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50G PAM4 技术白皮书

主要贡献单位

0150G PAM4技术背景 1.1 什么是PAM4 PAM4是PAM(Pulse Amplitude Modulation，脉冲幅度调制)调制技术的一种。PAM信号是继NRZ(Non- Return-to-Zero)后的热门信号传输技术，也是多阶调制技术的代表，当前已被广泛应用在高速信号互连领域。 NRZ和 PAM4信号典型波形如下图所示。其中，右侧为NRZ和 PAM4的光眼图对比，NRZ为单眼波形， PAM4为三眼波形(y轴方向存在3 个眼状图形)。 NRZ 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 0 PAM4 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 0 Figure 1-1 PAM4信号波形和眼图对比 NRZ与PAM4信号差异如下： » » NRZ信号采用高、低两种信号电平表示数字逻辑信号的1、0，每个时钟周期可以传输1bit的逻辑信息。 PAM4信号采用4 个不同的信号电平进行信号传输，每个时钟周期可以传输2bit的逻辑信息，即 00、01、10、11。因此，在同样波特率条件下，PAM4信号比特速率是NRZ信号的2 倍，传输效率提高一倍，同时还可有效降低成本。因其高效的传输效率，IEEE以太网标准组802.3已确定在400GE/200GE/50GE接口中的物理层采用50Gbps/lane(简称50G) PAM4编码技术。 50G PAM4技术背景 | 01

1.2 为什么需要PAM4 PAM4技术本质是一种更高效的调制技术，可以有效提升带宽利用效率。 1.2.1 5G承载，需要大带宽低成本解决方案成本诉求从4G至即将到来的5G，流量增长非常迅猛，但与此形成鲜明对照的是，运营商的收入依然以低速增长，两者的剪刀差越来越大。如何缩小流量和收入的不平衡是运营商面临的一大痛点。如果可以解决此痛点，无疑会在5G解决方案竞争中获得优势。最有效降低剪刀差的措施是降低成本。在移动承载网设备的成本构成中，光模块占比越来越大。如果可以有效降低光模块的成本，无疑会对降低整网设备成本起到至关重要的作用。流量*10 单位bit成本收入*2 4G 5G eMBB Figure 1-2 运营商收入和流量剪刀差性能诉求与前几代移动网络相比，5G网络的能力将有飞跃发展。例如，下行峰值数据速率可达20Gbps，而上行峰值数据速率可能超过10Gbps。在基础设施方面，运营商应该进行端到端的网络架构改造，构建从接入网、汇聚网到核心网的弹性架构，增强其基础设施的带宽扩展灵活性。基于单通道50G PAM4技术的400GE/200GE/ 50GE可以很好适配5G对网络成本以及性能的诉求，构筑从接入、汇聚到核心网的最优解决方案。 1.2.2 利用高速发展的电领域技术加速光技术发展，突破大容量接口技术瓶颈光电子技术是半导体技术一个分支。为了更好的提升发光效率和性能，业界普遍采用III-V族元素化合物进行光芯片设计，与仅需要保证电气性能的CMOS 工艺用纯硅有较大差异。当前光技术发展已成为接口发展技术瓶颈。 CMOS工艺经过几十年发展已经非常成熟，由于有海量应用以及N次迭代后优化的工艺。相比之下，III-V 族发展速度已显著落后，受限产业规模，在工艺成熟度和标准化方面存在较大差距。当前，光技术发展速度已不能满足经典的摩尔定律要求，即每18个月性能翻倍。通信领域的光电子技术发展速度，当前需要 24~36个月才能翻倍。为了使光电子技术发展更快，出现了硅光技术等新的工艺技术，以及高阶调制等算法技术等手段加速。PAM4属于高阶调制技术的一种，可认为是利用电领域技术加速光技术发展的一个有效方法。 02 | 1 50G PAM4技术背景

0250G PAM4相关标准 2.1 PAM4相关标准历程 2.2 400GE/200GE标准进展以太网技术从上世纪80年代问世以来，基本都在用NRZ的调制码型（曾经在100MBASE-T接口采用多阶调制码型）。在发展到100GE之后，以太网技术遇到了带宽提升瓶颈，主要原因是物理层技术在低成本驱动下面临挑战。在400GE即802.3bs标准方案讨论时，有厂家提出采用PAM4技术作为NRZ的替代，用于物理层调制码型。经过广泛讨论、技术分析以及论证，该方案最终获得通过。400GBASE-LR8/FR8成为首个光层采用 PAM4技术的标准。IEEE随后又在200GE/50GE标准中，采用PAM4编码方案。当前，400 GE/200 GE/50 GE三种标准中都采用了2 6 G波特率（因PA M 4调制使对应比特率为 53Gbps，简化为50Gbps或 50G）PAM4调制技术， PAM4技术得到了进一步应用。下面分别介绍这几种标准进展。 IEEE 802.3bs标准基线完成于2015 年初，最终完成标准的时间是2017年12月。 802.3bs覆盖了400GE/200GE两种以太网接口速率。其中400GE定义了 LR8 (10km)/FR8 (2km)/ DR4 (500m)/SR16 (100m)等PMD子层规格以及多种AUI电接口。LR8/FR8采用了50G PAM4技术，成为以太网标准中首个采用该技术接口标准，为PAM4 技术开启广泛商用打开了大门。其中数字8 代表了 8lane，即由8 个通道，每个通道50Gbps，组合成为 400GE接口。 400 GE/200 GE的 40 km标准也在IEEE 802.3 Beyond 10 km工作组中讨论。2018年 3月200GE 40km通过Objective评审，意味着200GE 40km距离正式立项仅一步之遥。 Baseline TF Review WG Ballot LMSC Ballot Standard Last Feature Last Tech Change J A S O N D J F M A M J J A S O N D J F M A M J J A S O N D J 2015 2016 D1.0 Creation D2.0 2017 D3.0 2018 TF Reviews WG Ballots LMSC Ballots Figure 2-1 400GE/200GE标准Timeline 50G PAM4相关标准 | 03

