40-Gb/s- und 100-Gb/s-Services im Metro-Netzwerken

40Gb/s- und 100Gb/s-ITU/OTN-Transponder für grosse Entfernungen, die auf aktiven Chassis-basierten und anbieterspezifischen Systemen beruhen, sind bereits seit einiger Zeit auf dem Markt.  Da sie sich an anspruchsvolle Anwendungen richten, bei denen Daten über Hunderte oder gar Tausende von Kilometern übetragen werden, bauen alle Lösungen auf komplexen Technologien auf, die unterschiedliche Modulierungsformate wie DPSK (Differential Phase Shift Keying), DQPSK (Differential Quadrature PSK), DP-QPSK (Dual Polarisation-QPSK) etc. beinhalten. Da diese Komplexität ohne Kosten ist, haben die IEEE-Gremien plug-fähige 40-Gb/s- und 100-Gb/s-Transceiver für kürzere Reichweiten standardisiert. Ausserdem hat eine Begrenzung der Anforderungen eine immense Kostenreduzierung mit sich gebracht. Die Mehrzahl dieser Transceiver überbrückt zwar sehr kurze Distanzen (z. B. 10 m, 100 m), die 40GBase-LR4- und 100GBase-LR4-Versionen können jedoch für Metro-Anwendungen und entsprechende Entfernungen von bis zu 60 km verwendet werden.

Überlagerung von 10G-Netzwerken mit zusätzlichen 40G- und 100G-Services

In einem typischen Szenario gibt es bereits ein U-Bahn-Netzwerk, das oft auf mehreren 1G- oder 10G-Services aufbaut, die über das Dark-Fibre-Netzwerk gemultiplext sind. Das Ziel ist also nicht, das vorhandene Netzwerk durch eine komplett neue Infrastruktur zu ersetzen, sondern neue Services hinzuzufügen, ohne die alte Installation zu beeinträchtigen – zu möglichst geringen CAPEX und OPEX sowie unter Wahrung einer einfachen Installation und Wartung. Dies lässt sich durch das Hinzufügen des 40-Gb/s- oder 100-Gb/s-Service mit einem passiven Übertragungsansatz problemlos erreichen. In diesem Szenario wird der entsprechende 40GBase-LR4-/100GBase-LR4- (oder zukünftige -ER4) Transceiver (z. B. im MSA-Format CFP, QSFP, CFP2 etc.) direkt in die Abschlussausrüstung, den Ethernet-Schalter, Router etc. gesteckt. Der neue Service kann dann das vorhandene DWDM- (oder CWDM-) Netzwerk überlagern, indem er am (möglicherweise vorhandenen) passiven DWDM- (oder CWDM-) Multiplexer über einen 1310-nm-Durchlassbandport hinzugefügt wird:

Wenn dieser 1310-nm-Bandanschluss in einen passiven 40-Kanal-100GHz-DWDM-Multiplexer integriert wird, ermöglicht die Konfiguration eine Übertragung von bis zu 40 Services mit 10 Gb/s sowie 100 Gb/s über ein Faserpaar – implementiert in 1 HE/19 inch-Rackraum und ohne Verbrauch von Strom.

Überwindung von Reichweitenbegrenzungen

Die IEEE-Gremien haben zwar LR4- und ER4-Versionen für 10 km und 40 km Reichweite standardisiert (beide operieren im optischen 1310-nm-Spektrum), die Verfügbarkeit der späteren ER4-Versionen (40 km) ist jedoch begrenzt. In der Praxis bedeutet das, dass ER4-Transceiver im Handel nicht erhältlich sind – und es ist fraglich, ob und wann sich das ändern wird. Dies führt zu einer effektiven Beschränkung der Verwendung U-Bahn-fähiger 40GBase- oder 100GBase-Lösungen auf die LR4-Versionen. Diese unterstützen nominell Entfernungen von bis zu 10 km – erreichbar mit einer perfekten Singlemode-Faser, ohne Verluste durch Spleissen, Patchkabel, ODFs oder andere Gründe. Ausserdem bringt der zusätzliche Multiplexer mehr Verluste mit sich. So sinkt die effektive Reichweite eines LR4-Transceivers auf 6 km oder gar nur 4 km. Das würde die Anwendungsmöglichkeiten dann auf einige wenige Fälle beschränken.

Dieses Problem lässt sich durch Einführung eines eigenständigen, jedoch verwalteten (SNMP etc.) Semiconductor Optical Amplifiers (SOA) lösen: Da LR4-Optik im 1310-nm-Bereich aktiv ist, würden reguläre für die U-Bahn-Übertragung verwendete EDFAs, die das 1550-nm-Spektrum unterstützen, das LR4-Signal nicht nur verstärken, sondern sogar blockieren. Im Gegensatz zu EDFAs verstärken SOAs das 1310-nm-Spektrum, blockieren aber alle 1550-nm-Signale. Dementsprechend müssen die zusätzlichen SOAs zwischen dem 1310-nm-Multiplexer-Anschluss und dem LR4-Transceiver implementiert werden.

Wie bei jeder verstärkten Übertragung sind auch hier die Signalqualität und das Signal-Rausch-Verhältnis von hoher Bedeutung. Darum müssen die SOAs als Vorverstärker (und nicht Verstärker) eingesetzt werden, die das eingehende (Rx-) Signal auf der Empfangsseite der Verbindung verstärken. Vorzugsweise und zur Erweiterung der Reichweiten auf das absolute Maximum sollten LR4-Transceiver ausgewählt werden, die ihre Spezifikation bei der Signalqualität überschreiten. So lassen sich Distanzen von bis zu 60 km überbrücken.

Passive WDM-Übertragungsmethoden können verwendet werden, um verschiedene (bis zu 24) 100-Gb/s-Services so einzurichten, dass sie wie passive DWDM-10-Gb/s-Netzwerke zur Steigerung der Kapazität in U-Bahn-Umgebungen genutzt werden. Ähnlich wie passive 10G-WDM-Netzwerke lassen sich passive 100G-DWDM-Netzwerke zu einem Bruchteil der Kosten aktiver Übertragungsalternativen installieren.

Und ähnlich wie die LR4-Versionen mit 4 Lasern und 4 Detektoren (jeweils 25 Gb/s, jeweils mit spezifischen Lambdas) sind das Herzstück der passiven 100-Gb/s-DWDM-Lösungen mit CFP MSA konforme 100-Gb/s-DWDM-Transceiver. Sie kommen jedoch ohne den optischen WDM-Multiplexer aus, der sonst in den Transceiver integriert ist. Das setzt einen externen (z. B. 19"-basierten, passiven DWDM) Multiplexer voraus.

Im Gegensatz zu CFP LR4-Typen basieren die CFP DWDM-Versionsen auf einstellbaren Lasern (50 GHz DWDM-Netz) im 1550-nm-Spektrum. Eine Gruppe von bis zu 24 verschiedenfarbigen 100-Gb/s-DWDMs kann über einen passiven 96-Kanal-DWDM-Mux (jeder CFP nutzt 4 Lambdas) parallel über ein Singlemode-Faserpaar übertragen werden.

Wie bei 10-Gb/s-DWDM-Netzwerken kann die Reichweite der Signale durch Einsatz standardmässiger EDFA-Verstärker erweitert werden. So wird in einem passiven WDM-Verfahren über Entfernungen von 100 km oder mehr eine Bandbreite von bis zu 2,4 Tb/s möglich – ohne zusätzliche kostspielige Verstärker.