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因應大數據時(shí)代來(lái)臨，數據中心正積極將基礎設施升級至100Gbit/s或更高速的光纖網(wǎng)絡(luò )，并舍棄傳統開(kāi)關(guān)鍵控(On-off-keying, OOK)數據編碼機制，改用復數調制技術(shù)，從而降低光波信號占用的帶寬，同時(shí)減少延遲發(fā)生，以提高光纖鏈路的數據傳輸效率。 一般使用者到現在還是搞不清楚“云端”、“大數據(Big Data) ”、“數據挖掘”等，到底對自己的生活有何影響，許多專(zhuān)家也努力嘗試定義這些新名詞。值得留意的是，一場(chǎng)悄無(wú)聲息的革命已開(kāi)始在世界各地的數據中心蔓延開(kāi)來(lái)。 全球各地正在興建許多新的數據中心，而最新一代的中央處理器(CPU)也開(kāi)始用于新一代高效能運算(HPC)服務(wù)器。隨著(zhù)CPU性能和RAM等級不斷升高，而且延遲顯著(zhù)減少，要在眾多服務(wù)器間映像大量的數據早已不成問(wèn)題，幾乎不到一秒就可完成。 過(guò)去，只有擁有自己的數據中心的大型企業(yè)，才能夠進(jìn)行大規模的數據挖掘，以分析極其龐大的結構化和非結構化數據，例如根據不同客戶(hù)的喜好推廣個(gè)人營(yíng)銷(xiāo)。不過(guò)現在有許多專(zhuān)為中小企業(yè)設計的基礎設施，可在云端儲存并分析大數據，讓這些公司能夠獲得最佳的供應鏈、營(yíng)銷(xiāo)活動(dòng)效益。透過(guò)云端服務(wù)，無(wú)力負擔服務(wù)器建置成本的小企業(yè)，現在可用最低的成本，在任何地點(diǎn)進(jìn)行快速數據分析。 不久的將來(lái)，即便是家小咖啡館，也可以分析大量的結構化和非結構化天氣數據，以便掌握客戶(hù)在不同氣候和節日的消費狀況，進(jìn)而在多雨的星期天烘焙出數量恰到好處的蛋糕、松餅和餅干。 采用DQPSK/PDM技術(shù) 光纖數據傳輸率激增 如前所述，數據中心已經(jīng)準備好要迎接數據革命，但更重要的問(wèn)題是，外部基礎設施是否能跟上這個(gè)潮流。數據量的爆炸性成長(cháng)，使得骨干網(wǎng)絡(luò )面臨極巨大的挑戰，如果不希望骨干網(wǎng)絡(luò )成為未來(lái)的傳輸瓶頸，則須同時(shí)提高光纖網(wǎng)絡(luò )的數據傳輸效率。不久的將來(lái)，光纖基礎設施必須能支持100Gbit/s或更高的數據傳輸速率，而傳統數據編碼機制將無(wú)法因應這個(gè)變化。 和電子信號傳輸一樣，光數據傳輸技術(shù)剛開(kāi)始也是采用最簡(jiǎn)單、成本最低的數字編碼機制，即回返歸零(RZ)或是非回返歸零(NRZ)開(kāi)關(guān)鍵控(On-Off-Keying, OOK)。此時(shí)信號是理想的1(電源開(kāi)啟)、0(電源關(guān)閉)矩形序列，但如果傳輸速率高達40Gb/s，這個(gè)概念就會(huì )面臨限制。 在速率達40Gbit/s以上時(shí)出現的另一個(gè)限制因素是，由于時(shí)鐘速率過(guò)高，信號占用帶寬會(huì )大于50GHz ITU通道帶寬。如圖1所示，當帶寬通道變大，就會(huì )開(kāi)始與相鄰的通道重迭，而波長(cháng)濾光器會(huì )改變信號的形狀，導致串音干擾和調制信息惡化。結果，開(kāi)發(fā)人員只好放棄OOK并改用差分正交相移鍵控(DQPSK)這類(lèi)的復數調制(Complex Modulation)技術(shù)。復數調制技術(shù)可減少所須占用的帶寬，實(shí)際減少的占用帶寬跟不同的符號時(shí)鐘速率也就是和波特率 (Baud Rate)有關(guān)，而且可在50GHz的ITU通道中支持更高的數據傳輸速率。 圖1 使用OOK技術(shù)時(shí)，當傳輸速率達100Gb/s或更高，會(huì )開(kāi)始出現信道干擾或調制數據惡化，而復數調制技術(shù)可以解決這個(gè)問(wèn)題。 由于相干檢測技術(shù)可提供完整的光場(chǎng)(Optical Field)信息，這些新概念還允許用戶(hù)在處理信號時(shí)，執行色散(CD)和極化模式色散(PMD)補償。 色散的原理是，不同的光波根據其頻率和極化特性，以不同的速率進(jìn)行傳播，因折射角度不同，所以產(chǎn)生了色散；如果不加以補償，會(huì )造成信號質(zhì)量降低。