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Passiver Optikfaserschutz

In einer kürzlichen Prognose für den mobilen Internet-Datenverkehr von Cisco VNI Global wurde bekanntgegeben, dass es in fünf Jahren 4 Milliarden weitere mobilfähige Geräte und Verbindungen geben wird und die durchschnittliche Mobilfunk-Verbindungsgeschwindigkeit um das 2,4-fache schneller sein wird[1]. Eine Befragung von Mobilkunden durch Citrix in 2014 ergab, dass 54 % von Mobilfunkteilnehmern eine langsam ladende Seite innerhalb von weniger als 10 Sekunden verwerfen würden, und 63 % der Generation Y wahrscheinlich das Mobilnetz für Unterbrechungen von Videos auf Mobilgeräten verantwortlich machen würden[2]. Mit dem Aufkommen von intelligenten Geräten, Cloud-Diensten, neueren Technologien für Festverbindungen und drahtlosen Verbindungen sowie sehr ungeduldigen Verbrauchern besteht erheblicher Druck, das Zugangs- und Mobil-Backhaul-Segment des Netzes zu stärken.

Kupferbasierte Verbindungen zum Unternehmen und zu Türmen können die explodierenden Kapazitätserfordernisse nicht mehr erfüllen, was zu einer verstärkten Faserpenetration führt. Wie sich bereits in zahlreichen Installationen weltweit zeigt, ist die beste Möglichkeit eine Nutzung der bestehenden Faserinfrastuktur, z. B. Fiber-to-the-Node oder -Cabinet, um eine kostenwirksame Verbindung für Finanzgesellschaften oder gewerbliche Unternehmen und zusätzlich für kleine bis makro-zelluläre Netzwerke bereitzustellen[3]. Zusammen mit der Multiplexing-Technologie kann das fiberoptik-basierte Netzwerk zeitlos und kostengünstig gemacht werden und die Leistungs- und Raumerfordernisse erfüllen.

Das Fiber-to-the-x (x: Schrank, Antenne, Unternehmen usw.) Netz unterliegt wie jedes andere Netz Ausfällen, die durch Unterbrechungen der Verbindung oder Gerätefehler verursacht werden. Die Planung des Schutzes vor solchen Ausfällen und die Gewährleistung einer hochgradigen Netzwerkleistung ist ein wichtiger Bestandteil des Netzwerkdesigns. Dies gilt insbesondere für Netze, bei denen jede Sekunde einer Unterbrechung des Datenverkehrs zu finanziellen Einbussen führt und den Einsatz wertvoller Ressourcen (Zeit und Fachpersonal) erfordert, die an anderer Stelle sehr viel mehr Nutzen bringen würden. Das Fronthauling- oder Backhauling-Netz und Unternehmens-Zugangsnetze können daher von der klassischen Mehrfachübertragungstechnik profitieren, die bei Ausfällen einen redundanten Pfad oder Backup-Einrichtungen bereitstellt.

In diesem Bericht wird kurz das weitgehend implementierte klassische Konzept des Optikleitungsschutzes erläutert. Daneben wird eine neuartige semi-passive Ausführung vorgestellt, die sich insbesondere für feste und drahtlose Anwendungen mit Strom- und Latenzeinschränkungen eignet. Das semi-passive Konzept wird anhand von Anwendungsszenarien in Unternehmens- und Fronthauling-Architekturen ausführlich dargestellt.

Schutz von optischen Leitungen

Für Netzbetreiber ist es sehr wichtig, dass das Netzwerk bei Ausfällen rasch wiederhergestellt werden kann und Unterbrechungen des Datenverkehrs auf ein Minimum beschränkt werden. In der Praxis ist die Implementierung des Schutzes vor Faserausfällen und die Wiederherstellung der Verbindung über höherschichtige Protokolle möglich, dies führt jedoch zu einer starken Verlangsamung. Niedriglatenzschutz ist ein kritischer Faktor für Finanz- und Drahtlosanwendungen.

Aus diesem Grund wird dem Optikleitungsschutz, der die Verbindung durch Umschalten auf Optikebene schützt, zunehmend Aufmerksamkeit geschenkt, da er schnell ist und Transparenz für Datenrate, Wellenlänge und Protokoll bietet. Bei diesem Schutzkonzept, dem sogenannten Optical Protest Switchen (OPS), handelt es sich um ein automatisches System, das für die Herstellung nach einem Ausfall genutzt wird, wenn die Verbindung innerhalb von Sekunden nach Ausfall wiederhergestellt werden muss.

