WDM-Lösungen der Zukunft - dt.tu-darmstadt.de · •Im WDM-System Leistungs-Transfer zwischen den verschiedenen Wellenlängen SRS-Crosstalk •Leistungsreduktion bei kürzeren Wellenlängen,

© 2012, Pan Dacom Direkt GmbH

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

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Pan Dacom Gruppe

• Systemintegration

• Fokussierung auf

Dienstleistungen

• Vermarktung

Brand-Names

• Spezialisiert auf

Übertragungsnetzwerke

• Eigene Hard- &

Softwareentwicklung


Produktübersicht

Carrier Ethernet

Pseudowire

FTTx

Multiservice

Access

Richtfunk

CWDM &

DWDM

NGN

Ethernet Access

Application-

Delivery &

- Security DSL

Modems

Konverter &

Multiplexer

Transceiver


Unsere Kunden

Versicherungen

Banken

Rechenzentren

Industrie Carrier ISPs

Bildungs-

einrichtungen


WDM-Lösungen









OSNR



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


Bandbreitenentwicklung (1)

Bandbreitennutzung

Bits pro Sekunde in Terabyte

Durchschnitts-Traffic in bit/s

Maximal-Traffic in bit/s

Quelle: DE-CIX Management GmbH


WDM-Lösungen









OSNR



Bandbreitenentwicklung – Aussichten

• 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!

Situation und Zukunft


Übertragungsprotokolle

??

100 Gbit/s

40 Gbit/s

10 Gbit/s

2,5 Gbit/s

1 Gbit/s

622 Mbit/s

140/155

Mbit/s

34/45 Mbit/s

1,5/2 Mbit/s

DS1/E1

DS3/E3

PDH

E4

DS3/E3

DS1/E1

OTN

OTU1

OTU2

OTU3

OTU4

Sonet/SDH

OC-3/STM-1

OC-12/STM-4

OC-48/STM-16

OC-192/STM-64

OC-768/STM-256

SAN

1G FC

2G FC

4G FC

8G FC

10G FC

16G FC

Ethernet

100

1G

10G

40G

100G

10

?? OTU5


OTN – Transport-Protokoll mit Zukunft

• 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

Struktur und Vorteile

40 GbE 40 GbE

8 GFC

1 GbE

STM-16

1 GbE

8 GFC

STM-16

10 GbE 10 GbE


WDM-Lösungen









OSNR



Was ist WDM? (Wavelength Division Multiplexing)

• Optimale Ausnutzung der Glasfaser

• Umgehung von Glasfaserengpässen

• Übertragung von hohen Datenraten

• Einfache Kapazitätserhöhung,

unterbrechungsfrei

Motivation bei Dark Fiber Leitungen

• 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-Varianten

PDH,

SDH,

IP,

SAN,

TK,

ATM

8 Glasfaserleitungen

Standort A Standort B

PDH,

SDH,

IP,

SAN,

TK,

ATM


WDM-Komponenten

• WDM-Filter

• Optische Transceiver

• Transponder zur

Regenerierung/Konvertierung

• Muxponder zur Aggregation

• Optische Verstärker

• Management-Karte

• Chassis mit Power Supplies und Lüftermodul

WDM-System

Chassis

5HE, 16 Slots Chassis

1HE, 4 Slots

Transponderkarten

100 Mbit/s – 10 Gbit/s

Passive WDM-Filter

2-96 Kanäle

NMS-Karte Aggregationskarte

OTN 10G

OADM-Module Optische

Transceiver

Passives WDM-Modul

(Kabelmuffe)



Netzstrukturen – Anforderungen & Topologien

• Skalierbarkeit, um dem wachsenden

Bedarf an Bandbreite gerecht zu werden

• Redundanzkonzepte bei optimaler

Netzauslastung

• Flexibel in der Verschaltung/Erweiterung

• Einfache Wartung durch zentrales

Management

Anforderungen Punkt-zu-Punkt

Vermaschte Struktur Ringstruktur

Sternstruktur (Add&Drop)


WDM-Lösungen









OSNR



ROADM: Netztopologie mit Zukunft (1)

