PAM4

Was ist PAM4?

Pulse Amplitude Modulation 4-level (PAM4) ist eine digitale Modulationstechnologie, die vier verschiedene Signalpegel (Symbole) für die Signalübertragung verwendet. Jedes Symbol kann zwei Datenbits kodieren, nämlich 00, 01, 10 und 11. Im Vergleich zu NRZ, auch bekannt als zweistufiges binäres Modulationsformat (das zwei Signalpegel verwendet, wobei jeder nur ein Bit logischer Information trägt - 0 oder 1), verdoppelt die PAM4-Modulation die Signalpegel. Diese Eigenschaft führt dazu, dass die Bitrate von PAM4 bei gleicher Baudrate doppelt so hoch ist wie die von NRZ. Dieser Unterschied zeigt sich in der Verdopplung der Übertragungseffizienz.

Augendiagramm und Bitmuster von NRZ vs PAM4

Warum brauchen wir PAM4?

In der Big-Data-Welt ist höhere Bandbreite stets ein anhaltender Trend. NRZ hat eine geringe Signalübertragungseffizienz und Nachteile bei der Erfüllung der Anforderungen ständig wachsender Hochgeschwindigkeits-Datennetzwerke, und genau hier kommt PAM4 ins Spiel. 

Eine Möglichkeit, die Übertragungsrate zu erhöhen, besteht darin, die Anzahl der Signalübertragungskanäle zu erhöhen; die andere besteht darin, die Rate pro Kanal zu verbessern. Letzteres ist eine kostengünstigere Lösung, da die erstgenannte Methode zusätzliche Baukosten erfordert. 

PAM4 steigert die Effizienz einzelner Kanäle, indem es die Signalpegel erhöht und die Netzwerkschnittstellenraten verdoppelt, ohne Kanäle hinzuzufügen oder optische Geräte zu ändern. Die Aufrüstung der internen Chips des optischen Moduls ermöglicht dies, und High-End-Geräte (z. B. X86-Chips, SerDes-Schnittstellen) können PAM4-Signale verarbeiten.

Der IEEE 802.3bj-Standard von 2014 definiert 100G-Backplane-Signalmodi: NRZ mit 4 x 25.78 Gbit/s und PAM4 mit 4 x 13.6 Gbit/s. Während NRZ schnell kommerziell nutzbar wurde, war PAM4 anfangs durch Technologie und Kosten begrenzt; mit steigenden Datenratenanforderungen für 200G/400G-Schnittstellen gilt PAM4 heute jedoch als optimale Lösung.

Was sind die Vor- und Nachteile von PAM4?

Vorteile:

• Doppelte Übertragungseffizienz: Die PAM4-Codierung überträgt zwei Bits pro Symbol, sodass PAM4 bei derselben Baudrate den doppelten Durchsatz von NRZ erreicht. Zum Beispiel entsprechen 28 GBaud PAM4 56 Gbps, während 28 GBaud NRZ 28 Gbps entsprechen.

• Systemkosten sparen: Das mehrstufige PAM4-Signal hat bei derselben Symbolperiode die doppelte Bitrate von NRZ, wodurch die erforderlichen optischen Komponenten reduziert und die Kosten pro Bit gesenkt werden.

Nachteile:

• Anfällig für externe Schnittstellen: Aus den Augendiagrammen der Signale können wir erkennen, dass das PAM4-Signal kleinere Augen hat (die Augenhöhe von PAM4 beträgt etwa ⅓ der von NRZ). Das bedeutet, dass der Abstand zwischen den verschiedenen Spannungspegeln von PAM4-Signalen geringer ist und PAM4 daher anfällig für Störungen aus der Umgebung, insbesondere Rauschen, ist. Deshalb haben Transceiver mit PAM4-Modulation eine höhere Bit Error Rate (BER) und ein höheres Signal-to-noise Ratio (SNR).