Es gibt zahlreiche OPS-Ausführungen. Bei der klassischen Ausführung enthält ein aktives OPS-Modul einen 3-dB-Splitter und einen Schalter. Die aktiven OPS-Module (siehe Abb. 1) werden symmetrisch an beiden Enden einer Doppelfaserverbindung nach der Kundenausrüstung eingesetzt, um das Kundensignal zu schützen. Der Splitter im OPS-Modul dupliziert das Kundensignal und überträgt es sowohl über die Arbeits- als auch die Backup-Leitungen. Am Empfänger wird die erhaltene optische Leistung in der Arbeits- oder Primärleitung gemessen und mit einem bestimmten Grenzwert verglichen. Das OPS schaltet auf die Backup-Leitung um, wenn die gemessene optische Leistung in der Arbeitsleitung unter dem festgelegten Grenzwert liegt, und verhindert damit eine Netzwerkunterbrechung.

Das OPS kann ausserdem in manuellem Schaltmodus eingesetzt werden, wobei der Schaltvorgang auf Empfang eines entsprechenden Befehls vom Benutzer erfolgt. Das klassische OPS kann sowohl für Punkt-zu-Punkt- als auch Ringarchitekturen implementiert werden und ist unabhängig von Datenraten, Wellenlänge und Protokoll. Dieser OPS-Typ erfordert jedoch an beiden Enden eine Stromversorgung und eine Verwaltungsschnittstelle. Für Anwendungen mit engen Raumverhältnissen und Stromeinschränkungen am Kundenstandort empfiehlt sich eine semi-passive Lösung.

Ein semi-passives OPS ist, wie aus der Bezeichnung hervorgeht, ein neuartiges Konzept, bei dem am Kundenende ein passiver 3-dB-Koppler eingesetzt und in der Zentrale ein aktiver Schalter implementiert wird. Dieser Aufbau unterscheidet sich in der erforderlichen Kapazität und betrieblichen Komplexität der Anwendung. Ein einziges semi-passives OPS-Modul kann mit vielen Splittern ausgeführt werden, um die Dichte und Kapazität zu steigern. In den folgenden Abschnitten wird die Anwendung von semi-passivem OPS für Fronthauling- und Unternehmensnetze dargestellt.

Schutz von Unternehmensnetzen

Jeglicher lokalisierter Datenverkehr, wie z. B. Video- und Sprachdaten sowie sensible Daten von Finanzunternehmen bis hin zu Unternehmen des Gesundheitswesens, Versicherungsgesellschaften und gewerblichen Unternehmen oder Rechenzentren, wird über Fasernetze mit anderen Standorte verbunden. So ist es von grösster Bedeutung, dass das Netzwerk Faserausfällen standhalten und in weniger als einer Sekunde wiederhergestellt werden kann. Netzbetreiber bieten ihren Kunden heute Fiberoptik-basierte Unternehmensdienste, wobei die Endkunden üblicherweise Eigentümer des ONT-Geräts am Kundenstandort sind. In solchen Fällen wird Netzbetreibern die Faserüberwachung und schnelle Wiederherstellung der Dienste bei Ausfällen erschwert.

Für eine reibungslose Funktion des Netzwerks wäre für den Betreiber in diesem Fall eine völlig passive Lösung am Kundenstandort erforderlich, um den Faserausfall mit minimaler Unterbrechung des Datenverkehrs sowie für den Kunden zu beheben.

In Abb. 2 wird ein Beispiel einer semi-passiven OPS-Bereitstellung für eine bidirektionale Übertragung über eine Einzelfaser zwischen einem Unternehmen und der Zentrale gezeigt. Das WDM-Signal vom Kundenendgerät wird auf eine Einzelfaser gebündelt. Am fernen Kundenende wird ein passiver Koppler und in der Zentrale ein aktiver Schalter verwendet, um den Schutz der optischen Leitung zu erreichen. In der Zentrale wird das WDM-Signal nach dem Multiplexer mit dem entsprechenden OLT verbunden.

