Performance von 10GbE-Channel-Links - Teil 1
Einfügedämpfung und Bitfehlerrate
Die Leistungsfähigkeit von Multimode-Fasern zu bestimmen, ist alles anderer als ein triviales Unterfangen. In einer zweiteiligen Artikelserie stellt Dr. Rick Pimpinella die Ergebnisse seiner wissenschaftlichen Forschung in den Panduit Laboratories vor. Teil 1 beschäftigt sich mit der Auswirkung der Einfügedämpfung auf die in der Praxis wichtige Bitfehlerrate.
Seit 2003 untersuchen wir in den Panduit Laboratories die Channel-Performance von
Multimode-Fasern (MMF) gemäß IEEE 802.3ae. Einige unserer wichtigsten Beobachtungen gibt der
folgende Artikel wieder. Die Daten zeigen, wie die Einfügedämpfung (IL, Insertion Loss) von
LWL-Steckverbindern und die mechanische Biegung der Faser zu einem unerwartet hohen Verlust der
Channel-Performance führen können. Modale und räumliche Filterung der übertragenen Moden aufgrund
schlechter Ausrichtung der LWL-Steckverbinder sowie mechanischer Biegung der Faser können eine
beträchtliche selektive Modendämpfung (MSL, Mode Selective Loss) verursachen und somit das
Modenrauschen erhöhen. Das Modenrauschen wurde zwar im IEEE-Channel-Modell berücksichtigt, dieser
Artikel zeigt jedoch, dass bestimmte Bedingungen zu unerwartet hohem Modenrauschen beitragen
können. Unsere Ergebnisse und Schlussfolgerungen basieren auf einem Testsystem für Bitfehlerraten
(BER, Bit Error Rate), das den physischen Ethernet-Link emuliert.
Um die Beschränkungen der Channel-Performance zu identifizieren, müssen wir jede der optischen
Beeinträchtigungen oder optischen Leistungseinbußen, die den Channel Link beeinflussen, genau
untersuchen. Die Leistung des Channels hängt von den Eigenschaften des Ausgangssignals des Senders,
der Empfängerempfindlichkeit und den verschiedenen Leistungseinbußen ab, die die Wellenform der
übertragenen Impulse beeinflussen.
Die Bedeutung jeder dieser Einflüsse und anderer wichtiger Parameter ist zu behandeln. Zuerst
betrachten wir den Parameter "optische Modulationsamplitude" (OMA), der die Performance des
optischen Links stark beeinflusst. Die OMA charakterisiert das Ausgangssignal des Senders und ist
als Differenz zwischen den optischen Leistungsebenen für logisch 0 und logisch 1 definiert. Wir
legen die optischen Leistungsebenen für das 0- und 1-Bit entsprechend auf P0 und P1 fest. Es gilt:
OMA = P1 – P0
Die Bedeutung der OMA kann aus ihrer Beziehung zum Q-Faktor des Links abgeleitet werden, der die
gesamte Signalqualität quantifiziert und in direkter Verbindung zur BER-Leistung des Channels
steht. Im Q-Faktor wird das Verhältnis Signal-zu-Rauschen (SNR, Signal-to-Noise Ratio) der beiden
digitalen Signalebenen P0 und P1 zu einem einzigen Zahlenwert kombiniert, der sich aus der
folgenden Formel ergibt:
Q = (P0 + P1)/(s1 + s2)
wobei s1 und s2 die Standardabweichungen für die optischen Leistungsebenen P1 und P0 sind.
Somit ist der Q-Faktor ein Maß für das kombinierte Verhältnis Signal-zu-Rauschen (SNR) des Links
beziehungsweise die Qualität des Links und ist direkt proportional zur OMA. Je größer die OMA,
desto höher ist die Link-Performance. Dies zeigt unsere BER-Analyse signifikant.
Um den Einfluss der OMA auf die BER-Leistung zu demonstrieren, zeichnen wir im Bild oben die
BER-Kurven für vier Differenzwerte der OMA, wobei BER auf der vertikalen Achse als Funktion der
empfangenen optischen Leistung in Einheiten von dBm auf der horizontalen Achse dargestellt wird.
