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Bedingte Vermittlung (CBR)

Regeln für die streckenbasierte Pfadwahl in automatisch geschalteten optischen Netzen und die Auslegung von TBit/s-Übertragungssystemen (CBR)

von
Dr.-Ing. Jens Kissing


Ansprechpartner:
PD Dr.-Ing. habil. Dipl.-Wirt. Ing. Stephan Pachnicke
Dipl.-Ing. Martin Windmann, MSc.

Zusammenfassung

Optische Kommunikationssysteme der nächsten Generation werden durch steigende Datenrate, einer steigenden Signalleistung und Vielkanal-Wellenlängenmultiplex geprägt sein. Es werden daher eine Vielzahl von Degradationseffekten von Bedeutung sein (ASE-Rauschen, PMD, Faser-Nichtlinearitäten, ...).

In neuen Netzgenerationen werden optische Pfade automatisch durch komplexe, vermaschte Netze geroutete (ASTN, Automatically Switched Transport Network). Als einheitliches Protokoll in ASTNs wird G-MPLS (Generalised Mullti-Protocol Label Switching) eingeführt. Kostenvorteile gegenüber bisherigen Netzkonzepten ergeben sich genau dann, wenn optisch transparente Pfade ohne optisch-elektrische Wandlung aufgebaut werden. Durch den Verzicht auf elektrische Signal-Regeneration müssen zwingend Streckenparameter und physikalische Degradationseffekte für die Auswahl geeigneter optischer Pfade eingebunden werden. Zur Realisierung eines zügigen Pfadaufbaus muss daher die Systemgüte eines Pfades schnell bestimmt werden.

Weiterhin kann die Entwicklung und Optimierung von optischer Übertragungssysteme durch analytische Bewertung der einzelnen Degradationseffekte erheblich beschleunigt werden. Eine Vorauswahl prinzipiell möglicher Systementwürfe ist angesichts des großen Parameterraums und der Vielzahl der Degradationseffekte zwingend erforderlich, und sollte im Vorfeld weiterer Untersuchungen (Simulation, Laboraufbau, ...) erfolgen.

Für beide Aufgaben gibt es bislang nur unzureichende Lösungen, Ziel der Arbeiten ist daher die Entwicklung analytischer Formeln zur Bestimmung der Signalgüte aus den Streckenparametern (EDFA-Leistungen, Faserlängen, Dispersion, ...) und Signalparametern (Modulationsformat, Datenrate, ...). Die analytischen Formeln erfüllen die Anforderungen zukünftiger wellenlängengerouteter Netze nach einer schnellen Bewertung eines optischen Pfades, und liefern außerdem den Systementwicklern Aussagen über die jeweils wichtigen Degradationsparameter eines Systems.

Automatisch geschaltete optische Netze

Optische Kommunikationsnetze mit dichtem Vielkanalwellenlängenmultiplex (DWDM, Dense Wavelength Division Multiplex) und Kanaldatenrate über 40 Gbit/s erlauben heute Übertragungskapazitäten über 1 Tbit/s. OXCs (Optical Cross Connects) und OADMs (Optical Add Drop Multiplexer) ermöglichen den Aufbau komplexer vermaschter Netzstrukturen, und somit eine erhöhte Auslastung und einen sicheren Betrieb der Systeme. Dynamische OXCs erlauben den Aufbau neuer und alternative Übertragungspfade in wenigen ms, wodurch ein dynamisches Wellenlängen-Routing mit völlig neuen Netzkonzepten möglicht wird. Ziel dieser Entwicklung ist die Realisierung eines ASTN in der optischen Netzwerkebene. Derzeit eingesetzt werden lediglich elektrische XCs, sodass eine Vielzahl von Sendern und Empfängern notwendig ist. Vorangetrieben wird die Entwicklung optisch transparenter Netze durch die Kosten der Sender und Empfänger in derzeitigen Systemen.

