ماژول های نوری خطاهای انتقال را کاهش می دهند

 

ماژول های نوریدر درجه اول به دلیل توانایی آنها در کاهش قابل توجه خطاهای انتقال در مقایسه با سیستم های مبتنی بر مس{0}}، به اجزای ضروری در زیرساخت های مخابراتی مدرن تبدیل شده اند. توسعه این ماژول ها به طور جدی در اواخر دهه 1990 آغاز شد، زمانی که شرکت هایی مانند Cisco و Lucent Technologies شروع به تجربه مشکلات یکپارچگی داده با اتصالات مسی با سرعت بیش از 1 گیگابیت بر ثانیه کردند.

 

 

توسعه تاریخی و تصحیح خطا

 

نسل اول ازماژول های فیبر نوریدر حدود 1998-2000 معرفی شدند، تقریباً 60٪ خطاهای بیتی کمتری نسبت به همتایان مسی خود در فواصل معادل نشان دادند. این پیشرفت ناشی از مصونیت فیبر نوری در برابر تداخل الکترومغناطیسی (EMI) و تداخل فرکانس رادیویی (RFI) بود که سیستم‌های مسی را در محیط‌های مرکز داده که در آن صدها سرور در مجاورت نزدیک کار می‌کردند، آزار می‌داد.

پیاده سازی های اولیه نسبتا ساده استفاده می شدمدولاتور نوریطرح هایی بر اساس مدولاسیون مستقیم لیزرهای Fabry{0}Pérot. این ماژول ها به نرخ خطای بیتی (BER) در حدود 10^{8}}12 دست یافتند که در آن زمان عالی تلقی می شد اما برای نیازهای مدرن کافی نبود. معرفی لیزرهای بازخورد توزیع شده (DFB) در سال 2003 این را به 10^-15 ارتقا داد و انتقال از راه دور را کاربردی تر کرد.

 

خانواده SFP و مکانیسم های کاهش خطا

 

مشخصات Small Form{0}}factor Pluggable، که به طور گسترده-به تصویب رسیدفرستنده و گیرنده نوری sfp، زمانی که در سال 2001 به صورت عمومی منتشر شد، یک پیشرفت بزرگ بود. استاندارد SFP که در ابتدا توسط کنسرسیومی شامل Finisar، Agilent، و AMP توسعه یافت، یک رابط استاندارد قابل اتصال{1} را ارائه کرد که امکان یکپارچگی سیگنال را از طریق بهبود طراحی الکتریکی فراهم می کرد.

پیاده سازی های گیگابیتی

رافرستنده گیگابیتی sfpبرای شبکه های سازمانی اهمیت ویژه ای پیدا کرد. آزمایش‌های انجام‌شده توسط آزمایشگاه‌های مستقل در سال 2004 نشان داد که ماژول‌های SFP که به‌درستی پیاده‌سازی شده‌اند، می‌توانند با استفاده از فیبر تک حالته، در فواصل 10 کیلومتری، انتقال بدون خطا (صفر خطا در دوره‌های آزمایشی 24{{5} ساعت) را حفظ کنند. این در مقایسه با اترنت مسی گیگابیتی که به 100 متر محدود بود و همچنان خطاهای گاه به گاه به دلیل تداخل داشت، انقلابی بود.

راماژول sfp فیبر نوریطراحی دارای چندین ویژگی کاهش خطا-است:

دما{0}}درایورهای لیزر را جبران کرد که توان خروجی ثابتی را حفظ کردند

مدارهای گیرنده پیشرفته با تساوی تطبیقی

مانیتورینگ داخلی-(که اغلب به آن نظارت تشخیصی دیجیتال یا DDM گفته می شود)

مسکن بهبود یافته که محافظ EMI بهتری را ارائه می دهد

 

فرستنده گیرندهتکامل و تصحیح خطا

 

توسعه ازفرستنده و گیرنده ماژول نوریچندین مرحله متمایز را پشت سر گذاشته است. در حدود سال 2007{3}}2008، سازندگان شروع به تعبیه تصحیح خطای جلو (FEC) مستقیماً در ماژول‌ها کردند. این در ابتدا بحث‌برانگیز بود زیرا هزینه و مصرف انرژی را اضافه می‌کرد، اما استقرار میدانی کاهش چشمگیری در خطاهای غیرقابل اصلاح را نشان داد-بعضی از اپراتورها پس از اتخاذ ماژول‌های فعال شده با FEC، 90٪ خرابی لینک کمتری را گزارش کردند.

یک پیشرفت جالب این بودماژول گیرنده فیبر نوریبا تشخیص منسجم، که در حدود سال 2010 در محصولات تجاری ظاهر شد. برخلاف سیستم‌های تشخیص مستقیم{1} سنتی، گیرنده‌های منسجم می‌توانند هم دامنه و هم اطلاعات فاز را بازیابی کنند، و در عین حال میزان خطای مشابهی را به طور موثر دو برابر کنند. اولین استقرار تجاری در سیستم های کابلی زیردریایی بود، جایی که حتی پیشرفت های کوچک در میزان خطا می توانست نیاز به تجهیزات گران قیمت بازسازی را برطرف کند.

