فرآیندهای رمزگذاری سیگنال نوری و رمزگشایی، محدودیت های عملیاتی سیستم های انتقال فیبر نوری را تعریف می کنند، به عنوان مقیاس ترافیک شبکه به ظرفیت های Petabit-per ثانیه، کارایی تبدیل بیت های الکتریکی به نور و دوباره، قابلیت اقتصادی و فنی زیرساخت های جهانی را به مهندسان و معماران شبکه دیکته می کند، درک این اصول برای سیستم های طراحی ضروری است که به حداکثر رساندن، ظرفیت و قابلیت اطمینان می رسند.

رمزگذاری: Bits را به کشورهای Photonic می رساند

رمزگذاری فرایند ترجمه یک بیت الکتریکی دیجیتال به یک شکل موج نوری تنظیم شده است. طرح رمزگذاری انتخاب شده به طور مستقیم چگالی اطلاعات را در هر واحد پهنای باند، به عنوان بهره وری طیفی (در b /s / هرتز اندازه گیری شده) تعیین می کند.

تغییرات شدید: On-Off Keying و NRZ

ساده ترین فرمت رمزگذاری On-Off Keying (OOK) است که در آن یک باینری 1 با سطح قدرت نوری بالا مطابقت دارد و یک باینری 0 با یک سطح قدرت نوری پایین مطابقت دارد.در عمل، این با استفاده از یک کد خط پهنای باند غیر بازگشتی به صفر (NRZ) مطابقت دارد، که لیزر برای کل مدت زمان کمی باقی می ماند.

Multi-Level Encode: Pulse Amplitude Modulation (PAM4)

برای افزایش نرخ های کمی بدون پهنای باند به طور متناسب افزایش، کدگذاری PAM4 دو بیت را به هر نماد انتقال با استفاده از چهار سطح دامنه متمایز، به عنوان مثال، بیت "00" ممکن است به پایین ترین سطح قدرت نقشه، در حالی که "11" نقشه های به بالاترین سیگنال PAM4 نزدیک تر است، پایه IEEE 802.3s 400 GbE برای لینک های کوتاه مدت (-10 کیلومتر) با استفاده از سیگنال های انتقال نوری 50 (2 / 4 گیگابیت در ثانیه) یا سیگنال های سیگنال های حساس به سرعت 25.

مرحله و اصلاح چهارگانه (Coherent En Encrypt)

برای تنظیم طولانی مدت و شبکه های مترو، رمزگذاری باید از فاز حامل نوری برای به حداکثر رساندن بهره وری طیفی استفاده کند. Quadrature phase Shift Keying (QPSK) دو بیت در هر نماد را با تغییر فاز نوری در میان چهار حالت (0 درجه، 90 Mach، 180 °، 270 درجه) حرکت به 16QAM (Quadrature Amplitude Modulation) کدگذاری چهار بیت با استفاده از یک فرمت استاندارد استاندارد / استاندارد بالا (QI) و استاندارد سازی شده توسط یک سیستم عامل استاندارد (QIQI) کد گذاری شده است.

دوگانه سازی (DP) Encode

یک تکنیک ضروری برای مقیاس پذیری دوگانه است که از دو حالت قطبی شدن دو یاthogonal نور در فیبر تک حالت بهره می برد، با داده های مستقل رمزگذاری شده در هر دو قطبی سازی X و Y، بهره وری طیفی بدون نیاز به پهنای باند نوری اضافی، ترانس استاندارد استفاده از DP-Q (4 / PSK) یا DPQAM پردازش (با استفاده از دقیق از فیبرهای چرخش دیجیتال) و دقیق باید سیگنال های پردازش دقیق را ردیابی کند.

برای یک نخست کننده فنی دقیق در فرمت های تنظیم منسجم، Cisco / Acacia یکپارچه کاغذ سفید اپتیک توضیح عمیق از I / Qulation و معماری دوگانه سازی.

رمزگذاری: زنجیره پردازش گیرنده

رمزگذاری معکوس رمزگذاری است، اما به دلیل اختلالات فیزیکی معرفی شده در طول انتقال، به طور قابل توجهی پیچیده تر است. گیرنده باید فاز دقیق، فرکانس، قطبی شدن و زمان سیگنال ورودی را قبل از تبدیل آن به بیت های الکتریکی بهبود بخشد.

تشخیص مستقیم در مقابل تشخیص Coherent

تشخیص مستقیم، با OOK و PAM4، قدرت فوری نور ورودی را با استفاده از یک عکس سنج اندازه گیری می کند، این رویکرد ساده، کم قدرت و ارزان است، اما تمام اطلاعات فاز را حذف می کند، تشخیص داده شده برای سیگنال های فاز تنظیم شده، سیگنال ورودی را با یک لیزر نوسان محلی (یاLO) در یک فرآیند آنالوگ (QI) ترکیب می کند.

تبدیل به دیجیتال و DSP

سیگنال های آنالوگ از گیرنده منسجم توسط ADC های فوق العاده سریع که در 80 GSa /s به 200 GSa /s کار می کنند، دیجیتالی می شوند. نمونه های دیجیتال یک ASIC اختصاصی را تغذیه می کنند که عملکرد اصلی زیر را انجام می دهد:

  • [CDC] جبران توزیع کننده های موضوعی (CDC): یک فیلتر حجم زیاد از دامنه پراکندگی رنگی فیبر را که می تواند پالس های بیش از هزاران دوره کوچک را به هم بزند، مختل می کند.
  • تنظیم زمان سازگار با دامنه برابر کننده (استفاده از الگوریتم های مانند الگوریتم Modulus ثابت یا تصمیم گیری LMS) را جدا از مثلث های قطبی X و Y و جبران برای جداسازی حالت قطبی سازی (PMD).
  • فاز و حلقه برآورد فرکانس حذف فرکانس و صدای فاز فرستنده و لیزرهای LO. Algorithms مانند Viterbi-Viterbi فاز estimator استاندارد برای سیگنال های QPSK است.
  • تشخیص و رمزگشایی: نمادها پردازش شده به بیت ها برمی گردند و اصلاح خطای پیش رو (FEC) اعمال می شود.