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Abbildung 1: Vermaschtes Transportnetz mit optisch transparenten Bereichen und zugehöriger Kontrollebene

Abbildung 1 zeigt schematisch ein mittels OCXs vermaschtes Kernetz mit transparenten, optischen Bereichen (Domains). Ferner sind Schnittstellen zu anderen Netzen (Interdomain Interfaces) sowie Routern (Core Router) anderer Domänen eingezeichnet. In den OXCs können vollständige DWDM-Signale, Wellenlängengruppen oder einzelne Wellenlängenkanäle beliebig in Ausgangsfaser und Wellenlänge geschaltet werden.

Wesentliche Aufgaben eines ASTN sind unter anderem der Pfadaufbau (Path Setup), die Wiederherstellung eines optischen Pfades nach einem Fehler (Restoration), die Erhaltung eines Pfades (Provisioning), und die Überwachung jedes Pfades zur Fehlerdetektion (Monitoring). Diese Funktionalität wird auf die OXCs bzw. deren Controlern verteilt, um damit die Komplexität übergeordneter TMN-Systeme zu reduzieren, und dadurch einen schnellen Pfadaufbau zu erzielen, sowie eine flexibel erweiterbare Managementebene zu erhalten. Eine Schlüsseltechnologien der OXCs ist ferner die Möglichkeit der selbständigen Erkennung der Topologie des ASTNs (Auto-Topology-Discovery). Die OXCs können ferner Alternativzustände des Netzes für Fehlerfälle im Voraus berechnen (Pre-Provisioning). Somit wird diese Berechnungszeit im Fehlerfall eingespart, und einen schnellere Wiederherstellung ist möglich.

Die technische Entwicklung und die Standardisierung zur Steuerung und Rekonfiguration der Netze konzentrieren sich auf die Erweiterung des Multiprotocol Label Switching (MPLS), welches in IP-Netzen bereits etabliert ist, zum Generalised Multiprotocol Label Switching (G-MPLS). Wesentliche Bedeutung liegt in der Implementierung von Routing und Rekonfiguration in G-MPLS.

Die Realisierung von weiträumig vermaschten ASTNs mit großer Übertragungsdistanzen, sowie hohen Kanaldatenraten erfordern die Berücksichtigung der Signalqualität bei der Wahl eines geeigneten optischen Pfades. Der Verarbeitung von Restriktionen bei der Pfadwahl ist in der Literatur bereits unter dem Begriff "Constraint Based Routing" bekannt. Bisher waren die Restriktionen aber vor allem durch wirtschaftliche Gesichtspunkte begründet, so könnten zum Beispiele die Nutzung von Strecken fremder Netzbetreiber die Kosten erhöhen, und andere Pfade bevorzugt gewählt werden.

Wird nun die Signalqualität berücksichtigt, so müssen die Streckenparameter der einzelnen Faserabschnitte (verwendete Faser, Dispersionsmanagement, Verstärkerabstände und Leistungen, ...), aber auch das verwendete Modulationsformat, Kanaldatenraten und Kanalanzahl einbezogen werden. Die Streckenparameter können dem Link Management Protokoll (LMP) der korrespondierenden OXCs entnommen werden. Aus diesen Parametern müssen nun Restriktionen formuliert wurden, z.B. in Form einer Bitfehlerrate (BER, Bit Error Rate), welche die Güte des Übertragungspfades beurteilt. Um einen schnellen Pfadaufbau zu erreichen, muss die Berechnung der BER extrem schnell erfolgen, umfangreiche Systemsimulationen können nicht durchgeführt werden. Aufgrund des steigenden Vermaschungsgrades und der steigenden Anzahl der Netzknoten, nimmt auch die Anzahl der möglichen Übertragungspfade drastisch zu, sodass eine Vorberechnung oder Simulation der BER eines jeden Pfades ebenfalls nicht möglich ist. Eine geeignete Lösung ist die schnelle Prognose der BER eines vollständigen optischen Pfades mit Hilfe von analytischen Approximationsformeln.

