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宽带多模光纤的演变历程、技术优势及发展前景

时间:2016-05-06 14:26:42

 

 

未来以太网的发展路线图

以太网自上个世纪70年代出现以来,由于其低成本,易部署,兼容性好,方便管理等特点目前已经成为企业网络领域真正的统治者。在过去的40年里,以太网过去一直以10为倍数跨跃式地向前发展,从10Mbps发展到2010年的100Gbps,以及目前正在讨论中的400Gbps,速度提高了40, 000倍。
 
以太网未来需要解决三个市场需求:
1.运营商和光纤传输网(OTN),必须提供领先的技术满足带宽需求的急剧增长
2.超大型的数据中心,交换机带宽平均2-2.5年翻一番
3.企业网数据中心,未来计划采用云技术
 
从技术上来讲,以太网以10为倍数向前发展是可行的,但是从投资和成本的角度来看,以10为倍数发展非常不经济,功耗和价格都会很高。2010年,以太网开始以4为倍数发展,出现了40G以太网的标准,未来以太网络服务器会以2为倍数向前发展,网络主干会以4为倍数向前发展,这个全新的发展路线图会对以太网的发展注入新的活力。
 
IEEE目前正在开发的以太网络标准有2.5Gbps, 5Gbps以太网,主要应用于无线网络接入点;25Gbps, 40Gbps,50Gbps以太网主要应用于服务器;100Gbps, 200Gbps以太网主要应用于数据中心网络主干;400G主要用于运营商中心机房,400G以太网的标准预计于2017年颁布。
 
数据中心内单模光纤和多模光纤通信的技术区别及成本考量
A. 波分复用 (Wavelength Division Multiplexing)
单模光纤通常采用波分复用 (WDM)的方式来增加网络传输速率,2010年发布的100GBase-LR4,采用2芯单模光纤1收1发,能够在一芯光纤上同时复用4个波长,每个波长传输25Gbps。单模光纤传输100Gbps的方案传输距离远,布线成本低,然而,单模光纤需要采用高成本的激光 (LD) 光源收发器,单模光纤的激光收发器价格至少是多模光纤收发器的3倍以上, 功耗至少2倍以上。(备注:来源OFS 2014年数据)
 
B. 串行传输(Serial Transmission)
传统的多模光纤一般采用串行传输模式,在这种模式下增加以太网的传输速率必须增加每芯光纤/通道的传输速率。 目前以太网最大串行传输速率为10Gbps/通道,IEEE正在制定25Gbps/通道,50Gbps/通道的网络标准,以400G以太网为例,会有25Gbps/通道, 50Gbps/100Gbps通道3个不同的版本,光纤芯数分别需要32芯/16芯/8芯。400G以太网采用的编码方式有NRZ,PAM4,DMT,更高级的编码方式意味着更复杂的电路和功耗,因而成本更高。
 
C.并行传输(Parallel Transmission)
多模光纤提高网络传输速率的另外一种方法是采用并行传输模式,即通过增加光纤芯数来增加传输速率。2010年发布的100G Base-SR10采用10Gbps/通道的传输方式,10通道接收10通道发送,总共需要20芯光纤。
 
D. 短波波分复用 (Short Wavelength Division Multiplexing, WDM)
随着100G-NG,200G/400G以太网乃至1T以太网的提出,传统的多模光纤在芯数和距离上成为阻碍未来以太网络发展的瓶颈。短波波分复用技术利用性价比较高的短波的垂直腔面发射激光(VCSEL) 光源,优化的宽带多模光纤 (WBMMF) 能够在一芯多模光纤上支持4个波长,把需要的光纤芯数降低为之前的1/4,同时提高了有效模式带宽(Effective Modal Bandwidth, EMB), 延长了40/100G的传输距离到300米左右。

目前全球96%的数据中心,网络核心区骨干(Spine)交换机到服务器机柜分支(Leaf)交换机的距离在300米以内,因此短波波分复用技术(SWDM)和宽带多模光纤(WBMMF)未来会继续延续多模光纤作为数据中心40/100/400G以太网的主流传输介质的传统。未来通过短波波分复用 (SWDM) 和并行传输技术相结合,只需要8芯宽带多模光纤 (WBMMF) ,就能够支持更高速的应用,比如200/400G以太网。
 
WBMMF的定义及其核心技术
 
多模光纤自上世纪80年代进入市场以来,经历了从OM1、OM2、OM3到OM4的演进。网络速率的不断提升,对光收发器的光源要求也越来越高,光收发器的光源从传统的满注入发射(Overfilled lunch)的发光二极管(LED)发展到高性能低成本的垂直腔面发射激光(Vertical Cavity Surface Emitting Laser ,VCSEL),OM3光纤是针对垂直腔面发射激光(VCSEL)光源优化的多模光纤,有效模式带宽(EMB)达到2000MHZ.Km,支持100GBase-SR10距离达到100米, 而OM4光纤有效模式带宽(EMB)相比OM3光纤提高了1倍多,达到4700MHZ.Km,然而支持100GBase-SR10距离仅有150米,相对于OM3光纤,100G以太网传输距离仅仅增加了50%。
 
