Optische Netze

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Teil 11 von 71 aus der Serie "Professionelle Datenkommunikation"
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Optische Datenübertragung gibt es theoretisch schon seit mehreren Jahrzehnten. Die Technologie hat aber grade in den letzten Jahren erhebliche Umbrüche mitgemacht und speziell für die Optischen Netze bedeuten diese Umbrüche, dass man nicht mehr wie bisher lediglich die Übertragung als solche auf optischen Medien vornehmen kann, sondern zunehmend auch die Funktionen des Kernnetzes, wie Routing und Switching, durch rein optische Technologie realisieren kann.

Videos zu diesem Kapitel: Optische Netze, Teil 1 und 2, Dr.Kauffels

Optische Netze sind die Zukunft der Datenverarbeitung. Sie stellen bisher ungeahnte Bandbreiten im Terabit/s.-Bereich zu einem enorm günstigen Preis pro Bit zur Verfügung. Sie übertreffen die kühnsten Visionen hinsichtlich der Verteilbarkeit von Anwendungen. Der Kapazitätsbedarf des Internets verdoppelt sich je nach geographischer Sichtweise alle sechs bis zwölf Monate. Eine Sättigung der Teilnehmerzahlen ist höchstens in Nordamerika zu erwarten, in allen anderen Teilen der Welt steht das enorme Wachstum erst noch bevor. Insgesamt besitzen noch keine 3% der Weltbevölkerung einen Internet-Anschluss. Die Internet-Bewegung würde völlig ins Leere laufen, wenn man sich bei der Übertragungstechnik auf die bekannten konventionellen Systeme verlassen müsste. Die elektronischen Switches können ihre Übertragungsleistung nämlich im Groben nur entlang des Moore´schen Gesetzes erhöhen, was in etwa eine Verdoppelung der Möglichkeiten ca. 18 Monate vorsieht. Die Schere zwischen Anforderungen und Möglichkeiten geht also immer weiter auseinander.

Bei den Fernnetzen (WANS) ist der SONET-Standard allgegenwärtig. Er hat durch seine Eigenschaften dazu beigetragen, dass sich die weltweite Kommunikation im letzten Jahrzehnt so enorm entwickeln konnte. Sein wichtigster Beitrag liegt sicher in der Herstellung der Interoperabilität der Lösungen unterschiedlicher Hersteller. SONET ist eine Entwicklung aus den USA und Kanada, die aber letztlich auch in ITU-Standards im Rahmen der Synchronen optischen Netzwerkhierarchie eingebettet wurde. Ein weiterer Vorteil von SONET ist die enorme erreichbare Stabilität der nach dem Standard aufgebauten Netze, besonders durch das schnelle Wiederaufsetzen nach Fehlern.

Der synchrone Übertragungsstandard ist allerdings auch sehr komplex und bezieht einen Teil dieser Komplexität aus der Tatsache, dass er im Rahmen der durch die Telefonie geprägten Telekommunikationssysteme entworfen wurde. Es gibt im Standard eine Vielzahl von Möglichkeiten, Datenströme geringer Bandbreite, wie sie eben bei digitaler Telefonie entstehen, systematisch zu multiplexen, zu pflegen und zu übertragen. Das ist angesichts des Entwicklungshorizonts auch verständlich, führt allerdings zu einer starken Fixierung auf eben diesen Bereich.

Aufbau, Komponenten und Wirkungsbereiche Optischer Netze

Unter Optischen Netzwerken versteht man Telekommunikationsnetze, die auf optischer Übertragungstechnologie und entsprechenden Komponenten basieren und Weiterleitung von Informationen sowie Aufbereitung und Wiederherstellung von Signalen auf dem Niveau der Lichtwellen durchführen. Außerdem fasst man auch die durch solche Netze gelieferten Dienste unter diesen Begriff. Dies steht deutlich im Gegensatz zu bisherigen Definitionen z.B. auf dem Bereich der LANs, wo zwar die Datenübertragung auf Lichtwellenleitern, das Switching und die Signalaufbereitung aber in herkömmlicher Weise durch elektronische Komponenten durchgeführt werden.

Die ersten digitalen Netze waren asynchron. In asynchronen Netzen wird das übertragene Signal von der internen Uhr eines jeden Netzwerkelements selbst getimed. Da sich diese internen Uhren und ihre Einstellungen alle ggf. erheblich voneinander unterscheiden konnten, konnten ankommende und abgehende Signale erhebliche Varianzen im Timing aufweisen, was vielfach zu Bitfehlern führte. Als die Technik der Lichtwellenleiter aufkam, gab es keine Standards darüber, wie die Netzwerk-Elemente die optischen Signale formatieren sollten. Tausende proprietäre Verfahren nicht nur hinsichtlich der Informationsdarstellung, sondern auch hinsichtlich der Bitraten und Protokolle erschwerten es den Providern, Equipment unterschiedlicher Hersteller miteinander zu verbinden und zusammen zu betreiben.