Die Einbindung der zur erwartenden Signalqualität eines Pfades in das Constraint Based Routing ist dabei eine noch unzureichend gelöste Aufgabe, welches allerdings bereits in der Standardisierung von ASTNs berücksichtigt werden muss. Die Definition einer einheitlichen Maßzahl zur Bewertung eines Faserlinks reicht dabei nicht aus, jeder Degradationseffekt muss separat analysiert werden. Zur Bewertung eines optischen Pfades müssten die Maßzahlen der einzelnen Links akkumuliert werden, dieses kann allerdings keinesfalls ohne Wissen des basierenden Effektes erfolgen, da keine lineare Akkumulation aller Degradationseffekte angenommen werden darf. Eine BER-Prognose kann erst nach Kenntnis aller Degradationseffekte, und somit erst mit Kenntnis der Streckenparameter erfolgen, es ist nicht möglich eine pauschale BER-Degradation eines Faserlinks zu berechnen, und somit einen Faserlink durch eine Maßzahl ausreichend zu charakterisieren.

Ebenso wichtig wie die Bestimmung der BER eines gesamten Pfades ist die Prognose des Signalgüte auf dem Übertragungspfad. Diese werden ständig mit den tatsächlichen Signalgüten verglichen (Monitoring). Das Monitoring muss dabei in nahezu Echtzeit erfolgen. Wird eine Grenze überschritten, so ist ein Fehler detektiert, und ein alternativer Pfad wird geschaltet. Das Monitoring sollte so günstig wie möglich realisiert werden, eine bitsynchroner Empfänger mit BER-Bestimmung ist somit nicht gewünscht. Alternative Verfahren zur Bewertung der Signalqualität sind die Messung des optischen und elektrischen Spektrums, und die Bestimmung der spektralen Signalbandbreite.

Auslegung und Bewertung von Transportstrecken höchster Kapazität

Moderne Systeme werden durch effiziente Ausnutzung der Bandbreite der Faser geprägt sein. Technologien zukünftiger Systeme sind daher bandbreiteneffiziente Modulationsformate (Duobinäre Codierung, Einseitenbandmodulation, ...), Polarisationsmultiplex, aber auch DWDM mit sehr engem Kanalabstand. Auch die Entwicklung neuer Verstärker für noch nicht erschlossene Übertragungsbänder (S-Band, L-Band, ...) ermöglicht den Einsatz extrem vieler WDM-Kanäle (>>100). Ein solches System im Labor aufzubauen ist extrem teuer und zeitaufwendig. Zu Beginn solcher Entwicklungen sollte daher ein Systemdesign mit Berechnungen und Simulationen evaluiert werden, um frühzeitig richtungsweisende Entscheidungen über die zu beschaffende Infrastruktur, sowie den weiteren Verlauf und die Ziele der Entwicklung definieren zu können.

In konventionellen Systemen waren stets Rauschbeiträge der EDFAs und das Leistungsbudget die wichtigen Übertragungseffekte. Mit zunehmender Datenrate, Leistung und abnehmendem Kanalabstand gewinnen neben linearen auch nichtlineare Fasereffekte an Bedeutung. Wesentliche Intrakanaleffekte sind Signalverzerrungen durch unkompensierte Dispersion, aber auch Verzerrungen durch Selbstphasenmodulation (SPM, Self Phase Modulation). In Systemen hoher Datenrate (>10 Gbit/s) werden Polarisationsmodendispersion (PMD) und deren Kompensation extrem wichtig sein. Auch Intrakanaleffekte wie Kanalnebensprechen aber auch Kreuzphasenmodulation (XPM, Cross Phase Modulation) und Vierwellenmischung (FWM, Four Wave Mixing) gewinnen bei hohen Leistungen an Bedeutung. Eine Systemoptimierung ist nicht möglich solange aus der Vielzahl der wichtigen Effekte nicht die dominanten Effekt ermittelt sind. Für zukünftige Systeme ist es daher außerordentlich wichtig, kompakte analytische Formeln zur Bewertung der einzelnen Degradationseffekte zu haben.

Der Systementwickler bekommt somit einen extrem schnellen Zugang (innerhalb weniger Sekunden) zu den gewünschten Ergebnissen (z.B. die BER). Die Formeln sind für jeden Effekt separat entwickelt, so dass sofort der dominierende Effekt ermittelt ist. Anhand der Formel des dominierenden Effektes lassen sich dann ferner Maßnahmen zur Systemoptimierung ableiten.

