WDM-Lösungen für die Glasfasernetze der Zukunft Referenten: Herr Dipl.-Ing. Georg Dürr Herr Dipl.-Ing. Rainer Klimek
WDM-Lösungen für die Glasfasernetze der Zukunft Vorstellung Pan Dacom Direkt GmbH Historie und Zukunft Optische Netze Warum? WDM Netzstrukturen und Komponenten WDM Wie geht es weiter? LWL Eigenschaften, lineare und nichtlineare Effekte Optische Verstärker OSNR LWL-Optimierungslösungen
Pan Dacom Gruppe Systemintegration Fokussierung auf Dienstleistungen Vermarktung Brand-Names Spezialisiert auf Übertragungsnetzwerke Eigene Hard- & Softwareentwicklung
Produktübersicht Modems NGN Konverter & Multiplexer Ethernet Access CWDM & DWDM Multiservice Access FTTx Richtfunk Carrier Ethernet Application- Delivery & - Security DSL Pseudowire Transceiver
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Bandbreitenentwicklung Historie Ich denke, es gibt weltweit einen Markt für vielleicht fünf Computer. Thomas Watson, Vorsitzender von IBM, 1943 Das Internet? Wir interessieren uns nicht dafür. Bill Gates, Microsoft, 1993 [...] eine Verdopplung des Bandbreitenbedarfs alle 18 Monate... Gordon Moore ( Moore s Law ), Mitgründer der Firma Intel,1965
Bits pro Sekunde in Terabyte Bandbreitenentwicklung (1) Bandbreitennutzung Quelle: DE-CIX Management GmbH Durchschnitts-Traffic in bit/s Maximal-Traffic in bit/s
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Bandbreitenentwicklung Aussichten Situation und Zukunft Verlagerung von Services und Daten in die Cloud Vermehrte Datennutzung durch Mobilfunkgeräte Einführung von neuen Übertragungstechniken (LTE) Einführung von neuen Diensten (z.b. Smart-Metering) TV-Dienste und Video on demand über das Internet Steigende Zahl der Rechenzentren Rechenzentrumsübergreifende Softwarelösungen Steigender Bedarf an verschlüsselten Übertragungskanälen Hochbitratige, Skalierbare, hochverfügbare Netzwerke werden benötigt!
Übertragungsprotokolle???? OTU5 100 Gbit/s 100G OTU4 40 Gbit/s OC-768/STM-256 16G FC 40G OTU3 10 Gbit/s 2,5 Gbit/s OC-192/STM-64 OC-48/STM-16 10G FC 8G FC 4G FC 10G OTU2 OTU1 1 Gbit/s 622 Mbit/s OC-12/STM-4 2G FC 1G FC 1G 140/155 Mbit/s 34/45 Mbit/s E4 DS3/E3 DS3/E3 DS1/E1 DS1/E1 OC-3/STM-1 100 10 1,5/2 Mbit/s PDH Sonet/SDH SAN Ethernet OTN
OTN Transport-Protokoll mit Zukunft Struktur und Vorteile Transport (fast) aller Dienste in bitratenangepassten Containern Durch flexible Container-Verschaltung viele Kombinationsmöglichkeiten Überwachung von Ende-zu-Ende möglich Im Protokoll implementierte automatische Fehlerkorrektur Ideales Protokoll zur Sicherung des optischen Übertragungslayers 1 GbE STM-16 8 GFC 10 GbE 1 GbE STM-16 8 GFC 10 GbE 40 GbE 40 GbE
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Was ist WDM? (Wavelength Division Multiplexing) Motivation bei Dark Fiber Leitungen Optimale Ausnutzung der Glasfaser Umgehung von Glasfaserengpässen Übertragung von hohen Datenraten Einfache Kapazitätserhöhung, unterbrechungsfrei Standort A PDH, SDH, PDH, SDH, IP, SAN, IP, SAN, TK, ATM TK, ATM 8 Glasfaserleitungen Standort B WDM-Varianten CWDM (G.694.2 max. 18 Kanäle, 20 nm) - marktreif DWDM (G694.1 max. 920 Kanäle/12,5 GHz) - derzeit 80 Kanäle marktüblich (C-Band/50 GHz) Hybrid-Lösungen (DWDM over CWDM) bis zu 46 Kanäle, Pay as you grow WDM over Multimode ( 800 m/80 m bei 1 Gbit/10 Gbit, abhängig von LWL) Single-Fiber-Varianten