进入2010年代,随着100G-NG,200G/400G以太网乃至1T以太网的提出,传统的多模光纤在芯数和距离上成为阻碍未来以太网络发展的瓶颈,而宽带多模光纤(WBMMF)的出现打破了传统多模光纤的技术瓶颈。
 
首先,它借鉴了单模光纤的波分复用(WDM)技术,延展了网络传输时的可用波长范围,能够在一芯多模光纤上支持4个波长,把需要的光纤芯数降低为之前的1/4。
 
此外,宽带多模光纤(WBMMF)在有效模式带宽(EMB)上有了更高的突破。如下图所示,在光纤有效模式带宽(EMB)方面远超传统的OM4多模光纤,850纳米波长上有效模式带宽(EMB)提高到6000MHZ.km,在880纳米波长附近更是达到8000MHZ.km。更高的带宽意味着为未来可能出现的更高速的以太网提供余量空间。

其次,宽带多模光纤(WBMMF)支持高速以太网传输能够达到更远的距离。网络收发器厂商Finisar于2015年初推出了100G SWDM4 QSFP28的光纤收发器,该收发器仅需要两芯宽带多模光纤 (WBMMF), 每芯光纤采用4个不同波长,每个波长传输25Gbps。在最近全球各地的现场演示中,100G SWDM4 QSFP28的光纤收发器在康普 2芯宽带多模光纤 (WBMMF) 上最远达到了450米的传输距离。
 

 

WBMMF的工作波长及采用短波波长的原因
 
100G SWDM4采用短波波分复用 (SWDM) 技术,在一芯多模光纤上复用4个短波波长,短波波分复用 (SWDM) 设备要求不同的波长之间保持30纳米的间隔, 康普实验室在传统OM4多模光纤上的测试数据表明:当波长超过850纳米,垂直腔面发射激光 (VCSEL) 光源的优势会被充分发挥,多模光纤的色散带宽 (Chromatic Bandwidth) 会增加,传输距离会相应提高。因此,工作波长从850纳米开始,每隔30纳米增加一个波长,一共4个波长,因而宽带多模光纤(WBMMF)工作波长在850到950纳米区间范围内。
 
光收发器设备的成本与波长成正比,波长越长,收发器成本越高。宽带多模光纤(WBMMF) 在850-950纳米短波波长区间能够支持低成本高性能的垂直腔面发射激光 (VCSEL) 光源。垂直腔面发射激光 (VCSEL) 光源价格和功耗远低于长波的激光(LD)光源,相对于发光二级管(LED)光源只能支持622Mbps以下的以太网,垂直腔面发射激光 (VCSEL) 光源能够支持100Gbps甚至更高速的以太网。
 
简而言之,宽带多模光纤(WBMMF)采用低成本的短波波长,收发器的成本和功耗都会远低于采用长波激光光源的单模光纤解决方案。

工作波长增加,色散带宽增加(传输距离增加)
 
WBMMF相关的国际标准
 
宽带多模光纤 (WBMMF)的标准化工作得到了TIA、ISO、IEEE的共同关注和支持。
 
TIA TR42委员会在2014年就把讨论宽带多模光纤 (WBMMF) 标准化列入了讨论项目,得到了所有网络收发器厂商,网络设备厂商和布线厂商的一致赞同,2015年6月TIA TR42委员会投票通过,同意开发宽带多模光纤 (WBMMF) 标准,并将命名为TIA-492AAAE ,预计正式标准最迟会在2016年11月前正式颁布 。
 
ISO/IEC JCT1 SC25委员会WG3工作组在2015年听取了TIA代表的汇报,决定在2016年将把制定宽带多模光纤 (WBMMF) 标准纳入议程, ISO/IEC JCT1 SC25委员会WG3工作组正在就这种新型的多模光纤 (WBMMF) 命名征求各国专家意见。
 
2016年1月在IEEE亚特兰大的会议上,TIA代表向IEEE汇报了宽带多模光纤 (WBMMF) 标准的最新进展。
 
WBMMF如何解决色散的问题
色散(Chromatic Dispersion)是多模光纤特有的现象,色散是由于不同的波长传输的速度不同因此到达终点的时间不一致而导致的。色散和差模延迟(DMD) 非常类似,差模延迟是由于多模光纤内存在不同的传输模式,不同模式到达接收端时间不一致,如果延迟过大,会对网络造成丢包,通常实验室采用专业的检测设备评估差模延迟的影响。

差模延迟测试(DMD)
 
事实上,在所有采用波分复用和并行传输的高速以太网,普遍存在着信号到达接收端出现延迟的情况,这种现象称为偏移(Skew),最快和最慢的信号之间的偏差称为偏移时差(Skew variation)。例如,100GBase-SR10采用20芯光纤并行传输,10发10收,这10芯接受或发送的光纤之间也会产生信号到达接收端不一致的现象。
 
