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Optische Zugangsnetze der nächsten Generation PIANO+ IMPACT und TUCAN ermöglichen PONs mit 10 Gbps

Autor / Redakteur: Dr. Stephan Pachnicke u.a. (siehe Kasten) / Dipl.-Ing. (FH) Andreas Donner

Nur Fiber-To-The-Home-Systeme (FTTH) können das enorme Wachstum der Datenraten im Zugangsnetz-Bereich auch weiterhin ermöglichen. Im Rahmen der EU-Projekte PIANO+ IMPACT und TUCAN werden dafür neuartige Passive Optische Netze (PON) mit Endnutzerdatenraten von bis zu 10 Gbps untersucht.

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Nur optische Übertragungssysteme, die bis in die Räume der Endkunden reichen (FTTH) sind in der Lage, die künftig notwendigen Datenraten zu liefern! (© Suprijono Suharjoto - Fotolia.com)
Nur optische Übertragungssysteme, die bis in die Räume der Endkunden reichen (FTTH) sind in der Lage, die künftig notwendigen Datenraten zu liefern! (© Suprijono Suharjoto - Fotolia.com)

In den vergangenen 20 Jahren konnte im Zugangsnetzbereich eine exponentielle Zunahme der Datenrate beobachtet werden, und ein Ende des Wachstums ist bisher nicht abzusehen. Um auch zukünftig eine weitere Erhöhung der Bitrate zu ermöglichen, ist der Einsatz von Fiber-To-The-Home Systemen wünschenswert. Im Rahmen der EU-Projekte PIANO+ IMPACT und TUCAN werden dafür neuartige passive optische Netze im Wellenlängenmultiplexbetrieb mit Endnutzerdatenraten von bis zu 10 Gb/s untersucht.

Die Telekommunikation ist heutzutage zentraler Bestandteil unseres Lebens. Hierzu beigetragen haben insbesondere die Einführung von Mobilfunk und Internet für den Massenmarkt in den 1990er Jahren. Die weite Verbreitung des Internets und breitbandiger Dienste (z.B. Video-on-Demand) führten dazu, dass die Bandbreitennachfrage durch den Endnutzer stark zunahm (siehe Abbildung 1). Die jährliche Wachstumsrate der Datenrate liegt aktuell bei ca. 50 bis 100 Prozent. Es ist momentan nicht abzusehen, dass sich dieses rapide Wachstum in den nächsten Jahren abschwächen wird [1].

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Ein wichtiger Schritt, um den Zugang zu Breitbandinhalten zu ermöglichen, war die Einführung von so genannten Digital Subscriber Lines (DSL). Diese bieten dem Endkunden heute Datenraten von bis zu 50 Mbps (VDSL) über den normalen (Zweidraht-) Telefonanschluss. Um den erwarteten Bandbreitenbedarf in fünf bis zehn Jahren (ein bis 10 Gbps pro Teilnehmer) erfüllen zu können, sind allerdings zukünftig neuartige Ansätze nötig. Die Entwicklung solcher Systeme ist Ziel der EU-Projekte PIANO+ IMPACT und TUCAN [3].

Passive Optische Netze (PON)

Um Datenraten von 1 Gbps und mehr für den Endkunden erreichen zu können, ist der Einsatz von glasfaserbasierten Lösungen (Fiber-to-the-Home, FTTH) ein vielversprechender Ansatz [4]. Ein Überblick über verschiedene Zugangstechniken für Passive Optische Netze (PON) ist in Abbildung 2 dargestellt.

Unterschiede ergeben sich zwischen den verschiedenen Zugangstechniken insbesondere in der Anzahl der Fasern, die in der Vermittlungsstelle (VST) angeschlossen werden müssen und der für den Endkunden erzielbaren Datenrate. Weiterhin sind natürlich die Kosten, der Energieverbrauch, der Platzbedarf in der Vermittlungsstelle und die Skalierbarkeit zu noch höheren Datenraten entscheidende Faktoren.

Aus Abbildung 2 ist zu entnehmen, dass im Wesentlichen drei Varianten für die Glasfaseranbindung des Endkunden (dies sind beispielsweise Privat- oder Geschäftskunden) oder die Anbindung von Mobilfunkstationen in Betracht kommen. Jede Variante hat spezifische Vor- und Nachteile.

So wird im Fall der direkten Punkt-zu-Punkt Verbindung eine Glasfaser pro Kunden benötigt. In der Vermittlungsstelle führt dies eventuell zu Platzproblemen, da jede Glasfaser an eine Sende-/Empfangseinrichtung angeschlossen werden muss. Weiterhin ist der Aufwand für die Verlegung der Glasfasern recht hoch.

Zeitmultiplexverfahren

Bei den beiden anderen dargestellten Varianten wird die Vermittlungsstelle durch ein einziges Glasfaserkabel mit einem passiven Knoten verbunden. Dieser ist im Falle des TDMA-PON (Zeitmultiplexverfahren, Time-Division-Multiple-Access, TDMA) als passiver Splitter realisiert, der das eingehende Signal auf alle Ausgänge gleichmäßig aufteilt. Daraus resultiert, dass beim TDMA-PON Verfahren alle angeschlossenen Benutzer die volle Datenrate verarbeiten müssen.

Bei einer Anzahl von 40 Nutzern und einer Datenrate von jeweils 1 Gbps bedeutet dies beispielsweise, dass die Empfangseinheit jedes Endkunden 40 Gbps verarbeiten muss. Es ist fragwürdig, ob eine solche Lösung kostengünstig (Ziel: weniger als 1/10 der Kosten eines derzeitigen WDM Sende-/Empfangsmoduls) realisiert werden kann.

Darüber hinaus stellen die verringerte Empfängerempfindlichkeit aufgrund der hohen Bandbreite und Limitierungen durch die chromatische Dispersion der Glasfaserübertragungsstrecke Herausforderungen dar.

Wellenlängenmultiplexverfahren

In der WDM-PON-Variante (Wellenlängenmultiplexverfahren, Wavelength-Division-Multiplex, WDM) besteht der Knoten aus einem wellenlängenselektiven Multiplexer (z.B. Arrayed Waveguide Grating, AWG), der jedem Nutzer eine bestimmte Wellenlänge zuordnet.

Der WDM-PON Ansatz kombiniert die Vorteile der beiden vorgenannten Verfahren, nämlich nur eines Glasfaseranschlusses an der Vermittlungsstelle für N Nutzer und einer hohe Datenrate (z.B. bis zu 10 Gbps) für den Endkunden. Weiterhin trägt dieser Ansatz dem erhöhten Sicherheitsbedürfnis vieler Unternehmenskunden dadurch Rechnung, dass eine bestimmte Wellenlänge nur bei dem jeweiligen Nutzer terminiert wird und die Daten nicht wie beim TDMA-PON an alle Nutzer gesendet werden.

weiter mit den Herausforderungen bei der Entwicklung einer kostengünstigen Sende-/Empfangseinheit für den Endkunden

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.

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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