• Übertragungsbeschränkung: Das PAM4-Signal ist anfällig für Rauschen und andere Störfaktoren. Daher ist die Signalqualität bei Langstreckenübertragung unzureichend.

• Signal-Korrektheitsgeräte erforderlich: Die PAM4-Signalübertragung über große Entfernungen erfordert zusätzliche Geräte zur Aufrechterhaltung der Signalqualität, wie Verstärker und FEC zur Verbesserung des Signals sowie Kühlkörper für eine bessere Wärmeableitung. 

• Höherer Stromverbrauch: Die erweiterte Zusatzausrüstung, die für die Langstreckenübertragung von PAM4-Signalen erforderlich ist, führt zu einem höheren Stromverbrauch, der insgesamt höher ist als der von NRZ-Signalen.

Was sind die PAM4-Anwendungen?

PAM4 wird häufig in der Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung eingesetzt, insbesondere in Rechenzentren und in der Telekommunikation. Zu den wichtigsten Anwendungen gehören:

Single-Lambda-Ansatz

Der Single-Lambda-Ansatz verwendet die vierstufige Pulsamplitudenmodulation, die doppelt so viele Daten überträgt wie die vorherige NRZ-Methode, ohne schnellere optische Komponenten zu benötigen. Das bedeutet, dass bestehende optische Technologie, die 50G mit NRZ unterstützt, 100G mit PAM4 bewältigen kann. Einige der typischen optischen Single-Channel-Module, die PAM4 verwenden, sind 100GBASE-FR QSFP28,  100GBASE-DR QSFP28, 100GBASE-LR QSFP28, 100GBASE-ERL QSFP28, 100G DWDM QSFP28.

100G/200G/400G/800G Ethernet

PAM4 erhöht die Übertragungsraten von Glasfasern in Rechenzentren und ermöglicht Geschwindigkeiten von 100G, 200G, 400G und 800G sowie darüber hinaus durch Modulation von 1x 100G PAM-4, 4x 50G PAM-4, 4x 100G PAM-4 oder 8x 50G PAM-4, 8X 100G PAM-4.

Data Center Interconnect (DCI)

Die DCI-Effizienz hängt von der Effizienz der Datenübertragung zwischen Servern, Speichersystemen und Netzwerkgeräten ab. Hochleistungsfähige optische Module mit PAM4-Codierung verbessern die Datenübertragung, indem sie NRZ- in PAM4-Signale umwandeln. Dies erhöht die Datenkapazität, optimiert den Platzbedarf und unterstützt die ersten drei OSI-Schichten, wodurch standortübergreifende Abläufe, Benutzerzugriff und Notfallwiederherstellung verbessert werden.

5G-Mobiltransportnetz

5G benötigt mehr Bandbreite, um die Anforderungen von Diensten wie eMBB, URLLC und mMTC zu erfüllen. Es bietet eine 3- bis 5-mal bessere spektrale Effizienz als 4G und beginnt bei 100MHz, fünfmal mehr als frühes 4G. Die Sub-6GHz-Bandbreite ist 15- bis 25-mal größer, und hochfrequentes 5G kann 800MHz überschreiten. NGMN schätzt, dass 5G-Transport in Sub-6GHz auf 50GE/200GE und im Hochfrequenzbereich auf 100GE/200GE/400GE übergehen wird. Die PAM4-Technologie wird dazu beitragen, diese hohen Bandbreitenanforderungen zu unterstützen.

Metropolitan-Netzwerke

Metro-Netzwerke verbinden stadtweite Daten-, Sprach- und Videodienste. PAM4 erweitert Kern- und Aggregationsschnittstellen und verbessert dadurch die Netzwerkeffizienz und Benutzererfahrung. Aufgrund von Fortschritten bei HD, 4K, 8K und VR/AR werden aktuelle 10GE- und 40GE-Schnittstellen auf 50GE, 200GE und 400GE aufgerüstet.