Die Notwendigkeit, Standards zu schaffen, führte zur synchronen optischen Netzwerk-Hierarchie, SONET. SONET standardisiert Übertragungsraten, Codierungsschemata, Hierarchien von Bitraten sowie Betriebs- und Wartungsfunktionalitäten. Wir kennen aus diesem Umfeld die ”OC”-Datenraten (Optical Channel), z.B. OC-3 mit 155 Mbps. SONET definiert auch die Arten von Netzwerkeinrichtungen, die man benötigt, Netzwerk-Architekturen, die die Hersteller implementieren können und die Funktionalität, die jeder Knoten können muss. Provider konnten jetzt Geräte unterschiedlicher Hersteller im Vertrauen auf eine gemeinschaftliche Grundfunktionalität benutzen. SONET hat für diesen Bereich eine ähnliche Bedeutung wie IEEE 802 für LANs und ist auch in dieser Zeit entstanden. Eine z.B. im Umfeld von SONET definierte Architektur ist der sog. SDH-Ring, ein ringförmiges optisches Netzwerk. Wie der Begriff ”synchron” schon nahelegt, sind alle Systeme nach SONET zentral getaktet. Im Gegensatz zu LANs weisen sie keine Pakete variabler Länge, sondern Basis-Formate fester Länge für die Übertragung auf. In diese Basis-Formate muss die Nutzlast eingepackt werden.

Systeme nach den SONET-Definitionen gibt es schon eine geraume Zeit und der Aspekt, der ihnen ein langes Leben beschert hat ist die Skalierbarkeit in der Netzwerk-Leistung, in letzter Zeit der Kernpunkt überhaupt. In SONET gibt es theoretisch die Möglichkeit, die Bitraten nach einem festen Entwicklungsschema immer weiter zu erhöhen. Die einzige Anforderung ist, dass Datenströme geringerer SONET-Bitraten in Datenströmen höherer Bitraten verlustfrei gebündelt und entsprechend wieder entbündelt werden können. So nimmt z.B. ein 622 Mbps OC-4 Kanal 4 155 Mbps OC-3-Kanäle auf. Daher auch die manchmal sehr ”krumm” erscheinenden Bitraten mit mehreren Stellen hinter dem Komma. Allerdings, sobald man die höheren Bitraten implementieren möchte, stößt man an physikalische Grenzen der Laser-Lichtquellen und Glasfasern. Außerdem wird die Technik, mit der man Zubringersysteme an das Hauptnetz anschließt, immer komplizierter. Kunden verlangen mehr Services, höhere Bandbreiten und die Übertragung verschiedenster Informationsströme zu immer geringeren Kosten. Um Ende-zu- Ende-Connectivity für die unterschiedlichen Wünsche im Rahmen hoher Übertragungskapazität zu gewährleisten, wurde ein neues Paradigma benötigt: das Optische Netz, welches die geforderte hohe Bandbreite (im Terabit/s-Bereich) mit wellenlängenorientierten Ende-zu-Ende-Dienstleistungen erbringt.

Es gibt drei Ebenen, die wir gleich weiter besprechen werden. Die äußerste ist die Access-Ebene, wo letztlich ein Multiplexer zum Kunden Zugriff auf ein relativ lokales System hat, welches mittels eines optischen Gateways in einen Regionalbereich eingekoppelt wird. Im Regionalbereich gibt es etwa 8 – 40 verschiedene Lichtwellenlängen. Die Knoten des Regionalbereiches wiederum klinken sich in einen entsprechenden Fernbereichs-Backbone ein, der nach heutigem Stand ca. 40 – 500 verschiedene Lichtwellenlängen hat. Dies ist schon seit langem die Grund-Struktur von Telekommunkationssystemen, der Unterschied ist aber jetzt, dass es von Kunde zu Kunde reine optische Ende-zu-Ende-Verbindungen gibt.

