Анализ ошибок PAM-4: как правильно искать и идентифицировать ошибки в сетях 400G Ethernet

Стремительное развитие облачных технологий спровоцировало рост объема обрабатываемых и пересылаемых данных, что стало причиной повышения требований к инфраструктуре центров обработки данных. Технология 400G и четырехуровневая импульсно-амплитудная модуляция PAM-4 позволяет удвоить пропускную способность сети и уменьшить стоимость в расчете на один бит передаваемых данных, но тестирование таких систем стало гораздо более сложной задачей.

Доктор Пол Брукс (Dr. Paul Brooks), который в компании Viavi Solutions отвечает за стратегию лабораторных и производственных подразделений с упором на технологию высокоскоростной оптической передачи, а также активно участвует в разработке стандартов IEEE и Ethernet Alliance, являясь признанным ветераном индустрии испытаний и измерений (он участвовал в разработке многих технологий — от меди и xDSL до 400G Ethernet), философски относится к новым вызовам тестирования оптических сетей, которые принесла с собой технология 400G Ethernet. Он любит вспоминать свое детство в графстве Керри, что в Ирландии, откуда родом также был самый известный ирландский журналист всех времен — Кон Хулихан (Con Houlihan). Часто мамы, обеспокоенные знаниями письменного английского языка своих детей, просили г-на Хулихана, обладающего фантастическим владением письменного слова, протестировать уровень развития их молодых чад. Его стандартным ответом было: «Что ж, они все ошибки делают правильно». Эта фраза, по мнению д-ра Пола Брукса, наилучшим образом характеризует современный мир 400G Ethernet, где на первый план выходит не сама возможность обнаружить ошибку, количество которых из-за возросших скоростей передачи данных на порядок увеличилось, а способность ее правильно классифицировать, добравшись до первопричины.

В чем проблема сигнализации PAM-4?

Команда VIAVI Lab & Production tools имеет колоссальный опыт устранения неполадок и отладки интерфейсов «без возврата к нулю» (Non Return to Zero, NRZ), используемых для 100G Ethernet и ниже. Ее эксперты не раз демонстрировали, что даже при использовании модуляции NRZ со скоростью передачи данных 25 Гбит/с на каждую полосу, хорошо зарекомендовавшего себя тестового инструментария, основанного на тестерах интенсивности битовых ошибок (Bit Error Rate Testers, BERTs), оказывалось вполне достаточно для устранения неполадок в системах и компонентах до 100G. Но новая эпоха 400G Ethernet принесла с собой сигнализацию PAM-4. Это привело к появлению совершенно нового уровня проблем и сложности работы с интерфейсом SERDES и модулем устранения неполадок, которые классические инструменты тестирования битовых ошибок BERT оказались неспособны решить.

И основной вызов, который сейчас встал сейчас перед нами, ушел далеко за пределы того, чтобы просто «знать», что у нас есть ошибки. Действительно, большинство классических BERT просто подсчитывают ошибки, но от этого мало толку для соединений PAM4, где у нас ошибки будут появляться практически постоянно. Для решения этого значительно выросшего уровня сложности компания Viavi разработала целый набор инструментов, которые продвинулись далеко вперед по сравнению с простым подсчетом ошибок. По сути, эти инструменты точно определяют и классифицирует ошибку, обеспечивая реальное понимание первопричины и четко идентифицируя то, какие элементы и аспекты могут нуждаться в улучшении или корректировке.

Задачи тестирования при использовании PAM4

Экран анализа Viavi ONT 800G PAM4

В компании Viavi считают, что при использовании PAM-4 есть несколько задач тестирования, правильное решение которых критически важно для любых инструментов анализа ошибок PAM4.

Они включают в себя:

• Понимание того, где именно возникает ошибка в символе PAM-4. Связанна ли она с уровнем (нечто вроде ошибочных «1» и «0», используемых в инструментарии NRZ BERT) либо же она связана с преобразованием?

При передаче сигналов PAM4, особенно в оптических доменах, вы можете увидеть, что некоторые переходы более подвержены ошибкам из-за неравномерного открытия глаз на глазковой диаграмме (обратите внимание, что PAM4 имеет сразу ТРИ глаза). Неправильные настройки оптического домена или нелинейная AGC (Automatic Gain Control, автоматическая регулировка усиления) могут вызвать искажение высоты глаза, что неизменно приведет к увеличению частоты ошибок, связанных с этими переходами.

• Является ли ошибка изолированной или всплеском? Если это изолированная ошибка, насколько она изолирована?

Всплеск ошибок может стать проблемой для FEC (Forward Error Correction, Упреждающая коррекция ошибок), но также они могут негативно повлиять на CDR (Forward Error Correction, Упреждающая коррекция ошибок) в SERDES или увеличить джиттер (фазовое дрожание). Инструменты, которые четко определяют всплески ошибок и их причину, могут стать неоценимыми помощниками для поддержания «здорового» FEC.

• Является ли всплеск «реальным» или это на самом деле сдвиг по битам?

С переходом к более сложным SERDES, основанным на DSP (Digital Signal Processor, Цифровой сигнальный процессор), проблема смещения битов стала одной из основных проблем передачи данных. Базовые тестовые наборы просто рассматривают пропущенный бит как ошибку или как всплеск ошибок. И, конечно же, первопричины фиксируемых сдвигов по битам могут очень сильно отличаться между собой, поэтому приложения, которые четко разделяют сдвиги битов и всплески ошибок, а также определяют их первопричины, являются критически важным инструментарием в тестовом наборе.

• Что происходило непосредственно перед появлением ошибки, достаточна ли чувствительность тестовых паттернов к искажениям?

С появлением тестовых паттернов SSPR(Q) для модуляции PAM-4 производители тестовых решений смогли существенно усилить восприимчивость используемых паттернов к стресс-тестам и дрейфу базовой линии.

• Существует ли какая-либо закономерность для периодичности возникновения ошибок или их всплеска?

Иногда ошибки высокоскоростного SERDES не имеют прямого отношения к высокоскоростным полосам канала связи. Например, известна проблема, когда неправильно размещенные и недостаточно изолированные DC-DC преобразователи ставали причиной возникновения периодических проблем с целостностью сигнала у высокоскоростных полос каналов связи.

Выводы

Семейство продуктов ONT (Optical Network Tester, оптические сетевые тестеры) компании Viavi Solutions поддерживает просмотр ошибок в формате, который поможет исследовать подобные проблемы. Такие ошибки не являются чем-то уникальным, и периодически могут случаться, учитывая очень ограниченное пространство модулей QSFP-DD, для которых сохранение целостности сигнала является критически-важной задачей.

И в завершение свежая шутка от команды VIAVI Lab & Production tools: «Использование ONT для сигналов PAM-4 поможем вам понять, все ли ошибки вы делаете правильно!».

Появились вопросы или нужна консультация? Обращайтесь!