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Optische Zugangsnetze der nächsten Generation

PIANO+ IMPACT und TUCAN ermöglichen PONs mit 10 Gbps

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Herausforderungen

Vor der Markteinführung von WDM-PON Systemen in der breiten Masse müssen noch Lösungen, insbesondere für die folgenden drei Themenkomplexe, gefunden werden:

  • Es müssen kompakte (vorzugsweise integriert-optische), kostengünstige, energieeffiziente und für die Massenproduktion geeignete optische Sende- und Empfangskomponenten entwickelt werden.
  • Es wird ein Konzept für die Aggregation der Datenströme der einzelnen Teilnehmer benötigt. Dieses sollte insbesondere auch gut skalierbar sein und in der Zukunft höhere Teilnehmerzahlen erlauben.
  • Es werden einfache Verfahren für die (Ende-zu-Ende) Verwaltung benötigt (so genannte „Operation, Administration and Maintenance“-Funktionen, kurz OAM).

Die EU-Projekte PIANO+ IMPACT und TUCAN möchten Lösungen für alle vorgenannten Problemstellungen finden, d.h. sowohl auf Komponenten-, auf Subsystem- als auch auf der Systemebene. Dafür werden die folgenden Themenkomplexe untersucht.

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Entwicklung einer integriert-optischen 40 x 1 Gbps Sende-/Empfangseinheit für die Vermittlungsstelle

Für die erfolgreiche Einführung von WDM-PON Systemen auf dem Massenmarkt ist es zwingend erforderlich, dass integrierte, kostengünstige und energieeffiziente Sende-/Empfangsmodule (Transceiver) verfügbar sind [5]. Im „PIANO+ IMPACT“-Projekt wird dabei der Ansatz verfolgt, 40 Laser- bzw. Photodioden zusammen mit optischen Multiplexern bzw. Demultiplexern zu integrieren (Abbildung 3). Um möglichst geringe Herstellungskosten zu erreichen, sollen weiterhin die Treiberverstärker für die Sender und auch die Empfangsverstärker in das Modul eingebettet werden.

Weitere Kosteneinsparungen werden dadurch erwartet, dass die Wellenlängenstabilisierung mittels so genannter „Wavelength Locker“ nicht auf Einzelkanalebene durchgeführt wird, sondern ein zentraler Wavelength Locker verwendet werden soll, um alle Wellenlängen der Sendeeinheit zu stabilisieren.

Das Fasermanagement wird deutlich vereinfacht durch die Integration des Multiplexers bzw. Demultiplexers auf der Sende-/Empfangseinheit (Abbildung 4). Dadurch muss nur eine einzelne Faser angeschlossen werden, und es werden keine Faserbänder mehr benötigt, um alle 40 Kanäle zu verbinden.

Um Daten in beiden Richtungen (zum Kunden und zurück) über eine einzelne Glasfaser übertragen zu können, wird für die Übertragungsrichtung zum Kunden das L-Band verwendet und für die Richtung zur Vermittlungsstelle das C-Band. Die erste Systemgeneration soll hierbei ein Frequenzraster von 100 GHz verwenden. Zukünftig ist aber auch ein Wechsel auf ein 50 GHz Raster denkbar und somit eine Verdoppelung der Teilnehmeranzahl.

Entwicklung einer kostengünstigen Sende- / Empfangseinheit für den Endkunden

Ein entscheidender Bestandteil des WDM-PON Systems ist die Sende-/ Empfangseinheit auf der Endkundenseite (Customer Premises Equipment, CPE). Die Entwicklung eines massentauglichen CPE-Moduls ist zentraler Gegenstand des PIANO+ TUCAN Projektes.

Um eine solche CPE Einheit kostengünstig produzieren zu können, ist es erforderlich, dass das gleiche Modul bei jedem Kunden eingesetzt werden kann. Weiterhin sollte es auch einen geringen Energiebedarf aufweisen, um die Betriebskosten möglichst gering zu halten.

Beide Ziele können mit einem im Projekt neu entwickelten wellenlängen-abstimmbaren Laser erreicht werden, der kostengünstig produziert werden kann.

