Trong thiết kế mạng trung tâm dữ liệu, việc lựa chọn cáp quang bị chi phối bởi hai hạn chế chính: yêu cầu về tốc độ truyền và phạm vi tiếp cận kênh. Mặc dù cáp quang chế độ đơn (SMF) cung cấp phạm vi tiếp cận rộng rãi phù hợp cho các ứng dụng WAN và trường học,sợi đa mode(MMF) vẫn là phương tiện chiếm ưu thế cho kết nối trung tâm dữ liệu-nội bộ{1}}tầm ngắn do chi phí của bộ thu phát dựa trên VCSEL- thấp hơn.
Tuy nhiên,sợi đa modebị giới hạn khoảng cách nghiêm ngặt do vật lý quang học. Khi các tiêu chuẩn Ethernet phát triển từ 10GBASE-SR lên 40GBASE-SR4 và 100GBASE-SR4, độ dài kênh cho phép sẽ giảm đáng kể. Hiểu biết vềgiới hạn khoảng cách sợi đa modeđối với từng loại chế độ quang học (OM) là điều cần thiết để đảm bảo tính tuân thủ của lớp vật lý và tính toàn vẹn tín hiệu.
Bài viết này phân tích các thông số kỹ thuật, khả năng băng thông vàkhoảng cách tối đa cho cáp quang đa modephân loại từ OM1 đến OM5.
Ràng buộc vật lý đối với truyền dẫn đa chế độ
Giới hạn khoảng cách trong hệ thống quang học đa mode chủ yếu do hai yếu tố gây ra: Phân tán màu và Suy hao (tổn thất điện năng quang).
Phân tán phương thức và nhiễu liên ký hiệu
Không giống như sợi quang đơn mode truyền một chế độ ánh sáng duy nhất,sợi đa modecó đường kính lõi lớn hơn (50µm hoặc 62,5µm) hỗ trợ hàng trăm chế độ lan truyền.
Khi một xung ánh sáng được đưa vào sợi quang, các chế độ khác nhau sẽ truyền đi những quãng đường có độ dài khác nhau. Các chế độ bậc-cao (di chuyển gần lớp bọc) có đường đi dài hơn các chế độ bậc-thấp (di chuyển gần trục). Hiện tượng này, được gọi là Độ trễ chế độ vi sai (DMD), làm cho xung quang lan ra theo thời gian.
Khi tốc độ truyền tăng, khoảng cách giữa các bit sẽ giảm. Sự trải rộng xung quá mức dẫn đến Giao thoa giữa các ký hiệu (ISI), trong đó các bit liền kề chồng lên nhau, khiến bộ thu không thể đọc được tín hiệu. Điều này đòi hỏi độ dài cáp ngắn hơn để duy trì Tỷ lệ lỗi bit (BER) có thể chấp nhận được.
Băng thông-Sản phẩm khoảng cách
Hiệu suất của cáp đa chế độ được định lượng bằng Băng thông phương thức hiệu quả (EMB), được đo bằng MHz·km.
Khởi động quá đầy (OFL):Được sử dụng để đo băng thông với nguồn LED (OM1/OM2).
Tối ưu hóa tia laser (EMB):Được sử dụng để đo băng thông với nguồn VCSEL (OM3/OM4/OM5).
Giá trị EMB cao hơn cho thấy khả năng truyền dữ liệu trên khoảng cách xa hơn trước khi phân tán phương thức làm suy giảm tín hiệu.
Thông số kỹ thuật theo loại sợi
Hiệp hội Công nghiệp Viễn thông (TIA) và ISO/IEC xác định năm loại sợi đa mode. Mỗi thế hệ được xác định bởi đường kính lõi, tối ưu hóa nguồn sáng và dung lượng băng thông.
OM1 và OM2 (Tiêu chuẩn kế thừa)
Sợi OM1 và OM2 được thiết kế cho các ứng dụng Fast Ethernet và Gigabit Ethernet sử dụng nguồn sáng LED.
OM1 (62,5/125 µm):
Màu áo khoác:Quả cam.
Băng thông:200 MHz·km (ở 850nm).
Giới hạn khoảng cách:Có khả năng 275 mét ở tốc độ 1 Gbps. Ở tốc độ 10 Gbps,giới hạn khoảng cách sợi đa modegiảm xuống còn 33 mét, khiến nó không phù hợp với cấu trúc liên kết hiện đại.
OM2 (50/125 µm):
Màu áo khoác:Quả cam.
Băng thông:500 MHz·km (ở 850nm).
Giới hạn khoảng cách:Có khả năng 550 mét ở tốc độ 1 Gbps nhưng bị giới hạn ở 82 mét ở tốc độ 10 Gbps.
Lưu ý: OM1 và OM2 được coi là lỗi thời đối với các cài đặt mới yêu cầu tốc độ trên 1 Gbps.