 

اجرای مدرن با سرعت بالا-

 

فناوری ماژول نوری دیجیتال

ظهورماژول نوری دیجیتالحدود سال 2015 یک گام مهم دیگر به جلو بود. این ماژول‌ها دارای پردازنده‌های سیگنال دیجیتال (DSP) بودند که می‌توانستند{2}}تحلیل خطای زمانی واقعی و یکسان سازی تطبیقی ​​را انجام دهند. نسخه‌های اولیه از شرکت‌هایی مانند Acacia Communications و NeoPhotonics نشان داد که ماژول‌های فعال‌شده DSP می‌توانند با نرخ 100G با BER بهتر از 10^{9}}15 حتی در فواصل بیش از 1000 کیلومتر کار کنند، که با طراحی‌های آنالوگ غیرممکن بود.

راماژول sfp نوریفن آوری نیز تکامل یافته است تا عوامل شکل کوچکتری را شامل شود. مشخصات SFP28 که در سال 2014 تصویب شد، از 25 گیگابیت بر ثانیه در هر خط پشتیبانی می‌کرد و در عین حال همان قابلیت‌های تصحیح خطا را مانند ماژول‌های بزرگ‌تر حفظ می‌کرد. این امر از طریق چندین نوآوری به دست آمد:

مدیریت چیرپ لیزری بهبود یافته

جبران پراکندگی رنگی بهتر

مدارهای بازیابی ساعت پیچیده تر

داده‌های میدانی از ارائه‌دهندگان اصلی ابر (اگرچه معمولاً منتشر نمی‌شوند) نشان می‌دهد که استقرار SFP28 در سال‌های 2016-2017 به میانگین زمان بین خرابی‌ها (MTBF) بیش از 10 سال دست یافته است و خطاهای انتقال به عنوان علت خرابی در کمتر از 2٪ موارد رخ می‌دهد.

400G و بالاتر

راماژول نوری 400 گرمینشان دهنده وضعیت فعلی-هنر-در کاهش خطا است. این ماژول‌ها که در حدود سال 2019 به‌کارگیری تجاری خود را آغاز کردند، معمولاً از 8 خط با 50G یا 4 خط در 100G استفاده می‌کنند. انتقال به مدولاسیون PAM-4 (به جای NRZ سنتی) در ابتدا نگرانی هایی را در مورد نرخ خطا ایجاد کرد، زیرا PAM-4 دارای حاشیه کمتری بین سطوح سیگنال است. با این حال، پیشرفت در فناوری DSP و اجرای کدهای قوی تر FEC (به ویژه RS(544,514) FEC) در واقع منجر به عملکرد خطای مشابه یا بهتر در مقایسه با سیستم های NRZ شد.

شرکت Inphi (اکنون بخشی از مارول) داده‌هایی را در سال 2020 منتشر کرد که نشان می‌دهد ماژول‌های 400G آن‌ها به پیش-FEC BER تقریباً 10^-5 رسیده‌اند، که موتور FEC آنها آن را تصحیح کرد تا -FEC BER بهتر از 10^-15 ارسال شود. این بدان معنی است که برای اهداف عملی، خطاهای انتقال تقریباً در سیستم هایی که به درستی طراحی شده بودند، وجود نداشتند.

 

 

ملاحظات زیرساختی

 

طراحی سیستم نوری ماژولار

مفهوم الفسیستم نوری مدولاربه ویژه در مراکز داده در مقیاس فوق العاده مورد توجه قرار گرفته است. شرکت‌هایی مانند مایکروسافت و فیس‌بوک (متا) مقالات سفیدی را منتشر کرده‌اند که در آن توضیح می‌دهند چگونه طراحی‌های مدولار به آنها اجازه می‌دهد تا قسمت‌های مختلف مسیر نوری را جداگانه بهینه کنند. به عنوان مثال، یک مرکز داده ممکن است از ماژول‌های کوتاه-چند حالته برای اتصالات درون-راک (که در آن هزینه مهم‌تر از عملکرد مطلق است) و ماژول‌های تک حالته برای اتصالات بین-راک یا بین{6}}ساختمانی (که در آن عملکرد در اولویت است) استفاده کند.

این رویکرد مدولار به کاهش نرخ خطای کلی سیستم کمک کرده است زیرا هر نوع اتصال را می توان برای موارد استفاده خاص خود بهینه کرد. بنا بر گزارش ها، مرکز داده مایکروسافت در کوئینسی، واشنگتن پس از انتقال به زیرساخت نوری کاملاً ماژولار در سال 2018 شاهد کاهش 40 درصدی خطاهای پیوند بود.

