100G Metro-Netzwerk

Das Überlagern vorhandener 10-Gb/s-Services mit zusätzlichen, gemeinsam verbreiteten 10-Gb/s-Kanälen in verschiedenen Farben oder Wellenlängen ist bereits gängige Praxis. Netzbetreiber, die ihre Kapazität erhöhen möchten, haben damit begonnen, 40-Gb/s-Kanäle auf verfügbare Faser zu legen, ohne mehr Dark Fibre zu benötigen. Seit der Einführung von 100G-Technologie verschiebt sich das Interesse nun von 40G- hin zu 100G-Installationen. In diesem Dokument bieten wir Ihnen aktuelle Informationen zu Entwicklungen im 100G-Bereich und untersuchen wichtige Parameter und Voraussetzungen, die effektive 100G-U-Bahn-Netzwerklösungen möglich machen. Ausserdem erörtern wir ein Beispiel zur Ergänzung vorhandener 10-Gb/s-Services um neue 100-Gb/s-WDM-Kanäle.

Direkte oder kohärente Detektion: Welche Option ist für Metro-Umgebungen besser geeignet?

Die Stärke des übertragenen Signals wird von der Wärmeabführung und dem Energieverbrauch des Lasers begrenzt. Daher wurde viel Forschung und Entwicklung betrieben, um die Empfindlichkeit des Empfängers zu verbessern. Es gibt zwei technische Alternativen: direkte Detektion oder kohärente Detektion.

Kohärente Detektion eignet sich vor allem für Unterseekabel oder terrestrische Fernanwendungen, da sie der Leistung von direkter Detektion deutlich überlegen ist. Bei kohärenter Detektion verläuft das opto-elektrische Konversionsverfahren linear. Das heisst, dass die im optischen Signal enthaltenen Phaseninformationen bewahrt werden, was eine direkte elektrische Kompensation linearer Fasereffekte ermöglicht, inklusive chromatischer Dispersion (CD) und Polarisations-Modendispersion (PMD). Die zur Ausführung von kohärenter Detektion erforderliche Hardware ist jedoch ein wenig komplexer und umfasst einen lokalen Oszillator, ein 90°-Hybridmodul, das zwischen den Phasenquadraturen des empfangenen optischen Signals unterscheidet, sowie vier ausgeglichene Photodioden, die das Signal aus einer einzelnen Polarisierung erkennen.

Für ein Verfahren mit direkter Detektion werden hingegen nur ein Verzögerungs-Interferometer und zwei einzelne Photodioden benötigt, was Geräte deutlich günstiger und einfacher macht. Der Vorteil grosser Übertragungsdistanzen (im Bereich mehrerer Tausend Kilometer) beim kohärenten Ansatz ist zu viel des Guten für Bereitstellungen mit deutlich geringerer Entfernung (im Bereich mehrerer Hundert Kilometer). So gilt direkte Detektion für U-Bahn-Netzwerke, Unternehmen und Rechenzentren, in denen finanzielle Aspekte eine wichtige Rolle spielen, als attraktive Alternative.

In einem minimalistischen Ansatz kommt direkte Detektion meist ohne zusätzliche Ausrüstung aus. Wenn der Anwendungsbereich die Grenzen der direkten Detektion erreicht, können Signalerkennung und Reichweite durch einfaches Hinzufügen von Dispersionskompensation und Verstärkung verbessert werden.

Technische Anforderungen

Ähnlich wie gemultiplexte 10G-Netzwerke basieren 100G-Netzwerke auf dem Einsatz von 100G-Transceivern und DWDM-Multiplexern oder -Demultiplexern. Je nach Anwendungsszenario können 100G-Netzwerke optische Verstärker, Module für die Dispersionskompensation und FEC-fähige Transponderkarten voraussetzen. Im folgenden Abschnitt werden wir uns die Details dieser Komponenten genauer ansehen.

Der 100G DWDM-CFP-Transceiver eignet sich momentan für Anwendungen mit Reichweiten von bis zu 20 km. Der 100G CFP nutzt vier Laser, die jeweils über das DWDM-Netz einstellbar sind, so dass die daraus resultierende Verbindung 4 x 25 Gb/s realisiert, wobei jede der 25 Gb/s in einer separaten Singlemode-Duplex-Faser übertragen wird.

Der DWDM-Multiplexer oder -Demultiplexer stellt eine Basistechnologie dar, mit der sich vorhandene 10G- und 40G-Kanäle durch 100G-Upgrades um praktisch unbegrenzt gemeinsam verbreitete Kanäle erweitern lassen. So können alle Kanäle auf 100G aufgerüstet werden. In DWDM werden verschiedene Wellenlängen genutzt, um die optischen Signale durch die gleiche Faser zu übertragen, was die spektrale Effizienz pro Faser erhöht. Durchlassband-Bandbreite, Durchlassband-Ebenheit, Stoppband-Unterdrückung, Durchlassgefälle vom Durchlassband zum Stoppband sowie Einfügungsdämpfung sind wichtige Merkmale für die Auswahl der richtigen Multiplexer und Demultiplexer.

