Die Einführung des transponderbasierten DWDM-Systems

Fibermart
Montag 04 Mai, 2015
20
0

Die Entwicklung von DWDM-Systemen entstand aus der Notwendigkeit, die Kapazität einer einzelnen Faser und damit des gesamten Netzwerks kostengünstig zu erhöhen. Die Idee, mehrere Kanäle über eine einzelne Faser zu übertragen, erscheint zwar einfach, ist in Wirklichkeit jedoch ein komplexes Unterfangen. Transponder wandeln eingehende optische Signale in die präzisen ITU-Standardwellenlängen für die Multiplexübertragung um und sind daher ein entscheidender Faktor für die Offenheit von DWDM-Systemen. Dieser Artikel stellt hauptsächlich das transponderbasierte DWDM-System vor .

Komponenten des transponderbasierten DWDM-Systems

Im Allgemeinen umfasst ein transponderbasiertes DWDM-System einen Terminal-Multiplexer, einen Terminal-Demultiplexer, einen Zwischenleitungs-Repeater oder optischen Add-Drop-Multiplexer (OADM) und einen optischen Verstärker oder optischen Überwachungskanal.

Terminal-Multiplexer

Terminal-Multiplexer bestehen aus Transpondern und optischen Multiplexern (DWDM MUX) . Für jedes Signal in der Glasfaser gibt es einen entsprechenden Transponder. Der Transponder empfängt das Signal und überträgt es mithilfe eines Lasers im C-Band. Der optische Multiplexer überträgt diese Signale im C-Band über eine Glasfaser. Im Laufe von zehn Jahren wuchs die Kapazität von DWDM-Systemen von 4 auf 128 Signale. (Hier ist ein Bild eines in DWDM-Systemen verwendeten Transponders.)

Terminal-Demultiplexer

DWDM-Systeme verwenden ebenfalls Terminal-Demultiplexer, die aus Transpondern und optischen Demultiplexern bestehen . In ihren ersten Ausführungen waren Terminal-Demultiplexer passive Systeme. Mit zunehmender Komplexität von DWDM-Systemen stieg auch der Bedarf an einem aktiven Ansatz. Terminal-Demultiplexer nehmen das Signal, das mittlerweile aus mehreren Wellenlängen besteht, auf und zerlegen es in seine Bestandteile. Diese Signale werden dann über einzelne Fasern an ihre Ziele gesendet. Die aktiven Terminal-Demultiplexer durchlaufen vor der Übertragung zunächst einen Ausgangstransponder, der auch eine Fehlerkorrektur durchlaufen kann. Diese Transponder können auch neben den Eingangstranspondern platziert werden.

Hinweis: Bei einem bidirektionalen, transponderbasierten DWDM-System enthalten die Terminals sowohl Multiplexer als auch Demultiplexer.

OADM

Zwischenleitungsverstärker werden im Abstand von 80 bis 100 km entlang der Glasfaserstrecke platziert. Wenn das optische Signal mehr als 140 km zurückgelegt hat, bevor es sein Ziel erreicht, wird ein integrierter optischer Verstärker (OADM ) (auch als Zwischenleitungsverstärker bezeichnet) platziert. Er dient nicht nur der Signalverstärkung, sondern auch als Diagnosepunkt. Sollten weiter unten im Glasfaserverlauf Probleme mit dem Signal auftreten, können diese Stellen genutzt werden, um festzustellen, ob die Glasfaser beschädigt oder anderweitig beeinträchtigt ist.

Optische Verstärker

Um die Signalverluste auszugleichen, werden optische Verstärker benötigt. Beispielsweise wird ein Erbium-dotierter Faserverstärker (EDFA) verwendet, um das optische Signal im Zwischenleitungsverstärker zu verstärken. Ein EDFA kann auch als Vorverstärker im Terminal-Multiplexer eingesetzt werden, um das Signal vor der Übertragung zu verstärken. (Ein EDFA ist in der folgenden Abbildung dargestellt.)

Optischer Überwachungskanal

Wenn ein EDFA nicht verwendet werden kann, wird ein optischer Überwachungskanal verwendet. Dies ist der Fall, wenn das Signal außerhalb des C-Bandes liegt. Hier ist eine Tabelle, die die Wellenlängenbereiche für jedes optische Wellenlängenband zeigt.

Optische Bänder	Wellenlängenbereich (nm)
O-Band	1260 bis 1360
E-Band	1360 bis 1460
S-Band	1460 bis 1530
C-Band	1530 bis 1565
L-Band	1565 bis 1625
U-Band	1625 bis 1675

3R Funktionen der Transponder

Die Signalregeneration war zunächst nicht in Transpondern implementiert. Diese Transponder wurden zunächst nur verwendet, um die Wellenlängen eingehender externer Signale in Wellenlängen umzuwandeln, die mit DWDM-Systemen kompatibel waren: nämlich in das C-Band. Diese Umwandlung diente auch der Stabilisierung der Frequenzen und der Verstärkung der Signalleistung, sodass sie mit dem EDFA im DWDM-System kompatibel war. Die Komplexität der Signalregenerationskomponenten in Transpondern wuchs mit der Weiterentwicklung von 1R zu 3R:

