PAM4

¿Qué es PAM4?

La modulación por amplitud de pulsos de 4 niveles (PAM4) es una tecnología de modulación digital que utiliza cuatro niveles de señal diferentes (símbolos) para la transmisión de señales. Cada símbolo puede codificar dos bits de datos, es decir, 00, 01, 10 y 11. En comparación con NRZ, también conocido como formato de modulación binaria de dos niveles (que utiliza dos niveles de señal, cada uno de los cuales transporta solo un bit de información lógica: 0 o 1), la modulación PAM4 duplica los niveles de señal. Esta característica hizo que la tasa de bits de PAM4 fuera el doble que la de NRZ con la misma velocidad en baudios. Esta diferencia se refleja en el rendimiento de duplicar la eficiencia de transmisión.

Patrón de ojo y patrón de bits de NRZ frente a PAM4

¿Por qué necesitamos PAM4?

En el mundo del big data, un mayor ancho de banda siempre es una tendencia continua. NRZ tiene baja eficiencia de transmisión de señal y desventajas para satisfacer las redes de datos de alta velocidad en constante aumento, que es donde entra PAM4. 

Una forma de mejorar la tasa de transmisión es aumentar el número de canales de transmisión de señales; la otra es mejorar la tasa de un solo canal. Esta última es una solución más rentable, ya que el método anterior requiere gastos de construcción adicionales. 

PAM4 aumenta la eficiencia de un solo canal al incrementar los niveles de señal y duplicar las velocidades de las interfaces de red sin añadir canales ni cambiar los dispositivos ópticos. La actualización de los chips internos del módulo óptico permite esto, y los equipos de gama alta (p. ej., chips X86, interfaces SerDes) pueden manejar señales PAM4.

El estándar IEEE 802.3bj de 2014 define modos de señal de backplane 100G: NRZ a 4 x 25.78 Gbit/s y PAM4 a 4 x 13.6 Gbit/s. Si bien NRZ se volvió rápidamente viable comercialmente, PAM4 inicialmente estaba limitado por la tecnología y el costo; sin embargo, con los crecientes requisitos de velocidad de datos para interfaces 200G/400G, PAM4 ahora se presenta como la solución óptima.

¿Cuáles son las ventajas y desventajas de PAM4?

Ventajas:

• Doble eficiencia de transmisión: La codificación PAM4 transmite dos bits por símbolo, por lo que, para la misma velocidad en baudios, PAM4 logra el doble de rendimiento que NRZ. Por ejemplo, 28 GBaud PAM4 equivalen a 56 Gbps, mientras que 28 GBaud NRZ equivalen a 28 Gbps.

• Ahorrar coste del sistema: La señal multinivel PAM4 tiene el doble de tasa de bits que NRZ en el mismo período de símbolo, lo que reduce los componentes ópticos necesarios y ahorra el coste por bit.

Contras:

• Vulnerable a interfaces externas: A partir de los diagramas de ojo de las señales, podemos ver que la señal PAM4 tiene ojos más pequeños (la altura del ojo de PAM4 es aproximadamente ⅓ de la de NRZ), lo que significa que hay un espacio más estrecho entre los diferentes niveles de voltaje de las señales PAM4 y hace que PAM4 sea susceptible a las interferencias del entorno, especialmente al ruido. Por eso los transceptores que utilizan modulación PAM4 tienen una mayor tasa de errores de bit (BER) y una mayor relación señal-ruido (SNR).

• Limitación de transmisión: La señal PAM4 es vulnerable al ruido y a otros factores de interferencia. Por lo tanto, la calidad de la señal es insatisfactoria en la transmisión a larga distancia.

• Requiere dispositivos de corrección de señal: La señal PAM4 en transmisión de larga distancia requiere dispositivos adicionales para mantener la calidad de la señal, como amplificadores y FEC para ayudar a mejorar la señal, y radiadores para una mejor disipación del calor. 

• Mayor consumo de energía: El equipo auxiliar mejorado requerido para la transmisión a larga distancia de señales PAM4 da como resultado un mayor consumo de energía, que en general es superior al de las señales NRZ.

¿Cuáles son las aplicaciones de PAM4?

PAM4 se utiliza ampliamente en la transmisión de datos de alta velocidad, especialmente en centros de datos y telecomunicaciones. Sus principales aplicaciones incluyen:

Enfoque de lambda única

El enfoque de lambda única utiliza la modulación de amplitud de pulso de cuatro niveles, que transmite el doble de datos que el método NRZ anterior sin necesidad de componentes ópticos más rápidos. Esto significa que la tecnología óptica existente capaz de 50G con NRZ puede manejar 100G con PAM4. Algunos de los módulos ópticos de canal único típicos que utilizan PAM4 son 100GBASE-FR QSFP28,  100GBASE-DR QSFP28, 100GBASE-LR QSFP28, 100GBASE-ERL QSFP28, 100G DWDM QSFP28.

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

PAM4 mejora las tasas de transmisión de las fibras ópticas en los centros de datos, permitiendo velocidades de 100G, 200G, 400G y 800G y superiores mediante la modulación 1x 100G PAM-4, 4x 50G PAM-4, 4x 100G PAM-4 o 8x 50G PAM-4, 8X 100G PAM-4.

Interconexión de centros de datos (DCI)

La eficiencia de DCI depende de la eficiencia de la transferencia de datos entre servidores, sistemas de almacenamiento y dispositivos de red. Los módulos ópticos de alto rendimiento que utilizan codificación PAM4 mejoran la transmisión de datos, convirtiendo señales NRZ en señales PAM4. Esto aumenta la capacidad de datos, optimiza el espacio y admite las tres primeras capas OSI, mejorando las operaciones interregionales, el acceso de los usuarios y la recuperación ante desastres.

Red de transporte móvil 5G

5G necesita más ancho de banda para satisfacer las demandas de servicios como eMBB, URLLC y mMTC. Tiene una eficiencia espectral de 3 a 5 veces mejor que 4G y comienza en 100MHz, cinco veces más que el 4G inicial. El ancho de banda Sub-6GHz es de 15 a 25 veces mayor, y el 5G de alta frecuencia puede superar los 800MHz. NGMN estima que el transporte 5G pasará a 50GE/200GE en Sub-6GHz y a 100GE/200GE/400GE en alta frecuencia. La tecnología PAM4 ayudará a soportar estas demandas de alto ancho de banda.

Redes metropolitanas

Las redes metropolitanas conectan servicios de datos, voz y video en toda la ciudad. PAM4 amplía las interfaces de núcleo y agregación, mejorando la eficiencia de la red y la experiencia del usuario. Debido a los avances en HD, 4K, 8K y VR/AR, las interfaces actuales de 10GE y 40GE se actualizarán a 50GE, 200GE y 400GE.