼率的影響。可以說(shuō)，DSP的出現(xiàn)開(kāi)創(chuàng)了光通信的數(shù)字時(shí)代，DSP是相干光通信的重要支撐。

我們先通過(guò)一張圖來(lái)看下DSP在DCO模塊中的作用：

如圖所示，棕紅色背景的功能模塊均是DSP芯片所承載的，我們總結(jié)下DSP的一些核心功能：

IQ正交：補(bǔ)償因調(diào)制器、混頻器造成的IQ欠正交

時(shí)鐘恢復(fù)：補(bǔ)償采樣誤差

色散補(bǔ)償

偏振均衡：補(bǔ)償偏正相關(guān)損傷、偏振解復(fù)用

頻率估計(jì)：發(fā)送端與接收端載波頻率頻移估計(jì)與補(bǔ)償

相位估計(jì)：載波相位噪聲估計(jì)與補(bǔ)償

判決輸出：軟/硬判決、信道解碼、信源解碼、誤碼率估計(jì)

正是因?yàn)镈SP承載了太多功能，因此最初的DSP也面臨體積較大和功耗過(guò)高等問(wèn)題，所以圍繞DSP芯片的工藝進(jìn)步也在不斷探索：

當(dāng)前階段DSP大多為7nm制程，DCO模塊主要封裝形式為QSFP-DD、OSFP、CFP2，速率為400G/200G

而2022-2025階段，將會(huì)推出5nm制程的DSP，屆時(shí)其瞄準(zhǔn)的目標(biāo)速率將是1.6T/800G

看到這，想必大家對(duì)相干光、400G ZR以及DCO模塊構(gòu)造有了一個(gè)大致的認(rèn)知。在互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)，400G DCO將是相干光大規(guī)模應(yīng)用的典型場(chǎng)景，在400G領(lǐng)域占據(jù)頭把交椅的新華三，自然會(huì)積極推動(dòng)相干光建設(shè)。事實(shí)上，在400G ZR誕生之初新華三便與業(yè)界頭部DCO廠商進(jìn)行聯(lián)合測(cè)試，并推出了IPoverDWDM解決方案：

該方案在新華三交換機(jī)12500R上直接插入400G ZR/OpenZR+ QSFP-DD相干光模塊，通過(guò)光層傳輸，實(shí)現(xiàn)DCI的IPoverDWDM傳輸。該解決方案的推出，有助于降低數(shù)據(jù)中心互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性，增加傳輸系統(tǒng)的可靠性，實(shí)現(xiàn)大容量傳輸，降低系統(tǒng)功耗和成本。

新華三在相干光領(lǐng)域提前布局進(jìn)行一系列開(kāi)發(fā)優(yōu)化，并取得了顯著成果。本文的上半篇到這就結(jié)束了，下半篇我們將繼續(xù)學(xué)習(xí)OpenZR+以及新華三在相干光領(lǐng)域的成果，敬請(qǐng)期待!