傳輸距離越長(cháng)，色散問(wèn)題就越嚴重。 利用復數光調制技術(shù)，開(kāi)發(fā)人員毋須使用PMD補償器或色散補償光纖(DCF)來(lái)進(jìn)行補償，這樣就不會(huì )出現這些模塊所導致的延遲。 復數調制機制參考振幅和頻率或相位等光波參數來(lái)進(jìn)行編碼，以提高帶寬使用效率。多年來(lái)無(wú)線(xiàn)工程師一直使用這種編碼方法，而光通訊產(chǎn)業(yè)最近也開(kāi)始采用這種方法。 除了復數調制法，另外還有其他方法也可提高光纖鏈路的數據傳輸效率，例如極化復用(PDM)技術(shù)(圖2)可將第二光波信號與第一光波信號進(jìn)行正交極化處理，以便透過(guò)同一光纖傳輸不同的數據。如此一來(lái)，用戶(hù)不須要增加第二條光纖就可以擁有第二個(gè)信道，并將傳輸速度加快一倍。 圖2 極化復用技術(shù) 工程師現在還是持續使用波分復用 (WDM)等其他類(lèi)型的多任務(wù)技術(shù)。這些技術(shù)有個(gè)共同點(diǎn)，就是將多個(gè)獨立的數據串流綁在一起，并經(jīng)由同一條光纜進(jìn)行傳輸。此外，使用者還可使用脈沖整形濾波器(Pulse Shaping Filter)，進(jìn)一步降低信號占用的帶寬。 圖3提出如何結合運用這些不同技術(shù)來(lái)增進(jìn)光譜效率的構想。最下方是簡(jiǎn)易的OOK，如果改用正交相移鍵控(QPSK)，則可將OOK符碼率的傳輸速率提高一倍，因為QPSK可編碼二位符號。藉由使用極化復用(PDM)技術(shù)，傳輸速率還可再提高一倍。QPSK加PDM可讓使用者在相同時(shí)鐘速率下，獲得2×2=4倍的數據傳輸速率。最后，利用脈沖整形濾波器進(jìn)一步縮小占用帶寬后，用戶(hù)可以100Gb/s的速率，透過(guò)50GHz信道傳輸數據。 圖3 藉由結合使用不同的調制技術(shù)，光譜效率可迅速倍增。 強化帶寬/信噪比效能 光譜傳輸加速升級 上面的方法看起來(lái)好像萬(wàn)無(wú)一失，只要不再遇到其他問(wèn)題就好了。但是，事情當然不會(huì )這么簡(jiǎn)單。 早在1940年代，美國數學(xué)家和電子工程師，同時(shí)也是信息論之父Claude Shannon發(fā)現，傳輸信道最大的無(wú)誤差數據傳輸速度，取決于噪聲和帶寬。他把此速率稱(chēng)為“信道容量”，即眾所周知的“Shannon極限值”。 Shannon–Hartley定理： 信道容量： Shannon–Hartley定理 其中，B是帶寬(Hz)、S是平均接收信號功率(W)，而N是平均噪聲功率(W)。藉由增加帶寬，或是將信噪比(SNR=S/N)優(yōu)化，用戶(hù)可增加信道容量；事實(shí)上，Shannon–Hartley定理僅提供理論上的最大值，卻未指出那一種信號傳輸法可讓用戶(hù)最接近此極限值。 實(shí)作時(shí)，SNR是最根本的限制因素。因此，從現在到未來(lái)，業(yè)界都須持斷改進(jìn)這個(gè)問(wèn)題，以達成Shannon極限值。當數據傳輸速率超過(guò)100Gb/s，就需更出色的SNR性能，以便在給定帶寬下進(jìn)行長(cháng)距離傳輸。 Ellis、Zhao和Cotter利用這些范例參數，來(lái)仿真相關(guān)傳輸和檢測類(lèi)型的信息光譜密度C/B(圖4)。進(jìn)行非線(xiàn)性傳輸時(shí)，信息光譜密度不會(huì )隨著(zhù)發(fā)射功率光譜密度而無(wú)限增加。由于光纖本身具有功率放大器的飽和效應和非線(xiàn)性效應，因此其信息光譜密度有最高上限。不過(guò)如果是進(jìn)行純線(xiàn)性傳輸，就不會(huì )遇到這種問(wèn)題。 圖4 圖中使用A. Ellis、J. Zhao和D. Cotter論文《接近非線(xiàn)性Shannon極限值》JLT 28(4), 423-433中提出的每極化預期信息頻光譜密度限制的范例。 在圖4中，使用者可清楚看出，就信息光譜密度而言，OOK的直接檢測法(僅萃取振幅信息)，完全無(wú)法與復數調制信號之相干檢測法相抗衡。毫無(wú)疑問(wèn)的，不同類(lèi)型的復數調制法，對于光傳輸方案開(kāi)發(fā)人員能夠多接近Shannon光譜效率極限，有關(guān)鍵性影響。 |
