PAM4

Что такое PAM4?

Четырёхуровневая импульсно-амплитудная модуляция (PAM4) — это технология цифровой модуляции, использующая четыре различных уровня сигнала (символа) для передачи данных. Каждый символ может кодировать два бита данных: 00, 01, 10 и 11. По сравнению с NRZ, также известным как двухуровневый формат двоичной модуляции (в котором используются два уровня сигнала, каждый из которых несёт только один бит логической информации — 0 или 1), модуляция PAM4 удваивает количество уровней сигнала. Благодаря этому при одинаковой символьной скорости битовая скорость PAM4 в два раза выше, чем у NRZ. Эта разница выражается в двукратном повышении эффективности передачи.

Глазковая диаграмма и битовый шаблон NRZ по сравнению с PAM4

Зачем нужен PAM4?

В мире больших данных более высокая пропускная способность всегда остается актуальной тенденцией. NRZ характеризуется низкой эффективностью передачи сигнала и недостатками при работе с постоянно растущими высокоскоростными сетями передачи данных, и именно здесь на помощь приходит PAM4. 

Один из способов увеличить скорость передачи заключается в увеличении количества каналов передачи сигнала; другой способ — улучшить скорость передачи по одному каналу. Последний вариант является более экономичным решением, поскольку первый требует дополнительных затрат на строительство. 

PAM4 повышает эффективность одного канала за счет увеличения уровней сигнала и удвоения скорости сетевого интерфейса без добавления каналов или изменения оптических устройств. Это становится возможным благодаря модернизации внутренних микросхем оптического модуля, а оборудование высокого класса (например, микросхемы X86 и интерфейсы SerDes) может обрабатывать сигналы PAM4.

Стандарт IEEE 802.3bj 2014 года определяет режимы передачи сигналов по магистральной линии 100G: NRZ при скорости 4 x 25.78 Gbit/s и PAM4 при скорости 4 x 13.6 Gbit/s. Хотя NRZ быстро стал коммерчески доступным, PAM4 изначально был ограничен технологиями и стоимостью; однако в связи с растущими требованиями к скорости передачи данных для интерфейсов 200G/400G PAM4 теперь является оптимальным решением.

Каковы преимущества и недостатки PAM4?

Преимущества:

• Удвоенная эффективность передачи: Кодирование PAM4 передает два бита на символ, поэтому при одинаковой скорости передачи символов PAM4 обеспечивает вдвое большую пропускную способность, чем NRZ. Например, 28 GBaud PAM4 соответствует 56 Gbps, а 28 GBaud NRZ - 28 Gbps.

• Снижение затрат на систему: Многоуровневый сигнал PAM4 имеет вдвое более высокую скорость передачи битов, чем NRZ, за тот же период символа, что сокращает количество необходимых оптических компонентов и снижает стоимость передачи одного бита.

Минусы:

• Уязвимость к дополнительным интерфейсам: По глазковым диаграммам сигналов видно, что сигнал PAM4 имеет меньшие глазки (высота глазка PAM4 составляет около ⅓ высоты глазка NRZ), что означает более узкое пространство между различными уровнями напряжения сигналов PAM4 и делает PAM4 восприимчивым к внешним помехам, особенно к шуму. Поэтому приемопередатчики, использующие модуляцию PAM4, имеют более высокий коэффициент битовых ошибок (BER) и отношение сигнал/шум (SNR).

• Ограничение передачи: Сигнал PAM4 уязвим к шуму и другим факторам помех. Поэтому качество сигнала при передаче на большие расстояния нестабильно.

• Устройства, обеспечивающие корректность сигнала: Передача сигнала PAM4 на большие расстояния требует дополнительных устройств для поддержания качества сигнала, таких как усилители и FEC, которые помогают улучшить сигнал, а также радиаторы для лучшего рассеивания тепла. 

• Более высокое энергопотребление: Необходимость в дополнительном оборудовании повышенной мощности для передачи сигналов PAM4 на большие расстояния приводит к более высокому энергопотреблению, которое в целом превышает энергопотребление сигналов NRZ.

Каковы применения PAM4?

PAM4 широко используется в высокоскоростной передаче данных, особенно в центрах обработки данных и телекоммуникациях. К основным областям применения относятся:

Подход с одной длиной волны

В одно-лямбдовом подходе используется четырехуровневая импульсно-амплитудная модуляция, которая передает вдвое больше данных, чем предыдущий метод NRZ, без необходимости в более быстрых оптических компонентах. Это означает, что существующая оптическая технология, способная обеспечить 50G при использовании NRZ, может поддерживать 100G при использовании PAM4. Некоторые типичные одноканальные оптические модули, использующие PAM4: 100GBASE-FR QSFP28,  100GBASE-DR QSFP28, 100GBASE-LR QSFP28, 100GBASE-ERL QSFP28, 100G DWDM QSFP28.

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

PAM4 повышает скорость передачи по оптоволокну в центрах обработки данных, обеспечивая скорости 100G, 200G, 400G и выше 800G за счет модуляции 1x 100G PAM-4, 4x 50G PAM-4, 4x 100G PAM-4 или 8x 50G PAM-4, 8X 100G PAM-4.

Межсоединение центров обработки данных (DCI)

Эффективность DCI зависит от эффективности передачи данных между серверами, системами хранения и сетевыми устройствами. Высокопроизводительные оптические модули с использованием кодирования PAM4 улучшают передачу данных, преобразуя сигналы NRZ в сигналы PAM4. Это увеличивает ёмкость передачи данных, оптимизирует использование пространства и поддерживает первые три уровня OSI, повышая эффективность межрегиональных операций, доступа пользователей и аварийного восстановления.

Сеть мобильного транспорта 5G

Для удовлетворения потребностей таких сервисов, как eMBB, URLLC и mMTC, 5G требуется большая пропускная способность. Его спектральная эффективность в 3–5 раз выше, чем у 4G, а начальная полоса составляет 100MHz, что в пять раз больше, чем у ранних сетей 4G. Полоса частот Sub-6GHz в 15–25 раз шире, а высокочастотный 5G может превышать 800MHz. По оценкам NGMN, транспортные сети 5G перейдут к 50GE/200GE в диапазоне Sub-6GHz и к 100GE/200GE/400GE в высокочастотном диапазоне. Технология PAM4 поможет поддерживать эти требования к высокой пропускной способности.

Городские сети

Городские сети объединяют услуги передачи данных, голоса и видео в масштабах города. PAM4 расширяет интерфейсы ядра сети и уровня агрегации, повышая эффективность сети и качество обслуживания пользователей. Благодаря развитию HD, 4K, 8K и VR/AR существующие интерфейсы 10GE и 40GE будут модернизированы до 50GE, 200GE и 400GE.