Vysokorychlostní optické datové přenosy, sítě a trendy

Transkript

1 Vysokorychlostní optické datové přenosy, sítě a trendy Doc. Ing. Leoš Boháč, Ph.D. České vysoké učení technické v Praze Fakulta elektrotechnická - katedra telekomunikační techniky 1

2 Co se stane na Internetu za 1 minutu 2

3 Růst globálního provozu na Internetu 3

4 Trend navyšování rychlosti připojení 4

5 Vývoj rychlostí Ethernetu 5

6 Vývoj systémů v čase Zdroj : 6

7 Co je vysokorychlostní přenos chápání pojmu vysokorychlostní se mění s časem v roce 1989 byl optický trakt s rychlostí 622 Mbit/s považován za vrchol maxima dnes je rychlost 10 Gbit/s do 100 km považována za středně vysokou rychlost pojem velmi malá malá střední vysoká středně vysoká velmi vysoká utra vysoká super vysoká extrémně vysoká rychlost pod 10 Mbit/s 10 Mbit/s 100 Mbit/s (30 Mbit/s ~ broadband) 1 Gbit/s 10 Gbit 100 Gbit/s Gbit/s 1-10 Tbit/s desítky Tbit/s 7

8 Možné domény multiplexace v optických sítích více optických vláken (Space Divison Multiplexing) Více vlnových délek (Wavelength Division Multiplexing) časový úsek (OPS, BPS, TDM) Optical Packet Switching Optical Burst Switching Time divison multiplexing Polarizace Fáze Amplituda dnes součástí jednoho systému vícestavové modulace (DP-DQPSK, 16/32 QAM, atd.) 8

9 Možné domény multiplexace v optických sítích zkrácení symbolového intervalu zvětšení počtu stavů na symbol zvětšení OSNR zúžení pásma přenosu použití více polarizačních stavů více vidů více vláken (na kabel a trasu) více jader vlákna!! Každé řešení má své limity a ne každé lze snadno prakticky využít -> nutné kombinovat!!!!! nebo lze akceptovat limity (zkreslení) výše uvedených metod a použitím DSP technik tato zkreslení kompenzovat!!! 9

10 Jak zvýšit rychlost 10

11 Lineární Shannon limit From: 11

12 Nelineární Shannon limit The linear Shannon limit was established for a quasi-ideal communication channel, where only additive white Gaussian noise was considered Propagation inside optical fibers at high-capacity and over long distances requires high optical signal power and the use of periodic optical amplifiers that cause nonlinear effects in the silica material The main nonlinear effect affecting signal propagation is the Kerr electro-optic effect The spectral efficiency that can be achieved is governed by the so-called nonlinear Shannon limit, which depends on the actual link technology and design From: 12

13 Co nám činí problémy při navyšování rychlostí? vlákno laser elektronika detektor šumy šířka vlnového pásma 13

14 Optické vlákno útlum disperze mnohovidová chromatická polarizačně vidová optické nelinearity Kerr efekt (FWM, SPM, XPM) rozptyl (Brillouin, Raman) 14

15 Současné klasické pojetí optických systémů typu IM/DD Intesity Modulation/Direct Detection externí nebo přímá modulace Booster Preamp Transimpedanční zesilovač koheretní zdroj Pcture Source: KEANG-PO HO. Phase-Modulated Optical Communication Systems, 2005, Springer modulace typy NRZ nebo RZ (převážně data), popř. subcarrier modulation (CATV) pro krátké vzdálenosti nejsou zapotřebí EDFA zesilovače a lze použít přímou modulaci s méně koherentním optickým zdrojem 15

16 Optické koherentní systémy s modulací fáze!! značný požadavek na malý fázový šum zdroje!! u koherentních systémů lze modulovat fázi, amplitudu a frekvenci optické nosné pokud se moduluje amplituda+fáze optické nosné, hovoříme o vícestavových amplitudově fázových modulacích (jedním z příkladů je QAM) před detektorem se v přijímači signál z trasy kombinuje se zářením lokálního zdroje (LO) (typicky další laser) za detekcí vznikají smísením signálu trasy a lokálního oscilátoru IF produkty posunuté k IF frekvenci o velikosti f if =f s -f LO 16

