WDM-Lösungen für die Glasfasernetze der Zukunft

WDM-Lösungen
für die Glasfasernetze
der Zukunft
Referenten: Herr Dipl.-Ing. Georg Dürr
Herr Dipl.-Ing. Rainer Klimek
© 2012, Pan Dacom Direkt GmbH
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
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Pan Dacom Gruppe
• Systemintegration
• Fokussierung auf
Dienstleistungen
• Vermarktung
Brand-Names
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• Spezialisiert auf
Übertragungsnetzwerke
• Eigene Hard- &
Softwareentwicklung
Produktübersicht
Modems
NGN
Konverter &
Multiplexer
Ethernet Access
Multiservice
Access
CWDM &
DWDM
Richtfunk
FTTx
Pseudowire
Carrier Ethernet
ApplicationDelivery &
- Security
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Transceiver
DSL
Unsere Kunden
Rechenzentren
Industrie
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Bildungseinrichtungen
Versicherungen
Carrier ISPs
Banken
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
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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
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Bandbreitenentwicklung (1)
Bits pro Sekunde in Terabyte
Bandbreitennutzung
Durchschnitts-Traffic in bit/s
Maximal-Traffic in bit/s
Quelle: DE-CIX Management GmbH
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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
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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!
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Übertragungsprotokolle
??
OTU5
100G
OTU4
16G FC
40G
OTU3
10G FC
10G
OTU2
??
100 Gbit/s
OC-768/STM-256
40 Gbit/s
OC-192/STM-64
10 Gbit/s
8G FC
OC-48/STM-16
2,5 Gbit/s
2G FC
1 Gbit/s
OC-12/STM-4
622 Mbit/s
140/155
Mbit/s
E4
1,5/2 Mbit/s
PDH
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OC-3/STM-1
100
DS3/E3
34/45 Mbit/s
1G
1G FC
DS3/E3
DS1/E1
OTU1
4G FC
10
DS1/E1
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
1 GbE
STM-16
STM-16
8 GFC
8 GFC
10 GbE
10 GbE
40 GbE
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40 GbE
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
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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
8 Glasfaserleitungen
Standort B
PDH,
PDH,
SDH,
SDH,
IP,
IP,
SAN,
SAN,
TK,
TK,
ATM
ATM
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
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WDM-Komponenten
WDM-System
• WDM-Filter
• Optische Transceiver
• Transponder zur
Regenerierung/Konvertierung
• Muxponder zur Aggregation
Chassis
• Optische Verstärker
5HE, 16 Slots
• Management-Karte
• Chassis mit Power Supplies und Lüftermodul
Optische
Transceiver
OADM-Module Passive WDM-Filter
2-96 Kanäle
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Passives WDM-Modul
(Kabelmuffe)
Chassis
1HE, 4 Slots
Transponderkarten
Aggregationskarte
Optische Verstärker
100 Mbit/s – 10 Gbit/s
OTN 10G
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
Ringstruktur
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Punkt-zu-Punkt
Sternstruktur (Add&Drop)
Vermaschte Struktur
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
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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/EOKomponenten
• Steuerung des Netzes über eine zentrale
Element-Manager-Plattform
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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
•
•
•
•
•
WSS: Wavelength Selective Switch
VOA: Variable Optical Attenuator
TF: Tunable Filter
OA: Optical Amplifier
OCX: Optical CrossConnect
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EAST
WDM-Lösungen
für die Glasfasernetze der Zukunft
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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
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Physikalische Eigenschaften der Glasfaser
Ausbreitung der elektromagnetischen Welle in einer Glasfaser
• E_{
j  ωt  β  z 
Ex z,t  = Ax z,t   e
 e

 optischer Dämpfung
modulierte
Amplitude
αz / 2
Träger
Dämpfung
• α beschreibt Dämpfungsparameter
• Dämpfungsparameter der Faser bei gegebener Wellenlänge in [dB/km]
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Physikalische Eigenschaften der Glasfaser
Dämpfungsprofil der Glasfaser
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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 ω0 in eine Taylorreihe:

1 2
1 3
2
  0   2   0   3   0 3  ...
 ω =  0 

2 
6 
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Physikalische Eigenschaften der Glasfaser
• 1. Term: Konstante Phasenverschiebung
• Term 1. Ordnung

1
 '

 v g
Enthält die inverse Gruppengeschwindigkeit
• Term 2. Ordnung
(group velocity dispersion GVD)
Dispersion 2. Ordnung
2C  2 
• Daraus ergibt sich der (faserspezifische) Dispersionskoeffizient: CD C  2
2
 
in [ps/nm*km]
• Typischer Wert der Standardfaser (G.652): 17ps/nm*km bei 1550 nm
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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
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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!
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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 ]
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(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
• Vierwellenmischung 
Im WDM-System entstehen neue Mischprodukte
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f n  f a  fb  fc
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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für die Glasfasernetze der Zukunft
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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
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Optische Verstärker
EDFA (Erbium doped fiber amplifier)
RAMAN
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Einsatz optischer Verstärker
Einsatzgebiete
• Leitungsanfang: Booster sendet verstärktes Signal mit hoher Ausgangsleistung
• Leitungsende: PreAmp arbeitet mit niedriger Eingangssignalstärke
• Mit mehreren Zwischenstandorten: Inliner
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Einsatz optischer Verstärker
RAMAN
• Am Leitungsende gegen die Signalrichtung: Counter-Pump
• Am Leitungsanfang in die Signalrichtung: Co-Pump
dB
km
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für die Glasfasernetze der Zukunft
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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
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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
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OSNR (Optical Signal Noise Ratio)
OSNR eines Verstärkers
OSNR 
PIn
R*h* f * B
Pin:
R:
h:
f:
B:
OSNR nach N Verstärkern:
1
1
1
1
1



 .....
OSNR final OSNR1 OSNR 2 OSNR 3
OSNR N
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Signalleistung am Verstärkereingang
Rauschzahl des Verstärkers
Planksche Konstante 6,6261*10-34 Js
Frequenz d. optischen Trägers ~ 193 THz
Bandbreite d. optischen Kanals [Hz]
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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WDM-Lösungen
für die Glasfasernetze der Zukunft
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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
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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
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Industriekolloquium 2012
Datentechnik
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+ 49 (0) 6103 / 83 4 84 - 333
[email protected]
www.pandacomdirekt.de
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