پیاده سازی پچ پنل

پچ پنل های فیبر نوری مدولارهمچنین به کاهش خطا کمک کرده اند، اگرچه تأثیر آنها اغلب نادیده گرفته می شود. طبق مطالعه ای که در سال 2012 توسط Corning انجام شد، اتصالات فیزیکی ضعیف در پچ پنل ها از نظر تاریخی 15 تا 20 درصد از خطاهای پیوند نوری را تشکیل می دادند. پچ پانل های مدولار مدرن با طراحی کانکتورهای بهبود یافته (به ویژه اتصالات LC و MPO/MTP) این را به میزان قابل توجهی کاهش داده است.

معرفی کانکتورهای LC فشار{0}}pull tab در حدود سال 2005 بسیار مهم بود-این کانکتورها در مقایسه با طرح‌های مبتنی بر چفت- قبلی، تلفات درج و بازگشت منسجم‌تری را ارائه می‌کردند، که ممکن بود به مرور زمان به دلیل لرزش در محیط‌های مرکز داده شل شوند.

 

مشخصات فنی و استانداردها

 

نهادهای استاندارد مختلف مشخصاتی را ایجاد کرده اند که مستقیماً به کاهش خطا می پردازد. به عنوان مثال، گروه کاری IEEE 802.3 حداکثر الزامات BER را برای سرعت های مختلف اترنت مشخص می کند. برای 100GBASE{4}}SR4 (یک پیاده‌سازی چند حالته رایج)، استاندارد BER را بدتر از 10^-12 در خروجی رمزگشا FEC می‌طلبد که در حین کارکرد عادی به صفر خطا تبدیل می‌شود.

انجمن نوری کار اینترنتی (OIF) به ویژه در تعریف رابط هایی که خطاها را به حداقل می رساند، فعال بوده است. توافقنامه‌های اجرایی آن‌ها برای CEI-28G و CEI-56G ویژگی‌های الکتریکی دقیقی از جمله لرزش، تداخل، و تلفات بازگشتی را مشخص می‌کنند که همه این موارد در صورت عدم کنترل صحیح بر میزان خطا تأثیر می‌گذارند.

شایان ذکر است که در حالی که استانداردها حداقل عملکرد را مشخص می کنند، ماژول های تجاری اغلب از این الزامات فراتر می روند. یک بررسی در سال 2019 از ماژول‌های تولیدکنندگان بزرگ (Finisar، Lumentum، II-VI) نشان داد که ماژول‌های تجاری معمولی 2-3 دسی‌بل بهتر از حداقل بودجه نوری مورد نیاز کار می‌کنند و حاشیه قابل‌توجهی در برابر خطاها ارائه می‌کنند.

 

تجربه استقرار عملی

 

پیاده‌سازی‌های{0}در دنیای واقعی نشان داده‌اند که در حالی که ماژول‌های نوری کاهش خطای عالی را در تئوری ارائه می‌کنند، نصب و نگهداری صحیح همچنان حیاتی است. مطالعه‌ای در سال 2017 روی یک ارائه‌دهنده بزرگ مخابراتی آمریکای شمالی نشان داد که تقریباً 80 درصد از خطاهای پیوند نوری در نهایت به موارد زیر ردیابی می‌شوند:

اتصالات کثیف (31%)

آسیب فیبر (23%)

نصب نادرست ماژول (14%)

ترکیبات ماژول/فیبر ناسازگار (12%)

این نشان می دهد که خود ماژول نوری تنها بخشی از معادله کاهش خطا است. همین مطالعه نشان داد که پس از اجرای یک پروتکل تمیز کردن دقیق و برنامه آموزش تکنسین، نرخ خطای شبکه بدون تغییر هیچ ماژول تا 67 درصد کاهش یافت.

 

تحولات آینده

 

تحقیقات در مورد نرخ خطا حتی کمتر ادامه دارد. شکل‌دهی صورت فلکی احتمالی، که توزیع سیگنال را برای ویژگی‌های کانال بهینه می‌کند، در آزمایش‌های آزمایشگاهی امیدوارکننده بوده است. نتایج منتشر شده از آزمایشگاه‌های نوکیا بل در سال 2021 بهبودهای BER را بین 1-2 دسی‌بل با استفاده از این تکنیک نشان می‌دهد، که به انتقال قابل اطمینان‌تر ترجمه می‌شود.

ادغام الگوریتم‌های یادگیری ماشین برای نگهداری پیش‌بینی‌کننده نیز پتانسیل را نشان می‌دهد. با تجزیه و تحلیل الگوهای موجود در نرخ خطای قبل از{1}FEC و داده‌های تشخیصی موجود از ماژول‌های مدرن، این سیستم‌ها می‌توانند خرابی‌های قریب‌الوقوع را ساعت‌ها یا روزها قبل پیش‌بینی کنند و امکان جایگزینی فعال را قبل از رخ دادن خطاهای تأثیرگذار بر سرویس‌ها فراهم کنند.