17 Homodynní a heterodynní PSK přijímač vyvážený detektor f if =f s -f LO =0 f s =f LO Homodynní přijímač f if =f s -f LO 0 f s f LO Heterodynní přijímač 17

18 Symbolový interval NRZ modulace Ideální situace Symbolový interval UI je časový interval, v němž se v ideální situaci nemění stav fyzikální veličiny nebo veličin, které reprezentují danou přenášenou informaci Jedna z možných reálných situací, bez šumu From: < 1 Gbaud 10 Gbaud 28 Gbaud 56 Gbaud > 56 Gbaud From: 18

19 Vícestavové fázové modulace Picture source: High-Order Modulation for Optical Fiber Transmission 19

20 Optický kvadraturní I/Q modulátor Picture source: High-Order Modulation for Optical Fiber Transmission 20

21 Princip koherentního DP asynchronního optického přijímače s DSP vstupní signál na dvou ortogonálních polarizacích plně optická část balancované detektory ~50 Gsa/s FEC lokální laser polarizační rozbočovač převzorkování na symbolovou rychlost normalizace amplitud vyrovnání zpoždění signálu obou polarizací (deskew) chromatické disperze polarizační přeslech a PMD doladění fáze nosné odhad symbolů 21

22 Zpracování 100 G DP-QPSK modulace 22

23 Laboratory Demonstrations for Higher Subsea Cable System Capacity Capacity-Approaching Transmission Over 6,375 km Using Hybrid Quasi-Single-Mode Fiber Spans (NEC JLT February 2017) Fiber spans: 56.1-km / 8.9-dB span (26.1 km at 176 μm2 / db/km and 30 km at 150 μm2 / db/km) Repeaters: 4.2 THz bandwidth of C-band EDFA ( nm), with +20 dbm total output power launched into the line fiber Channels: 168 x 208 Gbit/s channels spaced at 25 GHz, modulated at 24.8 Gbaud Modulation format: 64APSK (Amplitude-Phase Shifted Keying) Average received Optical Signal-to-Noise Ratio (OSNR) is about 21 db / 0.1 nm with <1 db tilt across the C band Tbit/s at 8.3 bit/s/hz over 6,375 km From: 23

24 Laboratory Demonstrations for Higher Subsea Cable System Capacity 70.4 Tb/s Capacity over 7,600 km in C+L Band Using Coded Modulation with Hybrid Constellation Shaping and Nonlinearity Compensation (TE SubCom OFC 2017 March 2017) Fiber spans: 52.8-km / 7.92-dB fiber spans with db/km loss and ~150 μm2 effective area Repeaters: 9.74 THz bandwidth of C+L EDFA, with dbm total output power launched into the line fiber Channels: 295 x 239 Gbit/s channels spaced at 33 GHz, modulated at 32.6 Gbaud Modulation format: 56APSK (Amplitude-Phase Shifted Keying) Average received OSNR is about 20.2 db / 0.1 nm with 1.8 db tilt across C and L bands Tbit/s at 7.23 bit/s/hz over 7,600 km From: 24

25 Laboratory Demonstrations for Higher Subsea Cable System Capacity Advanced C+L-Band Transoceanic Transmission Systems Based on Probabilistically Shaped PDM-64QAM (Nokia Bell Labs JLT April 2017) Fiber spans: 55-km / 8.6-dB span (150 μm2 / db/km). The total span loss, including fiber, C/L-demultiplexer, connectors and splicing loss was 10.2 db. Repeaters: 8.9 THz bandwidth of C+L EDFA, with +22 dbm total output power launched into the line fiber Channels: 179 x Gbit/s channels spaced at 50 GHz, modulated at 49 Gbaud Modulation format: PS64QAM (Probabilistically-Shaped 64QAM) Average received OSNR is about 11 db / 0.1 nm with 2 db tilt across C and L bands. 65 Tbit/s at 7.3 bit/s/hz over 6,600 km From: 25

26 Laboratory Demonstrations for Higher Subsea Cable System Capacity 51.5 Tb/s Capacity over 17,107 km in C+L Bandwidth Using Single Mode Fibers and Nonlinearity Compensation (TE SubCom ECOC 2017 September 2017) Fiber spans: 52.8-km / 7.92-dB fiber spans with db/km loss and ~150 μm2 effective area Repeaters: 9.74 THz bandwidth of C+L EDFA, with dbm total output power launched into the line fiber Channels: 295 x 175 Gbit/s channels spaced at 33 GHz, modulated at 32.6 Gbaud Modulation format: 40APSK (Amplitude-Phase Shifted Keying) Average received OSNR is about 16.3 db /0.1 nm with 2.1 db tilt across C and L bands Tbit/s at 5.29 bit/s/hz over 17,107 km From: 26