OM3 (Laser-Tối ưu hóa 50 µm)
OM3 đã đánh dấu sự chuyển đổi sang tối ưu hóa-Bề mặt khoang-Phát ra tia laze (VCSEL) theo chiều dọc. Đây là tiêu chuẩn cấp đầu tiên cho 10 Gigabit Ethernet.
Màu áo khoác:Aqua.
Băng thông phương thức hiệu quả (EMB):2000 MHz·km.
Ứng dụng:OM3 hỗ trợ 10GBASE-SR tối đa300 mét. Đối với quang học song song tốc độ cao-(40GBASE-SR4 và 100GBASE-SR4),chiều dài tối đa của sợi đa modebị giới hạn ở100 mét.
OM4 (Laser băng thông cao-Laser băng thông cao-Được tối ưu hóa 50 µm)
OM4 cung cấp thông số kỹ thuật băng thông cao hơn OM3, giảm độ trễ chế độ vi sai. Điều này cho phép phạm vi tiếp cận mở rộng và biên độ mất chèn cao hơn.
Màu áo khoác:Aqua hoặc Violet (Erika Violet).
Băng thông phương thức hiệu quả (EMB):4700 MHz·km.
Ứng dụng:OM4 mở rộng phạm vi tiếp cận 10GBASE-SR tới550 mét. Đặc biệt đối với các đường trục của trung tâm dữ liệu, nó hỗ trợ các ứng dụng 40G/100G lên đến150 mét.
OM5 (Sợi quang đa mode băng rộng)
OM5 được TIA-492AAAE chỉ định và được thiết kế để hỗ trợ Ghép kênh phân chia sóng ngắn (SWDM).
Màu áo khoác:Màu Xanh chanh.
Đặc tính kỹ thuật:Không giống như OM3/OM4 được tối ưu hóa chủ yếu cho 850nm, OM5 được chỉ định cho dải bước sóng rộng từ 850nm đến 953nm.
Thông số khoảng cách:Đối với các bộ thu phát IEEE 802.3 tiêu chuẩn (sử dụng bước sóng đơn ở 850nm), OM5 cung cấp tính năng tương tựkhoảng cách tối đa cho cáp quang đa modenhư OM4. Ưu điểm của nó chỉ được nhận ra khi sử dụng bộ thu phát SWDM4 để truyền nhiều tín hiệu qua một cặp sợi quang.
Bảng tham chiếu giới hạn khoảng cách
Bảng sau đây tóm tắt cácchiều dài tối đa của cáp quangđược hỗ trợ bởi tiêu chuẩn IEEE 802.3Ethernetứng dụng.
|
Danh mục chất xơ |
100 Mb/giây (Ethernet nhanh) |
1 Gbps (1000BASE-SX) |
10 Gbps (10GBASE-SR) |
40 Gbps (40GBASE-SR4) |
100 Gbps (100GBASE-SR4) |
|
OM1 |
2000 m |
275 m |
33 m |
Không được hỗ trợ |
Không được hỗ trợ |
|
OM2 |
2000 m |
550 m |
82 m |
Không được hỗ trợ |
Không được hỗ trợ |
|
OM3 |
2000 m |
550 m |
300 m |
100 m |
70 m |
|
OM4 |
2000 m |
550 m |
550 m |
150 m |
100 m |
|
OM5 |
2000 m |
550 m |
550 m |
150 m |
100 m |
Cân nhắc kỹ thuật cho khoảng cách tối đa
Đạt được lý thuyếtkhoảng cách tối đa của sợi đa modeđòi hỏi phải tuân thủ nghiêm ngặt ngân sách mất liên kết. Cáp vật lý chỉ là một thành phần của kênh; Mất khả năng chèn từ các điểm kết nối ảnh hưởng đáng kể đến phạm vi tiếp cận có thể đạt được.
Ngân sách mất kênh chèn
Khi tốc độ dữ liệu tăng lên, mức tổn hao quang học cho phép sẽ giảm đi.
10GBASE-SR (OM3):Ngân sách khoảng . 2.6 dB.
40GBASE-SR4 (OM3):Ngân sách khoảng . 1.9 dB.
Nếu một liên kết cáp có cấu trúc bao gồm nhiều bảng vá lỗi, băng cassette hoặc kết nối chéo-thì tổng cộngmất chèncó thể vượt quá ngưỡng độ nhạy của bộ thu phát trước khi đạt được độ dài cáp tối đa. Các kỹ sư phải tính tổng tổn thất bằng công thức:
Suy hao liên kết=(Chiều dài cáp × dB/km) + (Cặp đầu nối × Suy hao/cặp)
Sử dụng đầu nối MTP/MPO có tổn thất cực thấp (ULL) (thường<0.35 dB) is often required to support maximum distance runs in 40G/100G architectures.
Phương sai bộ thu phát (Tiêu chuẩn so với phạm vi tiếp cận mở rộng)
Khoảng cách được liệt kê trong bảng trên đề cập đến thông số kỹ thuật tiêu chuẩn của IEEE. Tuy nhiên, bộ thu phát "Phạm vi tiếp cận mở rộng" (eSR4/CSR4) đã có mặt trên thị trường.