2.3 50GE 标准进展 IEEE 802.3cd标准基线完成于2016年 9月。目前已经完成了Draft3.2，相比原计划提前了2 个月，计划最终标准Release的时间是2018年 9月。 50GBASE-LR/KR/SR PMD子层，所有PMD子层都采用了50G PAM4技术，50GE是 PAM4技术应用最广泛的以太网接口速率。 802.3cd尽管还在制定中，但已经获得业界广泛关注。主要原因是50GE接口的市场需求已经先于标准启动，业界对50GE抱有强烈的期待，50GE标准整体节奏相比400GE/200GE也在加速。该标准覆盖了 50GE 40km标准同样在IEEE 802.3 Beyond 10km工作组中讨论。2018年1月，50GE 40km通过Objective的评审，并且获得了几乎全票通过，业界对50GE 40km标准认同度高度统一。 1st Task Force Mtg Baseline Request LMSC Ballot Last New Proposal Last Feature Last Tech Change Standard 802.3 Sponsor complete M J J A S O N D J F M A M J J A S O N D J F M A M J J A S 2016 2017 2018 D1.0 D1.1 D1.2 D1.3 D2.0 D2.1 D2.2 D2.3 D3.0 D3.1 D3.2 D3.3 TF Reviews WG Ballots LMSC Ballots Figure 2-2 50GE标准Timeline 04 | 50G PAM4技术白皮书

0350G PAM4关键技术 3.1 介绍基于50G PAM4技术的400GE/200GE/50GE，存在诸多关键技术以及挑战。在IEEE标准组织活动中，经过业界主流厂家共同努力，已经解决了这些问题。基于IEEE标准框架下的50G PAM4应用，确保了安全可靠性并且可以实现不同厂家互通。下面详细介绍这些技术细节。 3.2 400GE/200GE/50GE技术 IEEE802.3是以太网技术的标准系列，它规定了 OSI网络参考模型的第一层( 物理层)和第二层(数据链路层)的技术规范。 3.2.1 50GE技术 IEEE以太网标准组织已于2016年 5月正式启动 50GE标准项目。50GE整体架构和400GE/200GE基本相同，下面重点介绍50GE PMD子层技术基本情况。 50GE 光模块 2*26.5625Gbps NRZ 50GE MAC P C S P M A 1*26.5625GBaud PAM4 P M A P M D 50G PAM4 Transmitter 50G PAM4 Receiver Single-Mode Fiber M D I Figure 3-1 50GBASE-LR PMD架构 50G PAM4关键技术介绍 | 05

架构说明如下： » » » PCS(Physical Coding Sub-layer)子层负责对信号编/解码、加/去扰、Alignment插入/ 去除、排序处理和控制等，PCS还有一项重要功能是实现 FEC(Forward Error Correction)。 PMA(Physical Medium Attachment Sub-layer) 子层用来适配PCS和PMD子层，提供映射、复用解复用、时钟恢复等功能，可选提供环回、测试 pattern等辅助诊断功能。 PMD(Physical Medium Dependent Sub-layer) 子层负责和物理传输媒介的接口。一个以太网速率，存在多个不同的PMD子层，分别适配不同的物理接口，比如不同传输距离、不同媒介(光或电) 等，PMD子层还负责对数据通道信号检测功能。 » MDI(Medium Dependent Interface)即物理媒 2*26.5625Gbps接口(50GAUI-2)送到50GE光模块(目前为QSFP28封装) ，首先经过PMA子层进行速率和码型转换，从2 Lane转换为1 Lane，调制码型转换成为PAM4，速率为26.5625G波特率。 » 经过P M A完成速率和码型转换，进入P M D子层。P M D子层进行电光和光电转换，分别由 Transmitter发送机和Receiver接收机完成。 » 发送方向，50GE只有一个通道，这个Transmitter 发送机进行电光转换，送到一根光纤，即从PMD 到达MDI层，物理媒介为单模光纤。 » 接收方向，光纤直接把信号送到Receiver接收机上，进行光电转换，完成后送给PMA子层。介，如光纤、电缆等。下面分别对发送机和接收机以及功率预算的关键 » 数据经过 5 0 G E M AC、 P C S 、 P M A后，通过指标进行解读。 Parameter 50GBASE-FR 50GBASE-LR Signaling rate (range) Modulation format Wavelengths (range) Side-mode suppression ratio (SMSR), (min) Average launch power (max) Average launch power (min) Outer Optical Modulation Amplitude (OMA outer) (max) Outer Optical Modulation Amplitude (OMA outer) (min) Launch power in OMA outer minus TDECQ (min) Transmitter and dispersion eye closure for PAM4 (TDECQ) (max) Average launch power of OFF transmitter (max) Extinction ratio (min) RIN17.1OMA (max) 26.5625 ± 100 ppm PAM4 1304.5 to 1317.5 30 4.2 –4.5 4 –1.5 –2.9 3.4 3 –4.1 2.8 –2.5 –3.9 3.2 –16 3.5 Figure 3-2 50GBASE-LR Transmitter发送机指标 06 | 50G PAM4技术白皮书 Unit GBd – nm dB dBm dBm dBm dBm dBm dB dBm dB –132 – dB/Hz

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