Mit abnehmender optischer Leistung erhöht sich die Bitfehlerrate. Die resultierende Kurve ist auch
als Wasserfallkurve bekannt. Der Wert der OMA wird in Einheiten negativer dBm angegeben.
Eine weniger negative OMA entspricht somit einer größeren Differenz P1 -P0, woraus sich ein
höherer Q-Faktor (oder SNR) ergibt. Durch Erhöhen der OMA (weniger negativ) wird die BER-Kurve nach
links verschoben. Somit ergibt sich eine zusätzliche optische Leistungsreserve aufgrund einer
verbesserten SNR. Zum Beispiel verbessert die Erhöhung der OMA von -4,01 dBm auf -3,22 dBm die
minimal erhaltene Leistung von -10,78 dBm auf -11,5 dBm bei einer BER von 10–12 (Verbesserung um
0,72 dB).
Es ist wichtig zu beachten, dass die Channel-Link-Performance direkt von der OMA des Senders
abhängt. Daher ist es angeraten, beim Testen oder Zertifizieren eines Channel Links einen
Transceiver mit einer minimalen OMA zu verwenden, um zu gewährleisten, dass die bereitgestellten
System-Transceiver mit grenzwertiger OMA mit gleicher oder höherer Leistung arbeiten. Für die
Messung der minimalen OMA des Senders findet man in der Norm IEEE 802.3ae (10GBase-SR) eine
Tabelle, in der die minimale OMA mit den Spektralbreiten von Vertical-Cavity
Surface-Emitting-Lasern (VCSEL) in Korrelation gesetzt ist.
Nun behandeln wir den direkten Einfluss der SNR auf die Link-Performance. Dazu betrachten wir
das Senden eines optischen Bitstroms in einen MMF-Channel-Link, der als optische Leistung pin(t)
als Funktion der Zeit t dargestellt wird (siehe Bild oben).
Die unmittelbare optische Leistung am Null- und Eins-Bit ist vom Systemrauschen abhängig. Dazu
gehören unter anderem Sendeschwankungen, relatives Intensitätsrauschen, Modenverteilungsrauschen,
Modenrauschen und Schrotrauschen im Empfänger sowie thermisches Rauschen in der Elektronik. Im Bild
ist dies als graue Bereiche bei p0 und p1 dargestellt.
Die Überschneidungsfläche in den optischen Leistungsverteilungen für p0 und p1 vergrößert sich
auch bei Erhöhung des Rauschens durch Erhöhen der optischen Leistung. Zum besseren Verständnis des
Einflusses des Rauschens wenden wir uns nun den optischen Beeinträchtigungen zu, die das Rauschen
zur optischen Signalleistung beiträgt. Es gibt sechs wichtige optische Beeinträchtigungen (genaue
Definition in der Onlineversion dieses Artikels) oder optische Leistungseinbußen, die optische
Channel-Links schwächen:
1. Intersymbolinterferenz (ISI),
2. Modenverteilungsrauschen (MPN),
3. Relatives Intensitätsrauschen (RIN),
4. Modenrauschen (MN),
5. Reflektionsrauschen (RN) und
6. Polarisationsrauschen (PN).
Jede dieser optischen Leistungseinbußen schwächt das Verhältnis Signal-zu-Rauschen (oder
Q-Faktor) des optischen Channel-Links durch Verursachen unerwünschter Amplitudenmodulation oder
zeitlicher Signalschwankungen am Empfänger. Es wird sich jedoch zeigen, dass das von der
Einfügedämpfung durch LWL-Steckverbinder verursachte Modenrauschen die BER-Leistung stark
beeinflusst. Die Verlustzuordnung jeder dieser Einbußen wurde mithilfe des
IEEE-802.3ae-Link-Modells berechnet und als Referenz im Bild unten aufgeführt.