1R ist die Abkürzung für Retransmission (Neuübertragung). Es wurde in den ersten Transpondern verwendet. Wie der Name schon sagt, verwendet 1R keine Methoden zur „Bereinigung“ des Signals. Stattdessen wird lediglich das eingehende externe optische Signal in ein analoges umgewandelt. Dieser Prozess erfolgte ohne Berücksichtigung der Signalintegrität. Wenn also das eingehende optische Signal „Schrott“ war, war auch die analoge Version „Schrott“. Eine weitere Folge von 1R war, dass die praktische Reichweite von DWDM-Systemen aufgrund der bei Langstreckenkommunikation auftretenden Signalverschlechterung begrenzt war. Hinweis: DWDM-Systeme arbeiten im C-Band mit einem Dämpfungswert von etwa 0,3 dB/km. Obwohl dieser Wert viel niedriger ist als die Dämpfungswerte anderer Kommunikationsmethoden, summiert sich die Verschlechterung über große Entfernungen. Dies machte die Entwicklung von Systemen erforderlich, die mehr konnten als nur erneut senden.
2R steht für Retime and Retransmit. Bevor das eingehende externe Signal erneut übertragen wird, durchläuft es zunächst einen Bereinigungsprozess. Dabei wird die Qualität der Signale überwacht.
3R steht für Retime, Retransmit und Reshape. Dieses System ist fortschrittlicher als 1R- und 2R-Systeme. Dank der im Signal eingebetteten Qualitätsbits kann die Signalqualität genauer und präziser überwacht werden. Die Qualitätsbits informieren das System über den Zustand und die Verschlechterung des Signals. 3R-Systeme ermöglichen die Überwachung der bidirektionalen Kommunikation.

Betrieb eines transponderbasierten DWDM-Systems

Im DWDM-System wandelt ein Transponder das optische Signal des Clients in ein elektrisches um und führt die 3R-Funktionen aus (die Abbildung unten zeigt die 3R-Funktionen der Transponder im Terminal). Dieses elektrische Signal wird dann zum Ansteuern des WDM-Lasers verwendet. Jeder Transponder im System wandelt das Signal seines Clients in eine leicht unterschiedliche Wellenlänge um. Die Wellenlängen aller Transponder im System werden dann optisch gemultiplext. In Empfangsrichtung des DWDM-Systems läuft der umgekehrte Prozess ab. Einzelne Wellenlängen werden aus der gemultiplexten Glasfaser gefiltert und einzelnen Transpondern zugeführt, die das Signal in ein elektrisches umwandeln und eine Standardschnittstelle zum Client ansteuern. (Zukünftige Designs umfassen passive Schnittstellen, die das ITU-konforme Licht direkt von einem angeschlossenen Switch oder Router mit optischer Schnittstelle empfangen.)

3R-Funktionen des Transponders

Anatomie eines Transponder-basierten DWDM-Systems

Die obige Abbildung zeigt den End-to-End-Betrieb eines unidirektionalen DWDM-Systems mit Transponder. Die folgenden Schritte beschreiben den in der Abbildung dargestellten Vorgang:

Der Transponder von Terminal A akzeptiert Eingaben in Form von Standard-Singlemode- oder Multimode-Lasern. Die Eingaben können von verschiedenen physischen Medien und verschiedenen Protokollen und Verkehrstypen stammen.
Die Wellenlänge jedes Eingangssignals wird einer DWDM-Wellenlänge zugeordnet.
Die DWDM-Wellenlängen des Transponders werden zu einem einzigen optischen Signal gemultiplext und in die Glasfaser eingespeist. Das System kann auch die Möglichkeit bieten, direkte optische Signale an den Multiplexer zu übertragen; solche Signale könnten beispielsweise von einem Satellitenknoten kommen.
Ein Nachverstärker (Booster-Verstärker) verstärkt die Stärke des optischen Signals beim Verlassen des Systems (optional).
Optische Verstärker (Inline-Verstärker) werden bei Bedarf entlang der Glasfaserstrecke eingesetzt (optional).
Ein Vorverstärker verstärkt das Signal, bevor es in das Endsystem gelangt (optional).
Das eingehende Signal wird in einzelne DWDM-Lambdas (oder Wellenlängen) demultiplext.
Die einzelnen DWDM-Lambdas werden auf den gewünschten Ausgabetyp abgebildet und über den Transponder von Terminal B ausgesendet .

Anwendungen des transponderbasierten DWDM-Systems

Transponder in DWDM-Systemen ermöglichen eine Vielzahl von Anwendungen, darunter Rundfunk- und Kabelunternehmen, Datennetzwerke sowie Satelliten- und Mobilfunkkommunikation. Transponderbasierte DWDM-Systeme können vorhandene WDM-Systeme ersetzen, wenn der Nutzen die Kosten rechtfertigt. Wenn ein Unternehmen bereits in die Verlegung von Glasfaser investiert hat, kann diese Anfangsinvestition durch den Einsatz eines solchen DWDM-Systems geschützt werden. Durch den Einsatz dieses Systems lässt sich die Kapazität der vorhandenen Glasfaser um bis zu das Zehnfache oder mehr vervielfachen. Aufgrund der rasant steigenden Zahl von Internetnutzern sind solche Systeme für Internetanbieter unverzichtbar. Ohne DWDM-Systeme könnten diese Unternehmen die Nachfrage der Internetnutzer nur durch die Verlegung neuer Glasfaserkabel befriedigen. Für sie ist die Implementierung von DWDM-Systemen wesentlich kostengünstiger und mindert so das Bandbreitenproblem. DWDMs ermöglichen außerdem mehr Flexibilität bei der Gestaltung von Netzwerken.

Abschluss

DWDM-Systeme werden kontinuierlich verbessert. Die Forschung treibt die Technologie so weit voran, dass 800 Wellenlängen auf einer einzigen Faser möglich werden. Die Datenmenge, die moderne Anwendungen benötigen, wächst stetig. Wo früher Bitraten von wenigen Gbit/s ausreichten, erfordern moderne Verbraucher- und Unternehmensanforderungen heute Tbit/s . Dieses Wachstum war bei der Einführung der ersten WDM-Systeme nicht vorhersehbar, doch die transponderbasierten DWDM-Systeme sind in der Lage, die modernen Anforderungen zu erfüllen.