Auf traditionellen optischen Dünnschichtfiltern basierende DWDM-Multiplexer bieten eine hervorragende Wellenlängenselektivität. Da es sich hierbei jedoch um optische Geräte mit freiem Abstand handelt, muss darauf geachtet werden, dass einzelne optische Subkomponenten präzise aufeinander abgestimmt sind, um eine perfekte Kollimation der optischen Strahlen zu erreichen. Ausserdem nimmt die Komplexität mit der Kanalzahl zu.

Aus diesem Grund kommen zum Multiplexen vieler Kanäle Arrayed Waveguide Gratings (AWGs) zum Einsatz, die auf Planar Light Wave Circuit (PLC)-Technologie basieren. Die AWGs bestehen aus mehreren integrierten Wellenleiter-Verzögerungsleitungen zum Rendern der optischen Multipath-Interferenz. Wie in Abbildung 4 dargestellt, besteht ein AWG aus eingehenden und ausgehenden Wellenleitern, zwei Sternkopplern und einem Array aus Wellenleitern, das die zwei Sternkoppler zusammenschaltet. Jeder Wellenleiter im Array weist eine leicht andere optische Länge auf, was am Ausgang für unterschiedliche Interferenzen sorgt, wenn die verschiedenen Pfade wieder zusammengeführt werden. Das AWG kann in einer 19"-Rack-Installation montiert werden

Je nach Leistungsbudget zur Übertragung, das vom Transceiver bereitgestellt wird (aktuelle DWDM 100G CFP sind z.B. für ein Leistungsbudget ausgelegt, das etwa 20 km entspricht), lässt sich ein optischer Verstärker implementieren, um die Verluste, die durch Faserdämpfung, optische Leistungsaufteilung und andere Faktoren entstehen, gutzumachen. Für DWDM-Anwendungen ist ein Erbium-Doped Fiber Amplifier (EDFA) die beste Wahl, da er Hochverstärkung, hohe optische Signalleistung, wenig Überlagerung zwischen Wellenlängenkanälen und eine praktische optische Kopplung von und in optische Fasern bietet.

Der EDFA besteht aus einer Erbium-dotierten Faser, einem Pump-Laser, einem optischen Isolator und einem Wellenlängenmultiplexer. Der Verstärker muss innerhalb der WDM-Bandbreite eine hohe optische Bandbreite und eine flache optische Verstärkung aufweisen. Je nach Anwendung und Entfernung muss die Verstärkung des Verstärkers angepasst werden, damit die Leistung am Empfänger dessen Empfindlichkeits-Begrenzungen nicht überschreitet und der Transceiver nicht beschädigt wird.

Das Phänomen der Verbreiterung des Signals, während es sich durch die optische Faser bewegt, wird Dispersion genannt. Ein DWDM 100 Gb/s CFP ist für eine typische Dispersionstoleranz von 400ps/nm ausgelegt, was ohne Kompensation normalerweise eine Reichweite von 20 km ermöglicht. Dispersion verursacht eine Überlagerung von Impulsen, die Inter-Symbol Interference (ISI) genannt wird (siehe Abbildung 6). Wegen ISI kann der Detektor die Daten nicht richtig erkennen, was die Zahl der Fehlerbits erhöht und so die mögliche Übertragsungsentfernung einschränkt.

In vielen Fällen kommt zur Überwindung der ISI-Herausforderung ein Dispersion Compensating Fiber (DCF)-Modul zum Einsatz.. Ein DCF-Modul besteht aus einer speziellen Faser, die im 1550-nm-Wellenlängenfenster für einen hohen Wert negativer (normaler) Dispersion sorgt. Der Vorteil von DCF für DWDM-Anwendungen ist, dass sich das Modul auf ein breites Wellenlängenfenster anwenden lässt, sodass der Abfall der chromatischen Dispersion bei C-Band-Kanälen auf SMF-28 zugeschnitten werden kann.

Forward Error Correction (FEC) ist eine Methode zur Verringerung von Fehlern bei der Datenübertragung, um effektive OSNR-Verbesserungen zu ermöglichen und damit die Übertragungsreichweite von optischen Systemen, die hohe Datenraten haben, zu verbessern. Redundanz erhält das Signal durch zusätzliche Kontrollbits, die vom Empfänger verwendet werden, um Fehler in empfangenen Signalen zu erkennen und zu beheben. FEC-Codierung lässt sich im Transceiver selbst oder in der Transceiver-Line-Card implementieren, welche die Transceiver bereitstellt.


Aufrüstung des vorhandenen 10-Gb/s-Systems mit 100-Gb/s-Upgrades

Das enorme Wachstum von neuen Anwendungen wie Cloud-Diensten, Telemedizin, Video on Demand usw. hat eine enorme Zunahme der Migration von Datenraten mit sich gebracht, die das gesamte optische Netzwerk betrifft. In Kernnetzen wird DWDM genutzt, um diese Bandbreiten-Explosion zu bremsen. Die Anwendung von DWDM in U-Bahn-Netzen erfolgt anders als in Kernnetzen, da Beeinträchtigungen über U-Bahn-Entfernungen meist deutlich geringer sind. DWDM-basierte Architekturen sorgen für eine kosteneffektive Erfüllung steigender Bandbreitenanforderungen und sind flexibel genug, um sich bei weiter steigenden Marktanforderungen immer wieder skalieren zu lassen. Die Frage für Serviceprovider lautet also nicht, ob sie DWDM-U-Bahn-Netzwerke bereitstellen sollen, sondern wie und wann.

