Kohärente Optik/DWDM
Neue Dienste und Weiterentwicklungen bei den Netzen haben die Nachfrage nach höheren Verbindungsgeschwindigkeiten in Betreibernetzen vorangetrieben.
Dies hat eine Reihe jüngerer Innovationen inspiriert, um die Leistung und die Funktionen optischer Technologien, die für Kernnetze und Backbones konzipiert wurden, in die Zugangs-Edge zu übertragen.
DZS verfügt über eine Reihe von Lösungen, die kohärente Optik und DWDM-Technologie für Zugangsnetzanwendungen bereitstellen und Kapazitäten von 100/200/400 Gigabit unterstützen.
Warum kohärente Optik/DWDM?
Leistung von 100/200/400 Gigabit
Die Erhöhung von Verbindungsgeschwindigkeiten und Reichweiten um den Faktor 10 macht Edge-Netze fit für die Anforderungen von 5G-Mobilfunk und 10G+-Breitband.
Offene optische Standards
400ZR, OpenZR+ und OpenROADM bieten offene, interoperable Technologie für optische Systeme und Netze.
Einfachheit und Effizienz
Kohärente Optik bietet Verbindungen mit hoher Reichweite und hohen Übertragungsraten für Zugangs- und Metronetze ohne zusätzliche Verstärkung, Hardware oder Standorte.
Fortschritte bei der Schnittstellentechnologie für optische Clients
Die Schnittstellengeschwindigkeit für paketbasierte Client-Geräte in Kommunikationsnetzen hat sich im Laufe der Zeit von 1 Gbit/s und weniger auf 10 Gbit/s und neuerdings sogar auf 25 Gbit/s pro Lane für elektrische und basisbandbasierte optische Verbindungen gesteigert.
Aufgrund physischer und technischer Beschränkungen beim Erreichen höherer Übertragungsraten für einzelne Kanäle wurden Schnittstellen mit höherer Geschwindigkeit entwickelt, die mehrere parallele Lanes aggregieren, um die Gesamtkapazität zu erhöhen. Beispiele für Ethernet-basierte Netzschnittstellen, die diesen Ansatz verwenden, sind 40-Gigabit-Ethernet – bestehend aus vier elektrischen Lanes mit je 10 Gigabit – und 100-Gigabit-Ethernet-Lanes – bestehend aus vier elektrischen Lanes mit je 25 Gigabit.
Wenn sie als optische Schnittstelle implementiert wurde, kann die physische Schicht dieser Verbindungen auch einzelne Kanäle mit unabhängigen optischen Lanes nutzen und damit dieselbe Übertragungsrate erreichen wie die elektrischen Lanes. Ein solcher Ansatz verwendet separate Faserpaare, die jeweils über einen eigenen Laser und eine eigene Fotodiode pro Richtung verfügen – und in der Regel mehradrige optische Flachbandkabel mit einem MPO-Stecker verwenden. Empfänger, die diese Technologie für Ethernet-Verbindungen verwenden, weisen physikalische Schichten mit der Kennzeichnung 40GBase-SR4 oder 100GBase-SR4 auf.
Ein weiterer Ansatz für Schnittstellen mit höherer Geschwindigkeit verwendet die traditionelle Single-Mode-Doppelfaserinfrastruktur, die typisch ist für Telekommunikationsnetze mit separaten Wellenlängen für die einzelnen Kanäle oder Lanes, die über dieselbe Faser laufen. Dieser Ansatz wird durch eine Form des Course Wavelength Division Multiplexing (CWDM) realisiert und ist durch mehrere einzelne Wellenlängen charakterisiert, die jeweils ca. 20 nm (oder ca. 2,5 THz) voneinander entfernt sind und die dann zu einer Einzelfaseranlage kombiniert werden können. Außerdem wurde eine neue Version dieser Technologie – das sogenannte LAN Wavelength Division Multiplexing (LWDM) – eingeführt, bei dem Wellenlängen unter Verwendung des sogenannten „O“-Bandspektrums um die Dispersionsnullstelle der traditionellen Einzelmodusfaser gruppiert werden. Damit wird das Empfängerdesign vereinfacht und die Leistung für Verbindungen mit kürzerer Reichweite verbessert. Empfänger, die diese Technologie für Ethernet-Verbindungen verwenden, weisen physikalische Schichten mit der Kennzeichnung 40GBase-LR4 oder 100GBase-LR4, 100GBase-ER4 usw. auf.
Innovationen durch DWDM und optische Leitungsschnittstellen
Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) wurde ursprünglich entwickelt, um dem Mangel an Glasfaseranlagen für Langstrecken- und Backbone-Netze entgegenzuwirken, indem die Anzahl der pro Faser verwendeten Kanäle maximiert und glasfaserbasierte Verstärkungstechniken angewendet wurden, mit denen die Konvertierungsschritte zwischen optisch und elektrisch entfallen. Die Entstehung der DWDM-Technologie brachte auch die Etablierung der standardisierten Wellenlängen-Kanal-Zuordnung des ITU Spectral Grid gemäß der ITU-T Recommendation G.694.1 mit sich.