Ein Großteil des Energiebedarfs eines Lasers wird durch den integrierten thermo-elektrischen Kühler (Thermo-Electric-Cooler, TEC) verursacht. Der Wegfall des TEC wäre deshalb wünschenswert. Dies erfordert jedoch, dass andere Materialien (z.B. Aluminium) verwendet werden und die temperaturabhängigen Frequenz- und Modensprünge des Lasers aktiv kompensiert werden (z.B. durch Ausnutzung der elektrischen Abstimmbarkeit der Frequenz) [6].

Eine weitere Kostenreduzierung kann durch Weglassen des Wavelength Lockers im CPE Laser erzielt werden. Die Funktionalität könnte stattdessen zentral in der Vermittlungsstelle untergebracht werden. Hierbei wird dem CPE Laser über einen Rückkanal aus der Vermittlungsstelle mitgeteilt, ob er die richtige Wellenlänge eingestellt hat. Weitere Einsparungen resultieren daraus, dass die photonische Integration erhöht wird und alle benötigten Komponenten (Laser, Modulator, Photodiode und C/L Bandsplitter) auf einem einzelnen Chip zusammengefasst werden.

Entwicklung einer Tb/s Aggregationsplattform

Um tausende von Endkunden an eine Vermittlungsstelle anschließen zu können, ist eine Aggregationsplattform mit einer Kapazität im Bereich von mehreren Terabit pro Sekunde (Abbildung 5) erforderlich. Diese hohen Anforderungen kann man sich leicht anhand eines einfachen Rechenbeispiels verdeutlichen:

Angenommen jeder der 40 Millionen deutschen Haushalte soll zukünftig mit einer Bandbreite von 1 Gbps an eine von 1.000 Vermittlungsstellen angeschlossen werden, so erfordert dies eine Kapazität von 40 Tbps pro Vermittlungsstelle, um die jeweils daran angeschlossenen 40.000 Kunden bedienen zu können.

Wichtige Aspekte, die hierbei berücksichtigt werden müssen, sind das statistische Multiplexverhalten, effizientes Multicasting (z.B. für IP-TV Anwendungen), eine hohe Ausfallsicherheit sowie die Unterstützung von mehreren Serviceprovidern (Stichwort: Entbündelung). Weiterhin ist ein besonderes Augenmerk auf die benötigten Verschaltungsfunktionen auf den OSI-Schichten 1 bis 3 sowie auf die OAM-Funktionalität zu legen.

Neben der Anbindung von Haushalten ist ein weiterer wichtiger Anwendungsfall die Anbindung von Mobilfunkbasisstationen. Dies soll ebenfalls mit der prototypisch entwickelten Aggregationsplattform ermöglicht werden.

Entwicklung von Algorithmen zur weiteren Kapazitätssteigerung

Um eine weitere Skalierbarkeit zu noch höheren Datenraten zu erreichen, ohne die Hardware auswechseln oder neue Komponenten installieren zu müssen, wird im Rahmen des „PIANO+ IMPACT“-Projektes der Einsatz von elektronischer Signalverarbeitung (Digital Signal Processing, DSP) untersucht (Abbildung 6). Eine wichtige Randbedingung in diesem Zusammenhang ist, dass weiterhin eine preiswerte Direktdetektion am Empfänger zum Einsatz kommen soll. Ein möglicher Kandidat für das Modulationsverfahren ist optisches „Orthogonal Frequency Division Multiplexing“ (OFDM) [7]. Zum Einsatz kommen sollen weiterhin kostengünstige Digital-Analog-Konverter (DAC) bzw. Analog-Digital-Konverter (ADC) wie sie z.B. im Mobilfunkbereich zur drahtlosen Anbindung von Basisstationen verwendet werden.

Fazit

Die Projekte PIANO+ IMPACT und TUCAN untersuchen Fiber-To-The-Home Systeme der nächsten Generation mit einer (ungeteilten) Nutzerdatenrate von 1 Gbps und mehr. Sie werden einen Weg für die Massentauglichkeit von WDM-PON Systemen aufzeigen und zielen darauf ab, eine substantielle Kostensenkung im Vergleich zu heute verfügbaren Komponenten zu erreichen.

Über die Autoren

Die Autorengemeinschaft Dr. Stephan Pachnicke, Dr. Klaus-Grobe, Dr. Helmut Grießer, Dr. Michael Eiselt, Markus Roppelt, Mirko Lawin und Dr. Jörg-Peter Elbers arbeitet im Bereich der Vorfeldentwicklung für Optische Zugangsnetze der nächsten Generation bei ADVA Optical.

[Quellennachweise siehe Kasten]

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