PAM4

PAM4とは何ですか？

4値パルス振幅変調（PAM4）は、信号伝送に4つの異なる信号レベル（シンボル）を使用するデジタル変調技術です。各シンボルは2ビットのデータ、すなわち00、01、10、11を符号化できます。各信号レベルが1ビットの論理情報（0または1）のみを伝送する2つの信号レベルを使用する2値バイナリ変調方式としても知られるNRZと比較して、PAM4変調では信号レベルが2倍になります。この特性により、同じボーレートではPAM4のビットレートはNRZの2倍になります。この違いは、伝送効率が2倍になるという性能に表れます。

NRZとPAM4のアイパターンおよびビットパターン

なぜPAM4が必要なのか？

ビッグデータの世界では、帯域幅の拡大が常に続くトレンドとなっています。NRZは信号伝送効率が低く、ますます高速化するデータネットワークへの対応に課題があるため、そこでPAM4が登場します。 

伝送速度を向上させる方法の一つは、信号伝送チャネル数を増やすことです。もう一つは、シングルチャネルの速度を向上させることです。前者の方法では追加の構築費用が必要となるため、後者の方が費用対効果に優れたソリューションです。 

PAM4は、チャネルを追加したり光デバイスを変更したりすることなく、信号レベルを増やしてネットワークインターフェース速度を2倍にすることで、単一チャネルの効率を向上させます。光モジュールの内部チップをアップグレードすることでこれが可能になり、ハイエンド機器（例：X86チップ、SerDesインターフェース）はPAM4信号を処理できます。

IEEE 802.3bj規格2014では、100Gバックプレーン信号方式として、4 x 25.78 Gbit/sのNRZと4 x 13.6 Gbit/sのPAM4が定義されています。NRZはすぐに商用化が実現した一方、PAM4は当初、技術とコストによる制約を受けていました。しかし、200G/400Gインターフェースに対するデータレート要件が高まる中、現在ではPAM4が最適なソリューションとなっています。

PAM4の長所と短所は何ですか？

メリット:

• 2倍の伝送効率： PAM4符号化では、1シンボル当たり2ビットを伝送するため、同じボーレートの場合、PAM4はNRZの2倍のスループットを実現します。例えば、28 GBaud PAM4は56 Gbpsに相当し、28 GBaud NRZは28 Gbpsに相当します。

• システムコストを削減： PAM4多値信号は、同じシンボル期間においてNRZの2倍のビットレートを実現するため、必要な光学部品を削減し、ビット当たりのコストを節約できます。

短所:

• 外部インターフェースに対して脆弱： 信号のアイダイアグラムから、PAM4信号のアイはより小さく（PAM4のアイ高はNRZの約⅓）、PAM4信号の異なる電圧レベル間の間隔が狭いことが分かります。このため、PAM4は環境からの干渉、特にノイズの影響を受けやすくなります。これが、PAM4変調を使用するトランシーバーのビット誤り率（BER）と信号対雑音比（SNR）が高くなる理由です。

• 伝送制限: PAM4信号は、ノイズやその他の干渉要因の影響を受けやすくなっています。そのため、長距離伝送では信号品質が不安定になります。

• 信号補正デバイスが必要: PAM4信号を長距離伝送するには、信号品質を維持するための追加デバイスが必要です。たとえば、信号を強化するためのアンプやFEC、放熱性を高めるためのラジエーターなどです。 

• 消費電力が高い： PAM4信号の長距離伝送に必要な強化された補助機器により消費電力が増加し、全体としてNRZ信号よりも高くなります。

PAM4の用途は何ですか？

PAM4は、特にデータセンターや通信分野における高速データ伝送で広く使用されています。主な用途は次のとおりです。

単一ラムダ方式

シングルラムダ方式では4値パルス振幅変調を使用し、より高速な光学部品を必要とせずに、従来のNRZ方式の2倍のデータを伝送します。つまり、NRZで50Gに対応できる既存の光技術は、PAM4を使用することで100Gに対応できます。PAM4を使用する代表的なシングルチャネル光モジュールには、100GBASE-FR QSFP28,  100GBASE-DR QSFP28, 100GBASE-LR QSFP28, 100GBASE-ERL QSFP28, 100G DWDM QSFP28があります。

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

PAM4は、1x 100G PAM-4、4x 50G PAM-4、4x 100G PAM-4または8x 50G PAM-4、8X 100G PAM-4で変調することにより、データセンター内の光ファイバーの伝送速度を向上させ、100G、200G、400G、さらに800G以上の速度を実現します。

データセンター相互接続（DCI）

DCIの効率は、サーバー、ストレージシステム、ネットワークデバイス間のデータ転送効率に依存します。PAM4符号化を使用する高性能光モジュールは、NRZ信号をPAM4信号に変換してデータ伝送を改善します。これによりデータ容量が増加し、スペースが最適化され、最初の3つのOSIレイヤーをサポートし、地域間運用、ユーザーアクセス、災害復旧を強化します。

5Gモバイルトランスポートネットワーク

5Gでは、eMBB、URLLC、mMTCなどのサービス需要に対応するため、より広い帯域幅が必要です。スペクトル効率は4Gの3～5倍で、帯域幅は100MHzからとなり、初期の4Gの5倍です。Sub-6GHzの帯域幅は15～25倍広く、高周波数帯の5Gでは800MHzを超えることがあります。NGMNは、5GトランスポートがSub-6GHzでは50GE/200GE、高周波数帯では100GE/200GE/400GEへ移行すると予測しています。PAM4技術は、こうした広帯域幅の需要への対応に役立ちます。

メトロポリタンネットワーク

メトロネットワークは、都市全域のデータ、音声、映像サービスを接続します。PAM4はコアおよびアグリゲーションインターフェースを拡張し、ネットワーク効率とユーザーエクスペリエンスを向上させます。HD、4K、8K、およびVR/ARの進歩により、現在の10GEおよび40GEインターフェースは50GE、200GE、および400GEへアップグレードされます。