100G Metro Data Center Interconnectivity (DCI): Kohärente vs. direkte Detection

Da heutzutage riesige Datenmengen weltweit verwaltet, verteilt und ausgetauscht werden, expandieren Rechenzentrumsnetzwerke in Anzahl und Kapazität, was den Bedarf an Rechenzentrums-Verbundfähigkeit (DCI/Data Center Interconnectivity) vorantreibt. Während die Industrie mit der Entwicklung von 100G schnell voranschreitet, ist die Wahl zwischen diesen beiden Modulationsformaten – kohärente und direkte Detection – zu der Schlüsselfrage geworden, mit der sich die Designer von Metro-DCI-Infrastrukturen beim Aufbau der heutigen 100G-DCI-Netzwerke auseinandersetzen müssen. Dieser Artikel konzentriert sich auf diese beiden Erkennungsmethoden und stellt einen Vergleich zwischen ihnen an.

Abbildung 1: Data Center Interconnect

Coherent Detection (Kohärente Detektion)

Die kohärente Detektion ist eine optische Signalerfassungstechnik, die sowohl in faseroptischen Kommunikationssystemen als auch in der optischen Messtechnik und Sensorik eingesetzt wird. Sie verwendet einen lokalen Oszillator am Empfänger, der den Transport mit 100 Gbit/s auf einer einzigen Wellenlänge für DWDM-Langstreckennetze ermöglicht. Mit der Fähigkeit zur kohärenten Detektion kann ein optischer Empfänger die Phase eines optischen Senders verfolgen, so dass er jede Phasen- und Frequenzinformation, die von einem übertragenen Signal übertragen wird, extrahieren kann.

Obwohl die kohärente Detektion ein von drahtlosen Kommunikationssystemen abgeleitetes Konzept ist, findet sie in der Glasfaserkommunikation weite Verbreitung und hat daher großen Einfluss auf die Entwicklung optischer Langstreckennetze. Allerdings sind die erhöhten Kosten und der erhöhte Stromverbrauch der kohärenten Detektion klare Nachteile von 100G-Metro-DCI.

Direct Detection (Direkte Detektion)

Die direkte Detektion kann nur die Amplituden der Signale beim Empfang des Empfangsgerätes erkennen. Anders als bei der kohärenten Detektion, die Amplituden-, Frequenz- und Phaseninformationen aus einem optischen Träger extrahieren kann, kann das System zur direkten Detektion nur optische Wellen durch Intensitätsmodulation modulieren.

Im Allgemeinen wird die direkte Detektion für kurze Reichweiten und Punkt-zu-Punkt-Verbindungen in Metro-Netzen verwendet. Durch die Nutzung von PAM4 kann die direkte Erfassung mittlerweile 100 Gbit/s transportieren und Entfernungen von bis zu 80 km erreichen, wobei die Anforderungen an das optische Signal-Rausch-Verhältnis erfüllt werden. Dank der geringen Größe, der vereinfachten Struktur und des geringen Verbrauchs eignet sich das IM/DD-Kommunikationssystem (Intensity Modulation Direct Detection) ideal für die optische Kommunikation über kurze Entfernungen.

Coherent vs. Direct Detection: Was ist besser?

Da sowohl die kohärente Erkennung als auch die direkte Erkennung für 100G-DCI in Rechenzentren verwendet werden können, stellt sich die Frage, welches die bessere Wahl für 100G-DCI in Metros ist. Um dies zu klären, werden im Folgenden die wesentlichen Merkmale der beiden Varianten erörtert:

Faserkapazität: Im Vergleich zur direkten Detektion kann die kohärente Detektion Amplituden-, Frequenz- und Phaseninformationen aus einem optischen Träger extrahieren und somit eine viel höhere Faserkapazität bei gleicher Bandbreite erreichen.

Einfachheit: Die kohärente Detektion verwendet einen digitalen Signalprozessor (DSP), der die große chromatische und Polarisationsmodendispersion ohne die Notwendigkeit von optischen Verstärkern und optischen Dispersionskompensatoren, die bei der direkten Detektion verwendet werden, kompensieren kann, und die kohärente Detektion ist aufgrund des DSP weitaus toleranter gegenüber Leitungsbeeinträchtigungen als die direkte Detektion, so dass das optische Netzwerkdesign der kohärenten Detektion erleichtert und die kohärente Detektion somit viel einfacher ist als die direkte Detektion.

Kosten: Kohärente Detektionsnetzwerke erfordern anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise und digitale Signalprozessoren, die direkte Detektionsnetzwerke nicht benötigen, was bedeutet, dass die direkte Detektion durch die 100G-Transceivers eine Menge Kosten einspart, so dass sie im Vergleich zur kohärenten Detektion kostenmäßig attraktiver ist.

Stromverbrauch: Der Bedarf an zusätzlichen optischen Komponenten sowie (DSP) im kohärenten Detektor DCI führt nicht nur zu höheren Kosten, sondern auch zu einem höheren Stromverbrauch. Im Umkehrschluss bedeutet die direkte Detektion, dass der leistungshungrige DSP eliminiert wird, so dass weniger Strom verbraucht wird als bei kohärenten Detektionssystemen.

Reichweite: Mit zunehmendem technischen Fortschritt kann die direkte Erfassung 100 G transportieren und eine Entfernung von bis zu 80 km erreichen. Während die kohärente Erfassung weltweit eingesetzt werden kann und die Übertragungsdistanz Tausende von Kilometern betragen kann.

Fazit

Es besteht kein Zweifel daran, dass kohärente Detektion bei DCI-Anwendungen im Metro-Bereich sehr gefragt ist, aber wir können nicht leugnen, dass sich die direkte Detektion in der Metro-DCI schnell zu einem wirtschaftlich tragfähigen Weg entwickelt und 100G-DCI-Anwendungen mit direkter Detektion die Dominanz der kohärenten Detektion in diesem Markt in Frage stellen. Während Sie also vor der Option stehen, sich für eine der beiden Möglichkeiten zu entscheiden, sollten Sie diese oben genannten Überlegungen unbedingt berücksichtigen und abwägen.

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