PAM4

PAM4란 무엇입니까?

Pulse Amplitude Modulation 4-level(PAM4)은 신호 전송을 위해 네 가지 서로 다른 신호 레벨(심볼)을 사용하는 디지털 변조 기술입니다. 각 심볼은 두 비트의 데이터, 즉 00, 01, 10, 11을 인코딩할 수 있습니다. 2레벨 이진 변조 형식이라고도 하는 NRZ(각각 1비트의 논리 정보(0 또는 1)만 전달하는 두 개의 신호 레벨 사용)와 비교하면, PAM4 변조는 신호 레벨을 두 배로 늘립니다. 이 특징으로 인해 동일한 보드율에서 PAM4의 비트 전송률은 NRZ의 두 배가 됩니다. 이러한 차이는 전송 효율을 두 배로 높이는 성능으로 나타납니다.

NRZ와 PAM4의 아이 패턴 및 비트 패턴

PAM4가 필요한 이유는 무엇인가요?

빅데이터 세계에서 더 높은 대역폭은 언제나 지속적인 추세입니다. NRZ는 신호 전송 효율이 낮고 계속 증가하는 고속 데이터 네트워크 요구를 충족하는 데 단점이 있으며, 바로 이 지점에서 PAM4가 등장합니다. 

전송 속도를 향상시키는 한 가지 방법은 신호 전송 채널 수를 늘리는 것이고, 다른 하나는 단일 채널 속도를 개선하는 것입니다. 전자의 방법은 추가 건설 비용이 필요하므로 후자가 더 비용 효율적인 솔루션입니다. 

PAM4는 채널을 추가하거나 광학 장치를 변경하지 않고 신호 레벨을 높이고 네트워크 인터페이스 속도를 두 배로 늘려 단일 채널 효율성을 향상시킵니다. 광 모듈의 내부 칩을 업그레이드하면 이를 구현할 수 있으며, 고급 장비(예: X86 칩, SerDes 인터페이스)는 PAM4 신호를 처리할 수 있습니다.

IEEE 802.3bj 표준 2014는 100G 백플레인 신호 모드를 정의합니다: 4 x 25.78 Gbit/s의 NRZ와 4 x 13.6 Gbit/s의 PAM4. NRZ는 빠르게 상업적으로 실현 가능해졌지만, PAM4는 초기에는 기술과 비용의 제약을 받았습니다. 그러나 200G/400G 인터페이스에 대한 데이터 속도 요구 사항이 증가함에 따라 PAM4는 이제 최적의 솔루션으로 자리 잡았습니다.

PAM4의 장단점은 무엇입니까?

장점:

• 전송 효율 두 배: PAM4 코딩은 심볼당 2비트를 전송하므로 동일한 보드율에서 PAM4는 NRZ의 두 배 처리량을 달성합니다. 예를 들어, 28 GBaud PAM4는 56 Gbps에 해당하고, 28 GBaud NRZ는 28 Gbps에 해당합니다.

• 시스템 비용 절감: PAM4 다중 레벨 신호는 동일한 심볼 주기에서 NRZ의 두 배 비트 전송률을 가지므로 필요한 광학 부품을 줄이고 비트당 비용을 절감합니다.

단점:

• 외부 인터페이스에 취약함: 신호의 아이 다이어그램을 보면 PAM4 신호는 더 작은 아이(PAM4의 아이 높이는 NRZ의 약 ⅓)를 가지며, 이는 PAM4 신호의 서로 다른 전압 레벨 사이의 공간이 더 좁다는 것을 의미하고 PAM4가 환경, 특히 노이즈의 간섭에 취약하게 만듭니다. 이것이 PAM4 변조를 사용하는 트랜시버가 더 높은 Bit Error Rate (BER) 및 Signal-to-noise Ratio (SNR)를 갖는 이유입니다.

• 전송 제한: PAM4 신호는 노이즈 및 기타 간섭 요인에 취약합니다. 따라서 장거리 전송에서는 신호 품질이 만족스럽지 않습니다.

• 신호 정확성 장치 필요: 장거리 전송에서 PAM4 신호는 신호 품질을 유지하기 위해 증폭기와 FEC 같은 추가 장치가 필요하며, 신호 향상을 돕고 더 나은 방열을 위한 방열판도 필요합니다. 

• 더 높은 전력 소비: PAM4 신호의 장거리 전송에 필요한 향상된 보조 장비는 더 높은 전력 소비를 초래하며, 이는 전체적으로 NRZ 신호보다 높습니다.

PAM4 애플리케이션은 무엇입니까?

PAM4는 고속 데이터 전송, 특히 데이터 센터와 통신 분야에서 널리 사용됩니다. 주요 응용 분야는 다음과 같습니다:

단일 Lambda 접근 방식

단일 람다 방식은 4레벨 펄스 진폭 변조를 사용하며, 더 빠른 광학 부품 없이도 이전 NRZ 방식보다 두 배의 데이터를 전송합니다. 이는 NRZ로 50G를 지원할 수 있는 기존 광 기술이 PAM4로 100G를 처리할 수 있음을 의미합니다. PAM4를 사용하는 대표적인 단일 채널 광 모듈로는 100GBASE-FR QSFP28,  100GBASE-DR QSFP28, 100GBASE-LR QSFP28, 100GBASE-ERL QSFP28, 100G DWDM QSFP28이 있습니다.

100G/200G/400G/800G 이더넷

PAM4는 1x 100G PAM-4, 4x 50G PAM-4, 4x 100G PAM-4 또는 8x 50G PAM-4, 8X 100G PAM-4를 변조하여 100G, 200G, 400G 및 800G 이상의 속도를 지원함으로써 데이터 센터에서 광섬유의 전송 속도를 향상시킵니다.

데이터 센터 인터커넥트(DCI)

DCI 효율성은 서버, 스토리지 시스템 및 네트워크 장치 간의 데이터 전송 효율성에 따라 달라집니다. PAM4 코딩을 사용하는 고성능 광 모듈은 데이터 전송을 개선하여 NRZ를 PAM4 신호로 변환합니다. 이는 데이터 용량을 늘리고, 공간을 최적화하며, 처음 세 개의 OSI 계층을 지원하여 지역 간 운영, 사용자 액세스 및 재해 복구를 향상시킵니다.

5G 모바일 전송 네트워크

5G는 eMBB, URLLC, mMTC와 같은 서비스 수요를 충족하기 위해 더 많은 대역폭이 필요합니다. 4G보다 스펙트럼 효율이 3-5배 높으며, 초기 4G보다 5배 많은 100MHz에서 시작합니다. Sub-6GHz 대역폭은 15-25배 더 크며, 고주파 5G는 800MHz를 초과할 수 있습니다. NGMN은 5G 전송이 Sub-6GHz에서 50GE/200GE로, 고주파에서 100GE/200GE/400GE로 이동할 것으로 추정합니다. PAM4 기술은 이러한 고대역폭 수요를 지원하는 데 도움이 될 것입니다.

메트로폴리탄 네트워크

메트로 네트워크는 도시 전역의 데이터, 음성 및 비디오 서비스를 연결합니다. PAM4는 코어 및 애그리게이션 인터페이스를 확장하여 네트워크 효율성과 사용자 경험을 향상시킵니다. HD, 4K, 8K 및 VR/AR의 발전으로 인해 현재의 10GE 및 40GE 인터페이스는 50GE, 200GE 및 400GE로 업그레이드될 것입니다.