Um den Einfluss der Einfügedämpfung durch LWL-Steckverbinder oder der mechanischen Biegung der
Faser auf die BER-Channel-Link-Performance zu verstehen, muss man die Bedingungen für die
Generierung von Modenrauschen untersuchen. Folgende drei Bedingungen sind für Modenrauschen
erforderlich: (1) eine kohärente Laserquelle mit geringer Spektralweite, (2) das Vorhandensein
modaler oder räumlicher Filterung und (3) eine zeitliche Variation der modalen oder räumlichen
Filterung.
Für die Bedingungen (1) und (3) betrachten wir das Verhalten des VCSELs. Mithilfe eines
optischen Präzisionsspektralanalysators (OSA, Optical Spectral Analayzer) haben wir die
Spektralbreiten- und zeitliche Abhängigkeit der optischen Moden gemessen, die in einer
OM3-Multimode-Faser für den in unserem BER-System verwendeten VCSEL übertragen werden (Bild auf
Seite 40). Die Spektralbreite unseres VCSEL ist ausreichend eng, um Bedingung (1) zu erfüllen.
Somit sind die übertragenen Fasermoden kohärent. Zwischen kohärenten Moden bestehen gegenseitige
Interferenzen. Diese wichtige Bedingung wird später behandelt. Eine nähere Untersuchung der fünf
Scans zeigt, dass die optische Leistung dynamisch zwischen Moden und Polarisationszuständen
wechselt. Wenn wir zum Beispiel die Scans 7 und 8 vergleichen, sehen wir (durch Pfeile bezeichnet),
dass die optische Leistung in und aus einem Modus wechselt, der bei 848,1 nm zentriert ist. In den
Scans 9 und 10 beobachten wir einen Leistungswechsel zwischen Polarisationszuständen für den Modus,
der bei 848,75 nm zentriert ist. Dieses dynamische VCSEL-Verhalten verursacht MPN und PN und
erfüllt vor allen die Bedingung (3), die für die Generierung von MN erforderlich ist.
Die letzte erforderliche Bedingung für die Generierung von Modenrauschen ist modale oder
räumliche Filterung, die von LWL-Steckverbindern oder mechanischen Defekten der optischen Faser
verursacht wird. Die Einfügedämpfung, die von den LWL-Steckverbindern verursacht wird, basiert
primär auf einer seitlichen Verschiebung oder einer schlechten Ausrichtung zwischen zwei
Faserkernen. Die Verschiebung ist auf schlechte Konzentrizität der Hülsenbohrung des
LWL-Steckverbinders, eine übergroße Hülsenbohrung an der Stelle, wo die Fasern zusammentreffen,
beziehungsweise eine schlechte Konzentrizität des Faserkerns oder der Faserummantelung
zurückzuführen. Messungen von Bohrungskonzentrizität für eine große Anzahl von Hülsen von fünf
führenden Herstellern zeigen, dass seitliche Verschiebungen bei LWL-Steckverbinderschnittstellen
bis zu 6 Mikron (2 s) betragen können, was theoretisch zu einem Verlust von etwa 1,9 dB führt.
Beim Übergang der Moden von MMF 1 zu MMF 2 werden nur diejenigen so genannten Speckle-Muster in
diese Faser übertragen, die mit dem Kern von MMF 2 übereinstimmen. Die optische Leistung, die nahe
der Schnittstelle zwischen Kern und Ummantelung der Eingangs-Multimode-Faser (MMF 1) übertragen
werden, gelangen in die Ummantelung von MMF 2 und gehen somit verloren. Eine
LWL-Steckverbinderschnittstelle mit fester Verschiebung trägt zu Verlusten bei. Die Verluste hängen
jedoch von Änderungen in den Quellenausgangsmoden und physischen Verzerrungen der Faser in den
Regionen vor der schlecht ausgerichteten LWL-Steckverbinderschnittstelle ab. Die durchschnittliche
Dämpfung der Schnittstelle ist die Einfügedämpfung des LWL-Steckverbinders und wird im modalen
IEEE-Link-Modell als IL bezeichnet. Dieselbe schlechte Ausrichtung, die für die Einfügedämpfung
verantwortlich ist, dämpft selektiv nur die Moden höherer Ordnung, die in den äußeren Regionen des
Kerns übertragen werden (MSL). Moden niederer Ordnung gehen in Bereiche nahe der Kernmitte und sind
somit nicht von schlechter Kernausrichtung betroffen. Daher resultieren die Wechsel in der Leistung
in einer Amplitudenmodulation in MMF 2, was am Detektor als selektive Modendämpfung auftritt.