In den Abbildungen 1, 2 und 3 sieht man die Entwicklung. Bei einem konventionellen Glasfaser-Übertragungssystem gibt es eine Informationsquelle, deren Gehalt auf ein Sendesignal z.B. aus einem Laser, moduliert wird. Das Ergebnis wird dann über die Glasfaser übertragen und am Ende demoduliert. Bei diesen konventionellen Systemen haben sich schnell zwei Untergruppen herausgebildet: ausgesprochen preisgünstige Systeme mit vergleichsweise geringer Leistung und teure Hochleistungssysteme. Erstere bestehen z.B. aus einer Leuchtdiode als Sender, einer Multimodefaser als Medium und einem einfachen Fototransistor als Empfänger. Sie werden z.B. in LANs eingesetzt. Hochwertige Systeme arbeiten grundsätzlich mit Lasern, meist mit Singlemodefasern und Avalance-Fotodioden als Empfänger. Sie werden dort eingesetzt, wo hohe Übertragungsleistung und Qualität wichtiger sind als die Kosten der einzelnen Leitung, also z.B. im WAN-Bereich und bei Backbones.

Die Leistung dieser konventionellen Systeme war für die Begriffe der letzten Jahre schon relativ hoch. Deshalb hat man Informationen aus mehreren elektrischen Datenquellen vor der optischen Übertragungsstrecke gemultiplext und das elektronische „Summensignal“ dann als Grundlage für die Modulation des Lichtes genommen. Die Informationen müssen in diesem Fall am Ende der Übertragungsstrecke nicht nur decodiert, sondern auch elektronisch demultiplext werden. Der Standard SONET/SDH ist die Zementierung dieser Art elektro/optischer Mehrkanalsysteme für den WAN- und Telefonie-Bereich.

Wellenlängenmultiplex bedeutet nun, dass für jede zu übertragene Information eine eigene Wellenlänge zur Verfügung steht. Wie bei einem einkanaligen System wird jede Information auf das Signal eines Lasers aufgeprägt. Diese modulierten Signale unterschiedlicher Wellenlängen werden dann durch einen passiven optischen Multiplexer zu einem Summensignal zusammengeführt, welches auf der Glasfaser übertragen wird. Am Ende der Glasfaser zerlegt zuerst ein passiver Wellenlängendemultiplexer das Licht-Summensignal in die Lichtsignale der einzelnen Kanäle. Diese werden dann decodiert.

Wegen der enormen Bandbreite der einzelnen Wellenlängenkanäle von bis zu 40 Gigabit/s. wird man ggf. verschiedene, vergleichsweise schmalbandige Informationsströme auf diese Kanäle wieder einzeln elektronisch multiplexen.

In Systemen, die lediglich WDM benutzen, braucht jede Lokation, die Signale demultiplext, elektrische Netzwerk-Elemente für jeden einzelnen Kanal, auch wenn z.Zt. gar kein Verkehr an dieser Stelle ist. Im Rahmen der Implementierung eines Optischen Netzes braucht man nur für diejenigen Wellenlängen, die an dieser Stelle Daten(verkehr) hineinbringen oder herausnehmen, entsprechende elektrooptische Umsetzer. Alle Wellenlängen, die Datenströme transportieren, die an dieser Stelle weder ankommen noch abgehen, können einfach durchgeschaltet werden und man benötigt keinerlei Konverter. Systematisch angewandt, kann dies zu enormen Einsparungen im Equipment führen. Das Routen von Verkehr über Raumeinheiten und Wellenlängen spart die elektronischen Switches ein und vereinfacht die Verwaltung des Netzes.

Wichtige Technologien

Basis eines Optischen Netzes sind fortschrittliche optische Technologien, die die notwendigen Funktionen in rein optischer Technik realisieren. Wir werden jetzt hier die wichtigsten jeweils kurz erläutern.

Breitband WDM

Die erste Erscheinungsform von WDM ist Breitband-WDM. 1994 hat man zum ersten Male bikonische Koppler verschmolzen und damit zwei Signale auf einer Faser kombiniert. Wegen der Begrenzungen der Technologie, besonders dem nichtlinearen Dämpfungsverhalten der Faser, mussten die Signalfrequenzen weit auseinandergehalten werden, um Interferenzen zu vermeiden. Typischerweise hat man Signale mit einer Wellenlänge von 1310 nm und 1550 nm benutzt und kam so auf 5 Gigabit/s. auf einer Faser. Obwohl derartige Anordnungen nicht mit der Leistung modernster Systeme mithalten können, haben sie doch die Kosten bereits fast halbiert, dadurch dass man eine einzige Faser für die Übertragung von Signalen, die man sonst auf zwei Fasern verteilt hätte, nehmen konnte. In der Anfangszeit wurden WDM-Systeme mit wenigen Kanälen vor allem für die Einsparung von Zwischenverstärkern benutzt.