Ursprünglich wurden Wellenlängen im Bereich von 191,7 THz (1563,86 nm) bis 196,1 THz (1528,77 nm) mit einer festen Kanaltrennung von 100 GHz verwendet, so dass im „C“-Band („C“ für „Conventional“ bzw. konventionell) 44 Kanäle für optische DWDM-Systeme zur Verfügung standen. Dieser Teil des optischen Spektrums wird aufgrund der minimalen Verluste durch Absorption und Streuung bevorzugt, um die Effizienz und Reichweite von Langstreckenverbindungen zu maximieren.
Die stetige Nachfrage nach Netzkapazität hat zu einer Verdichtung des „C“-Band-Spektrums geführt. Nun wird ein engerer Abstand von 50 GHz zwischen den Kanälen verwendet, was Platz für bis zu 88 feste Kanäle im normalen Bandbereich schafft. Außerdem ist eine Erweiterung des Bands zwecks Verwendung angrenzender Kanäle möglich, einschließlich einer Erweiterung in das „L“-Band („L“ für „Long Wavelength“ bzw. große Wellenlänge) in einem Teil des Spektrums, der größere Verluste aufweist und zwischen 184,3 THz (1626,67 nm) und 190,0 THz (1577,44 nm) liegt.
Wenn Kanäle mit hoher Kapazität, die eine größere spektrale Bandbreite benötigen, mit anderen Kanälen kombiniert werden, die eine kleinere Bandbreite tolerieren, ist es für einen Fixed-Grid-Ansatz erforderlich, dass alle Kanäle den größten Kanalabstand verwenden, der im gesamten Bandbereich vorkommt. Dies führt zu einer potenziell ineffizienten Verwendung von Spektrum und zu ungenutzter Kapazität.
Das Aufkommen elektrisch abstimmbarer Filter und optischer ROADM-Netzelemente (Reconfigurable Optical Add Drop Multiplexer) hat in Kombination mit Empfängern/Transpondern, die nach Belieben auf Subgrid-Kanäle abgestimmt werden können, die Möglichkeit eines „Flex Grid“ geschaffen, in dem jeder Kanal oder Träger eine variable Bandbreite und Kanaltrennung verwenden kann.
Synchronerkennung und kohärente Optik
In typischen Glasfaser-Kommunikationssystemen basiert die Erkennung optischer Signale auf der direkten Messung der Intensität des Signals – dies wird als „direkte Erkennung“ (DD) bezeichnet. Auf ähnliche Weise wird eine direkte Modulation des Signals zwischen dem Intensitätsstatus „ein“ und dem niedrigeren Status „aus“ verwendet, um die von einem Sender gesendeten Informationen zu verschlüsseln – diese Methode wird als „Intensitätsmodulation“ (IM) bezeichnet. Zusammengenommen ist dieser Ansatz als „IM-DD“ bekannt, eine Methode, die weithin für Kanäle mit Übertragungsraten bis einschließlich 25 Gbit/s verwendet wird.
Bei Einzelkanal-Übertragungsraten von 100 Gbit/s und darüber hinaus sind diese Modulations- und Erkennungstechniken jedoch nicht geeignet für sinnvolle Entfernungen von Kommunikationsverbindungen. Die erfolgreiche Erkennung und Erfassung von komplizierteren Modulationen, die mehrere Amplitudenhöhen und unterschiedliche Phasenverschiebungen verwenden, bei gleichzeitigem Auftreten mehrerer Lichtpolarisierungen wurde möglich durch das Aufkommen der synchronen Erkennung, auch als „kohärente Optik“ bezeichnet
Systeme mit kohärenter Optik verwenden einen zusätzlichen Laseroszillator, der auf eine bestimmte Frequenz abgestimmt ist und dadurch die Anwendung eines Prinzips der optischen Interferometrie ermöglicht, um optische Signale bei sehr geringer Lichtstärke effizient, sensibel und rauscharm zu erfassen.
DZS hat in Zusammenarbeit mit seinen Partnern auf dem Gebiet der optischen Technologie Neuerungen eingeführt, mit deren Hilfe die kohärente Optik und synchrone Erkennung, die für Langstreckenverbindungen mit 100, 200 und 400 Gbit/s erforderlich sind, auch in Zugangs- und Netz-Edge-Anwendungen verfügbar gemacht werden können, darunter Anwendungen für den Außenbereich.
Offene optische Standards
400ZR, OpenZR+ und OpenROADM bieten offene, interoperable Technologie für optische Systeme und Netze.