WDM-Komponenten WDM-System WDM-Filter Optische Transceiver Transponder zur Regenerierung/Konvertierung Muxponder zur Aggregation Optische Verstärker Management-Karte Chassis mit Power Supplies und Lüftermodul Chassis 5HE, 16 Slots Passives WDM-Modul (Kabelmuffe) Chassis 1HE, 4 Slots Optische Transceiver OADM-Module Passive WDM-Filter 2-96 Kanäle Aggregationskarte OTN 10G Transponderkarten 100 Mbit/s 10 Gbit/s Optische Verstärker NMS-Karte
Netzstrukturen Anforderungen & Topologien Anforderungen Skalierbarkeit, um dem wachsenden Bedarf an Bandbreite gerecht zu werden Redundanzkonzepte bei optimaler Netzauslastung Flexibel in der Verschaltung/Erweiterung Einfache Wartung durch zentrales Management Punkt-zu-Punkt Sternstruktur (Add&Drop) Ringstruktur Vermaschte Struktur
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ROADM: Netztopologie mit Zukunft (1) Entwicklung von Netzstrukturen Zunehmende Vermaschung von Netzen im Hinblick auf Kapazitätsbedarf und Netzsicherheit Unterbrechungsfreier Ausbau und Umbau von Netzen Flexibles Aus-/Einfügen von Wellenlängen Anschalten/Erweitern mit Sub-Ringen Temporäre Bereitstellung von Wellenlängen Reconfigurable Optical A&D Mux als Lösung Optimierung der Netzkapazität Schnelle Servicebereitstellung Aufbau von Knoten mit intelligenten Multi-Degree-ROADMs statt OE/EO- Komponenten Steuerung des Netzes über eine zentrale Element-Manager-Plattform
ROADM: Netztopologie mit Zukunft (2) Beispiel: Degree4-ROADM Durch Optical CrossConnect flexible Verschaltung von Wellenlängen Optische bandbreitenunabhängige Regenerierung mittels Optical Amplifier Steuerbare Anpassung der optischen Pegel mittels VOAs Durch Verwendung von tunable Optiken und tunable Filtern lokal freie Belegung der verfügbaren Wellenlängen EAST WSS: Wavelength Selective Switch VOA: Variable Optical Attenuator TF: Tunable Filter OA: Optical Amplifier OCX: Optical CrossConnect
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Physikalische Eigenschaften der Glasfaser Ausbreitung der elektromagnetischen Welle in einer Glasfaser E_{ E x z,t = A z,t e x modulierte Amplitude j ωt β optischer Träger z αz/ 2 e Dämpfung Dämpfung α beschreibt Dämpfungsparameter Dämpfungsparameter der Faser bei gegebener Wellenlänge in [db/km]
Physikalische Eigenschaften der Glasfaser Dämpfungsprofil der Glasfaser
Physikalische Eigenschaften der Glasfaser Lineare Effekte Chromatische Dispersion In Glas sind Phasen und Gruppengeschwindigkeit eine Funktion der optischen Frequenz Ausbreitungskonstante β abhängig von der optischen Frequenz Entwicklung von β um ω 0 in eine Taylorreihe: ω = 2 0 0 2 2 3 2 1 0... 1 3 0 3 6
Physikalische Eigenschaften der Glasfaser 1. Term: Konstante Phasenverschiebung Term 1. Ordnung Enthält die inverse Gruppengeschwindigkeit Term 2. Ordnung ' 1 v g (group velocity dispersion GVD) Dispersion 2. Ordnung Daraus ergibt sich der (faserspezifische) Dispersionskoeffizient: CD C 2 2 C 2 2 in [ps/nm*km] Typischer Wert der Standardfaser (G.652): 17ps/nm*km bei 1550 nm
Physikalische Eigenschaften der Glasfaser Chromatische Dispersion Optischer Impuls mit spektraler Breite erfährt eine Verbreiterung um nach k Kilometern Dispersionstoleranz: Maximale zulässige Laufzeitunterschiede ~ 1/4 b (Bitdauer) Maximal zulässige akkumulierte Dispersion sinkt quadratisch mit der Bandbreite
Dispersionskompensation Pulsverbreiterung ist reversibel Dispersionskompensierende Fasern Inverser Dispersionskoeffizient z.b. -100ps / nm * km Dispersionskompensationsmodul (DCM) Module für 20 km 200 km Dispersionskompensation muss auf die Länge der Übertragungsstrecke angepasst werden besser eine Unterkompensation als eine Überkompensation!