Optische Verstärker

Eine weitere wichtige Entwicklung, vielleicht sogar der wichtigste Meilenstein in der Entwicklung Optischer Netze, ist der Erbium-dotierte optische Verstärker. Durch die Anreicherung eines kleinen Stranges der Faser mit einem seltenen Edelmetall wie Erbium können optische Signale verstärkt werden, ohne das Signal in eine elektrische Darstellung zurückzubringen zu müssen. Solche Verstärker bringen erhebliche Kostenvorteile vor allem in Fernnetzen. Die Leistung optischer Verstärker hat sich wesentlich verbessert, bei signifikant geringerem Rauschen und günstigerer Verstärkung. Die Gesamtleistung konnte ebenfalls gesteigert werden, so dass heute Verstärkungsfaktoren von 20 dBm am Ausgang erreicht werden können, das ist etwa ein Faktor 100. Eine weitere wichtige Entwicklung sind die integrierten optischen Verstärker, die Semiconductor Optical Amplifiers. Während man die Erbium-dotierten Verstärker vor allem zur Überwindung größerer Distanzen benötigt, sind die SOAs hervorragende Elemente bei der Konstruktion optischer Switches, Router und Add/Drop-Multiplexer, weil sie fast unauffällig in die optische Struktur mit integriert werden können.

Dense Wavelength Division Multiplexing DWDM

Mit der Verbesserung bei optischen Filter und Laser-Technologie wurde die Möglichkeit zur Kombination von mehr als zwei Signal-Wellenlängen auf einer Faser Realität. DWDM kombiniert verschiedene Signale auf der gleichen Faser und kann heute 40 – 80 unterschiedliche Kanäle schaffen. Verschiedene Hersteller sprechen schon von 400 bis 500 Kanälen Durch die Implementierung von DWDM-Systemen und optischen Verstärkern, können Netze eine Vielzahl von Bitraten (z.B. OC-48 oder OC-192) und eine Vielzahl von Kanälen auf einer einzigen Faser bereitstellen. Die benutzten Wellenlängen liegen alle in dem Bereich, wo die optischen Verstärker optimal funktionieren, also zwischen 1530 und 1565 nm.

Es gibt heute zwei Grundtypen von DWDM-Systemen: unidirektionale und bidirektionale. Bei unidirektionalen Systemen wandern alle Lichtwellen in der gleichen Richtung durch die Faser, während bidirektionale Systeme in zwei Bänder aufgeteilt sind, die in entgegengesetzten Richtungen laufen. Im definitorischen Gegensatz zu DWDM steht CWDM (Coarse WDM), bei dem weniger Kanäle mit größerem Abstand zwischen den Kanälen definiert werden als bei DWDM. Dadurch kann man eine wesentlich vereinfachte Übertragungstechnologie benutzen, die immer noch wesentlich leistungsfähiger ist als alles, was wir an Übertragung auf metallischen Leitungen kennen, aber kaum teurer.

Schmalband-Laser und VCSELs

Ohne eine schmale, stabile und kohärente Lichtquelle wären die ganzen anderen Komponenten in einem optischen Netz nutzlos. Laser mit schmalen Bandbreiten liefern die monochromatische Lichtquelle mit dem schmalen Wellenlängenbereich, die in einem optischen Netz einen Kanal repräsentiert. Man unterscheidet zwischen Lasern, die extern moduliert werden und so genannten Integrierten Laser-Technologien. Je nachdem, was man benutzt, kann der Präzisions-Laser Bestandteil des DWDM-Systems oder in ein SONET Netzwerk-Element eingebettet sein. In letztem Fall heißt dies eingebettetes System. Wenn der Präzisions-Laser in einem Modul namens Transponder Teil des WDM-Equipments ist, wird dies als offenes System bezeichnet, weil jeder Billig-Laser Transmitter auf dem SONET-Netzwerk als Input benutzt werden kann. Weitere Verbesserungen hinsichtlich wesentlich engerer Packungsdichten und erweiterter Verwendungsmöglichkeiten ergeben sich durch die integrierte optische Technologie, die vor allem die sog. Vertikalemitter-Laserdioden hervorgebracht hat.

Mit solchen VCSELs kann man z.B. sehr preiswerte Übertragungssysteme aufbauen, wie sie im LAN- und MAN-Bereich benötigt werden. Ein 10 Gigabit Ethernet Adapter mit VCSELs kann für weit unter 500 US$ gebaut werden, die Leistungsgrenze liegt momentan bei der Übertragung von ca. 40 Gigabit/s. auf einer Distanz von 310 m über preiswerte Multimodefasern. Derartige Systeme werden Verkabelung und Backbones interner Netze vollständig revolutionieren.

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