Der Standard 400ZR
Die Spezifikationen des 400ZR Implementation Agreement, das vom Optical Interoperability Forum (OIF) erstellt wurde, haben einen der ersten Standards für offene Netze etabliert, mit denen die Interoperabilität von Systemen mit kohärenter Optik ermöglicht wird.
Dieser Standard konzentriert sich auf die Optimierung des Transports von paketbasierten Ethernet-Payloads in Punkt-zu-Punkt-Topologien, einschließlich solcher, die ungeteilte „dunkle“ Faser verwenden, wie es u. a. in Metronetzen und in Datacenter-Interconnect-Anwendungen (DCI) üblich ist.
Zu den technischen Merkmalen der 400ZR-Schnittstelle gehört die Unterstützung von nicht verstärkten Verbindungen mit nur einer Wellenlänge und beschränkter Dämpfung/beschränktem Verlust mit einem Verlustbudget von bis zu 20 dBm sowie von verstärkten DWDM-Verbindungen mit Rauschbegrenzung, mit einer oder mehreren Wellenlängen und mit Reichweiten von 80-120 km.
Obwohl die kohärente Technologie einen abstimmbaren Betrieb mit mehreren Wellenlängen auf gemeinsamen Glasfaseranlagen ermöglicht, wird sie durch die Vorzüge des zuverlässigen Betriebs auf großer Bandbreite und mit großer Reichweite, die aus der verbesserten Erkennungsempfindlichkeit und Streuungstoleranz resultieren, sogar für einfache Einzelkanalanwendungen interessant.
Der Standard OpenZR+
Die technische Spezifikation OpenZR+, die von der Open ZR+ Multi Source Agreement („Open ZR+ MSA“) Group erstellt wurde, stellt eine Alternative zu 400ZR dar, die ebenfalls ein Standard für offene, interoperable Netze darstellt, der auf kohärenter Optik basiert und zusätzliche optische Leistung sowie Flexibilität bei der Dienstart bietet und so einen größeren Kreis von Anwendungen unterstützt.
OpenZR+ verfügt über eine Multi-Rate-Option, die eine Auswahl an verschiedenen Modulationsformaten (QPSK, 8QAM, 16QAM) sowie an verschiedenen Schnittstellengeschwindigkeiten (100, 200, 300 oder 400 GBit/s) bietet. Dieses netzseitige Format unterstützt auch den kanalisierten Betrieb und ermöglicht so verschiedene Client-Payload-Konfigurationen, mit der Option, in jedem DWDM-Kanal mehrere paketbasierte Ethernet-Clients mit Übertragungsraten von 100 oder 200 Gbit/s zu kombinieren.
Die Technologie Open Forward Error Correction (oFEC), die sich von den OpenROADM-Standards ableitet, wird in der DSP-Schicht von OpenZR+-konformen Geräten verwendet, um die Gewinnspanne und die SNR-Leistung von OpenZR+-Schnittstellen zu steigern und ihre Verwendung für einzelne Spans von mindestens 80 km sowie für mehrere Spans mit glasfaserbasierten Verstärkungssystemen für überregionale oder Langstreckenanwendungen zu ermöglichen.
Der Standard OpenROADM
Die optische Spezifikation OpenROADM, die von der Open ROADM Multi-Source Agreement (MSA) Group erstellt wurde, erweitert die Strategie für Standards in Bezug auf offene optische Netze über einzelne Schnittstellenmerkmale hinaus, um eine vollständige Architektur interoperabler optischer Komponenten auf Netzebene zu definieren, einschließlich Reconfigurable Add-Drop Multiplexer (ROADM), Inline-Verstärker, Regenerator, Muxponder, Transponder und zugehörige Pluggable-Optics-Empfänger sowie ein SDN-Steuerungssystem namens OpenROADM Controller, das das kollektive Netz unterstützt.
Netze, die den OpenROADM-Standard implementieren, müssen nicht alle definierten Komponenten implementieren, beispielsweise wenn einfache Punkt-zu-Punkt-Topologien verwendet werden. In diesem Fall werden nur die Grundfunktionen der Schnittstelle auf Wellenlängenebene („W“) verwendet, die von den Transpondern bereitgestellt werden. Wie bei der einfacheren Spezifikation OpenZR+ sind verstärkte Multi-Span-Verbindungen möglich, und der oFEC-DSP-Betrieb wird verwendet, so dass die optische Leistung einzelner Kanäle vergleichbar ist.
OpenROADM unterstützt für Transponder Client-Eingaben über 100-Gbit/s-Ethernet oder mindestens OTU4, die dann in ein 100-Gbit/s-OTU4-DWDM-Signal umgewandelt werden. Unterstützung für die zusätzlichen Übertragungsraten 200 Gbit/s, 300 Gbit/s und 400 Gbit/s wurden in späteren Freigaben der Spezifikation ebenfalls hinzugefügt.