• 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

Entwicklung von Netzstrukturen

• 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

Reconfigurable Optical A&D Mux als Lösung


ROADM: Netztopologie mit Zukunft (2)

• 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

Beispiel: Degree4-ROADM

EAST


WDM-Lösungen









OSNR



Physikalische Eigenschaften der Glasfaser

Ausbreitung der elektromagnetischen Welle in einer Glasfaser

• E_{

• α beschreibt Dämpfungsparameter

• Dämpfungsparameter der Faser bei gegebener Wellenlänge in [dB/km]

Dämpfung

Dämpfung

2/

Trägeroptischer

Amplitudemodulierte

αzzβωtj

xx eez,tA=z,tE



Dämpfungsprofil der Glasfaser



• In Glas sind Phasen und

Gruppengeschwindigkeit eine Funktion

der optischen Frequenz

• Ausbreitungskonstante β abhängig von

der optischen Frequenz

Chromatische Dispersion

Lineare Effekte

...6

1

2

1 3

03

32

02

2

00

=ω

Entwicklung von β um ω0 in eine Taylorreihe:



• 1. Term: Konstante Phasenverschiebung

• Term 1. Ordnung

Enthält die inverse Gruppengeschwindigkeit

• Term 2. Ordnung (group velocity dispersion GVD)

Dispersion 2. Ordnung

• Daraus ergibt sich der (faserspezifische) Dispersionskoeffizient:

in [ps/nm*km]

• Typischer Wert der Standardfaser (G.652): 17ps/nm*km bei 1550 nm

gv

1'

2

2

2C

2CD

C



• 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

Chromatische Dispersion


Dispersionskompensation

• Inverser Dispersionskoeffizient z.B. -100ps / nm * km

Dispersionskompensierende Fasern

Pulsverbreiterung ist reversibel

• Module für 20 km…200 km

Dispersionskompensationsmodul (DCM)

Dispersionskompensation muss auf die Länge der

Übertragungsstrecke angepasst werden – besser eine

Unterkompensation als eine Überkompensation!


Polarisationsmoden-Dispersion

• 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 Ausbreitungsgeschwindig-

keiten für verschiedene

Polarisationsebenen

• Koeffizient für Glasfaser:

(typisch: 0,1)

PMD

]/[ KmpsKPMD


Nichtlineare Eigenschaften

• 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

Kerr-Effekt

cban ffff


Nichtlineare Eigenschaften

• Wechselwirkung des Lichtes mit

Schallwellen, die sich in der Faser

ausbreiten. Periodische Änderung der

Dichte / Brechzahl

• Folge: Rückreflexion,

Leistungsverringerung

Brilluin-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

Raman-Streuung


WDM-Lösungen









OSNR




EDFA (Erbium doped fiber amplifier)

RAMAN


Einsatz optischer Verstärker

• Leitungsanfang: Booster sendet verstärktes Signal mit hoher Ausgangsleistung

• Leitungsende: PreAmp arbeitet mit niedriger Eingangssignalstärke

• Mit mehreren Zwischenstandorten: Inliner

Einsatzgebiete


Einsatz optischer Verstärker

• Am Leitungsende gegen die Signalrichtung: Counter-Pump

• Am Leitungsanfang in die Signalrichtung: Co-Pump

RAMAN

dB

km


WDM-Lösungen









OSNR



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

Kanal Datenrate Erforderliche OSNR

2,5 Gbit/s 15 ... 21 dB

10 Gbit/s 22 ... 27 dB

40 Gbit/s 30 ... 35 dB

OSNR nach N Verstärkern:

BfhR

PIn

***OSNR

Pin: 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]

N321final OSNR

1.....

OSNR

1

OSNR

1

OSNR

1

OSNR

1

Praktische OSNR-Werte beim

Design von optischen Netzen:


OSNR am PreAmp


WDM-Lösungen









OSNR



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 (re-

shaping, 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


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

+ 49 (0) 6103 / 83 4 84 - 333

[email protected]

www.pandacomdirekt.de

Industriekolloquium 2012

Datentechnik

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