Polarisationsmoden-Dispersion PMD Faser ist nicht exakt rund und homogen Stauchung, Spannungen, Torsion... Diese sind zeitlich veränderlich: Temperaturschwankungen, Erschütterungen... Folge: Brechungsindex und damit Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes abhängig von dessen Polarisationsebene Verschiedene Ausbreitungsgeschwindigkeiten für verschiedene Polarisationsebenen Koeffizient für Glasfaser: K PMD [ ps / Km] (typisch: 0,1)
Nichtlineare Eigenschaften Kerr-Effekt Änderung des Brechungsindex mit der Lichtleistung Variation der Ausbreitungskonstante β Selbstphasenmodulation SPM Eigene Leistung eines Pulses moduliert seine Phase Kreuzphasenmodulation XPM Zwei (oder mehrere) kopropagierende Pulse mit verschiedenen Wellenlängen im WDM-System beeinflussen gegenseitig ihre Phase Nichtlinearität und Dispersion verändern die Amplitude -Verzerrung Verbreiterung des Impulsspektrums f n f a f b f c Vierwellenmischung Im WDM-System entstehen neue Mischprodukte
Nichtlineare Eigenschaften Brilluin-Streuung Wechselwirkung des Lichtes mit Schallwellen, die sich in der Faser ausbreiten. Periodische Änderung der Dichte / Brechzahl Folge: Rückreflexion, Leistungsverringerung Raman-Streuung Wechselwirkung des Lichtes mit Molekülschwingungen des Wellenleiters Teilweise Übertragung von Energie der elektromagnetischen Welle auf Molekülschwingungen Streustrahlung mit längeren Wellenlängen (ca. 13 THz niedriger als optische Frequenz). Im WDM-System Leistungs-Transfer zwischen den verschiedenen Wellenlängen SRS-Crosstalk Leistungsreduktion bei kürzeren Wellenlängen, Noise bei höheren Wellenlängen Gleichzeitige Ausbreitung eines langwelligen und kurzwelligen Signals kann zur Verstärkung des langwelligen Signals führen Stimulierte Ramanstreuung (SRS) Raman Amplifier
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Optische Verstärker EDFA (Erbium doped fiber amplifier) RAMAN
Einsatz optischer Verstärker Einsatzgebiete Leitungsanfang: Booster sendet verstärktes Signal mit hoher Ausgangsleistung Leitungsende: PreAmp arbeitet mit niedriger Eingangssignalstärke Mit mehreren Zwischenstandorten: Inliner
Einsatz optischer Verstärker RAMAN Am Leitungsende gegen die Signalrichtung: Counter-Pump Am Leitungsanfang in die Signalrichtung: Co-Pump db km
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OSNR (Optical Signal Noise Ratio) Signal-Rauschverhältnis an der Empfängerdiode bestimmt BER (bit error rate) Üblicherweise gilt: BER <= 10-12 Rauschleistung ist Gauss-verteilt. Optischen Verstärker erzeugen ASE-Rauschen (amplified spontanous emission) Hauptrauschquelle bei Netzen mit optischen Verstärkern Bei Kaskadierung von EDFA-Verstärkern akkumuliert sich das Rauschen Rauschverhalten des EDFA-Amps: NF (noise figure) ~ 5 db Rauschverhalten des Raman-Amps: NF ~ 0 db
OSNR (Optical Signal Noise Ratio) OSNR eines Verstärkers OSNR P In R* h* f * B P in : Signalleistung am Verstärkereingang R: Rauschzahl des Verstärkers h: Planksche Konstante 6,6261*10-34 Js f: Frequenz d. optischen Trägers ~ 193 THz B: Bandbreite d. optischen Kanals [Hz] OSNR nach N Verstärkern: 1 OSNR final 1 OSNR 1 1 OSNR 2 1 OSNR 3... 1 OSNR N Praktische OSNR-Werte beim Design von optischen Netzen: Kanal Datenrate Erforderliche OSNR 2,5 Gbit/s 15... 21 db 10 Gbit/s 22... 27 db 40 Gbit/s 30... 35 db
OSNR am PreAmp
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Optimierungslösungen Lineare und nichtlineare Effekte und Rauschen beeinträchtigen die Übertragungsqualität Hohe Ausgangsleistung der optischen Verstärker Hoher OSNR-Wert starke nichtlineare Effekte Geringe Ausgangsleistung der optischen Verstärker niedriger OSNR-Wert schwache nichtlineare Effekte Kompromiss zum Erreichen des Optimum der BER Möglicherweise sind Transponderkarten mit 3R-Funktionalität notwendig (reshaping, re-amplification, re-timing) Weitere Möglichkeit: FEC (Forward Error Correction) Im Zweifelsfall: Simulation des optischen Netzes VPI, OSNR: fundamental wichtiger Parameter, insbesondere bei höheren Datenraten (40, 100, G bit/s) mit Phasenmodulationsverfahren
Industriekolloquium 2012 Datentechnik Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! + 49 (0) 6103 / 83 4 84-333 info@pandacomdirekt.de www.pandacomdirekt.de