Die selektive Modendämpfung kann als räumliche Filterung gelten und erfüllt somit die dritte für
die Generierung von Modenrauschen erforderliche Bedingung. Es besteht kein Zweifel daran, dass MN
zur Link-Schwächung beiträgt. Die Frage ist, in welchem Ausmaß dies geschieht. Im Bild auf Seite 41
zeigen wir unsere experimentellen Ergebnisse von achtzehn aufeinander folgenden BER-Messungen für
eine einzelne 2750-MHz/km-OM3-Faser von 300m Länge mit zwei Eingangs-LWL-Steckverbindern, die eine
selektive Modendämpfung verursachen. Eine Untersuchung jeder der BER-Abbildungen zeigt eine große
zeitliche Abhängigkeit, wobei die BER bei optischer Leistung oberhalb von -9,0 dBm um fast drei
Größenordnungen variiert. Eine BER-Systemleistung von 10–12 ist bei optischer Leistung im Bereich
von -9,25 dBm bis -8,0 dBm erreicht, und die Systemleistung ändert sich innerhalb von Minuten. In
diesem Fall würde der Link die Anforderungen von 802.3ae nicht erfüllen, in der ein Minimum von
-9,9 dBm empfangener Leistung vorgesehen ist. Zur Erreichung niedriger Bitfehlerraten kann die
Erfassung jedes Messdatenpunkts bis zu 20 Minuten und die Erfassung jeder Kurve bis zu vier Stunden
in Anspruch nehmen.
Die Generierung von Modenrauschen aufgrund von selektiver Modendämpfung kann auch durch das
Einführen kurzer Patch-Kabel erfolgen, die mit der zu testenden Faser verbunden sind und deren
Ausrichtung veränderbar ist. In dieser Testkonfiguration verursachten wir absichtlich eine
Verschiebung der Faser für Verluste von 0,19 dB, 0,95 dB und 1,7 dB. Es zeigt sich, dass bei
Erhöhung der seitlichen Verschiebung zwischen den Faserkernen die BER-Leistung geschwächt und ein
Rauschen erzeugt wird. Im experimentellen Aufbau haben die Fasern keinen physischen Kontakt
zueinander. Somit existiert eine axiale Trennung zwischen zwei Fasern, die zur räumlichen Filterung
beiträgt. Daher zeigen die BER-Ergebnisse sowohl axiale als auch seitliche Modenfilterung. Es ist
wichtig anzumerken, dass der eingekreiste Fluss unseres BER-VCSELs den Standards für 10 GBit/s
Ethernet entspricht und wir somit eine eingeschränkte Modenstartbedingung haben. Durch
Überflussstartbedingungen wird mehr Modenrauschen generiert. Eine genaue Analyse des Augendiagramms
zeigt, dass das Rauschen die optische Leistungsebene der logischen Eins dominiert, was
charakteristisch für Modenrauschen ist.
Selektive Modendämpfung kann auch durch Mikro- und Makrobiegung der Faser begründet sein. Eine
Makrobiegung der Faser verursacht Modenfilterung durch Dämpfung höherer Moden, die in der Faser
übertragen werden, und führt somit zum selben Endergebnis. BER-Messungen für Mikrobiegung der Faser
zeigen ähnliche Ergebnisse.