27 Field Trial Demonstrations Trans-Atlantic Field Trial Using Probabilistically Shaped 64-QAM at High Spectral Efficiencies and Single-Carrier Real-Time 250-Gb/s 16-QAM (Nokia Bell Labs / Facebook OFC 2017 conference March 2017) Field trial over transatlantic AEC-1 subsea cable system (wet plant supplied by TE SubCom) Fiber spans: 89-km / 14.4-dB span at 130 μm2 and db/km Repeaters: 4.3 THz bandwidth of C-band EDFA, with +19 dbm total output power launched into the line fiber Channels: 69 x 250 Gbit/s channels spaced at 62.5 GHz, modulated at 62.5 Gbaud Modulation format: 16QAM. Average received OSNR is about 9.3 db with 1 db tilt across the C band Tbit/s at 4 bit/s/hz over 5,523 km From: 27

28 Field Trial Demonstrations Infinera XTS-3300 Meshponder Delivers Industry-leading 19 Terabits of Capacity on Trans-Atlantic Route (Infinera 11 July 2017 press release) Field trial over an unnamed modern transatlantic route Channels: 600 Gbit/s super-channel in 140 GHz of spectrum Modulation format: 8QAM. 19 Tbit/s at 4.3 bit/s/hz over transatlantic distance (cca 6500 km) Infinera and Seaborn Set Subsea Industry Benchmark for Capacity- Reach with XTS-3300 on Seabras-1 (Infinera 20 September 2017 press release) Field trial over Seabras-1 subsea cable system (wet plant supplied by ASN) Channels: 100 Gbit/s spaced at 22 GHz, modulated at 22 Gbaud Modulation format: 8QAM Tbit/s at 4.5 bit/s/hz over 10,500 km From: 28

29 a co více paralelních cest v jednom SM vlákně MCF FMF Zdroj : 29

30 Poslední top v přenosu bod-bod v laboratorním prostředí po FM-MCF vlákně 7_cores * 3_modes_per_core * 2_polarizations_per_mode = 42 paths 50 DWDM channels_per_c-band (50GHz spacing)_per_one_path 5_bits_per_channel(32 QAM) * 24.3 GBaud_per_channel = 121,5 Gbit/s_per_channel Total capacity = 42_paths* 50_DWDM channels * 0,1215 Tbit/s_per_channels = 255 Tbit/s 30

31 Závěr a shrnutí s neustálým navyšováním potřebné kapacity je nutné řešit otázku spektrální účinnosti i u optických systémů rychlostní limit současných elektronických obvodů vede k opětovnému zvážení použití vícestavových modulací (fázové PSK a amplitudové PAM ), které při zachování stejné přenosové rychlosti umožňují snížit modulační rychlost nebo naopak při zachování modulační rychlosti umožňují zvýšit přenosovou rychlost pro kompenzaci vlivu CD a PMD se používají elektronické kompenzátory disperze EDC pro snížení BER se používají rychlé FEC kódy založené na Reed Solomon (RS) kódech 100 Gbit/s Ethernet PHY (fyzická vrstva) standard pro dálkové trasy bude s největší pravděpodobností používat jako základ modulaci DPo-DQPSK (Dual Polarisation Differantial Quadrate Phase Shift Keying) v kombinaci s FEC RS kódem očekávaný úplný přesun na 200 až 400 Gbit/s systémy v horizontu do 5-7 let rozvoj DWDM systémů s flexibilním rozestupem kanálů (n x 12,5GHz) - FlexROADM propustnost sítě je dána technologickým limitem uzlů, uzly (IP aměrovače, apod.) dnes zaostávají za dosažitelnou rychlostí přenosových systémů metody optického přepínaní jako je optical packet switching a nebo burst switching jsou zatím prakticky v nedohlednu (proveditelnost ale zkoumána již před min. 15 lety) čistě optické zpracování signálu je zatím jen snem!! optický offload v DC přes optický XC 31