اصلاح خطای جلو (FEC) Decode

Imp بخشی جدایی ناپذیر از فرایند رمزگذاری / کد سازی است.در فرستنده، Redundancy ساختار یافته به جریان داده اضافه می شود.در گیرنده، رمزگشایی SVG از این وضوح قرمز برای شناسایی و تصحیح خطاهای کوچک معرفی شده توسط سر و صدا و تحریف، شبکه های نوری مدرن از کد های اصلاح قدرتمند (SD-FEC) استفاده می کند.

طراحی سیستم، بودجه های لینک و استانداردها

انتخاب یک طرح رمزگذاری شده به طور مستقیم بر بودجه اتصال سیستم تاثیر می گذارد. مهندسان باید OSNR موجود را در مقابل OSNR مورد نیاز برای فرمت تنظیم شده در یک نرخ خطای پیش از-FEC (BER) مورد محاسبه قرار دهند.

OSNR و Reach Calculations

فرمت های مد نظر سفارش بالاتر (به عنوان مثال DP-64QAM) نیاز به سیستم عامل بالاتر برای دستیابی به یک BER در مقایسه با فرمت های سفارش پایین تر (به عنوان مثال، تقویت کننده های DP-QPSK) اضافه صدا (EDFA)، که سیستم عامل را از راه دور تجزیه می کند، بنابراین یک تجارت مستقیم بین بهره وری و انتقال طیف وجود دارد.

  • ]DP-QPSK: [12 dBNR مورد نیاز است. Reach معمولاً چندین هزار کیلومتر در سیستم های زیردریایی است.
  • ]DP-16QAM: [ −18 dBNR مورد نیاز است. Reach معمولاً چند صد کیلومتر برای مترو و مسافت طولانی است.
  • PAM4 (Direct Detect): تحمل سیستم عامل پایین نسبت به فرمت های منسجم در مسافت های طولانی، اما برای دسترسی کوتاه (<10 km) به دلیل قدرت و تاخیر پایین تر بسیار کارآمد است.

استانداردهای بین المللی

Interoperability توسط نهادهای استاندارد که تعریف کدگذاری خاص، رمزگشایی و پارامترهای SVG است، اجرا می شود.

  • IEEE 802.3bs (400GbE): کدگذاری PAM4 را برای کوتاه مدت (SR8، DR4، FR8) و ارتباط طولانی (LR8) رابط های نوری تعریف می کند.
  • یک پیاده سازی منسجم DP-QPSK /DP-16QAM برای DCI (80-120 کیلومتر] تعریف می کند فرمت مد، توابع و oFEC برای اطمینان از قابلیت همکاری چند جانبه.
  • ] ITU-T G.CAN: شبکه حمل و نقل نوری (OTN) نقشه برداری و استانداردهای SVG (به عنوان مثال، G.975.1) را برای انتقال طولانی مدت تعریف می کند.

برای مشخصات فعلی در اپتیک های منسجم پلاگین، [FIF 400ZR پیاده سازی مرجع قطعی است.

ادغام عکس و مسیر های آینده

پیاده سازی این فرایندهای رمزگذاری پیشرفته و رمزگشایی بر فن آوری های ادغام فوتونیک (SiPh) و Indium Phosphide (InP) اجازه می دهد تا ادغام تنظیم کننده ها، طول موج عکس و چندین برابر به ماژول های فشرده، قدرت کارآمد. نسل بعدی رابط های نوری به سمت 800 گیگابیت در گیگابیت در ثانیه و 1.6 Tps در هر ثانیه است.

800G و 1.6T Evolution

برای دستیابی به این نرخ ها، صنعت به دنبال چندین مسیر موازی است:

  • نرخ Baud بالا: افزایش نرخ نماد از 60-90 گیگابایتی به 200 + GBaud نیاز به الکترونیک و فوتونیک با سرعت بالاتر.
  • ] پیشرفته اصلاح: QAM هیبریدی زمان-domain و Probabilistic Constellation Shaping (PCS) فرمت رمزگذاری را با شرایط دقیق کانال سازگار می کنند، به حداکثر رساندن نفوذ در یک پیوند به صورت لینک.
  • اپتیکی Co-Packaged (CPO): یکپارچه سازی موتور نوری به طور مستقیم با ASIC سوئیچ برای کاهش مصرف برق و زیان های الکتریکی در سرعت های رابط بسیار بالا (1.6T+).
  • ] یادگیری ماشین برای DSP: شبکه های عصبی برای جبران غیر خطی و رمزگذاری بهینه شده، به طور بالقوه باز کردن عملکرد بالاتر از الگوریتم های سنتی DSP.

نتیجه گیری

سیگنال نوری و فن آوری های رمزگذاری به سرعت در حال تکامل هستند تا تقاضای بی نظیر پهنای باند را برآورده کنند.از سادگی OOK تا پیچیدگی شکل DP-256QAM با SD-FEC، انتخاب طرح رمزگذاری تعریف پاکت عملکرد اساسی یک سیستم فیبر نوری است. مهندسان باید بر مبادلات تجاری بین فرمت، پیچیدگی و سیستم برای دستیابی به اصول رمزگذاری تصویر بالا و سیستم، تسلط داشته باشند.