Durch die analytische Systembewertung lassen sich grundlegende Fragen beantworten, so begegnet Systementwicklern und Betreibern stets die Frage nach der optimalen Faser für derzeitige und zukünftige Systeme. In 40 Gbit/s-Systemen ist eine dispersionsverschobene Faser (NZDSF, Non Zero Dispersion Shifted Fibre) bzgl. SPM im Vorteil im Vergleich zur Standart Einmodefaser (SSMF, Standard Single Mode Fibre), auf der SSMF wird dagegen weniger FWM erzeugt. Mit Hilfe der analytischen Formeln kann für gegebene Anforderungen die geeignete Faser ausgewählt werden.

Auch bei einem Systemausbau z.B. der Erhöhung der Kanaldatenrate von 10 auf 40 / 80 oder 160 Gbit/s lassen sich entstehende Problemstellungen schnell herauskristallisieren, und Lösungswege ermitteln. So ist zum Beispiel in 10 Gbit/s in der Regel die XPM der dominierende nichtlineare Effekt, in 40 Gbit/s-Systemen die SPM.

Für die Vertriebsabteilungen der Systemanbieter sind analytische Approximationsformeln für die Güte eines Übertragungssystem außerordentlich wichtig. Ausgehend von modularen Standardsystemen werden die kundenspezifischen Anpassungen z.B. an eine bestehende Infrastruktur oder geografische Verhältnisse adaptiert. Um auch nach der Adaption des Standardsystems noch eine ausreichende BER garantieren zu können, werden große, pauschale Gütetoleranzen eingebaut, welche gegebenenfalls nicht notwenig oder überdimensioniert sind. Die Sicherheitsmargen sind dabei nur durch Unkenntnis der unterliegenden Effekte und deren Verhalten begründet. Durch die Bewertungsregeln können kundenspezifische Adaptionen des Standardsystems erheblich geschickter durchgeführt werden, Sicherheitsmargen minimiert, und dadurch Kosten gespart oder die Leistungsfähigkeit des Systems erhöht werden.

Auch für Systembetreiber sind die Bewertungsregeln wichtig, sie können die Argumentation der Systemanbieter im Verkaufsgespräch nachvollziehen, und technisch relevante Aspekte von verkaufsstrategischen trennen. Durch die Kenntnis und die Bewertung der physikalischen Effekte lässt sich dann das aus physikalischer Sicht wirklich optimale Angebot herauskristallisieren.

Die hohe Anwendungsrelevanz bei der Systemoptimierung wird beispielhaft an einem 40 Gbit/s WDM-System mit 100  GHz Kanalabstand gezeigt. Das System ist aus kaskadierten Sektionen von jeweils einem EDFA, einer SSMF mit einer Länge von 80 km und entsprechender Dispersionskompensation aufgebaut. Als Gütemaß zur Bewertung eines Effektes wird die mögliche Übertragungsdistanz bis zum Erreichen einer limitierenden Systemgüte (EOPLIMIT=1,5 dB; QLIMIT=7) verwendet.

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Abbildung 2: Maximale Übertragungsdistanz über der Kanalleistung am Beginn der SSMF auf Grund verschiedener Degradationseffekte

Abbildung 2 zeigt die maximale Übertragungsdistanz über der Kanaleingangsleistung der SSMF für verschiedene Degradationseffekte. Die beiden ASE-Rauschbeiträge (ASE-ASE-Schwebungsrauschen und ASE-Kanal-Schwebungsrauchen) limitieren bei geringen Leistungen die Reichweite. ASE-Kanal-Schwebungsrauschen ist dabei der dominierende Rauscheffekt. Bei hohen Kanalleistungen limitieren nichtlineare Fasereffekte die Reichweite, in Systemen hoher Datenrate in der Regel die SPM. Der Systementwickler kann nun durch geeignete Wahl der Kanaleingangsleistung die Reichweite optimieren. Die optimale Leistung liegt im Schnittpunkt der Kurven von ASE-Kanal-Schwebungsrauschen und SPM. PMD ist ein leistungsunabhängiger Effekt, es hat in unserem Beispiel keine signifikanten Bedeutung.