Minimierung des Modenrauschens
Obwohl MSL die Link-Performance zum Teil beträchtlich reduziert, lässt sich der Einfluss von MSL
auf das Modenrauschen minimieren. Die Verwendung qualitativ hochwertiger LWL-Steckverbinder mit
geringen Verlusten kann den Einfluss durch geringe selektive Modendämpfung verringern und somit das
Modenrauschen senken. Um dies darzustellen, haben wir zwölf qualitativ hochwertige SC-Patch-Kabel
am Eingang einer OM3-Faser von 300m Länge verkettet. Damit ergibt sich eine kombinierte
Einfügedämpfung von 0,9 dB. Für einen einzelnen LWL-Steckverbinder mit einer Einfügedämpfung von
0,9 dB zeigen unsere Experimente eine messbare Verschlechterung der BER-Leistung aufgrund von MSL.
Bei LWL-Steckverbindern mit niedrigen Verlusten trägt jeder LWL-Steckverbinder nur eine geringe
Verschiebung bei. Somit ist die MSL minimal.
Einfluss von Makro- und Mikrobiegung
Die Differenz in ISI-Einbußen zwischen 2000-MHz/km- und 4700-MHz/km-Faser für eine
Channel-Reichweite von 300 m beträgt 1,67 dB. Daraus könnte man ableiten, dass eine zusätzliche
optische Leistungsreserve zum Einsatz von weiteren LWL-Steckverbindern oder LWL-Steckverbindern mit
höherem IL zur Verfügung stehen würde. Die Ergebnisse unseres Experiments unterstreichen jedoch die
Wichtigkeit, die Minimierung der selektiven Modendämpfung wie auch der Makro- und Mikrobiegung des
Faserkabels anzustreben. Die Erhöhung der Anzahl von LWL-Steckverbindern oder die Verwendung von
LWL-Steckverbindern mit hohem IL kann durch Erhöhung des Modenrauschens einen negativen Einfluss
auf die Channel-Performance haben. In der Praxis würde dies einen Tausch von ISI gegen MN bedeuten.
Es ist daher empfehlenswert, beim der Planung eines optischen Channels nicht deshalb die
höherwertigen Enhanced-OM3-Fasern zu verwenden, um einfach nur die Anzahl der LWL-Steckverbinder im
Link erhöhen zu können.
Zusammenfassung
Wir haben seit 2003 die BER-Leistung von optischen 10-GBit/s-MMF-Channel-Links untersucht und
dabei mehrere wichtige Beobachtungen gemacht. Eine hohe Einfügedämpfung durch LWL-Steckverbinder
und starke Mikrobiegung der Faser kann bedeutende räumliche Filterung verursachen, die selektiv
höhere Moden dämpft, die in der MMF übertragen werden.
Diese Bedingung in Kombination mit der VCSEL-Laserquelle und Fluktuationen der
Modenausgangsleistung des VCSELs resultiert in einer unerwünschten Amplitudenmodulation
(Modenrauschen) am optischen Empfänger. Es zeigt sich, dass das Modenrauschen für einen
10-GBit/s-Ethernet-Link den Q-Faktor und das Verhältnis vom Signal zum Rauschen reduzieren kann,
somit eine Überschneidung der optischen Leistungsebenen für logisch 0 und 1 verursacht sowie die
BER-Leistung des Links verschlechtert.
Es ist folglich wichtig, einen 10-GBit/sEthernet-MMF-Channel-Link mit qualitativ hochwertigen
LWL-Steckverbindern und -Fasern aufzubauen. Außerdem ist sorgfältig darauf zu achten, die
Biegeradien während der Installation einzuhalten. Das Nichtbefolgen dieser Ratschläge kann zu einem
System mit hoher räumlicher Modenfilterung und erhöhtem Modenrauschen im Link führen. Dies gilt
insbesondere beim Einsatz von vorkonfektionierten Kassettenlösungen, die MPO/MTP und andere
LWL-Steckverbinder enthalten.
Obwohl die Verwendung von Fasern mit höherer Bandbreite (Enhanced OM3) zusätzliche optische
Leistungsreserven bietet, gilt die auch auf die Praxis enwendbare Empfehlung, diese eher
zusätzlichen Leistungsreserven nicht zugunsten schlechterer Einfügedämpfung der LWL-Stecker zu
verwenden, sondern sie für die nächste Generation von Netzwerkarchitekturen zu reservieren.
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