Ein typisches U-Bahn-Netzwerk beinhaltet eine vorhandene Infrastruktur, die meist auf mehreren 10-Gb/s- oder 40/s-Services beruht, die in einem Faserpaar gemultiplext sind. Eine Erweiterung dieser vorhandenen Services um Services mit höheren Datenraten setzt eine sorgfältige Netzwerkplanung voraus. Die optimale Netzwerklösung basiert auf den in diesem Dokument vorgestellten Bausteinen. Die Architektur hängt dabei vom jeweiligen geografischen Standort, dem Verkehrsvolumen und dem erwarteten Netzwerkwachstum ab.

Betrachten wir zum Beispiel ein älteres System mit voll funktionsfähigen DWDM-10G-Services in einem 100-GHz-Frequenznetz. Die 10G-Services von der Line-Card werden mithilfe eines 100-GHz-DWDM-Mutiplexers aggregiert.

Um die Bandbreitennutzung zu optimieren und höhere Ausgaben zu verhindern, können Unternehmen bei Bedarf in der gleichen Faser über den gleichen DWDM-Multiplexer einen oder mehrere 100G-Services hinzufügen, indem sie diese über die ungenutzten Wellenlängen bereitstellen. Aufgrund der Entfernungsbegrenzungen der aktuell verfügbaren 100G-Transceiver müsste die optimale Netzwerkarchitektur jedoch wie in Abbildung 7 unten aussehen. Nur so lassen sich Übertragungsreichweiten von mehreren 100 km erreichen.

Da 100G-Services anfälliger für Dispersion sind, wären eine zusätzliche Dispersionskompensation und optische Leistungsverstärkung erforderlich. Dabei wird ein extra 100-GHz-DWDM-Multiplexer zunächst verwendet, um im Anschluss an eine kombinierte Dispersionskompensations- und Verstärkungsstufe alle 100G-Services zu kombinieren. Die gruppierten 10G- und 100G-Services lassen sich dann mithilfe eines 50/100-GHz-Interleavers bündeln. Eine solche Architektur macht Übertragungen auf eine Entfernung von über 100 km möglich – unter der Voraussetzung, dass auch die bereits vorhandenen 10G-Kanäle diese Entfernung unterstützen. Die genaue Distanz hängt jedoch von der Verstärkung durch den Verstärker, der Menge der kompensierten Dispersion und der Leistung des Transceivers ab. Um eine ausreichende Übertragungsdistanz für das System zu gewährleisten, lässt sich in den 100G-Schaltern (Transpondern) oder Transceivern FEC aktivieren.

Ausserdem unterstützt diese Architektur praktischerweise das ‘Pay-as-you-grow’-Modell von Serviceprovidern. Falls sich die Bandbreite erschöpft, lassen sich vorhandene 10G-Kanäle nahtlos durch 100G-Services ersetzen. Die gleichen verbleibenden Komponenten können auch wiederverwendet werden, um die Datenrate auf bis zu 2,4 TB/s zu erhöhen.


In diesem Szenario wären 24 veschiedenfarbige 100-Gb/s-DWDM-CFP-Transceiver erforderlich, die zusammen mit dem bereits vorhandenen 48-Kanal-100-GHz-DWDM und Interleaver bereitgestellt werden (siehe Abbildung 8). Alle 100G-Services werden zunächst so gemultiplext, dass eine Dispersionskompensations- und Verstärkungsstufe ausreicht. Eine solche Netzwerkarchitektur bietet mehr Dichte und die Möglichkeit, vorhandene Infrastruktur flexibel zu nutzen – bei gleichzeitiger Kosteneffizienz.

Schlussfolgerung

Der rasch wachsende Datenverkehr wird Betreiber bald wieder vor das alte Problem stellen: Sollen sie mehr Dark Fibre mieten oder einen Weg finden, um die Kapazität der vorhandenen Fasern zu erhöhen? Angesichts der Entwicklungen bei der 100G-Transceiver-Technologie und des steigenden Interesses an der Installation von 100G-Produkten ist eine Verwandlung der aktuellen Netzwerkarchitektur in 100G-Systeme unerlässlich und nur noch eine Frage der Zeit. Darum beschreiben wir in diesem Dokument die 100G-Technologien und -Netzwerklösungen, die eine nahtlose Aufrüstung auf 100G erlauben, während sich vorhandene 10G-Services problemlos weiter nutzen lassen.  Dabei muss jedoch wie erwähnt darauf geachtet werden, dass die Beeinträchtungen für bestehende 10G-Services minimiert und die Wiederverwendung vorhandener Geräte maximiert werden.