Tiêu chuẩn 100G-SR4 trên OM4:100 mét.
100G-eSR4 độc quyền trên OM4:Lên đến 300 mét.
Các thiết bị quang học không{0}}chuẩn này sử dụng công suất phát cao hơn hoặc bộ thu nhạy hơn để khắc phụcgiới hạn khoảng cách sợi đa mode. Khả năng tương thích phải được xác minh với nhà sản xuất công tắc.
Tiêu chí lựa chọn cáp
Khi thiết kế cơ sở hạ tầng lớp vật lý, các ngưỡng sau đóng vai trò là hướng dẫn lựa chọn tiêu chuẩn:
Đạt <100 mét:OM3 cung cấp đủ băng thông cho 10G, 40G và 100G. Đây là giải pháp-hiệu quả nhất về mặt chi phí cho các kết nối nội-rack và Top{7}}of-Rack (ToR) đến End-of-Row (EoR).
Đạt 100 - 150 mét:OM4 bắt buộc phải hỗ trợ tốc độ truyền 40G/100G. OM3 không đủ cho những khoảng cách này theo giao thức SR4 tiêu chuẩn.
Đạt > 150 mét:Đối với các liên kết vượt quá 150 mét, Sợi quang-chế độ đơn (OS2) là tiêu chuẩn kỹ thuật được đề xuất. Trong khisợi đa modecó khả năng truyền 1G hoặc 10G ở khoảng cách xa hơn nhưng không thể hỗ trợ di chuyển tới 40G/100G vượt quá giới hạn 150{6}}mét. Triển khai Sợi quang đơn chế độ đảm bảo khả năng tương thích trong tương lai với kiến trúc PSM4 hoặc DR4.
Phần kết luận
cácgiới hạn khoảng cách sợi đa modelà một chức năng của Băng thông phương thức hiệu quả của cáp và tốc độ truyền của thiết bị hoạt động. Mặc dù các sợi OM1 và OM2 cũ đã lỗi thời đối với mạng-tốc độ cao, nhưng OM3 và OM4 vẫn là tiêu chuẩn ngành dành cho các ứng dụng trung tâm dữ liệu có phạm vi tiếp cận ngắn.
Đối với các nhà quy hoạch mạng, điểm phân giới quan trọng là 150 mét. Dưới ngưỡng này, OM4 mang lại sự cân bằng tối ưu giữa hiệu suất và chi phí thu phát. Ngoài ngưỡng này, cần có Cáp quang chế độ đơn (OS2) để đảm bảo tính toàn vẹn của tín hiệu và hỗ trợ giao thức cho các tiêu chuẩn Ethernet hiện tại và tương lai.
Câu hỏi thường gặp
Sợi OM5 có tốt hơn OM4 đối với mạng 10G/40G/100G tiêu chuẩn không?
Không dành cho giới hạn khoảng cách tiêu chuẩn. Đối với quang học song song truyền thống (SR4) sử dụng một bước sóng duy nhất (850nm), OM5 cung cấp các giới hạn khoảng cách chính xác giống như OM4 (ví dụ: 100m đối với 100GBASE-SR4). OM5 chỉ vượt trội hơn khi sử dụng bộ thu phát SWDM (Ghép kênh phân chia sóng ngắn), nơi nó cho phép nhiều bước sóng truyền đi trên cùng một sợi quang. Nếu bạn không sử dụng quang học SWDM, OM5 không mang lại lợi ích bổ sung nào so với OM4.
Tại sao giới hạn khoảng cách cho 40G và 100G lại ngắn hơn 10G?
Bởi vì sự phân tán phương thức. Khi tốc độ dữ liệu tăng (thời lượng xung giảm), bộ thu quang trở nên nhạy cảm hơn nhiều với "sự nhòe tín hiệu" (tán sắc) do ánh sáng đi theo các đường khác nhau qua lõi sợi quang. Một lượng nhỏ tín hiệu lan truyền có thể chấp nhận được ở tốc độ 10Gbps sẽ trở thành lỗi nghiêm trọng ở tốc độ 100Gbps, buộc phải giảm khoảng cách vật lý tối đa để duy trì tính toàn vẹn của tín hiệu.
Tôi nên chuyển từ chế độ Đa chế độ sang Sợi quang{0}}chế độ đơn ở khoảng cách nào?
"Quy tắc 150 mét" là phương pháp hay nhất trong ngành.
Dưới 150 mét: Đa chế độ (OM4) thường tiết kiệm chi phí hơn- do quang học rẻ hơn.
Trên 150 mét: Nên sử dụng Chế độ-đơn (OS2).
Sợi OM4 có tương thích ngược với OM3 không?
Có, hoàn toàn tương thích ngược.Sợi OM4 về cơ bản là phiên bản "thông số kỹ thuật cao hơn" của OM3. Bạn có thể cài đặt cáp OM4 ngay hôm nay và sử dụng nó với các bộ thu phát 10G OM3 cũ hơn. Liên kết sẽ hoạt động bình thường.