Bei einer solchen semi-passiven OPS-Architektur werden die Betriebskosten minimiert und für den fernen Kundenknoten entfallen Strom- und Verwaltungserfordernisse. Die Latenz im System wird ebenfalls auf ein Minimum beschränkt. Das semi-OPS ist unabhängig von Wellenlänge, Datenrate und Protokollen und bietet dem Bediener damit die Flexibilität einer Universallösung.

Schutz des Front-/Backhaul-Netzes

Da der Umsatz pro Bit für Mobildaten sehr gering ist, ist es von grösster Bedeutung, eine Lösung mit kosteneffektiven Investitionsaufwendungen und Betriebskosten bereitzustellen, die gleichzeitig eine zukunftssichere Technologie für nahtlose Kommunikation darstellt. Obwohl die Kosten ein wichtiges Entscheidungskriterium sein können, muss der Optikfaser-Leitungsschutz für Kleinfaser- und Makrofasereinsätze robust genug sein, um schwierigen Umgebungsbedingungen und Stromausfällen standzuhalten.

In Abb. 3 wird der Einsatz von semi-passiven OPS in einer mobilen Fronthauling-Anwendung dargestellt. Dieses Beispiel beruht auf der Nutzung von bidirektionaler Übertragung zwischen der Zentrale und dem RRH-Knoten über zwei Fasern. Am RRH-Knoten wird ein passiver Koppler und in der Zentrale ein aktiver Schalter verwendet. Ein RRH-Knoten verfügt typischerweise über mindestens drei RRH. In diesem Beispiel werden drei RRH berücksichtigt, die unabhängig voneinander in drei unterschiedlichen Wellenlängen operieren.

Die korrekte Wellenlänge wird durch Einfügen des entsprechenden Transceivers am RRH erzielt. Mit Hilfe eines Multiplexers werden die drei unterschiedlichen Wellenlängen in drei Fasern in einer einzigen Faser zusammengeführt. Der 3-dB-Koppler nach dem Multiplexer teilt das WDM-Signal in zwei Arbeits- und Backup-Leitungen auf. In der Zentrale erkennt der aktive Schalter das Signal in der Arbeitsleitung und schaltet bei Ausfällen auf die Backup-Leitung um.

Da am RRH-Ende rein passive Koppler verwendet werden, ist bei einer solchen semi-passiven OPS-Architektur keine Stromversorgung am Remote-Knoten erforderlich. Dies minimiert die Betriebskosten und macht das Konzept bei Stromschwankungen belastbar. Bei Bedarf besteht ausserdem die Möglichkeit einer passiven Fernüberwachung und -verwaltung durch Implementieren eines Reflektors am RRH-Knoten. Dieses Design eignet sich für den Einsatz in rauen Umgebungen und erweiterten Temperaturbereichen und unterstützt WDM oder OADM-Integration (Optical Add-/Drop) für Punkt-zu-Punkt- und Ring-Topologien. Die Basisbandeinheit (BBU) in der Zentrale verfügt über Netzwerkverwaltungszugriff auf den Schalter zur Überwachung der vom Endbenutzer festgelegten Grenzwerte.

Schlussfolgerung

Die Fiberoptikkonvergenz für mobile Netze ist eine anspruchsvolle Anwendung mit sich rasch ändernden Anforderungen und ein widerstandsfähiges Netz ist daher ein interessantes Thema für alle Serviceanbieter. Obwohl klassisches OPS guten Schutz vor Faserausfällen bietet, ist bei bestimmten Anwendungen ein völlig passives Ende beim Remote-Kunden oder RRH-Knoten erwünscht. Dies kann zur Reduzierung der Kosten und des Stromverbrauchs oder zum Erzielen einer einfachen Architektur ohne Verwaltungsbedarf erforderlich sein.

Mit semi-passivem OPS wird dies erreicht, indem ein passiver Koppler am Remote-Ende und ein aktiver Schalter in der Zentrale verwendet werden. Semi-passives OPS ist unabhängig von Wellenlänge, Datenrate und Protokollen und bietet mit seinem wirtschaftlichen, robusten, flexiblen Niedriglatenz-Design eindeutigen Edge-to-Line-Schutz, um Ausfallzeiten zu verkürzen und eine überragende Netzwerkverbindung bereitzustellen.
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