IEEE对于偏移和偏移时差有严格的定义,光纤收发器厂商在定义收发器标准的时侯会遵循IEEE的100G以太网络标准最大偏移79ns,通道/波长之间偏移时差不超过2.5ns的要求,光纤收发器通过估算最差的偏移进行信号补偿,从而严格控制偏移误差的范围。实验室模拟不同类型的场景测试表明,色散导致的偏移时差原低于IEEE标准要求,几乎可以忽略不计。
 
WBMMF是否兼容传统的OM3, OM4多模光纤
 
宽带多模光纤(WBMMF)的光纤预制棒制造工艺得到了优化,因而能够支持更广阔的带宽范围,在物理上它仍然保持50/125微米的纤芯/涂敷层的结构,因此完全向前兼容传统的OM3,OM4多模光纤。
 
WBMMF在未来数据中心中的应用前景
 
宽带多模光纤(WBMMF)的出现为多模光纤,特别是在超大型数据中心领域赋予了更强劲的生命力,它突破了传统多模光纤所采用的并行传输技术和传输速率的瓶颈。它不但能够以更少的多模光纤芯数支持更高速的网络传输,而且由于它采用低成本的短波波长,收发器的成本和功耗都会远低于采用长波激光光源的单模光纤解决方案。因此,在未来100G/400G/1T超大型的数据中心中将会具有广阔的应用前景。
 
以未来第一代400G以太网400GBase-SR16为例,每个通道传输25Gbps,16芯发送16芯接收,总共需要32芯光纤多模光纤。这意味着在数据中心里面需要部署32芯MPO/MTP接口的布线系统,高昂的布线成本会让数据中心设计者望而却步。
 
如果采用宽带多模光纤(WBMMF)和短波分复用的收发器,总共只需要8芯多模光纤4收4发,每根光纤传输4个波长,每个波长传输速率25Gbps,每芯光纤可以传输100Gbps,通过采用这种短波分复用加并行传输的技术,光纤数量只需要传统多模光纤的1/4。

在10米以上500米距离内100G以太网目前有哪些解决方案,这些方案有什么差异,哪种方案性价比最高?
 
IEEE于2010年颁布了100Base-SR10, 采用20芯多模光纤并行传输,10收10发,每个通道传输10Gbps,需要24芯的MPO/MTP多模光缆,在OM3/OM4上的最大传输距离分别是100/150米, 这是目前最为成熟和市场化的100G网络解决方案。由于出现时间早,出货量大, 因此设备成本低,其缺点是布线需要20芯光纤。
 
此外,IEEE正在开发下一代的100Base-SR4标准,采用8芯多模光纤并行传输,4收4发,每个通道传输25Gbps,在OM3/OM4上的最大传输距离分别是70/105米。其缺点是每个通道采用较高传输速率,设备成本可能会较高,且距离相对较短,不适合超大型的数据中心,优点是布线只需要8芯光纤。
 
IEEE计划开发第三代的100G-SR2, 每个通道传输50Gbps,2收2发,采用4芯多模光纤并行传输,在OM3/OM4上的最大传输距离应该不会超过70/105米, 缺点是由于每个通道采用更高传输速率,设备成本必然会很高,距离相对较短,不适合超大型的数据中心,优点是布线只需要4芯光纤。
 
除了IEEE的100G标准,Finisar和CommScope、Dell、 Huawei、 H3C、Juniper等12家厂商组成短波分复用(SWDM)联盟,推广100Base-SWDM4。Finisar计划在2016年12月份正式推出市场化的产品。100Base-SWDM4采用2芯多模光纤, 1收1发,在每芯光纤上采用4个短波波长,每个波长传输25Gbps,在宽带多模光纤(WBMMF)上目前测试的最大传输距离是450米。其优点是布线只需要2芯多模光纤,采用性价比较高的短波光源,功耗为3.5瓦,且可以支持300-450米的距离,能够满足超大型数据中心不同楼层骨干(Spine)交换机和分支 (Leaf)交换机之间的互联。
 
此外Avago, Broadcade, Finisar, Juniper, Microsoft等公司组成了PSM4联盟,推广100Base-PSM4。其采用8芯单模光纤并行传输,每个通道传输25Gbps,4发4收,最大传输距离是500米。优点是支持500米的距离,能够满足超大型数据中心楼层之间骨干交换机的互联,缺点是采用8芯单模MPO,布线成本较高。此外,因其采用1310纳米长波激光光源,收发器设备成本比采用短波垂直腔面发射激光 (VCSEL)贵。
 
总之,光收发器的价格通常和出货量成反比,未来100G解决方案的整体成本取决于光收发器的出货量。对于客户来讲,需要根据数据中心实际的距离需求同时考虑向前的兼容性、未来扩展性和易部署性来进行综合考量。



  来源:光纤在线  
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